1、 收稿日期：基金项目：陕西省职业技术教育学会 年度职业教育研究课题 产业链需求为导向，创新能力提升为目标的机械基础教学改革与实践（）；西安铁路职业技术学院 年度院级课题 一种轮系传动装置虚拟仿真系统开发研究（）第一作者：张佩（），女，汉族，陕西渭南人，硕士，讲师，研究方向为机械、控制。：基于改进遗传算法的给水泵汽轮机调节气阀控制张 佩（西安铁路职业技术学院 机电工程学院，陕西 西安）摘要：给水泵汽轮机调节活动时会影响汽轮机的蒸汽流量，若流量过大会造成给水流量输出冲击事故。为增强给水泵汽轮机电液伺服阀应用可靠性，降低故障频率，提出一种基于改进遗传算法的给水泵汽轮机调节气阀控制方法。分析给水泵汽轮
2、机调节系统框架，利用传递函数和响应方程获得系统中各部件动力学模型；构建模糊比例积分微分控制器，将误差、误差变化率拟作控制器输入，采用改进遗传算法实现控制参数寻优，将调节系统阶跃响应最高调整量和过渡调整量看作目标函数性能指标，通过欧氏距离均值评估群体内的基因差异，引入自适应机制，将交叉概率、变异概率转变成自适应调节算子，若目标函数保持不变，则终止运算输出参数寻优结果，实现调节气阀自适应控制。实验结果表明，所提方法能很好地控制活塞杆与阀芯位移幅度，减少给水流量输出冲击，保证给水泵汽轮机协调平稳运行。关键词：改进遗传算法；调节气阀；电液伺服阀中图分类号：文章编号：（）文献标识码：（，）：，；，：；工
3、业仪表与自动化装置 年第 期 引言现阶段，锅炉发电机组是社会电力行业发展的主力机组，因具备投资数额低、收益高等优势，在电力市场中拥有很强的竞争力。伴随电力工业改革持续深入，提升机组稳定性成为火力发电厂研究的核心内容。给水泵汽轮机是火电厂的重要设备之一，该设备上连锅炉，下连发电机与电网，其操作过程与电网运行经济性、安全性直接关联，需要极高的可靠性才能保证发电机组的正常使用。其中，电液伺服阀是给水泵汽轮机的关键部件，而调节气阀是电液伺服阀中最为精密的器件，调节气阀可依照设备系统指令更改渗入汽轮机的蒸汽流量，调整给水泵转动速度，让锅炉的供水量满足当前机组运行条件。为确保设备的安全运转，该文就水泵汽轮
4、机调节气阀控制进行深入探究。目前，诸多学者对电液伺服阀控制系统展开一系列研究，并取得了相应实验结果。文献分析步进电机式控制原理并创建自抗扰控制器，凭借同步跟踪控制算法完成伺服阀控制目标。文献构建电液伺服系统方位控制模型，采用 规则在模糊集合前提下获得控制方程。以方位偏差为基础构造参数因子迭代控制率，实现既定控制任务。但上述两种方法均是在无干扰环境下完成的，在干扰环境中，存在计算量过高、响应速率慢的缺陷，不能适用于大流量场景，实用性与可靠性均无法满足现实操作需求。总结以上问题，该文利用改进遗传算法自适应控制给水泵汽轮机调节气阀。首先研究给水泵汽轮机调节系统内部结构，给出各部件的动力学方程，再引入
5、模糊比例 积分 微分控制器，采用改进遗传算法完成控制参数寻优，更好地优化给水泵汽轮机整体运行性能。给水泵汽轮机调节系统及动力学分析给水泵汽轮机调节系统使用电液调节模式，其核心任务是操控给水泵汽轮机运转速率，满足不同工况下锅炉供水流量需求，为增强调节系统敏感度，汽轮机实际应用时使用高压燃油。给水泵汽轮机调节系统涵盖数字电液转速控制器、电液伺服卡、电液伺服阀、油动机、转子、调节气阀等。调节系统基础架构如图 所示。图 给水泵汽轮机调节系统架构示意图 为更好地调节气阀控制，接下来着重分析系统中各部分的动力学原理。数字电液转速控制器运用微分控制完成转速调整，其调整传递函数为：（）（）式中：表示拉普拉斯算
6、子；是比例增益；是积分时间；是微分增益值；是微分实时速率。电液伺服阀能将电液伺服卡传递的电信号转换成油压信号。使用 个控制器操控伺服阀的 个步进电机。负载和活塞杆相连，将直线编码器安置于测试台底座，收集负载方位变化信息，将步进电机运动拟作阀芯直线运动。为精准体现电液伺服阀动力学规律，设定如下前提条件：电液伺服阀边缘放大器无叠加；液压油物理性质稳定，放大器压力输入值不变。此种状态下，将阀芯左腔与右腔的流量解析式依次记作：()（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：代表入油口压力；（）、（）分别是 时段下阀芯内腔压力值；是油箱容积压力；是油口宽度；（）是 时段下阀芯运动位置移动数值；是流
7、量指数。将流量指数 进一步描述成：（）式中：是孔口卸荷流量指数；是流体密度。相同脉冲中，步进电机响应方程为：（）（）（）（）年第 期 工业仪表与自动化装置式中：、依次为输入信号与输出信号。单活塞杆液压缸动力学方程为：（）（）（）（）（）（）（）（）式中：、依次为油缸无杆端与有杆端的体积；表示活塞无杆端横截面积；是体积弹性模量；代表有杆端面积指数。液压缸中的摩擦力使用 模型定义，记作：（）（）（）()（）（）（）式中：表示牛顿摩擦因数；表示库仑摩擦；表示静止状态下的摩擦；是静态摩擦速率阈值；（）为摩擦速率均值；代表活塞摩擦因数；代表压力差。油动机具有通流、断流两种模式，将其油压输入信号和油动机行
8、程之间的关联函数记作：()（）式中：代表油动机运行时间。调节气阀被安置于进汽室内，其出口连接在汽轮机喷嘴室。此种情况下，调节气阀活动时，汽轮机的蒸汽流量会产生变化。运用最小偏差法与泰勒级数展开处理增量方程，获得给水泵汽轮机转子解析式：（）（）式中：表示转子时间常数；是角速率增量变化值；是转子自平衡指数；是油动机行程浮动值；（）是机组负载。利用式（）得到转速和油动机行程之间的传递函数为：()（）改进遗传算法下给水泵汽轮机调节气阀控制方法 了解给水泵汽轮机内部动力原理后，为更好地实现调节气阀控制，设计一种模糊比例积分微分控制器，再通过改进遗传算法寻优控制参数。将误差 与误差变化率 当作控制器的输入
9、值，就能获得如下控制器参数：（）（）（）式中：、均为最终参数预设值；、均为原始参数值；、均为校准系数；、均为模糊校准值。模糊比例积分微分控制器中，需要明确较多操作参数，若仅凭专家经验很难达到预期成效。这里使用改进遗传算法探寻最佳参数，实现调节气阀自适应控制。遗传算法是一种并行随机搜寻策略，寻优过程中，初始值的选取十分关键，使用不同的初始值计算得到的优化值也各不相等 ，若初始值挑选错误，会出现局部最优情况。确立目标函数是寻优的先决条件，将最优指标选取计算公式表示为：（）（）()（）式中：（）表示系统偏差；（）是控制器输出值；、均为控制系数。为确保控制器在系统中的调节性能，将调节系统阶跃响应的最高
10、调整量与过渡调整量作为目标函数性能指标，则目标函数公式为：（）（）式中：是调节系统输出的第一峰值；是系统输出最小值；代表稳定状态值；为过渡调节时间，是信号过渡时间。传统遗传算法使用固定的交叉概率 与变异概率，但如果算法迭代数量呈上升趋势，则个体多样度减少，极易形成过早收敛，改进遗传算法中引入自适应机制，持续更新交叉概率、变异概率值，并将其看作自适应调节算子。如果种群个体差异较多，使用较大的交叉概率与较小的变异概率，能确保方法较快收敛至最优解，反之使用较小的交叉概率与较大的变异概率值，避免过早收敛。运用群体内第 列基因之间的欧氏距离均值评估基因差异，设定种群内染色体数量是，各染色体拥有 各基因，
11、则将该种群定义成如下矩阵形式：，（）则第 列基因之间的欧氏距离均值和基因相对的交叉概率、变异概率依次为：工业仪表与自动化装置 年第 期 （）（）（）（）（）（）式中：代表欧氏距离均值；、分别是第 列基因的最大值与最小值；、均为常数。倘若迭代计算多次后，目标函数()始终保持不变，则计算结束，输出参数寻优结果，保证给水泵汽轮机调节气阀自适应控制满足实际需求。实验结果与分析为验证该文方法调节气阀控制有效性，运用 平台进行实验分析，并为证明其鲁棒性，将文献同步跟踪法和文献模糊迭代法作为对照组。实验对象为某型号 的直流机组模型，实验指标为电液伺服阀活塞杆与阀芯的运动情况，设定如表 所示的实验参数。表 实
12、验参数设置参数名称数值驱动阻尼比 驱动器频率 电机最高频率 计算步长 阀芯最高位移 丝杠每转相对步进数 阀门螺距 实验现场如图 所示。图 试验现场图 设置实验输入信号是阶跃信号，活塞杆位移预设值为 ，最高位移为 ，三种方法下给水泵汽轮机调节系统活塞位移情况如图 所示。图 活塞杆位移响应实验对比 观察图 可以看到，两种文献方法的调节气阀控制量起伏较大，而该文方法的最高位移仅为，极大降低了位移误差，这是由于两种文献方法在计算中叠加了电机生成的误差，导致活塞杆位移误差增大。该文方法可依照活塞速率与方位，综合控制给水泵汽轮机系统调节气阀输水量，有效提升活塞杆运动控制精准性。与此同时，同步跟踪法与模糊迭
13、代法的系统稳定时间分别为 、，该文方法系统稳定时间为 ，证明在瞬时响应性能方面，所提方法依旧占据较大优势。接下来通过阀芯运动验证调节气阀的控制成效，实验结果如图 所示，图中纵坐标代表脉冲步数。图 阀芯位置变化对比 从图 可知，输入阶跃信号时，同步跟踪法与模糊迭代法下的阀芯位置产生较大改变，而该文方法下阀芯位置改变幅度很小，证明使用该文方法能很好地操控阀芯位移水平，有效改善阀芯动荡不稳的问题。这是因为该文方法充分研究了给水泵汽轮机内部部件的动力学原理，从源头了解其运动规律，更好地完成调节气阀控制工作。从给水泵汽轮机机组电功率与主汽压力两个方 年第 期 工业仪表与自动化装置面分析调节汽阀控制策略优
14、劣，验证不同方法下给水泵汽轮机机组整体应用性能。设定实验时间为，在三种方法实验初始阶段引入外部干扰，在输出电功率、主汽压力的输出端依次引入幅值是 的正向脉冲扰动，等调节系统稳定后，再引入幅值是 的逆向脉冲扰动。图 是机组电功率输出响应曲线，图 为机组主汽压力输出响应曲线。图 给水泵汽轮机机组电功率输出响应曲线图 给水泵汽轮机机组主汽压力输出响应曲线 观察图、图 可知，三种方法均能体现机组电功率与主汽压力变化情况，相比两种文献方法，该文方法具备更优秀的跟踪能力与抗干扰能力，能在最短时间内完成调节气阀自适应调整，机组蒸汽流量控制效果更好，符合给水泵汽轮机发电机组调节气阀控制需求。结论随着电力行业的
15、不断进步，人们对电厂的控制系统也提出更高要求。针对给水泵汽轮机调节气阀水位控制精度不高的现实问题，设计一种基于改进遗传算法的给水泵汽轮机调节气阀控制方法。依照给水泵汽轮机调节系统特征，明确相应设备传递函数并创建动力学模型，利用模糊比例积分微分控制器与改进遗传算法实现控制参数寻优。在实验分析中从不同指标入手，得出所提方法能够精准控制活塞杆与阀芯位移幅度，减少给水流量输出冲击，拥有节能高效、操作简便等优势，保证给水泵汽轮机协调平稳运行。该方法可在实际应用中获得较大经济效益，为火力发电行业的可持续发展提供坚实动力。参考文献：王昌朔，杨建明，廖先伟 回热式给水泵汽轮机优化配置研究 汽轮机技术，（）：张
16、晓东，翟璇，张顺奇，等 集成抽汽背压式给水泵汽轮机的发电系统瞬态特性及控制优化研究 西安交通大学学报，（）：王林，杨博，高景辉，等 抽汽背压式给水泵汽轮机系统电功率超限原因分析与对策 热力发电，（）：黄铁隆，李胜，阮健，等 伺服阀步进电机式电 机械转换器控制研究 高技术通讯，（）：张亮，李芝炳，李超 一种电液伺服系统位置控制的模糊迭代控制策略 机床与液压，（）：孙旺，朱奇，陈榴，等 工业汽轮机调节级部分进汽的瞬态研究 热能动力工程，（）：马柏松，周勇锋，庄亚平 海阳核电一期工程主给水泵相关控制逻辑优化 水泵技术，（）：朱宝，顾伟飞，孙永平，等 一种基于样本大数据监测汽动给水泵组性能的方法 中国电机工程学报，（）：薛亚丽，石红 高转速泵地震工况下转子动力学分析 流体机械，（）：那腾及，孙长青，郝春，等 给水泵最小流量循环阀结构设计及数值模拟 液压与气动，（）：张晓光，杨秀敏，刘强 核电厂主给水泵组润滑油系统进水故障原因分析与处理 核动力工程，（）：周广飞，侯博川，杨建华，等 基于动态补偿的多电机控制算法 航空学报，（）：李双路，訚耀保，刘敏鑫，等 偏转板伺服阀射流盘组件的压力特性预测与分
