基于粒子群算法的海洋平臺熱介質(zhì)鍋爐PID參數(shù)優(yōu)化
2015-10-21 19:39:14郝寶齊沈彬孫勤江
郝寶齊 沈彬 孫勤江
【摘 要】文中采用串級控制作為海洋平臺熱介質(zhì)鍋爐的控制方案，采用粒子群算法對PID控制器的比例帶δ、積分時間Ti進行最優(yōu)化，從而實現(xiàn)熱介質(zhì)鍋爐溫度的自動控制。通過粒子群算法進行串級控制系統(tǒng)PID參數(shù)優(yōu)化，提高了控制系統(tǒng)的控制精度、可靠性、穩(wěn)定性，具有工業(yè)應(yīng)用價值。
【關(guān)鍵詞】熱介質(zhì)鍋爐；粒子群算法；PID；串級控制系統(tǒng)
【Abstract】This paper uses the cascade control as the control scheme of the offshore platform heat medium boiler. The particle swarm algorithm has been used to optimized proportional band δ and integration time Ti， achieve medium heat boiler automatic temperature control. Through PID cascade control system parameters optimized by PSO， the control accuracy ， reliability and effectiveness of the said method have been proven，has industrial applications
【Key words】Heating medium boiler；Particle swarm；Proportion integration differentiation；Cascade control system
0.引言
海上平臺以及FPSO（Floating Production Storage & Offloading Unit，浮式生產(chǎn)儲存卸貨裝置）是油氣處理、儲存的生產(chǎn)設(shè)施，原油中油氣水分離的處理過程需要一定的熱源。一般在海上都配備幾臺熱介質(zhì)鍋爐，通過燃燒燃料來加熱熱介質(zhì)油，作為生產(chǎn)流程和儲油艙等的加熱源。海洋平臺熱介質(zhì)鍋爐的主要工作原理是：熱介質(zhì)油經(jīng)循環(huán)泵加壓進入鍋爐盤管后被加熱，然后輸送至換熱器，通過換熱器與原油進行熱能傳遞，換熱后，冷的熱介質(zhì)油回流至熱油膨脹罐，如此反復(fù)循環(huán)，提供穩(wěn)定的熱源。由于海洋平臺的能源供給成本比較高，且海上作業(yè)環(huán)境危險性較大，因此尋求和開發(fā)節(jié)約海洋平臺熱介質(zhì)鍋爐能源的方法和途徑成為研究熱點?，F(xiàn)如今大部分熱介質(zhì)鍋爐采用PID控制方法，但是PID控制參數(shù)是通過現(xiàn)場工程整定獲得，控制精度不高，容易造成資源的浪費[1]。
粒子群（PSO）算法是一種基于群體智能的全局優(yōu)化算法，其模擬社會的群體行為，在多維空間中構(gòu)造粒子群進行尋優(yōu)，且每個粒子通過迭代過程中的群體和自身最優(yōu)值修正自身前進方向和速度。本文將粒子群算法用于海洋平臺熱介質(zhì)鍋爐的PID參數(shù)辨識，具有重要的實際應(yīng)用價值。
1.串級控制系統(tǒng)設(shè)計
串級控制系統(tǒng)設(shè)置兩套溫度檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出值作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，后一個調(diào)節(jié)器的輸出量送往調(diào)節(jié)閥。此串級控制系統(tǒng)中，以燃料流量作為操縱變量，爐膛溫度作為中間被控變量。當(dāng)爐膛溫度發(fā)生變化時，調(diào)節(jié)器可及時動作，提高響應(yīng)速度?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖1所示：
在串級控制系統(tǒng)中引入副回路，可以及早發(fā)現(xiàn)并克服引入副回路的干擾，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2.粒子群算法描述
3.粒子群算法流程
粒子群算法的流程如下[2]：
（1）初始化粒子的位置和速度。
（2）計算每個粒子的適應(yīng)值。
（3）對于每個粒子，將其適應(yīng)值與個體極值pbesti進行比較，若優(yōu)于pbesti，將粒子此時的位置作為當(dāng)前的最好位置。
（4）對于每個粒子，將其適應(yīng)值與全局極值gbest進行比較，若優(yōu)于gbest，將粒子此時的位置作為當(dāng)前的群體最好位置。
（5）對粒子的位置和速度進行更新。
（6）如果沒有滿足結(jié)束條件，通常為達(dá)到一個預(yù)設(shè)的最大代數(shù)或足夠好的適應(yīng)值，則返回步驟2）。
4.參數(shù)優(yōu)化
通過仿真曲線可知，系統(tǒng)初期存在震蕩環(huán)節(jié)，且震蕩兩次之后達(dá)到穩(wěn)定，調(diào)節(jié)時間相對會比較長。然而在PID參數(shù)優(yōu)化過程中，可通過調(diào)整參數(shù)的范圍，使系統(tǒng)存在一次震蕩即可達(dá)到穩(wěn)定，但是在此種情況下PID控制器的輸出存在較大的超調(diào)量，不符合海洋平臺操作規(guī)范，同時也會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。綜合海洋平臺安全生產(chǎn)，采取延長系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間的策略，已保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。
5.結(jié)果
本文設(shè)計海洋平臺熱介質(zhì)鍋爐串級控制系統(tǒng)，且采用粒子群算法進行PID參數(shù)優(yōu)化，通過仿真曲線可以看出，本文的設(shè)計方案及參數(shù)優(yōu)化達(dá)到了較好的控制效果，有效保障海上作業(yè)人員和設(shè)備的運行安全；然而，在保證系統(tǒng)安全的情況下，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間相對比較長，應(yīng)進一步研究在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的情況下，減少系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間。 [科]
【參考文獻】
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