基于遺傳模糊PID的石灰窯溫度控制及優(yōu)化研究(共12頁(yè))

1、基于(jy)遺傳(ychun)模糊(m hu)PID的石灰窯溫度控制及優(yōu)化研究李紹銘，楊鵬，楊帆(安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000)摘 要：針對(duì)套筒窯燃燒控制系統(tǒng)中存在的燃燒效率不高，生產(chǎn)的石灰活性低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種石灰窯燃燒室溫度智能控制的方案。首先，該方案以燃燒室溫度為控制目標(biāo)，以煤氣流量為調(diào)節(jié)對(duì)象，采用模糊PID智能控制燃燒室的溫度的控制策略，針對(duì)模糊控制存在人為確定隸屬度且不能動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)的弊端，提出了用改進(jìn)的遺傳算法進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)的辦法，通過(guò)仿真研究表明基于改進(jìn)遺傳算法的模糊PID控制器性能更優(yōu)。其次，石灰石煅燒過(guò)程中工藝條件的優(yōu)化也至關(guān)重要，通過(guò)模糊控制空燃比來(lái)

2、控制煙氣氧含量，極大地提高了燃燒效率。關(guān)鍵詞：石灰窯,模糊控制,PID,遺傳算法Research On Lime Kiln Temperature System Based On GA Fuzzy PID Algorithm And Optimal ControlLI Shaoming,YANG Peng,YANG FanAnhui University Of Technology, Maanshan, Anhui, China e-mail: HYPERLINK mailto: Abstract: Sleeve kiln combustion control system for the p

3、resence of combustion efficiency is not high, low activity of lime production problems, the design of the program a lime kiln combustion chamber temperature intelligent control. First, the system temperature is controlled to the target chamber to adjust the gas flow to the object, using fuzzy PID in

4、telligent control of the combustion chamber temperature control strategies, determine the membership and can not be artificially dynamically adjust the parameters of the drawbacks of the existence of the fuzzy control proposed parameter optimization approach with improved genetic algorithms, simulat

5、ion results show that the performance of fuzzy PID controller based on improved genetic algorithm better. Secondly, optimizing process conditions limestone calcination process is also crucial, fuzzy control air-fuel ratio is controlled by the oxygen content in the flue gas to maximize combustion eff

6、iciency.Keywords: lime; fuzzy control; PID; genetic algorithms1、緒論隨著對(duì)噸鋼能耗的進(jìn)一步降低挖潛，對(duì)石灰生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制、節(jié)能優(yōu)化控制已經(jīng)十分迫切。由于石灰窯是一個(gè)典型的大滯后、大慣性、存在強(qiáng)耦合的非線性被控對(duì)象1，因此，傳統(tǒng)的常規(guī)PID等控制方法在石灰窯溫度只能控制中很難達(dá)到理想的控制效果。在活性石灰焙燒的過(guò)程中，首先，在工藝方面，煅燒時(shí)間、溫度、石灰石塊度、生產(chǎn)進(jìn)程等與活性石灰的質(zhì)量、能源利用效率等關(guān)系密切；其次，燃料煤氣尤其是混合煤氣的熱值、壓力、助燃空氣溫度、燃料配比等，與燃燒室溫度之間也存在極為密切的關(guān)系。就目前的控

7、制水平和控制技術(shù)來(lái)看，實(shí)現(xiàn)某個(gè)物理量的精確控制已經(jīng)不是問(wèn)題，但根據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量要求，實(shí)現(xiàn)各個(gè)變量之間的參數(shù)優(yōu)化智能控制，以達(dá)到最佳質(zhì)量和低能耗運(yùn)行，確是值得研究的重大課題。本課題結(jié)合(jih)當(dāng)今的最新控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)，結(jié)合活性灰生產(chǎn)控制的工藝，開(kāi)展對(duì)石灰窯焙燒過(guò)程的控制參數(shù)優(yōu)化和生產(chǎn)過(guò)程的智能控制進(jìn)行研究，優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程工藝參數(shù)，以期達(dá)到控制工藝的最優(yōu)化，質(zhì)量、產(chǎn)能和能耗比最優(yōu)，最大限度的提高生產(chǎn)效率、降低能耗，形成較為成熟的石灰窯焙燒過(guò)程的智能優(yōu)化控制技術(shù)。因此，本文以燃燒室溫度為控制目標(biāo)，根據(jù)煙氣氧含量采用模糊智能控制空燃比，以煤氣流量為調(diào)節(jié)對(duì)象，設(shè)計(jì)(shj)了一種石灰窯溫度智

8、能控制系統(tǒng)。2、套筒窯工藝(gngy)介紹2如圖1所示,套筒窯由窯殼(連同耐火襯)和上、下內(nèi)筒組成,石灰石分布在窯殼和內(nèi)筒之間的空間里。石灰窯由料 斗系統(tǒng)自動(dòng)上料,石灰石經(jīng)過(guò)窯頂?shù)牟剂掀鬟M(jìn)入窯內(nèi)煅燒,并有密封系統(tǒng)隔絕外界空氣,保持窯內(nèi)的負(fù)壓狀態(tài)。石灰石經(jīng)過(guò)預(yù)熱帶進(jìn)入煅燒帶。套筒窯有上、下兩層燒嘴。每層燒嘴有六個(gè)圓柱形燃燒室。每層燃燒室都固定在窯殼上并對(duì)稱分布。兩層燒嘴將石灰窯分成兩個(gè)煅燒區(qū),上煅燒帶燃燒氣體與物料運(yùn)動(dòng)方向相反(為逆流),在下煅燒帶循環(huán)氣體與物料運(yùn)動(dòng)方向相同(為并流)。并流帶下面為冷卻帶,在冷卻帶石灰將自身熱量傳遞給冷卻空氣。石灰冷卻空氣由廢氣風(fēng)機(jī)抽吸上去,而石灰則在冷卻帶的底部

9、通過(guò)液壓推桿系統(tǒng)推出到位于套筒窯底部的石灰倉(cāng)內(nèi),再經(jīng)過(guò)振動(dòng)出料機(jī)定時(shí)排出。煙氣鼓風(fēng)機(jī)空氣流量Tsp1 +空氣量模糊控制器煙氣含氧量測(cè)量變送裝置燃燒室圖1.套筒式石灰窯結(jié)構(gòu)3、石灰窯溫度系統(tǒng)控制策略在石灰窯溫度控制中，利用現(xiàn)代控制理論和反饋線性化方法建立精確的數(shù)學(xué)模型(如傳遞函數(shù)、微分方程和狀態(tài)方程)，再根據(jù)數(shù)學(xué)模型和分析結(jié)果設(shè)計(jì)出合適的控制器。在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)槭腋G燃燒過(guò)程的復(fù)雜性，其數(shù)學(xué)模型隨時(shí)間和工作環(huán)境的改變而改變，其變化規(guī)律往往事先未知，難以建立起精確的數(shù)學(xué)模型。常規(guī)(chnggu)PID控制依賴系統(tǒng)(xtng)的精確數(shù)學(xué)模型可以整定出PID參數(shù)(cnsh)，但是一旦模型發(fā)生改變，P

10、ID控制效果就會(huì)變差，系統(tǒng)就不能穩(wěn)定工作。模糊控制和PID相結(jié)合形成模糊PID控制器已經(jīng)成為控制領(lǐng)域里比較熱門的研究課題，其能夠彌補(bǔ)單純PID控制器的不足，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性及對(duì)干擾的抑制能力，使整個(gè)系統(tǒng)具有響應(yīng)快、超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。在石灰石煅燒過(guò)程中，工藝條件的優(yōu)化至關(guān)重要，石灰煅燒質(zhì)量很大程度上取決于石灰窯的熱效率與燃料配比的關(guān)系。對(duì)此，提出空燃比模糊控制，最大限度的提高燃燒效率，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。4 空燃比模糊控制器的設(shè)計(jì)3空燃比是石灰窯燃燒室中空氣量與燃料量的比值，在石灰窯的煙道通常裝有煙氣氧含量在線檢測(cè)分析儀，用來(lái)檢測(cè)煙氣中的氧含量，而煙氣氧含量多少也直接反映了空氣與燃料燃

11、燒的充分程度，燃燒越充分則煙氣中的氧含量就越低。煙氣氧含量與空燃比有直接的量化關(guān)系，可以通過(guò)煙氣含氧量來(lái)動(dòng)態(tài)設(shè)定空燃比，以保證燃燒效率。空燃比控制系統(tǒng)框圖如下圖2所示。圖2 . 空燃比控制系統(tǒng)框圖同時(shí)，由于石灰窯系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和煙氣氧含量的測(cè)量分析都有較大的純滯后和時(shí)間常數(shù)，因此采用模糊控制器來(lái)防止大滯后對(duì)氧含量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)特性的影響。雙輸入單輸出模糊控制器，如圖3所示。模糊化煙氣氧含量在線檢測(cè)分析儀A/D模糊控制算法模糊判決D/A燃燒室PVK-SPPV圖3. 空燃比模糊控制圖其中，輸入變量為氧含量偏差和偏差變化率，輸出為空燃比的大小。確定輸入輸出語(yǔ)言變量的論域和語(yǔ)言值。氧含量輸入偏差E 論域?yàn)閄

12、 = 6，5，4，3，2，1，0，+ 0，+ 1，+ 2，+ 3，+ 4，+ 5，+ 6 ; 語(yǔ)言變量值為 NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB ，分別表示當(dāng)前氧含量相對(duì)于設(shè)定值“極高”， “很高”，“偏高”，“正好”， “正好”， “偏低”， “很低”， “極低”。偏差(pinch)變化EC 論域Y = 6，5，4，3，2，1，0，+ 1，+ 2，+ 3，+ 4，+ 5，+ 6 ; 語(yǔ)言(yyn)變量值: NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB ，分別表示(biosh)氧含量的變化速率急速下降， 快速下降，下降，不變，上升，快速上升，急速上升?？杖急菿 采用增量行輸出，論域Z =

13、 7，6，5，4，3，2，1，0，+ 1，+ 2，+ 3，+ 4，+ 5，+ 6，+ 7 ; 語(yǔ)言變量值: NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB ，對(duì)應(yīng)的表示空燃比“大減”， “中減”，“小減”，“不變”，“小加”，“中加”，“大加”。確定語(yǔ)言值的隸屬度函數(shù)根據(jù)手動(dòng)策略，由隸屬函數(shù)曲線可以得出各模糊變量在量化論域上的賦值表( 具體隸屬函數(shù)需現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)) 。建立模糊控制規(guī)則根據(jù)專家知識(shí)和熟練操作人員經(jīng)驗(yàn)積累，選用“IF E AND EC THEN K”的模糊條件語(yǔ)句，描述出空燃比變化和含氧量偏差及其變化的關(guān)系，從而歸納出被控制過(guò)程的控制規(guī)則，見(jiàn)表2。表1空燃比模糊控制規(guī)則表ecNBNMNSeN

14、ZPZPSPM PBNBNBNBNMNMNMNS* *NMNBNBNMNMNMNS* *NSNBNBNMNSNSZEPM PMZENBNBNMZEZEPMPB PBPSNMNMZEPSPSPMPB PBPM*PSPMPMPMPB PBPB*PSPMPMPMPB PB表中，“* ”項(xiàng)表示控制過(guò)程中不可能出現(xiàn)的情況，稱為“死區(qū)”。 計(jì)算模糊關(guān)系矩陣R 及控制表已經(jīng)選用“IF E AND EC THEN K”的模糊條件語(yǔ)句，它對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系為R = E* EC* K，從表中可以得出182 條控制語(yǔ)句，對(duì)每條控制語(yǔ)句都可以得到一個(gè)模糊關(guān)系，那么，由182 條語(yǔ)句可得到182 個(gè)模糊關(guān)系，從而總的模糊關(guān)

15、系為對(duì)于給定的輸入E 和輸入變化率EC，把它們模糊化后由模糊推理合成規(guī)則求出推理結(jié)果K。用最大隸屬度法進(jìn)行(jnxng)決策( 去模糊化) ，可得到(d do)論域上的控制量。對(duì)于所有(suyu)可能的輸入，都進(jìn)行類似的離線計(jì)算，便可得到一張輸入輸出的對(duì)照表。將表中的數(shù)據(jù)存放到過(guò)程控制計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，實(shí)際控制時(shí)，只要直接查這張控制表即可，在線的運(yùn)算量是很少的。這種離線計(jì)算，在線查表的模糊控制方法比較容易滿足實(shí)時(shí)控制的要求4。5 燃燒室溫度模糊控制5石灰窯燃燒室溫度智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，利用模糊PID控制器控制燃料閥，進(jìn)而控制燃料的流量。T燃料流量模糊PID溫度控制器燃料調(diào)節(jié)閥溫度測(cè)量變送裝

16、置Tsp2+燃燒室圖4 燃燒室溫度智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)石灰窯溫度控制系統(tǒng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示，該控制器是用模糊推理算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID三個(gè)參數(shù)的整定功能。圖5.模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖5.1 模糊控制規(guī)則的確定由人工控制經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)燃燒室溫度與設(shè)定值的偏差較大時(shí)，主要任務(wù)是調(diào)整燃料流量，減小偏差；當(dāng)燃燒室內(nèi)的溫度偏差較小時(shí)，控制的主要目標(biāo)是預(yù)防超調(diào)量的產(chǎn)生，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。被控量E和EC越小，系統(tǒng)的不確定量就越小，控制精度就越高。由此可總結(jié)出模糊控制規(guī)則：表2 的模糊控制規(guī)則NBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZO

17、NSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表3 的模糊控制規(guī)則NBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表4 的模糊控制規(guī)則NBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZO

18、ZOZOZOZOPMPBPSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB5.2隸屬(lsh)度函數(shù)的確定隸屬度函數(shù)(hnsh)的選擇合適程度直接影響系統(tǒng)控制性能，遺憾的是，目前還沒(méi)有成熟的方法來(lái)指導(dǎo)(zhdo)怎樣確定隸屬度函數(shù)。三角形隸屬度函數(shù)是目前工程上使用比較多的隸屬度函數(shù)，本控制器將采用此隸屬度函數(shù)，偏差如圖6所示，偏差變化率EC的隸屬度函數(shù)與圖6類似。 圖6.偏差E隸屬度函數(shù)5.3 遺傳算法分析及其改進(jìn)65.3.1 遺傳算法簡(jiǎn)介遺傳算法是一種概率尋優(yōu)算法，其依據(jù)生物遺傳進(jìn)化和優(yōu)勝劣汰的原理，是以個(gè)體適應(yīng)度為基礎(chǔ)，對(duì)個(gè)體進(jìn)行選擇、交叉、變異，搜索參數(shù)最優(yōu)解的智能算法。遺傳算法可

19、以用于對(duì)系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)進(jìn)行智能優(yōu)化，優(yōu)化控制器的控制效果?；镜倪z傳算法包含初始化、適應(yīng)度計(jì)算、選擇、交叉、變異、終止判斷等操作 。5.3.2 遺傳算法的數(shù)學(xué)分析由遺傳算法的模式定理可知，若低階、高適應(yīng)度的某種模式中包含了最優(yōu)解，則遺傳算法就可能把它找出來(lái)，但是若低階、高適應(yīng)度的所有模式中均沒(méi)有包含最優(yōu)串的值，則遺傳算法就不能找到最優(yōu)解，通常只能給出次優(yōu)解。若在模式和中，不確定位基因的具體位置是一致的，但在任一確定位上的基因編碼均完全不同，就稱和互為競(jìng)爭(zhēng)模式。例如，10*與01*屬于競(jìng)爭(zhēng)模式；10*與11*則不屬于競(jìng)爭(zhēng)模式。假定的最大值對(duì)應(yīng)的未知量的集合為，為包含的階模式， 的競(jìng)爭(zhēng)模式為

20、，若,則為階欺騙。例如，對(duì)于一個(gè)三位二進(jìn)制編碼的模式，若為最大值，則下列任意一個(gè)不等式的成立都將說(shuō)明其中存在欺騙性。 當(dāng)模式階數(shù)為1時(shí)：, 當(dāng)模式階數(shù)為2時(shí)：,.種群個(gè)體的編碼位數(shù)越多，模式階越高，計(jì)算復(fù)雜性越高，遺傳算法產(chǎn)生欺騙性問(wèn)題的可能性就越大，找到全局最優(yōu)解的難度也就越大。造成上述欺騙問(wèn)題的主要原因主要有兩個(gè)：編碼不當(dāng)(b dn)或適應(yīng)度函數(shù)選擇不當(dāng)。若它們均為單調(diào)關(guān)系，就不會(huì)存在欺騙性問(wèn)題，但對(duì)于非線性問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)其單調(diào)性。5.3.3 遺傳算法的改進(jìn)(gijn)本文對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)，在尋優(yōu)過(guò)程中插入種群精簡(jiǎn)算法，將種群中相同或者(huzh)相似度很高的部分個(gè)體予以精簡(jiǎn)，種群空位以新

21、個(gè)體補(bǔ)足，可以有效地保持種群多樣性，同時(shí)采用二進(jìn)制編碼方法，可有效避免算法欺騙性問(wèn)題的產(chǎn)生，使得算法更有可能找到全局最優(yōu)解。由積木塊假設(shè)可知，遺傳算法能夠最終找到最優(yōu)解的條件為：表現(xiàn)型相近的個(gè)體基因型類似且遺傳因子間相關(guān)性較低。若種群中個(gè)體的相關(guān)性較高，則不符合此條件，即算法很難找到最優(yōu)解，因此必須對(duì)種群進(jìn)行精簡(jiǎn)，降低個(gè)體間的相關(guān)性。此處以種群個(gè)體間的相似度來(lái)表征其相關(guān)性。首先，若種群為非初代種群，則對(duì)其個(gè)體按適應(yīng)度由高到低的原則排序，之后比較個(gè)體之間的相似度。相似度的計(jì)算方法為：將染色體解碼后的c個(gè)參數(shù)作為某高維空間中某些點(diǎn)的向量坐標(biāo)，每個(gè)染色體個(gè)體都與空間中的一點(diǎn)對(duì)應(yīng)，用兩點(diǎn)間距的倒數(shù)表征

22、j、k兩染色體的相似度，相似度計(jì)算如式（1）所示： （1）其中Djc和Dkc分別代表染色體j、k的第c個(gè)參數(shù)值。設(shè)排序后的種群染色體分別為A1、A2、AN，N為種群個(gè)體數(shù)。具體相似度比較方法為：首先以A1作為基準(zhǔn)，從A2開(kāi)始逐個(gè)比較其與A1的相似度，直至某個(gè)體Am與A1的相似度小于設(shè)定的閥值l，精簡(jiǎn)過(guò)程為：若m-1大于L=xT2/3，則保留A1AL的個(gè)體，將AL+1 Am-1個(gè)體淘汰，并以新的隨機(jī)格雷碼將種群空位補(bǔ)足，否則不作改動(dòng)。其中T為代數(shù)，x為預(yù)設(shè)值；之后以Am為基準(zhǔn)，從Am+1開(kāi)始逐個(gè)檢測(cè)其與Am的相似度，比較和精簡(jiǎn)方法同前；通過(guò)從前到后的比較和精簡(jiǎn)，直至遍歷整個(gè)種群，圖7為遺傳算法的

23、工作原理流程圖。圖7. 遺傳算法工作(gngzu)流程圖6 模糊PID參數(shù)(cnsh)優(yōu)化設(shè)計(jì)前面(qin mian)針對(duì)石灰窯溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了模糊PID控制器，但是在設(shè)計(jì)的過(guò)程中控制器的量化因子和比例因子、控制規(guī)則和隸屬度函數(shù)的確定都是憑借經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的，而這三方面的因素對(duì)控制器的性能有很大的影響，這也是目前模糊控制器設(shè)計(jì)的瓶頸問(wèn)題，因此針對(duì)此類問(wèn)題的模糊PID參數(shù)優(yōu)化策略的研究就顯得很有意義。隸屬度函數(shù)和比例因子和量化因子有較大關(guān)聯(lián)，如果隸屬度函數(shù)能動(dòng)態(tài)更改橫坐標(biāo)的值，那么實(shí)際上就不需要再對(duì)比例因子和量化因子進(jìn)行優(yōu)化，因此可以說(shuō)是隸屬度函數(shù)的優(yōu)化一舉兩得。本文提出了一種基于遺傳算法優(yōu)化模糊控

24、制器隸屬度函數(shù)的石灰窯溫度模糊PID控制系統(tǒng)，框圖如圖8所示。圖8. 基于遺傳模糊的PID石灰窯溫度系統(tǒng)控制框圖6.1 隸屬度函數(shù)選擇在NB（誤差為負(fù)大）處選Z形的隸屬度函數(shù)，在PB（誤差為正大）處選S形的隸屬度函數(shù)，其它模糊子集均采用三角形隸屬度函數(shù)。6.2 優(yōu)化參數(shù)個(gè)數(shù)確定模糊PID有5個(gè)參數(shù)的隸屬度函數(shù)需要優(yōu)化：e、ec、，每一個(gè)參數(shù)都被劃分為7分模糊子集，每個(gè)三角形形狀需要3個(gè)參數(shù)才能表示，S形和Z形函數(shù)形狀需要2個(gè)參數(shù)才能確定，那么一共需要優(yōu)化的參數(shù)有95個(gè)。這是一個(gè)多參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，遺傳算法需要搜索的空間龐大，會(huì)極大地影響優(yōu)化速度，必須進(jìn)行分析簡(jiǎn)化。一般隸屬度函數(shù)的選取都是關(guān)于x=0

25、對(duì)稱，那么只相差一個(gè)符號(hào)的參數(shù)可以用程序?qū)崿F(xiàn)，可以減少一半的參數(shù)數(shù)量。如圖6所示，一般隸屬度函數(shù)在x軸上可以選取為有共同交點(diǎn)的布局，所以最少需要7個(gè)參數(shù)就可以表示出一個(gè)參數(shù)的隸屬度函數(shù)，而x=0為已知，對(duì)稱的部分可以在程序里加負(fù)號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，遺傳算法需要優(yōu)化的參數(shù)個(gè)數(shù)為15(3*5)個(gè)。6.3編碼算法格雷碼能夠有效提高遺傳算法的局部尋優(yōu)能力，因此這里采用(ciyng)格雷碼編碼方式，每個(gè)參數(shù)采用十位格雷碼表示，將15個(gè)編碼后的參數(shù)從左到右連接成150位的格雷碼染色體。6.4解碼(jim)算法將位串個(gè)體從位串空間轉(zhuǎn)化成問(wèn)題參數(shù)(cnsh)空間的解碼函數(shù)，得到的15個(gè)十進(jìn)制的實(shí)數(shù)。具體的解碼算法

26、為： （1）其中，c為轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制的待尋優(yōu)的參數(shù)個(gè)數(shù)，此處c=10；j為種群的染色體個(gè)數(shù)，即j=Size；i為染色體的序位。解碼后的位串包含的c個(gè)數(shù)即為待尋優(yōu)參數(shù)的十進(jìn)制表示形式，為后續(xù)的種群精簡(jiǎn)及控制效果評(píng)價(jià)過(guò)程做準(zhǔn)備。6.5適應(yīng)度函數(shù)的確定這里選用ITAE最佳性能指標(biāo)為遺傳算法優(yōu)化石灰窯燃燒室溫度模糊PID控制的適應(yīng)度函數(shù)，因?yàn)檫z傳算法是求最大值問(wèn)題，所以這里的適應(yīng)度函數(shù)fitness作如下變換：，ITAE性能指標(biāo) （2） ，目標(biāo)函數(shù) （3） 6.6控制參數(shù)的選擇遺傳算法的控制參數(shù)主要是指種群的規(guī)模，算法終止的最大計(jì)算代數(shù)、交叉概率、變異概率等。這里選擇：種群大小Size=50，最大終止代

27、數(shù)G=100,交叉概率Pc=0.9，變異概率Pm=0.1。在遺傳算法解碼后，利用種群精簡(jiǎn)算法對(duì)種群進(jìn)行精簡(jiǎn)，降低個(gè)體間的相關(guān)性；在選擇操作時(shí)，應(yīng)采用與高斯函數(shù)相結(jié)合的改進(jìn)選擇算法，以避免遺傳算法過(guò)早收斂。7 仿真研究 石灰窯溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立由于篇幅所限不在這里介紹，將燃燒室被控對(duì)象近似為一階大慣性之后環(huán)節(jié)： （4） 根據(jù)第6節(jié)的設(shè)定的參數(shù)，以石灰窯溫度控制系統(tǒng)系統(tǒng)為被控對(duì)象，采用改進(jìn)的遺傳模糊PID控制策略進(jìn)行MATLAB仿真。圖9是遺傳算法優(yōu)化后的隸屬度函數(shù)，由圖可看出，優(yōu)化后的三角函數(shù)、Z函數(shù)和S函數(shù)的分布變化很大，總體呈現(xiàn)誤差較小的地方隸屬度函數(shù)密集（分辨率高），誤差較大的地

28、方隸屬度函數(shù)分散（平緩性好），跟前面分析的一致。圖9. 隸屬(lsh)度函數(shù)優(yōu)化結(jié)果由橫坐標(biāo)的取值可以看出每一個(gè)物理量的論域劃分不再是人為劃分，這里都是由遺傳算法計(jì)算所得，顯得更加合理(hl)準(zhǔn)確。圖10. 單位(dnwi)階躍響應(yīng)對(duì)比曲線圖10是石灰窯溫度控制系統(tǒng)在不同控制器的作用下的階躍信號(hào)的響應(yīng)曲線。圖中傳統(tǒng)PID三參數(shù)是通過(guò)Z-N參數(shù)整定后得到：Kp=21.3，Ki=0.05，Kd=0.3。為了便于比較三控制器的性能，將模糊PID和遺傳模糊PID初始參數(shù)取值為：Kp=20.0，Ki=0.01，Kd=1.0，模糊PID的模糊算法參數(shù)設(shè)置同第6節(jié)。由圖可知，模糊PID控制(kngzh)效果

29、優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制，傳統(tǒng)PID控制存在一定的超調(diào)量，調(diào)節(jié)速度也較模糊PID時(shí)間長(zhǎng)；遺傳算法優(yōu)化的模糊PID控制性能優(yōu)于模糊PID控制，響應(yīng)速度極快，150s就能達(dá)到設(shè)定值，而且沒(méi)有超調(diào)量，同時(shí)(tngsh)也具備模糊PID的抗干擾能力。圖11. 目標(biāo)函數(shù)J優(yōu)化過(guò)程比較(bjio)曲線針對(duì)遺傳算法存在的問(wèn)題提出了改進(jìn)，為了驗(yàn)證其有效性，我們將兩種算法分別運(yùn)行了5次如圖11所示，其中虛線表示傳統(tǒng)遺傳算法，實(shí)線表示改進(jìn)后的遺傳算法。由曲線可知，傳統(tǒng)遺傳算法優(yōu)化到20代左右便過(guò)早地收斂，改進(jìn)后的遺傳算法則避免了這一問(wèn)題，且最終收斂尋得的目標(biāo)函數(shù)的值更優(yōu)，證明了改進(jìn)遺傳算法的有效性和優(yōu)越性。7 總結(jié)本文以石灰窯為研究對(duì)象，針對(duì)石灰窯溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了模糊PID控制器，通過(guò)分析得知模糊PID在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在憑借經(jīng)驗(yàn)設(shè)定參數(shù)的環(huán)節(jié)，而且這