TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.7, July 201 4, pp . 5244 ~ 52 5 0   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i7.469 6          5244     Re cei v ed O c t ober 1 0 , 201 3; Revi se d Febru a ry 21, 2 014; Accepte d  March 12, 2 014   Delay S e parated Neural Network Inver se Control in  Main-Steam Temperature System        Lingfang Su n*, Yihang Li, Dan Li  Schoo l of Auto mation En gi ne erin g/Northe as t Dianli U n iv ers i t y   NO.169, Cha n g chu n  Ro ad, Ji lin Cit y, J ili n Provinc e , Chin a, + 86-04 32-6 4 8 0 620 1   *Corres p o n id n g  author, e-ma i l : dr_sun lf@16 3 .com      A b st r a ct   In ord e r to  i m p r ove th e c ontr o effect of the  mai n  stea m temper ature w i t h  l a rge  ti me  d e lay, th i s   pap er pro pose d  a de lay se p a rated  neur al  netw o rk in vers e (DSNNI) con t rol sche m e. T he de lay ti me  a n d   the pos itive  mo del w i tho u t del ay w e re giv en  by usi ng a d a p ti ve lin ear  ele m ent an d BP net w o rk. T he neur a l   netw o rk inv e rse  mod e of th e pos itive  mo del w i tho u t d e l ay w a s b u ilt  on th at bas is. An a ppro p ri a t referenc mod e l w a s s e l e cte d  to  make  the   invers mo de l s outp u t s m o o thin g. It is  an  o pen- loo p  c ontr o l   system  w h en the  m o del  is cascaded in t o  ori g inal system . It w ill avoid th e i n stabi lity caus ed by the cl os ed- loop control system s. Off-line  identifi cation and on-line  identification  ar e com b ined t o  get  t he inverse model  in ord e r to reduce the ste a d y-st ate error and  mak e  the  system hav e   fine ada ptive  capacity. Det a il   simulati on test s are carri ed  out on th e giv en 3 00MW   po w e r unit. T e sts show  that the ne ural  netw o r k   invers e co ntrol  w i th del ay ti me  separ atio n ca n get r api and  smooth  outp u t for t he  main  stea m te mp eratu r e   system. It is able to overco me  the adverse ef fects c aused b y  the time de la y and the par a m eters ch an ge s.  Com p ared with the casc ade P I D cont roller, t he adjustment  tim e  of DSNNI reduc es from   600s t o380s and  show s faster respons e, better robustn ess an d anti-i n terfere n ce perfor m an ce.     Ke y w ords m a in steam tem p erature syst em,  large tim e   delay, neural net work , inverse  dynam i cs, adaptiv e   line a r el e m ent         Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  The m a in  ste a m temp erat ure  of a  coal -fired  po we gene rating  u n it is  one  of  the key  para m eters required to be  contro lled  stri ctly to ensu r e  boiler’ s safet y  and eco n o m y [1].  Due  to the l o ng pip e s of th e supe rhe a te r resulting the  therm a l ine r ti a and  lag  larg er, the   conve n tional   feedba ck  con t rol i s  difficult to a c hieve  g ood  effect. S o me n e w co ntrol  strate gi es,  su ch a s   pre d i ctive co ntrol,  fuzzy PID contro and  ge netic al go rith m have b een  applie d to t he  main  steam  tempe r ature  system with  th e devel opme n t of intellig e n t co ntrol te chnolo g y [2-4].  But  most re se arch is ba sed  on  feedba ck  co ntrol an d it s control effe ct is not goo d fo r the larg e de lay  sy st em,   su ch  as t h e mai n   st eam  sy st e m .  S o  we  introdu ce the  co nce p t of inve rse  dynami cs of  the thermal  system in this paper. Th e basi c  ide a  of  inverse  cont rol is to drive  the plant with a  sign al fro m  a  co ntrolle wh ose  tra n sfe r  f unctio n  i s  the  inverse  of th e pla n t itself [ 5 ]. It’s an  op en   loop control  system whe n  the inverse m odel is  ca sca ded into the  origin al syste m  [6]. Feedback  is u s ed  only for the  adju s t m ent of the  controlle r p a ra meters in trai ning. Th e de sign  prin cipl e  of  this co ntrol m e thod is  simpl e Delay  sep a rated n eural  netwo rk inve rse  (D SNNI) co ntrol i s   p r opo se d to  solve the  delay’s effe ct on the main  steam temp eratu r sy ste m . In this pa per, sectio 2 pre s e n ts t he  neural n e two r k i n verse  m odelin g p r o c e s s an d the  m e thod  of dela y  time identifi c ation. T hen   a   control  strate gy of delay  separ ated  neu ral n e two r k i n verse  control  wa s p r op ose d  at the e nd  of  se ct ion 2.   I n  se ct ion 3 we  ca rri ed  out  d e tail si mulati on te sts on  a  given  300 M W  p o wer unit  at  rand om to verify the validity of the control sy ste m  prop osed in this pa per. Section 4 give s a  con c lu sio n  to the whole  pape r that the DSNNI  control sy ste m  has faste r  resp on se b e tter   robu stne ss a nd anti-inte rfe r en ce pe rformance .           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Dela y Sepa ra ted Neu r al Network In verse Control  in Main-Steam  Tem peratu r e  (Lingfa ng  Sun)  5245 2. Neural Netw o r k Iden tifi cation o f  Inv e rse Dy namics Proces s   2.1. Neural Net w o r k Inv e r se Modeling   In ve r s s y s t em is a s y s t em th a t  imp l eme n t a map p ing relatio n ship  of   a syst em  fro m   the outp u t to t he in put. That  is, if the  de si red  output  () d y t  is  the inp u t of in verse  mo del,  then the  output of inv e rse mo del i s  the a m ou nt of cont rol  () ut  which  drive s  th e plant g e ts t he de sired  output () d y t . The diagra m  is sho w n in Figu re  1 [7].            Figure 1. Inverse Syste m  a nd its Com p o und System       Inverse   syste m  can  be  di vided into  in verse   system  on th right  and  the l e ft inverse  system. The l e ft inverse sy stem  can  be  called func tional observabi lity. T he syst em will get two   different o u tp uts if the  inp u ts a r different at  the  sa me initial  stat e. The  syste m ’s in put  can  be  resto r e d  thro ugh the l e ft inverse  sy stem ; the invers system  on th e right  can  be  calle d fun c tio nal  rep r od uci b ility or fu nctio n a l  co ntrol - abilit y. In the b r oa d sen s e, it  re fers to the  tra cki ng  ca pabili ty  of the sy ste m  to a given  referen c si gnal. Fo r a n y  desi r ed  out put for the  gi ven syste m , the   inverse mode l’s output is the cont rol a m ount  () ut  which will make the original system to track  the de si red  o u tput. The r ef ore  we n eed  to buil d  the  ri g h t inverse  mo del a nd th specifi c  m odeli ng  method  is sh own  in  Figu re 2. T he i n verse m odel   ca scade s th e  ori g inal  sy stem  so th at t h e   pse udo -line a rization  syste m  ca n b e  ob tained[8]. Th e erro r b e tween  y ( k ) a nd  y d ( k ) is   used to  train the inverse mod e l.          Figure 2.  Inverse System s on  the Right  Modelin g Structure       2.2. Dela y  Ti me Parameter Identification  It is  imposs ible to  get the co mplete  inverse  mod e l for  the la rge  time del ay sy ste m . Thi s   is be cau s e sy stem’s o u tput  is zero in del ay time, and the inverse m odel’ s  output sho u ld be ten d   to infinite to o ffset the del a y  portion  at th e same  time.  There is no  so mu ch  ene rg y in the inve rse  model. So  we excl ude  the  delay  pa rt a nd g e t the  in verse  mo del f o r th e p o rtion  witho u t del a y  of  the system [9 ]. This mean s we nee d to know the d e la y paramete r  exactly.   Adaptive line a eleme n t (A daline )  i s   pro posed  by Dr. W idrow fro m  Stanford Univ ersity in   1961  [10]. It is a  continu o u s -time  line a netwo rk a s  Fi gure  3.  () Z nT Is the  input ve ctor,   () Wn T is  the weig ht vector. The n e twork’ s output  is:    T ˆ () () () yn T W n T Z n T                                                                               (1)    The wei ght training s use least mea n  square  learnin g  algorith m  (LMS). The o b jective  func tion is  J ,  whic h form is   2 ˆ [( ) ( ) ] J Ey n T y n T                                                                                   (2)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5244 – 52 50   5246     Figure 3. Adaline Structu r al  Model       The d e lay tim e  is e s timate d u s ing th e e r ror fun c tion m i nimizatio n - () F i . We  su ppo se t he  trained weig h t are i (1 , 2 , . . . , ) ip  and combine  i  with the error function.    * () i F iW w                                                                                             (3)    * W Is the sum of  weights  coef ficients. Whe n   () F i  is minimu m, we get the delay time   estimated val u e ˆ d   mi n ˆ dd i                                                                                                 (4)    The metho d  to sep a rate th e delay time from po sitive model is  sho w n in Figu re  4.        Figure 4. Del a y Separate d  Neural Net w ork M odeli ng  Diag ram       Usi ng pa rall el  netwo rk  stru cture to i denti f y the positive model  and  delay time ca n avoid   th e  sh or ta g e  o f  us ing  a  s i n g l e  ne tw ork  to id en tify.  T h e tw o type s   o f  ne tw ork s  us e d i ffe re n t   algorith m s to  train respe c tively. The positiv e mod e l  without d e la y is identifie d by BP Bac k - Propa gation  neural net work. And  bef ore that  we  should  kn ow t he exa c t dela y  time. The pl ant’s  output is  () d yk  an d the network’s  output is () y k . Usi ng  e  to t r ain the  po sitive model wit hout  delay in form ula (5 ) whi c h ˆ d  is the estimat ed value of d e lay time identified by Adaline.     ˆ () ( ) d ey k y k d    2 1 2 Ee                                                                                                 (5)    We u s e BP algorithm  with momentum to  train the net work.     (1 ) ( ) [ ( 1 ) ( ) ( 1 ) ] l l Dl Dl                                                              (6)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Dela y Sepa ra ted Neu r al Network In verse Control  in Main-Steam  Tem peratu r e  (Lingfa ng  Sun)  5247 2.3. Dela y  Se parated Neu r al Net w o r k I n v e rse Control Sy stem      Figure 5  sh ows the whol e co ntrol  syst em’s   stru cture. We got the  delay time a n d ' () P z —the model  without delay  by using ada ptive li near el ement and B P  network, a nd then we m ade  the ne ural n e twork inverse mo del  of ' () P z . It can  avoi d t he limit  ca used by  delay   for inve rse  modeling. Considered the  stabilit y and  robustness of  the whole inv e rse  cont rol  system, we add   a refe ren c model to m a ke a  mod e l-referen c e   inverse. The  whole  cont rol system accu racy  depe nd s o n  t he a c cu ra cy  of the m odel  identification .  In o r de r to   minimize the  sy stem’s sta t ic  error, we  com b ine off-line i dentificatio n and on -li ne id entification to  get the final inverse mod e l .           Figure 5. Del a y Separate d  Neural  Net w ork Inve rse Control System       3. Contr o l Simulation Te sts   In orde r to v e rify the qual ity and rob u stnes s of the  control sy ste m , we take a  300M boiler  unit as the plant. Two cases  are  includ ed in  t h is si mulat i o n  t e st s:  o r igin al ca sc ade P I control a nd t he d e lay sep a rated  ne ural  network  inve rse  control. T he  system  ca n be  de scrib e d   as;     Inert zo ne:  53 01 8 () 18 9 s Ws e s                                                                                                (7)    Leadi ng area:    6 02 1.25 () 13 3 s Ws e s                                                                                                 (8)    In inert zo ne,   = 5 3s , T = 89 s,  /T 0.6>0.5. It is a typical l a rge time  del ay system. F o r   the  cascaded  PID control, we us e PI  controller for the  main ci rcuit  and P  c ontroller for auxiliar y   circuit. PID param eters are obtai ne d by decay curve  method.     Auxiliary cont roller:  2 =2. 5   Main controll er:  1 3.9 2 , 9 8 i Ts      While fo r DS NNI  control system, we u s e the main  st eam temp era t ure a s  contro l amount   instea d of d e su perheate r  outlet temp eratu r e,  so  we n eed n o  inert zone.  We u s off-line   identificatio to get a   con v ergent  controller  whi c h  will meet th control  re quire ments in  so me  degree. But error  still exists and t he  whole sy stem  can not ada pt to the interferen ce a nd ti me - varying. The r efore, we a dd on-li ne id entificat ion to improve the adaptive  cap a city of the  controlle r. Th e identificatio n of controlle r is ide n tificat i on of the inverse mod e l. We u s e a three  layer BP network wh ose  input layer, hidden lay e r and o u tp ut layer’s n ode s is 7,1 0 ,1 respe c tively. We  ado pt out put value s   of the  refe ren c e mo del i n  th e p r eviou s  m o ments a nd t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5244 – 52 50   5248 disturban ce a s  the network’s input to en sure the  dyna mic ch aracte ristic an d the anti-inte rfere n ce   ability. The input vector of the network which  will be trained i s   ˆ ( ) [ ( 1 ) ,( 2 ) ,( 3 ) ,( 4 ) ,( 5 ) , ( 6 ) , ( ) ] mm m m m m y k N N yk yk yk yk yk y k d k                  (9)    Usi ng a  si ne  wave a s  th excitation  sig nal, after trai ning, the  co m pari s on  of th e inverse  system’ s  outp u t and the ref e ren c cu rve and t he traini ng error a r shown in Figu re 6.      (a) T r aini ng si gnal s co ntra st curve     (b) Er ro r cu rv   Figure 6. Neu r al Net w o r k I n verse Syste m  Trainin g  Curve       The outp u t of the system i s  un stabl e in  sh o r t time an d then follo the refe ren c e  curve   stability. A step signal i s  gi ven  to the sy stem, the compari s on of  the inverse  sy stem’s  output  and   the refe ren c e  cu rve an d th e amou nt of  control  a r e shown  in  Fig u r 7. We can   see  th inve rse  model’ s  o u tp ut is exe c tly  the co ntrol  a m ount to  di rv e the o r igin al  system  tra c e the referen c e   curv e.       (a) F o llow  cu r v   (b) Amo unt of control     Figure 7. DNSSI Output        Figure 8. Con t rol System Step Re spo n se Curve  Com pari s on   0 10 0 20 0 30 0 -1. 5 -1 -0. 5 0 0. 5 1 1. 5 2 DS NN I  o u t p u t ti m e ( s )     r e f e r enc e c u r v e DS N N I  ou t p ut 0 10 0 200 30 0 -0 . 5 0 0. 5 1 1. 5 er r o r ti m e ( s ) 0 50 100 150 200 250 30 0 -0. 2 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 out p u t  c u rv e c o m p a r i s on ti m e ( s )     r e f e r enc e c u r v e D S N N I  out pu t 0 20 0 40 0 600 80 0 100 0 -0 . 6 -0 . 4 -0 . 2 0 0. 2 0. 4 am o unt  of  c ont r o l ti m e ( s ) 0 200 400 600 800 1000 -0 . 2 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 ti m e ( s ) out p u t  c u r v e c o m p a r i s on     c a s c aded P I D   c ont r o l D S NN I  o u t put Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Dela y Sepa ra ted Neu r al Network In verse Control  in Main-Steam  Tem peratu r e  (Lingfa ng  Sun)  5249 We  ma ke a unit  step perturbation exp e rime nt for these two  co ntrol sy stem  and the   comp ari s o n   of the two  systems i s   sh own i n  Fig u re 8. From t he dia g ram  we  can  see  the  ca scade PID control system  ex i s t  o v ersh oot  a n d  sh oc se rio u sly .  W h ile  DS N N I  c ont r o l   system’ s  re spon se is fa st er an d more stable.  Th e a d justme nt time of DSNNI control is 3 8 0 while  the  ca scad ed PI control  is almo st 60 0s.  An d    the T r a c king  cu rve  of DSNNI co ntrol  with  no ove r shoot  is m o re  smoo th than  ca sca ded PID  c ont rol o b viou sly. The r efo r e, al l sig n s sugg e s that DNSSI control ha s bet te r dynami c  chara c te risti c s.  The m a in  ste a m sy stem i s  a time -varyi ng  sy stem  at the  same  time an d the   cha nge often ap pea rs in  ine r t zon e . So we  cha nged  the T  in  inert  zo ne f r om 89 s to  20 0s, the  outp u ts of   the two co ntrol system i s  shown in Figu re 9.        Figure 9. Curve Compa r i s on after Co nstant Time Ch ange     Whe n  T  cha n ged g r e a tly, the adj ustm en t time of ca scaded PI D con t rol be com e longe r.  While  DSNNI control  still shows goo d dynamic characteri stics, and  the adjustm ent time is much  sho r ter tha n  cascad ed PID control’s.     In orde r to verify the anti-interferen ce  ability of the system,  we a dded  a pe rtu r bation   () dk =0.1 at  80 0s.   Figu re 10. shows  th e ste p   res pon se   with di stu r ba nce  of th ese  two  control   ca se. DS NNI’ s  di sturb a n c e  amplitude i s   a little larg e r  t han PID  cont rol’s  whi c h i s 1 . 12, the time to   eliminate the   disturban ce  is mu ch  sh ort e r tha n   PID control and re duces  abo ut 120 s. The r ef ore,  DSNNI has a  good a n ti-inte r fere nce abilit y   relatively.         Figure 10. Step Re sp on se  with Distu r ba nce       4. Conclusio n   A delay sep a rated neu ral n e twork inve rse (D S NNI ) co ntrol sy stem  wa s propo se d for the   main ste a system i n  thi s  pa per. It a v oids t he lim it cau s ed  by delay for i n verse  mod e li ng.  Adaline a nd  BP neural  ne twork a r e u s e d  here to  get  the delay tim e  and th e inverse mo del. It is  an o pen -loo p  co ntrol  syste m  wh en  putting the  train e d  inverse  mo del in  front  of the pl ant  whi c h   will avoid the instability caused  by  the closed-loop control syst em s. The whole system’ s   out pu can  tra c k the   pred etermi ne d traj ecto ry a c curately Wh en a pplying  this  syste m  to  the m a in  ste a m   0 200 400 600 800 1000 -0 . 2 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 ti m e ( s ) st e p  r e s p o n se     c a s c aded P I D  c ont rol D S N N I  out put 0 50 0 100 0 1 500 -0 . 2 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 ti m e ( s ) S t ep  res p o n s e   w i t h  di s t u r ba nc e     c a s c ade d P I D   c o n t r o l DS NN I  o u t p ut di s t ur b a n c e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5244 – 52 50   5250 temperature  system, it sh ows good  dy namic cha r a c teristics.  The re spon se i s  faster a nd sta b le.  It is able to o v erco me the  external p e rt urbatio n qui ckly. Whe n  th e obje c t’s  parameter  ch an ged,  the whol e sy stem can get  stabl e outp u t  without larg e oversho o t and sho ck. S o  DSNNI co n t rol  system p r op ose d  in this pape r is si gn ificantly  improved com pared with the ca se of origi nal   ca scade PID  control. Thou gh this control schem sh ows better p e rform a n c e t han the cascade   PID c o ntrol  some  curve  shocks a ppe ared  whe n  tra c king  the  given outp u t curv e inevitably.  So,  we will try to find out a feasible method t o  redu ce o r  el iminate the tracking  sho cks in future.       Referen ces   [1]    Lia n g y u M a , Z hen xing S h i, K w a n g  Y. Lee.  Super he ater S t eam T e mper a t ure Co ntrol B a sed  on th Expan de d-Stru cture Ne ural  N e tw ork Inverse  Mode ls.  ISECS Internati ona l  Coll oq uium  o n  Com putin g,  Commun i cati o n , Control, an d  Manag eme n t. Yangz ho u. 201 0; 131-1 34.    [2]    Lich uan  Yu an,  Yanj un  Di ng,  Don g h a Li.  F i eld  ap plic ati on of  multi p le  mode l pr ed ictive co ntrol f o super heat te mperatur e in b o il ers.  J  T s inghu a Univ (Sci&T ech). 2010; 5 0 (8 ): 1258-1 2 6 2 .   [3]    Haib o Lu o. De sign a nd Simu l a tion o n  PID Control l er.  Co mputer Si mu latio n . 2012; 3 45-3 48.   [4]    Shih e Ch en,  Xin Li, C h u n le i Cui, Ya nju n  F a ng.  Res earch  on Improv ed G A  Boiler  of the  Main Steam   T e mperature C ontrol l er Para meters Optimization.  Automation & Instrumentation . 20 12; (7 ): 6-10.  [5]    Shou  Din g, Qi ngh ui W u R e search  on  Rub u stenss of BP  Neur al  netw o rk Based  Inver s e Mod e l fo r   Inductio n  Moto r Drives.  Internation a l Co nfer ence  on El ectroni cs a nd  Optoelectro n ics (ICEOE 2011) .   Dali an. 20 11; 1 27-1 31.   [6]    Ping W a n g , Baoh ua C hen,  W encha o  Xin g , Hui  Di ng.  T he Direct Inv e rse- mo del C o ntrol Base d on   Neur al  Netw orks for Inverts .   Internati o n a l Confer ece on  Measur i n g   T e chno log y  a nd Mechatro nics   Automatio n . Chan gsh a . 201 0 ;  855-85 8.  [7]    Widro w  B. Adapti ve Inverse C ontrol.  US IEEE Press Series  on Pow e r Engi neer ing . 2 007.   [8]    Xi e Pe izh ang,  Z hou  Xi ng pe n g . T i me Dela y MI MO Decou p lin g C ontro l B a sed  on  DOB  SVM Inverse   Sy s t e m T e lko m n i ka Ind o n e si an Jour nal  of Electrical E ngi ne erin g . 201 3; 11 (12): 752 5-7 5 3 2 [9]    Xi P e izh a n g Z hou  Xi ngp e ng.  Sa nitiz e r Dosin g  Dec o u p lin g Co ntrol base d  on  IM C-NN  Inv e rs e   Sy s t e m T e lko m n i ka Ind o n e si an Jour nal  of Electrical E ngi ne erin g . 201 3; 11 (9): 5048- 50 54 [10]    Luo P e n g , Li  Ship ing, Z h ou  Yun. R e searc h   on  per io dic  error se parat e  base d  o n  a d aptive  lin ea r   elem ent.  F o rei gn  Electro n ic Measur e m ent T e chno logy . 2 011; 30( 6): 127 -131.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.