DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34740-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41513948
تاريخ النشر: 2026-01-10
المؤلف: Serdar Ekinci وآخرون
الموضوع الرئيسي: التحكم في الترددات في أنظمة الطاقة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تقديم وحدة تحكم جديدة تعتمد على دالة الظل الزائدي (tanh-PID) لتحسين تنظيم الضغط في المكثفات البخارية غير الخطية، مع معالجة قيود وحدات التحكم التقليدية من نوع النسبة والتكامل (PI) والنسبة والتكامل والمشتق (PID)، والتي غالبًا ما تؤدي إلى تجاوز ووقت استقرار أبطأ. تستخدم وحدة التحكم tanh-PID تعديل غير خطي سلس للزيادة لتحسين سلوك التخميد والاستجابة العابرة. يتم تحقيق تحسين هذه الوحدة من خلال خوارزمية الليمون الاصطناعية (ALA)، التي تهدف إلى تقليل تكامل الخطأ المطلق الموزون بالوقت.
تظهر المحاكاة الواسعة باستخدام نموذج مكثف غير خطي مفصل أن وحدة التحكم tanh-PID المعدلة بواسطة ALA تتفوق على أربع خوارزميات تحسين تنافسية ووحدات التحكم PI ووحدات التحكم من نوع PID ذات النظام الكسري. تشير مقاييس الأداء الرئيسية إلى أن وحدة التحكم المقترحة تحقق أقل تكامل للخطأ المطلق الموزون بالوقت (2.1189)، وأسرع وقت ارتفاع (0.5960 ثانية)، وأقل وقت استقرار (12.4799 ثانية)، وتجاوز (5.8056%)، إلى جانب خطأ ثابت قريب من الصفر (4.0776×10⁻⁴%). تؤكد تحليلات القوة الإضافية على قدرتها الفائقة على رفض الاضطرابات وتتبع المراجع بشكل موثوق تحت عدم اليقين الديناميكي، مما يشير إلى أن هذه المنهجية هي حل واعد منخفض التعقيد وعالي الأداء للتطبيقات في الوقت الحقيقي في أنظمة المكثفات البخارية الصناعية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الدور الحاسم للمكثفات البخارية من نوع الأنبوب والصدفة في محطات الطاقة الحرارية، مع التأكيد على وظيفتها في التخلص الفعال من الحرارة والحفاظ على الفراغ اللازم لأداء التوربينات بشكل مثالي. إن السلوك غير الخطي بطبيعته لهذه المكثفات، المتأثر بالتفاعلات الديناميكية للبخار والهواء والماء المتداول، يعقد تنظيم الضغط. يمكن أن تؤدي الاضطرابات الصغيرة في ظروف التشغيل إلى تدهور الأداء، وتقليل إنتاج الطاقة، وزيادة المخاطر التشغيلية. تفشل طرق التحكم التقليدية، مثل وحدات التحكم من نوع النسبة والتكامل (PI) ووحدات التحكم من نوع النسبة والتكامل والمشتق (PID)، على الرغم من استخدامها على نطاق واسع بسبب بساطتها، غالبًا في الحفاظ على الاستقرار في البيئات الديناميكية بسبب هياكلها الثابتة، مما يؤدي إلى تجاوز وأوقات استقرار مطولة.
لمعالجة هذه التحديات، تسلط الورقة الضوء على تطوير استراتيجيات تحكم متقدمة، بما في ذلك وحدات التحكم PID ذات درجتين من الحرية، ووحدات التحكم من نوع PID ذات النظام الكسري (FOPID)، والهياكل المتسلسلة، ووحدات التحكم الذكية الهجينة التي تتضمن المنطق الضبابي وتحديثات الزيادة غير الخطية. تقدم هذه الوحدات المتقدمة مرونة أكبر في الضبط والتكيف ولكنها أيضًا تقدم تعقيدًا وتحتاج إلى تقنيات تحسين قوية للتنفيذ الفعال. تلاحظ المقدمة أيضًا أن التقدم الأخير في تقنيات التحسين الذكية والمستوحاة من الطبيعة والهجينة قد حسّن بشكل كبير من أداء التحكم غير الخطي عبر تطبيقات متنوعة، بما في ذلك المحركات الكهربائية، وأنظمة مستوى السوائل، والطاقة المتجددة، مما يوضح إمكانية وحدات التحكم التكيفية والمستوحاة من الطبيعة لتحقيق استجابة سريعة وكفاءة تشغيل محسّنة.
النتائج
يوفر قسم النتائج تقييمًا مفصلًا لأداء وحدة التحكم tanh-PID المعدلة بواسطة ALA لتنظيم ضغط المكثف البخاري غير الخطي. تم اختبار خوارزميات التحسين تحت ظروف محاكاة موحدة لضمان قابلية المقارنة، مع قياس الأداء باستخدام دالة الهدف لتكامل الخطأ المطلق الموزون بالوقت (ITAE) خلال عملية الضبط. تم إجراء تقييم زمني مغلق للمعلمات المحسّنة لتقييم فعالية وحدة التحكم.
تمت مقارنة وحدة التحكم المعدلة بواسطة ALA بأربع خوارزميات ميتاهيرستية معاصرة: خوارزمية تحسين Coati (COA)، ومُحسّن الهندباء (DO)، وتطور تفاضلي قائم على تاريخ النجاح مع تقليل حجم السكان الخطي (L-SHADE)، وخوارزمية المجال الكهربائي الاصطناعي التكيفية (iAEFA). بالإضافة إلى ذلك، تمت مقارنة وحدة التحكم tanh-PID المحسّنة مع وحدات التحكم من نوع النسبة والتكامل (PI) ووحدات التحكم من نوع النسبة والتكامل والمشتق ذات النظام الكسري (FOPID) الموثقة في الأدبيات. تظهر النتائج العددية، وملفات التقارب، والتحليلات الرسومية فعالية استراتيجية التحكم المقترحة، وموثوقيتها، وقابليتها العملية في إدارة الديناميات غير الخطية لأنظمة المكثفات البخارية، مع تقييم كل خوارزمية على مدى 30 تجربة مستقلة، وحد أقصى من التكرارات قدره $T_{\text{max}} = 50$، وحجم سكان قدره $N = 25$.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم اقتراح وحدة تحكم جديدة تعتمد على دالة الظل الزائدي (tanh-PID) لتنظيم ضغط المكثف البخاري غير الخطي، مع معالجة قيود وحدات التحكم التقليدية من نوع PID في إدارة غير الخطيات القوية. تقدم دالة tanh طبقة تعديل غير خطي للزيادة تعزز التخميد وتخفف من التجاوز مع الحفاظ على البساطة الحسابية. يتم تحسين وحدة التحكم باستخدام خوارزمية الليمون الاصطناعية (ALA)، التي توازن بين الاستكشاف والاستغلال بشكل فعال، مما يسمح لها بالهروب من القيم الدنيا المحلية والتقارب نحو حلول عالية الجودة. تظهر تقييمات الأداء أن وحدة التحكم tanh-PID المعدلة بواسطة ALA تتفوق على عدة خوارزميات ميتاهيرستية معاصرة ووحدات التحكم من نوع PI وFOPID، محققة أقل تكامل للخطأ المطلق الموزون بالوقت (2.1189)، وأسرع وقت ارتفاع (0.5960 ثانية)، وأقل تجاوز (5.8056%).
تسلط الدراسة الضوء على أهمية تقنيات التحكم المتقدمة في تعزيز أداء الأنظمة الحرارية، خاصة في سياق المكثفات البخارية. لا تحسن وحدة التحكم tanh-PID المقترحة الاستجابة العابرة ودقة الحالة الثابتة فحسب، بل تظهر أيضًا مقاومة قوية ضد الاضطرابات وتغيرات المعلمات، مما يثبت قابليتها العملية في السيناريوهات الواقعية. يبرز التقييم الشامل لأداء وحدة التحكم، بما في ذلك المحاكاة ذات الحلقة المغلقة والتحليلات المقارنة، فعاليتها في إدارة الديناميات المعقدة للمكثفات البخارية، مما يرسخ إطار تحسين جديد يدمج تشكيل الزيادة غير الخطية مع استراتيجيات التحسين العالمية الذكية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34740-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41513948
Publication Date: 2026-01-10
Author(s): Serdar Ekinci et al.
Primary Topic: Frequency Control in Power Systems
Overview
In this study, a novel hyperbolic tangent-based PID (tanh-PID) controller is introduced to enhance pressure regulation in nonlinear shell-and-tube steam condensers, addressing the limitations of conventional proportional-integral (PI) and proportional-integral-derivative (PID) controllers, which often result in overshoot and slower settling times. The tanh-PID controller employs smooth nonlinear gain modulation to improve damping behavior and transient response. The optimization of this controller is achieved through the artificial lemming algorithm (ALA), aimed at minimizing the integral of time-weighted absolute error.
Extensive simulations using a detailed nonlinear condenser model demonstrate that the ALA-tuned tanh-PID outperforms four competitive optimization algorithms and state-of-the-art PI and fractional-order PID (FOPID) controllers. Key performance metrics indicate that the proposed controller achieves the lowest integral of time-weighted absolute error (2.1189), fastest rise time (0.5960 s), minimal settling time (12.4799 s), and overshoot (5.8056%), alongside a near-zero steady-state error (4.0776×10⁻⁴%). Robustness analyses further validate its superior disturbance rejection and reliable reference tracking under dynamic uncertainties, suggesting that this methodology is a promising, low-complexity, high-performance solution for real-time applications in industrial steam condenser systems.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the critical role of shell-and-tube steam condensers in thermal power plants, emphasizing their function in efficient heat rejection and maintaining the necessary vacuum for optimal turbine performance. The inherently nonlinear behavior of these condensers, influenced by the dynamic interactions of steam, air, and circulating water, complicates pressure regulation. Small disturbances in operating conditions can lead to performance degradation, reduced power output, and increased operational risks. Traditional control methods, such as proportional-integral (PI) and proportional-integral-derivative (PID) controllers, while widely used for their simplicity, often fail to maintain stability in dynamic environments due to their fixed-gain structures, resulting in overshoot and prolonged settling times.
To address these challenges, the paper highlights the development of advanced control strategies, including two-degree-of-freedom PID controllers, fractional-order PID (FOPID) controllers, cascaded architectures, and hybrid intelligent controllers that incorporate fuzzy logic and nonlinear gain updates. These advanced controllers offer enhanced tuning flexibility and adaptability but also introduce complexity and necessitate robust optimization techniques for effective implementation. The introduction further notes that recent advancements in intelligent, bioinspired, and hybrid optimization techniques have significantly improved nonlinear control performance across various applications, including DC motors, liquid-level systems, and renewable energy, demonstrating the potential of adaptive and nature-inspired controllers to achieve rapid response and improved operational efficiency.
Results
The results section provides a detailed performance evaluation of the proposed ALA-tuned tanh-PID controller for regulating nonlinear steam condenser pressure. The optimization algorithms were tested under uniform simulation conditions to ensure comparability, with performance measured using the Integral of Time-weighted Absolute Error (ITAE) objective function during the tuning process. A closed-loop time-domain assessment of the optimized parameters was conducted to evaluate the controller’s effectiveness.
The ALA-tuned controller was benchmarked against four contemporary metaheuristic algorithms: the Coati Optimization Algorithm (COA), Dandelion Optimizer (DO), Success-history based Adaptive Differential Evolution with Linear Population Size Reduction (L-SHADE), and Adaptive Artificial Electric Field Algorithm (iAEFA). Additionally, the improved tanh-PID controller was compared to various state-of-the-art Proportional-Integral (PI) and Fractional Order Proportional-Integral-Derivative (FOPID) controllers documented in the literature. The numerical results, convergence profiles, and graphical analyses demonstrate the proposed control strategy’s effectiveness, reliability, and practical applicability in managing the nonlinear dynamics of steam condenser systems, with each algorithm evaluated over 30 independent runs, a maximum iteration limit of $T_{\text{max}} = 50$, and a population size of $N = 25$.
Discussion
In this study, a novel hyperbolic tangent-based PID (tanh-PID) controller is proposed for the regulation of nonlinear steam condenser pressure, addressing the limitations of traditional PID controllers in managing strong nonlinearities. The tanh function introduces a nonlinear gain modulation layer that enhances damping and suppresses overshoot while maintaining computational simplicity. The controller is optimized using the artificial lemming algorithm (ALA), which balances exploration and exploitation effectively, allowing it to escape local minima and converge on high-quality solutions. Performance evaluations demonstrate that the ALA-tuned tanh-PID controller outperforms several contemporary metaheuristic algorithms and state-of-the-art PI and FOPID controllers, achieving the lowest integral of time-weighted absolute error (2.1189), fastest rise time (0.5960 s), and minimal overshoot (5.8056%).
The study highlights the importance of advanced control techniques in enhancing the performance of thermal systems, particularly in the context of steam condensers. The proposed tanh-PID controller not only improves transient response and steady-state accuracy but also exhibits strong resilience against disturbances and parameter variations, validating its practical applicability in real-world scenarios. The comprehensive evaluation of the controller’s performance, including closed-loop simulations and comparative analyses, underscores its effectiveness in managing the complex dynamics of steam condensers, thereby establishing a new optimization framework that integrates nonlinear gain shaping with intelligent global optimization strategies.