一種類電磁機制算法在鍋爐主汽溫系統的研究

周 斌， 陳 晶， 張雅雯， 薛 東

(安徽電氣工程職業技術學院，安徽 合肥 230051)

當前發電廠普遍采用大容量、高參數機組,對控制系統的控制要求相對較高,其中機組主汽溫度控制是一個常熟常新的研究課題。主汽溫控制系統在實際運行中要求溫度變化范圍向上不超過5℃向下不超過10℃。科研學者將各種新興的智能控制算法應用于主汽溫系統中,類電磁機制算法就是2003年提出的智能優化算法,其原理簡單,收斂速度快,全局優化性能顯著,本文對其進行深入研究,對算法的不足之處進行改進,針對單元機組主蒸汽溫度控制系統被控對象的特點,選取具有代表性的數學模型,用改進的類電磁機制算法對主汽溫控制系統控制器參數進行仿真優化。

1 傳統的類電磁機制算法

傳統的類電磁機制算法首先參照人為制定的規則計算粒子的帶電量的多少,然后根據靜電力計算法則對粒子的受力情況進行分析,最后根據力的合成法則計算解空間中的每個粒子(問題解)受到的合力,所有粒子在合力作用下沿著合力方向進行位置移動更新,根據精度要求制定算法的終止條件,經過有限步的迭代運算,最終在滿足終止條件的基礎上求出目標函數的全局最優值[1]。

2 類電磁機制算法的改進

2.1 初始種群

傳統的類電磁機制算法構建初始化種群,由于粒子的產生的隨機性,高維度的函數可能導致算法陷入局部最優,為避免這種情形的發生,使用夾角余弦的定義構造算法的初始種群,夾角余弦的取值范圍為[-1,1],余弦值與夾角大小存在負相關關系,所以本文用夾角余弦來衡量種群中粒子間的相似度,在空間概念上區分粒子之間的差異,在初始化種群的過程中,限定個體間的夾角余弦范圍[-1,0.5],保證粒子相互之間的差異性的存在,同時能夠使粒子在初始種群中分布的均勻性。

生成M個粒子,初始化種群population=X,種群規模size=M,問題維度dim=N

1:定義一個數組pop(M,N);

2:int i,M;

3:random generate a individual a1;pop(1) a1

4:for i=2 to M

5:generate a individual ai;

6:calculate cos(a1,ai)

7:if (cos(a1,ai)<0.5) pop(i) ai

8:else delete and renew ai返回step5

9:end if

10:end for

11:return pop

2.2 引入決策因子和變異因子的雙因子局部搜索算法

局部搜索算法也就是說在一個較小的鄰域內搜索比當前粒子適應值更小的粒子,并進行循環替代的過程,為了減小算法的時間復雜度,提高算法的收斂速度,在算法的局部搜索這一步驟,將對當前最優的粒子進行,對局部搜索算法做如下修改[2]:

(1)隨機選定2個變量αβ∈(0,1)。定義α為決策因子,β為變異因子;

(2)局部最優解更新。定義如下:若α≥0.5,r1=xbest+β(μk-xbest);否則,r2=xbest-β(xbest-lk);

2.3 粒子合力計算簡化

類電磁機制算法中粒子xi所帶電荷量Qi的大小決定了其吸引力或者排斥力的大小,傳統類電磁機制算法中粒子的電荷量計算公式如式(1):

(1)

合力的計算公式如式(2):

(2)

針對電荷量和合力計算方面存在的弊端,將合力計算式(2)改進為式(3):

(3)

2.4 基于自適應步長修正因子的粒子位置更新

作者對粒子更新規則改進如下:

粒子位置更新:

(4)

3 基于改進類電磁機制算法的PID參數優化及其仿真

某300MW火電機組鍋爐60%負荷下,控制系統框圖如圖1所示。

圖1 主汽溫串級控制系統框圖

PID依然是目前工業現場主流的控制器, 其典型傳遞函數如式

(5)

對于火電廠控制系統,系統運行過程經常采用經驗試湊法整定PID的參數,長期的實踐表明,經驗的PID參數能滿足系統的品質要求。故可將經驗值選定為類電磁機制等優化算法的初值數據,根據這個數據計算出參數區間,以減少計算尋優時間。

約束條件:Mp<15%,tr<500,ts<1500,0.76<φ<0.98

優化參數的論域選為:δ1∈(1,5),ti1∈(50,400),δ2∈(0.1,1),Ti2∈(50,150)

選取穩定工況下60%負荷主蒸汽溫度對象模型,使用改進的類電磁機制算法對內外回路的PI控制器參數δ1,Ti1,δ2,Ti2 4個參數尋優。種群規模取100,最大迭代數取100,局部最大迭代次數取20,待優化4個參數的區間上限為[5,400,1,150],下限為[1,50,0.1,50]。優化得到的PID參數結果為δ1=1.1587,Ti1=288.2909,δ2=0.2276,Ti2=50.1650=50.1650。優化后的主蒸汽溫度單位階躍響應如圖2所示,品質指標為衰減率為0.816、超調量16.1%、。同理獲得45%、75%負荷主蒸汽溫度對象模型的單位階躍響應曲線如圖3所示。

圖2 60%負荷單位階躍響應曲線

圖3 3個穩定工況點優化對比分析圖

從優化結果來看,控制品質達到了設計要求,利用改進的類電磁機制優化算法整定的主汽溫串級控制系統的品質性能較好,負荷波動時的單位階躍響應顯示該系統具有較強的魯棒性[3]。

4 結束語

本文所研究的基于改進類電磁機制算法的主汽溫控制系統優化取得了很好的控制效果,此方法原理簡單、方便實施,是一種值得關注并應用的策略。