郭佳穎，劉延泉，張凱旋

(華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003)

單神經(jīng)元自抗擾控制技術(shù)在汽包水位系統(tǒng)中的應(yīng)用

郭佳穎，劉延泉，張凱旋

(華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定071003)

針對自抗擾控制器(ADRC)在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中整定參數(shù)較多且不易整定的不足，提出了單神經(jīng)元自抗擾控制(SNADRC)技術(shù)方案。自抗擾控制器是一種新型的非線性控制器，對模型精度要求不高，且具有優(yōu)良的魯棒性能和較好的控制品質(zhì)。單神經(jīng)元具備良好的自學(xué)習(xí)、自整定能力，以及結(jié)構(gòu)簡單、算法收斂快、適應(yīng)能力強(qiáng)的特性。該方案采用單神經(jīng)元控制模塊，改進(jìn)了自抗擾控制器的非線狀態(tài)誤差反饋(NLSEF)模塊，不僅降低了參數(shù)整定的數(shù)目，且具有較強(qiáng)的自我調(diào)節(jié)和自我學(xué)習(xí)的能力，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的在線自整定。對傳統(tǒng)PID鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)與單神經(jīng)元自抗擾鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果表明，單神經(jīng)元自抗擾控制系統(tǒng)超調(diào)量更低，抗干擾能力更強(qiáng)。該控制器具有優(yōu)良的應(yīng)用前景。

鍋爐； 單神經(jīng)元； 自抗擾控制； 非線性反饋; 汽包水位； 三沖量； PID控制

0 引言

確保鍋爐汽包水位在一定的范圍內(nèi)是鍋爐機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行所必不可少的條件，也是鍋爐安全運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)之一[1-2]。目前，針對鍋爐汽包水位控制，許多學(xué)者提出了改進(jìn)控制方案。胡昊等人將模糊控制方案應(yīng)用到汽包水位中，但模糊參數(shù)調(diào)試通常對經(jīng)驗(yàn)的依賴性強(qiáng)[3]。袁俊文提出了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合模糊控制理論的方案，但該方案計(jì)算量比較大，控制規(guī)律復(fù)雜[4]。張哲等將內(nèi)膜控制引入汽包水位串級控制系統(tǒng)，但結(jié)果顯示內(nèi)膜控制對汽包水位系統(tǒng)造成的誤差極為敏感[5]、自抗擾控制器(activedistrurbancerejectioncontroller,ADRC)[6]可調(diào)參數(shù)多且整定困難，一定程度上阻礙了它的廣泛應(yīng)用。張兆清等針對自抗擾控制器的參數(shù)整定，采用了單神經(jīng)元改進(jìn)非線性狀態(tài)誤差反饋(nonlinearstateerrorfeedback,NLSEF)[7]。為此，本文將單神經(jīng)元自抗擾控制(singleneuronactivedisturbancerejectioncontrol,SNADRC)應(yīng)用于汽包水位系統(tǒng)。仿真結(jié)果顯示，該方法具有優(yōu)良的控制品質(zhì)。

1 單神經(jīng)元自抗擾控制器

自抗擾控制器主要由3部分構(gòu)成：跟蹤微分器(trackingdifferentiator,TD)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(extendedstateobserver,ESO)和NLSEF[8]。為了減少ADRC參數(shù)整定的數(shù)量，采用單神經(jīng)元(singleneuron,SN)改進(jìn)NLSEF。改進(jìn)后的自抗擾控制器則主要由TD、ESO、SN構(gòu)成。二階SNADRC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 二階SNADRC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

以二階控制系統(tǒng)為例，其狀態(tài)微分方程為：

(1)

式中：w(t)為未知擾動(dòng)。

1.1非線性狀態(tài)誤差反饋

利用TD生成的跟蹤信號V1和過渡微分信號V2與ESO估計(jì)出的狀態(tài)信號Z1、Z2作差，得到系統(tǒng)誤差信號e1、e2[9]。其算法如式(2)所示：

(2)

式中：fal(·)為選取的非線性函數(shù)。

從式(2)可知，NLSEF需要整定5個(gè)參數(shù)，即α1、α2、α3、β1、β2。

1.2基于單神經(jīng)元誤差反饋環(huán)節(jié)

單神經(jīng)元輸入向量一般為三維，其穩(wěn)定性更強(qiáng)[10]。為此，在式(2)中添加1個(gè)輸入量，則輸出量為：

u0=β1fal(e1,α1,δ)+β2fal(e2,α2,δ)+

β3fal(e3,α3,δ)

(3)

單神經(jīng)元的3個(gè)輸入分別為：

(4)

式中：e3=e1(k)-e1(k-1)。

系統(tǒng)性能指標(biāo)e(k)=v0(k)-y(k)。

離散控制信號U(k)為：

(5)

單神經(jīng)元控制器通過調(diào)整加權(quán)系數(shù)實(shí)現(xiàn)其自組織、自適應(yīng)能力。本文采用有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則對權(quán)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整[11]，規(guī)范后的控制算法如式(6)所示：

(6)

式中：wi為權(quán)值系數(shù)；Z(k)=e(k)=v0(k)-y(k)；η1、η2、η3分別為積分、比例、微分學(xué)習(xí)效率。

文獻(xiàn)[7]指出，適當(dāng)選取比例系數(shù)k，使η1、η2、η3取(0,1)的隨機(jī)值，系統(tǒng)也可趨于穩(wěn)定。

2 基于SNADRC的汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SNADRC-PID串級三沖量汽包水位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示[12]。圖2中：H0為汽包水位設(shè)定值；H為汽包水位真實(shí)測量值；D和w分別為蒸汽量擾動(dòng)和給水流量擾動(dòng)；SNADRC為單神經(jīng)元自抗擾控制器；Gw1為給水流量對鍋爐汽包水位傳遞函數(shù)；Gw2為蒸汽流量對鍋爐汽包水位的傳遞函數(shù)。

圖2 三沖量汽包水位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖2可知，該鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)副調(diào)節(jié)器先進(jìn)行粗調(diào)，當(dāng)w改變時(shí)，內(nèi)環(huán)能夠快速消除擾動(dòng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)抗內(nèi)擾能力；前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以克服“虛假水位”造成的干擾，減少D變化帶來的擾動(dòng)[13]。SNADRC控制器的輸入是H0和H,該控制器調(diào)節(jié)的汽包水位值更精確，控制系統(tǒng)的控制精度更高。

3 仿真分析

正常運(yùn)行狀態(tài)下，某電廠的鍋爐汽包水位系統(tǒng)對象模型和相關(guān)參數(shù)[14]如下。

rw=rD=0.083

rh=0.033

αd=αw=0.21

kr=20

傳統(tǒng)串級三沖量汽包水位控制系統(tǒng)的主、副回路均采用PID進(jìn)行調(diào)控。本文選取的控制方案如下：主回路采用SNADRC，副回路仍使PID控制器進(jìn)行調(diào)控。仿真試驗(yàn)從以下3個(gè)方面進(jìn)行分析研究。

3.1傳統(tǒng)PID與單神經(jīng)元自抗擾控制器仿真比較

傳統(tǒng)汽包水位控制系統(tǒng)副回路選取PI控制規(guī)律，即kp=1、ki=0.2；主回路選取PID控制規(guī)律，即kp=0.5、ki=0.02、kd=8。在單神經(jīng)元自抗擾控制器參數(shù)整定過程中，可得:神經(jīng)元模塊參數(shù)kp=0.1、ki=0.4、kd=0.4；ESO模塊參數(shù)α1=0.5、α2=0.25、β1=10、β2=50、β3=100；TD模塊參數(shù)r=100、h=0.01、T=0.01。傳統(tǒng)汽包水位輸出曲線如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)汽包水位輸出曲線

圖3中：控制系統(tǒng)在t=1000s 時(shí)，加入20%的給水流量擾動(dòng)；在t=2000s 時(shí)，加入20%的蒸汽流量擾動(dòng)。從圖3中的曲線可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)PID-PID控制器的超調(diào)量比較大，而SNADRC基本沒有超調(diào)量。當(dāng)發(fā)生蒸汽和給水流量擾動(dòng)時(shí)，SNADRC曲線波動(dòng)相對較小。由此可見，改進(jìn)后的控制器抗干擾能力更強(qiáng)。

3.2神經(jīng)元比例系數(shù)對控制效果的影響

在SNADRC參數(shù)整定過程中，為觀察神經(jīng)元比例系數(shù)k對鍋爐汽包水位系統(tǒng)控制效果的影響，只改變k值大小，其他參數(shù)保持不變。選取的k值分別為0.45、0.55、0.75。觀察汽包水位H的變化，不同k值下的汽包水位輸出曲線如圖4所示。

圖4 不同k值下的汽包水位輸出曲線

從圖4可知，汽包水位的控制效果受k值影響。當(dāng)k值越大，系統(tǒng)的快速性越好，但相對的超調(diào)量也較大；當(dāng)k值越小，系統(tǒng)的快速性越差，但比較穩(wěn)定。對于鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，水位H應(yīng)盡量避免劇烈變化。所以，k值的選取應(yīng)根據(jù)水位系統(tǒng)工況需求適當(dāng)調(diào)節(jié)。

3.3模型參數(shù)對控制效果的影響

圖5 改變模型參數(shù)的汽包水位輸出曲線

從圖5可以看出，當(dāng)模型傳遞函數(shù)的參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)汽包水位H的輸出值略有不同，證明了該控制系統(tǒng)具備良好的抗擾能力及動(dòng)態(tài)特性。

4 結(jié)束語

改進(jìn)的自抗擾控制器將需要整定多個(gè)參數(shù)的非線性誤差反饋模塊改進(jìn)為只需調(diào)整單神經(jīng)元比例系數(shù)k的單神經(jīng)元模塊，不僅解決了ADRC參數(shù)多、整定復(fù)雜的問題，而且增強(qiáng)了系統(tǒng)的自適應(yīng)性。在鍋爐汽包水位串級三沖量控制系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)PID控制器相比，單神經(jīng)元自抗擾控制器具有更小的超調(diào)量和顯著的抗干擾能力。仿真結(jié)果表明，單神經(jīng)元自抗擾控制器具有較好的控制品質(zhì)。

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ApplicationofSingleNeuronActiveDisturbanceRejectionControlTechniqueinDrumWaterLevelSystem

GUO Jiaying,LIU Yanquan,ZHANG Kaixuan

(School of Control and Computer Engineering,North China Electric Power University,Baoding071003,China)

In the boiler drum water level control system,according to the deficiency of ADRC,such as too many tuning parameters and not easy to tune,a single neuron active disturbance rejection control(SNADRC) technique strategy is presented.The active disturbance rejection controller is a new kind of nonlinear controller,which does not requests high model accuracy,with good robustness and good control quality.The single neuron has good self-learning,self-tuning ability,and simple structure,fast convergence and strong adaptability.Therefore,the scheme adopts the single neuron control module to improve nonlinear state error feedback (NLSEF) module of active disturbance rejection controller,thus the number of parameters which needs to be tuned is reduced,and it has stronger ability of self regulating and self learning,and then the parameter online self-tuning can be realized.The control performance of the traditional PID boiler drum water level control system and the single neuron active disturbance rejection boiler drum water level control system are compared.The simulation results show that the SNADRC features lower overshoot,stronger anti-interference ability,which has good application prospect.

Boiler; Single neuron; Active disturbance rejection control; Nonlinear feedback; Drum water level; Three impulse; PID control

TH-39;TP29

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710010

修改稿收到日期:2017-03-30

郭佳穎(1992—)，女，在讀碩士研究生，主要從事先進(jìn)控制理論及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用等研究。E-mailyingjia99@sina.cn。

劉延泉(通信作者)，男，碩士，副教授，主要從事PLC、DCS及其應(yīng)用、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化等研究。

E-mail:Composer_liu2000@yaboo.com.cn。