神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在汽輪機(jī)控制系統(tǒng)上的研究

劉憲民

摘? 要：該文針對目前的汽輪機(jī)控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)PID控制的研究現(xiàn)狀，分析電廠的實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)存在非線性的問題，如死區(qū)特性、限幅特性、摩擦特性、滯環(huán)特性。引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法解決汽輪機(jī)控制系統(tǒng)上的非線性問題，并給出 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制結(jié)構(gòu)圖，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及傳統(tǒng)PID控制各自的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過各個(gè)控制算法的優(yōu)點(diǎn)補(bǔ)償各自的不足，進(jìn)而能夠達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)處在一個(gè)有效的控制范圍內(nèi)，并仿真建模，通過傳統(tǒng)控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制對比，闡述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在汽輪機(jī)控制系統(tǒng)非線性問題上的有效改善。

關(guān)鍵詞：PID控制? BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)? 汽輪機(jī)

中圖分類號：U672 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（a）-0067-02

1? 汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)PID控制

對于傳統(tǒng)的PID控制器來說，由于研究的時(shí)間較長，使得目前的PID控制器具有操作簡便，結(jié)構(gòu)簡易的特點(diǎn)。同時(shí)該控制器具有十分強(qiáng)的通用性，能夠應(yīng)用到工業(yè)的各個(gè)控制系統(tǒng)中。在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用過程中，當(dāng)涉及到PID控制，只需有效地進(jìn)行比例、積分、微分的調(diào)整便能夠達(dá)到有效的控制。對于PID控制器中的參數(shù)選取來說，一般是根據(jù)電廠的實(shí)際情況以及操作人員的經(jīng)驗(yàn)使用試湊法進(jìn)行參數(shù)選取?？刂屏恐饕怯删€性的組合組成。

實(shí)際的運(yùn)行過程中，引入比例環(huán)節(jié)主要的作用就是為了能夠減小系統(tǒng)偏差。對于引入積分環(huán)節(jié)來說，其主要的作用是消除系統(tǒng)中的靜差，對于積分環(huán)節(jié)來說，當(dāng)時(shí)間越多，積分環(huán)節(jié)發(fā)揮的作用就會(huì)減小，時(shí)間越少，那么積分作用的效果就會(huì)更強(qiáng)。對于PID控制系統(tǒng)的微分環(huán)節(jié)來說，其主要的作用的減小超調(diào)時(shí)間，進(jìn)而使得整個(gè)控制系統(tǒng)的回應(yīng)速度增加。對于這3個(gè)參數(shù)來說，當(dāng)確定好后，就不能發(fā)生改變。但是在實(shí)際的運(yùn)行過程中，當(dāng)系統(tǒng)中的某一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生改變時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致這3個(gè)參數(shù)不再是最優(yōu)的選擇，因此需要重新進(jìn)行相應(yīng)的改變，進(jìn)而滿足新的變化。

對于偏差來說，一般都是對離散時(shí)刻中的偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，因此，對于PID算法來說，不能夠直接地應(yīng)用該數(shù)據(jù)。為了解決這個(gè)問題，慢慢地又開發(fā)了離散化的方法，即數(shù)字PID控制。該算法具備了以往模擬PID特點(diǎn)，進(jìn)而使得整個(gè)PID算法得到了有效升級。目前主要分為增量式PID控制算法以及位置式PID。對于位置式PID算法來說，由于公式中的微分項(xiàng)以及積分項(xiàng)不能夠直接拿來采用，那么就必須將一段時(shí)間內(nèi)的采用點(diǎn)作為替代。其中，微分用一階增量代替，積分使用矩陣代替。

2? 汽輪機(jī)電液伺服系統(tǒng)非線性特性

對于汽輪機(jī)的電液伺服系統(tǒng)來說，其在運(yùn)行的過程中一般都會(huì)存在較多的非線性因素，比如摩擦、滯環(huán)，力矩馬達(dá)限幅特性以及滑閥死區(qū)特性。

（1）死區(qū)特性，其主要是在零附近的一個(gè)較小的范圍，當(dāng)輸入的信號超出這個(gè)較小的范圍時(shí)，就會(huì)有相應(yīng)的信號輸出，當(dāng)輸入的信號在這個(gè)較小的范圍時(shí)，就不會(huì)有信號輸出。對于死區(qū)特性，一般檢測元件、放大元件以及執(zhí)行元件都會(huì)存在，因此，需要對其進(jìn)行有效的研究，確定死區(qū)的范圍，以保證整個(gè)控制系統(tǒng)的精度。

（2）限幅特性，其主要的作用是限制輸出信號的幅值，當(dāng)輸入的信號逐漸的超出一定的范圍時(shí)，輸出信號不會(huì)隨著輸入信號的增加而呈現(xiàn)線性的上升，此時(shí)的輸出會(huì)保持在一定的常數(shù)。

（3）摩擦特性，對于摩擦特性來說，其主要存在兩個(gè)部分，主要有庫倫摩擦力與粘性摩擦力，對于粘性摩擦力來說，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度較高的時(shí)候，可以忽略不計(jì)，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度較低的時(shí)候，該摩擦力就會(huì)產(chǎn)生滯環(huán)，進(jìn)而導(dǎo)致位置靜差，使得整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能降低。對于庫倫摩擦力來說，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度較高時(shí)，系統(tǒng)的回應(yīng)速度增大，而在低速時(shí)，整個(gè)庫倫摩擦力則增加了整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。

（4）滯環(huán)特性，對于滯環(huán)特性來說，其主要是將輸入信號與間隔相比較，若輸入信號大于間隔，那么整個(gè)元件的輸出信號與輸入信號會(huì)達(dá)成線性的關(guān)系，而當(dāng)輸入的信號小于元件間隔時(shí)，此時(shí)的元件是沒有輸出的。

3? BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要是由美國的Rumelhart以及McCelland等科學(xué)家提出并逐漸研究的算法，就目前的應(yīng)用程度來看，該方法是應(yīng)用較為廣泛的方法之一。相比較于其他的方法，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，能夠有效地將各種信息進(jìn)行總結(jié)以及學(xué)習(xí)，通過相應(yīng)的處理與計(jì)算得出相對應(yīng)的輸出結(jié)果，即得出輸入與輸出之間的映射關(guān)系。一般來說，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型主要包括3個(gè)部分，即輸入層部分、隱含層部分以及輸出層部分。

對于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來說，其學(xué)習(xí)過程中主要存在4個(gè)步驟。

（1）前向傳遞：輸入經(jīng)中間層向輸出層傳播。

（2）反饋傳播：輸出誤差反向修正權(quán)值、閡值。

（3）循環(huán)訓(xùn)練：前向傳遞與反饋傳播交替循環(huán)。

（4）誤差判斷：判定誤差是否達(dá)到預(yù)先設(shè)定值。

對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來說，器具與較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，為了能夠得到較好的調(diào)節(jié)能力以及非線性能力，就必須調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的一些關(guān)系。對于PID控制算法來說，其能夠有效地解決系統(tǒng)的回應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)誤差等一些指標(biāo)問題，但是對于一些非線性的問題無能為力，因此引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行問題分析。該小節(jié)主要是結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及傳統(tǒng)PID控制各自的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過各個(gè)控制算法的優(yōu)點(diǎn)補(bǔ)償各自的不足，進(jìn)而能夠達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)處在一個(gè)有效的控制范圍內(nèi)。對于基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID算法，其能夠有效地針對系統(tǒng)的靜與動(dòng)做出及時(shí)的反應(yīng)，以便在系統(tǒng)遇到復(fù)雜情況時(shí)，能夠有效處理。同時(shí)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，還能夠更好地選取傳統(tǒng)PID的比例、積分、微分三者之間的關(guān)系。圖1為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制結(jié)構(gòu)圖。

通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法，基本可以得出整個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制主要存在兩個(gè)方面：一方面為輸出與輸入之間要經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算，另一方面是輸入到輸出這個(gè)過程需要信號按照傳遞函數(shù)的順序進(jìn)行傳導(dǎo)。

4? 結(jié)語

該文介紹了傳統(tǒng)PID以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，通過提出汽輪機(jī)控制存在非線性關(guān)系的問題引出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID控制相結(jié)合，得出一種新的控制方法應(yīng)用到汽輪機(jī)控制系統(tǒng)中去。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾嫣，樊久銘，姚大坤.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)建模[J].電站系統(tǒng)工程，2007（4）：27-28.

[2] 張世海，劉雄彪，李錄平.600MW汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子系統(tǒng)建模與動(dòng)力學(xué)特性分析[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2016，58（1）：13-16.

[3] 黎波，陳軍，張偉明.電液伺服系統(tǒng)建模辨識與控制的研究現(xiàn)狀[J].機(jī)床與液壓，2016，44（13）：168-172.