自整定PID在鍋爐汽包水位控制中的仿真應(yīng)用與分析

李 寧

（ 寶鋼集團(tuán)八鋼公司，烏魯木齊 830000）

0 引 言

火電機組具有強耦合、非線性、大慣性、參數(shù)時變和不確定因素的典型復(fù)雜熱工系統(tǒng)，它具有多個控制量和被控量，具有上述的復(fù)雜控制目標(biāo)和相應(yīng)的復(fù)雜控制任務(wù)［1］。在火電機組仿真建模方面，不僅進(jìn)行理論研究建模(J.P.McDonald，1971 和 K.J.Astrom，1988)［2］，也開始了電廠控制對象在線辨識方法研究(如P.K.Chawdhry and B.W.Hogg，1989)［3］。常規(guī)的機組控制方案結(jié)合前饋補償、串級等控制策略，采用基于PID線形控制算法的多個SISO反饋控制回路組成的分散控制結(jié)構(gòu)，目前仍在大多數(shù)機組中獲得廣泛應(yīng)用，但無法保證長時期正常投入運行，只能用來維持生產(chǎn)過程的平穩(wěn)運行，復(fù)雜工況需要運行人員大量的手工操作和監(jiān)督控制，機組運行參數(shù)偏離經(jīng)濟指標(biāo)較大，造成大量能量損失，增加了設(shè)備故障率，嚴(yán)重影響機組的經(jīng)濟效益和安全可靠運行［4］。

為了解決上述控制方法對復(fù)雜的鍋爐控制系統(tǒng)的不適應(yīng)性，系統(tǒng)先進(jìn)和智能控制理論及計算機控制技術(shù)開始得到日益廣泛的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了應(yīng)用非常規(guī)設(shè)計方法對電廠機組控制系統(tǒng)的重新考察。為了解決常規(guī)機組控制系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題，適應(yīng)電網(wǎng)綜合自動化發(fā)展提出越來越度高的性能要求，人們對電廠控制對象及其控制方法進(jìn)行了廣泛深入的研究，提出了許多新的控制策略和設(shè)計方法，并在實際應(yīng)用中取得了較好的試驗效果。其中主要有專家控制、模糊控制、神經(jīng)控制、遺傳算法、模型預(yù)測控制、自適應(yīng)或自整定控制方法，以及混合型智能控制方法等［5］。

1 自整定PID控制

1.1 PID參數(shù)自整定的概念和發(fā)展

PID參數(shù)自整定概念中應(yīng)包括參數(shù)自動整定(auto－tuning)和參數(shù)在線自校正(self－tuning on－line)。具有自動整定功能的控制器，能通過按鍵就由控制器自身來完成控制參數(shù)的整定，不需要人工干預(yù)，它既可用于簡單系統(tǒng)投運，也可用于復(fù)雜系統(tǒng)預(yù)整定。運用自動整定的方法與人工整定法相比，無論是在時間節(jié)省方面還是在整定精度上都得以大幅度提高，這同時也就增進(jìn)了經(jīng)濟效益。早在20世紀(jì)70年代，Astrom等人首先提出了自校正調(diào)節(jié)器，以周期性地辨識過程模型參數(shù)為基礎(chǔ)，并和以最小方差為控制性能指標(biāo)的控制律結(jié)合起來，在每一采樣周期內(nèi)根據(jù)被控過程特性的變化，自動計算出一組新的控制器參數(shù)。20世紀(jì)80年代，F(xiàn)oxboro公司發(fā)表了它的EXACT自校正控制器，使用模式識別技術(shù)了解被控過程特性的變化，然后使用專家系統(tǒng)方法去確定適當(dāng)?shù)目刂破鲄?shù)。這是一種基于啟發(fā)式規(guī)則推理的自校正技術(shù)。20世紀(jì)90年代，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念開始應(yīng)用于自校正領(lǐng)域［6－7］。

具有自動整定功能和具有在線自校正功能的控制器被統(tǒng)稱為自整定控制器。一般而言，如果過程的動態(tài)特性是固定的，則可以選用固定參數(shù)的控制器，控制器參數(shù)的整定由自動整定完成。對動態(tài)特性時變的過程，控制器的參數(shù)應(yīng)具有在線自校正的能力，以補償過程時變。

1.2 PID參數(shù)自整定方法

從目前的資料和應(yīng)用情況來看，PID參數(shù)自整定的方法主要歸結(jié)為三大類:一是辨識方法;二是在線模式識別方法;三是基于知識推理方法。

(1)辨識法

在過去的五十多年中，辨識方法取得了很大的發(fā)展，在參數(shù)自整定的方法中占主導(dǎo)地位，這與控制理論的發(fā)展和人們對控制器的認(rèn)識有關(guān)。獲取模型是實現(xiàn)控制的前提，這種觀念在五十年代，乃至現(xiàn)在都為廣大的控制工作者所肯定。因此，設(shè)計控制器必須知道控制對象的數(shù)學(xué)模型，辨識是有力的工具，這是參數(shù)整定最根本的出發(fā)點。根據(jù)辨識方法和內(nèi)容不同，可以分為下面兩類:一是辨識過程對象的數(shù)學(xué)模型(傳遞函數(shù))，一是辨識閉環(huán)系統(tǒng)的臨界增益和臨界周期或多點頻率特性。

(2)模式辨識法

模式識別的思想根據(jù)實際響應(yīng)波形，抽取出一些能表征系統(tǒng)的特征值，由此來判斷系統(tǒng)的動態(tài)特性，進(jìn)而調(diào)整控制器參數(shù)，即將波形分析與人工智能結(jié)合起來，開辟了參數(shù)整定的一條新路，實際應(yīng)用中獲得了很大的成功。例如Foxboro公司推出的EXACT控制器及其分散控制系統(tǒng)I/A Series中的PIDE功能模塊，采用模式識別的參數(shù)整定方法。根據(jù)波形可以抽取不同的特征描述量，從不同的角度進(jìn)行PID控制器的參數(shù)的整定。該方法的特點是不用對系統(tǒng)模型進(jìn)行辨識，節(jié)省時間，而且能夠適應(yīng)過程的變化，對于非線性變結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)有效。但是，該方法是模仿人的調(diào)節(jié)行為，即在波形產(chǎn)生以后再作修改，相當(dāng)于糾正“錯誤”的過程，而對于實際過程控中這種“錯誤”是不允許的。因此，該方法在設(shè)定參數(shù)初值時有一定的危險性。

(3)基于知識推理方法

基于知識推理的PID自整定控制，對模型要求較少，是借助于控制器輸出和過程輸出變量的觀測值來表征的動態(tài)特性，而不依賴于一個居間的過程模型，從而具有易于執(zhí)行且魯棒性較強的特點。它能綜合采用專家經(jīng)驗進(jìn)行整定，其中啟發(fā)式規(guī)則還可將過程動特性和干擾特性區(qū)別開來，并從保持良好的閉環(huán)響應(yīng)特性出發(fā)，確定出所需的校正參數(shù)。而且基于產(chǎn)生式規(guī)則實現(xiàn)控制的系統(tǒng)，其程序設(shè)計以邏輯型語句為主，它和以代數(shù)型語句為主的辨識法相比較，需要的計算時間較少，所以用于處理較快的運行過程。

但這類方法也存在一些不足，方法的指導(dǎo)原則仍然停留在較弱的理論基礎(chǔ)上，它需要豐富的控制知識，其性能的優(yōu)劣取決于開發(fā)者對控制回路參數(shù)整定的經(jīng)驗，以及對反饋控制理論的理解程度。另外，如果采用模式識別的方法，當(dāng)專家系統(tǒng)不具備判斷某種模式的知識時，整定后的控制會發(fā)散。

總之，由于常規(guī)PID控制器不具有在線整定參數(shù)的能力，使其不能滿足在不同e、ec下系統(tǒng)對PID參數(shù)自整定的要求，從而影響到控制效果的進(jìn)一步提高。本設(shè)計將模糊控制與常規(guī) PID控制相結(jié)合，利用模糊推理的思想，根據(jù)不同e、ec對PID的參數(shù)Kp、Ki、Kd進(jìn)行在線整定，這就模糊自適應(yīng)整定PID控制器。

2 自整定PID在汽包水位單沖量控制中的應(yīng)用

根據(jù)鍋爐控制系統(tǒng)對汽包水位的控制性能的要求，結(jié)合總體設(shè)計思想，分別對鍋爐汽包水位在啟動過程中的單沖量控制和正常負(fù)載工作時的三沖量控制進(jìn)行分析和設(shè)計，并應(yīng)用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真分析，其具體實現(xiàn)步驟如下。

2.1 單沖量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單沖量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖1所示，它是連續(xù)給水自動調(diào)節(jié)中最簡單、最基本的一種模式。水位測量信號經(jīng)過變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)水位測量值與給定值的偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥，從而改變給水量保持鍋爐水位在允許范圍內(nèi)。因為只采用水位一個信號作調(diào)節(jié)器的信號，故叫做單沖量水位自動調(diào)節(jié)。其中Gw(s)=

圖1 單沖量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 單沖量控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

對圖1的系統(tǒng)利用Matlab/Simulink設(shè)計系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖，其結(jié)構(gòu)如圖2，其中subsystem為封裝的自整定PID控制器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，PID Controller為常規(guī)的參數(shù)可調(diào)的PID控制器，封裝結(jié)構(gòu)如圖4所示，Manual Switch為手動切換開關(guān)，用于在自整定控制器與常規(guī)控制器之間切換，step為水位的輸入控制信號，step1和step2分別為蒸汽輸出量和給水輸出量的模擬輸入信號。執(zhí)行機構(gòu)和閥門的特性系數(shù)分別為10和2，用Gain7模擬的比例給水調(diào)節(jié)閥。

其中被控對象的傳遞函數(shù)分別為:

分別為給水流量和蒸汽流量的傳遞函數(shù)。

2.3 單沖量控制性能分析與對比

汽包水位自整定PID模糊控制與常規(guī)PID控制仿真比較因上述控制方案僅限于在鍋爐啟動階段，即蒸汽發(fā)生端的負(fù)荷小于20%，暫時將蒸汽擾動和給水?dāng)_動的信號忽略。輸入信號(step)設(shè)置為1，蒸汽流量擾動信號(step1)和給水?dāng)_動信號(step2)均設(shè)為0，設(shè)定仿真時間為1000 s，仿真算法位定步長的四階龍格—庫塔方法，仿真步長為0.5 s。設(shè)置Kp、Ki和Kd的參數(shù)，運行仿真器，觀察結(jié)果。其控制性能如圖5所示。其中(1)為自整定PID模糊控制器的控制仿真曲線，(2)為常規(guī)PID控制的仿真曲線?？梢姡鄬τ诔Ｒ?guī)PID，自整定PID不僅縮短了系統(tǒng)的過渡時間，同時也減小了水位輸出的超調(diào)量，自整定控制器參數(shù)整定的曲線如圖6、圖7和圖8所示。

圖2 汽包水位單沖量自整定仿真結(jié)構(gòu)圖

圖3 自整定控制器結(jié)構(gòu)圖

圖4 常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)圖

圖5 汽包水位自整定PID模糊控制與常規(guī)PID控制仿真曲線

圖6 Kp參數(shù)整定曲線

圖7 Ki參數(shù)整定曲線

圖8 Kd參數(shù)整定曲線

通過觀察可以知道，在參數(shù)的動態(tài)整定過程中，自整定控制器根據(jù)模糊規(guī)則，實現(xiàn)了對控制參數(shù)的動態(tài)調(diào)整，不斷按照規(guī)則使控制性能達(dá)到最優(yōu)。

(1)汽包水位在給水?dāng)_動作用時兩種控制方式仿真比較

在各參數(shù)均不變的前提下，給系統(tǒng)在t=500 s時加入給水流量外擾動信號 (Step2=5 t/h)，此時汽包水位在蒸汽流量擾動下自整定PID模糊控制系統(tǒng)與常規(guī)PID控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線如圖9所示。

圖9 汽包水位在給水?dāng)_動作用時兩種控制方式仿真曲線

(2)汽包水位在蒸汽流量擾動作用時兩種控制方式仿真的比較

在其他各參數(shù)均不變的前提下，給系統(tǒng)在t=500 s時加入蒸汽流量外擾動信號(Step1=7 t/h)，此時汽包水位在蒸汽流量擾動下自整定PID模糊控制系統(tǒng)與常規(guī)PID控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線如圖10所示。其中(1)為自整定PID模糊控制器的控制仿真曲線，(2)為常規(guī)PID控制的仿真曲線。

圖10 汽包水位在蒸汽流量擾動作用時兩種控制方式仿真曲線

通過上述分析，可以知道，相比常規(guī)PID控制器，模糊自整定PID在穩(wěn)定性、動態(tài)特性、抗擾性等方面，都有很大的優(yōu)越性，非常適合汽包水位這樣的動態(tài)系統(tǒng)。

但是，從單沖量控制器在大范圍的蒸汽流量的擾動下的控制特性的分析可以知道，由于存在“虛假水位”的問題，而單沖量控制器對于具有非最小相位特性的蒸汽流量擾動，沒有足夠的抑制作用。所以，一旦發(fā)生流量在大范圍內(nèi)變動，將引起給水調(diào)節(jié)閥的誤動作，致使汽包水位激烈地上下波動，嚴(yán)重影響設(shè)備的壽命和安全。從圖10中還可以看出，在蒸汽擾動作用下，常規(guī)PID控制器在大負(fù)荷的作用下，將不能回到原有的水位高度，使控制器失穩(wěn)，造成嚴(yán)重的后果，而自整定控制器雖然能使水位最終回到初始位置，但調(diào)整時間過長，并且水位激烈的上下振動，并不適宜鍋爐這樣的系統(tǒng)要求。

因此若采用單回路PID控制方式控制汽包水位，而不采取一定措施，則在出現(xiàn)“虛假水位”時，控制系統(tǒng)將會減少汽包進(jìn)水流量，致使汽包中水量進(jìn)一步減少。顯然，單回路PID控制方式是難以適應(yīng)汽包水位控制的，為了克服“虛假水位”現(xiàn)象，必須引進(jìn)更多的控制變量，采用三沖量控制算法，并將模糊控制算法應(yīng)用于上述控制系統(tǒng)中。

3 結(jié)論

在總結(jié)模糊自整定PID的控制方案的基礎(chǔ)上，通過對余熱鍋爐汽包水位在各種工作條件下的性能的仿真分析，充分證明了模糊自整定PID控制方案的有效性和可行性。在對于單沖量和三沖量兩種不同的控制方案的作用下，模糊自整定控制器同樣可以獲得良好的控制效果，尤其對于時變的控制系統(tǒng)，其優(yōu)越性更加顯著。同時，通過對模糊自整定控制器穩(wěn)定性的分析，可以知道，該模糊控制器對于所研究的對象而言，是穩(wěn)定而有效的。

針對對象參數(shù)未知的控制對象，模糊自整定PID控制有其獨特的優(yōu)點，可以根據(jù)實時的系統(tǒng)響應(yīng)做出不同的參數(shù)調(diào)整。目前在溫度、水位等系統(tǒng)中的應(yīng)用比較廣泛。但是，由于規(guī)則的有限性和控制器設(shè)計人員的主觀性，模糊自整定控制器也有其不可以避免的局限性，一旦對象響應(yīng)中出現(xiàn)規(guī)則沒有的情況，將使控制性能極大下降。作為一種剛剛興起的先進(jìn)智能控制方案，模糊自整定PID有著廣泛的應(yīng)用空間和前景，其性能也有待進(jìn)一步的提高。

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