人工免疫系统及其在锅炉汽包水位控制中的应用

论文摘要

工业锅炉是一个多输入、多输出、多回路的强非线性控制对象。汽包水位是工业锅炉安全、稳定运行的重要指标,是自动控制的重要环节。经过多年的理论研究,目前已形成多种控制策略。但由于系统存在惯性滞后、非线性、时变等特点,采用传统的控制理论无法取得理想的控制品质。本文基于免疫系统的调节机理提出了一种免疫优化算法和一种新型免疫PID控制器,并把它们应用于工业锅炉汽包水位控制系统,以改善控制的品质。概括介绍了免疫学知识和目前主要的免疫学习算法,分析了遗传算法早熟收敛的机理。在此基础上,模拟生物体的抗原识别、免疫应答等实际免疫行为,提出一种新的人工免疫算法。从理论上证明了算法的全局收敛性,并用两个测试函数对算法的性能进行了测试,仿真结果表明,该算法可以有效改善未成熟收敛的缺陷,提高全局和局部搜索能力,证明了算法的有效性。探讨生物免疫系统的调节规律,并对免疫系统复杂精细的自我调节机制进行抽象和简化,本文根据免疫的反馈模型,通过转换形成了免疫控制器。但通过对二阶对象的仿真表明,该控制器在调节过程中存在静差。把免疫控制器与常规PID控制器结合提出一种并联型的免疫PID控制器,对二阶和高阶对象仿真结果表明,免疫PID控制器具有较小的波动和较短的过渡过程时间,性能要优于常规PID控制器和免疫控制器。最后介绍了工业锅炉的基本知识,对汽包水位的动态特性与控制方案给予了详细的分析与论述,在此基础上,针对670t/h流量的锅炉的汽包水位控制系统,分别进行了常规PID控制器、免疫控制器和参数免疫优化的免疫PID控制器的仿真分析,结果表明,参数免疫优化的免疫PID控制器的控制品质优于常规PID控制器和免疫控制器。本文将免疫优化理论与具体控制对象相结合,以MATLAB为仿真平台,详细研究了免疫优化算法及免疫PID控制器在锅炉汽包水位控制系统中的应用,为大滞后、非线性系统提供了一种解决方式,具有一定的理论意义与应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 问题的提出和研究意义
• 1.3 人工免疫系统的发展和研究现状
• 1.4 论文的主要工作和章节安排
• 2 免疫系统与免疫控制的基本概念和原理
• 2.1 引言
• 2.2 免疫学的一些基本概念
• 2.2.1 自然免疫和获得免疫
• 2.2.2 免疫应答
• 2.3 免疫系统
• 2.3.1 免疫系统组成
• 2.3.2 免疫系统结构
• 2.3.3 免疫系统原理
• 2.4 免疫系统和免疫控制
• 2.4.1 免疫系统与免疫算法的对应关系
• 2.4.2 基于免疫系统机制的免疫优化算法
• 2.5 本章小结
• 3 人工免疫算法与遗传算法
• 3.1 引言
• 3.2 遗传算法的基本原理及其早熟收敛机理分析
• 3.2.1 遗传算法的基本原理
• 3.2.2 遗传算法的早熟收敛机理分析
• 3.3 本文提出的人工免疫算法
• 3.3.1 算法的原理和特点
• 3.3.2 算法控制参数和选择
• 3.3.3 算法的全局收敛性证明
• 3.3.4 算法的编码机制
• 3.3.5 算法的变异算子
• 3.3.6 算法的性能测试
• 3.4 本章小结
• 4 一种新型的免疫PID控制器
• 4.1 引言
• 4.2 免疫调节原理
• 4.3 新型免疫控制器
• 4.3.1 免疫系统与控制系统的类比
• 4.3.2 免疫控制器的结构
• 4.3.3 T细胞调节作用函数
• 4.3.4 免疫控制器的本质
• 4.3.5 简单仿真
• 4.4 免疫PID控制器
• 4.4.1 免疫PID控制器的结构
• 4.4.2 简单仿真
• 4.5 本章小结
• 5 免疫PID控制器在锅炉汽包水位控制系统的应用
• 5.1 引言
• 5.2 工业锅炉概述
• 5.2.1 工业锅炉的工艺流程
• 5.2.2 工业锅炉的工作流程
• 5.3 汽包水位的动态特性分析
• 5.3.1 给水流量扰动对水位的影响
• 5.3.2 蒸汽负荷扰动（蒸汽流量）对水位的影响
• 5.3.3 炉膛负荷扰动（燃料量）对水位的影响
• 5.3.4 汽包水位调节系统特性分析
• 5.4 汽包水位控制方案
• 5.5 汽包水位控制系统建模及仿真分析
• 5.5.1 汽包水位控制系统建模
• 5.5.2 汽包水位控制系统仿真及分析
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要研究结论
• 6.2 待解决的问题和展望
• 参考文献
• 致谢
• 简介及读研期间主要科研成果