鍋爐過熱蒸汽出口壓力的串級專家PID控制

王恒飛 陳永良 郭春裕

(中國計量學(xué)院質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

鍋爐過熱蒸汽出口壓力的串級專家PID控制

王恒飛 陳永良 郭春裕

(中國計量學(xué)院質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

針對常規(guī)PID鍋爐過熱蒸汽出口壓力控制效果不佳的問題，提出并編寫了基于PCS7系統(tǒng)的專家PID控制器。運用Matlab軟件進(jìn)行專家PID的仿真，并利用高級多功能過程控制實訓(xùn)系統(tǒng)( SMPT 1000) 以及PCS7對控制效果進(jìn)行了進(jìn)一步試驗驗證，實驗中PSC7主要負(fù)責(zé)建立控制系統(tǒng)，實現(xiàn)專家控制。運行結(jié)果表明，該控制方案的調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小，并且具有較好的抗干擾能力，可以實現(xiàn)過熱蒸汽出口壓力的穩(wěn)定控制。

過熱蒸汽 專家控制 PID控制 PCS7 系統(tǒng)組態(tài)

0 引言

鍋爐過熱蒸汽出口壓力是蒸汽供需平衡的標(biāo)志，是影響系統(tǒng)蒸汽平衡的重要熱力學(xué)參數(shù)，直接關(guān)系到操作的平穩(wěn)與生產(chǎn)的安全[1]。蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)具有時變、高階次、大滯后等特點，利用常規(guī)的PID很難對其實現(xiàn)準(zhǔn)確的控制，于是引進(jìn)先進(jìn)的控制算法來解決此問題。

本文選擇專家PID 算法來解決過熱蒸汽出口壓力過渡過程時間過長這一缺點[2]。專家PID 控制是對常規(guī)PID 控制算法的一種改進(jìn)，能很好地與實際工業(yè)相結(jié)合。西門子的 Simatic PCS7集散系統(tǒng)實現(xiàn)了機(jī)電一體化[3]，其中SCL模塊可以實現(xiàn)編寫專家PID控制算法。通過SCL編寫PID控制與專家系統(tǒng)結(jié)合，優(yōu)化了過熱蒸汽壓力控制器的輸出，大大提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制效果。

1 過熱蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

過熱蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)就是對出口負(fù)荷的壓力進(jìn)行控制的系統(tǒng)。影響過熱蒸汽出口壓力的變量有燃料流量、過熱蒸汽出口流量以及過熱蒸汽出口溫度等。其中燃料流量是對過熱蒸汽出口壓力影響最顯著的變量，而且可控性好。如圖1所示是壓力串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在串級控制系統(tǒng)中加入專家PID控制器PIC1104，通過主、副環(huán)的聯(lián)合控制，使整個壓力控制系統(tǒng)的性能提高。

圖1 過熱蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)

2 PCS7系統(tǒng)組態(tài)

西門子PCS7將傳統(tǒng)的DCS 和PLC 控制系統(tǒng)的優(yōu)點相結(jié)合，系統(tǒng)所有的硬件都基于統(tǒng)一的硬件平臺，可以根據(jù)需要選用不同的功能組件進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)[4]。PCS7基于Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)，把現(xiàn)場設(shè)備集成在過程控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場設(shè)備通過ET200系列分布式I/O連接到Profibus總線上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

PCS7的系統(tǒng)組態(tài)是指使用工具軟件對計算機(jī)及軟件的各種資源進(jìn)行配置，使計算機(jī)或軟件按照預(yù)先設(shè)置的指令參數(shù)，自動執(zhí)行指定的任務(wù)的過程。PCS7的組態(tài)過程一般分為以下四個步驟。

① 新建項目工程

整個項目工程的新建都由工程向?qū)?new project wizard)完成，主要進(jìn)行CPU套件的選型、項目層級的設(shè)置以及創(chuàng)建操作員站(OS)。

② 應(yīng)用服務(wù)器(AS)、OS硬件的組態(tài)

項目建立完成之后，需要進(jìn)行硬件組態(tài)，實現(xiàn)SMPT1000(小型過程控制仿真平臺)和PCS7的數(shù)據(jù)通信。根據(jù)過熱蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)的需求，將所需采集與輸出的信號線接到ET200對應(yīng)的I/O接口上。其中AS組態(tài)就是將電源、CPU、CP443-1等訂貨號與實際硬件訂貨號匹配，配置CPU412-3H的MPI/DP接口。該接口支持Profibus DP通信，可實現(xiàn)CPU直接與遠(yuǎn)程I/O通信。

OS組態(tài)與AS類似，需要在工程師站(ES)中組態(tài)真實的OS,并且雙方通信成功。

③ 控制算法組態(tài)

控制算法組態(tài)主要是指連續(xù)功能圖(CFC)組態(tài)。在CFC編輯器中放置控制系統(tǒng)所需要的功能塊，配置相關(guān)的參數(shù)。這些功能塊是具有特定功能的預(yù)置功能塊，連接相應(yīng)的端子即可。本文所需要的專家PID功能塊需要使用SCL語言進(jìn)行編寫，編譯后才能生成專家PID控制器。

④ 監(jiān)控畫面組態(tài)

監(jiān)控畫面組態(tài)就是通過WinCC人機(jī)界面組件完成的上位機(jī)界面，實現(xiàn)鍋爐過熱蒸汽出口壓力的監(jiān)控的可視化和過程任務(wù)控制。操作員在OS界面可以以圖形化的方式控制和監(jiān)視出口壓力控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化。

3 專家PID控制器設(shè)計

在設(shè)計專家控制器時選用了經(jīng)典的控制器模型，進(jìn)一步提高專家PID控制器對數(shù)據(jù)的處理能力，提高最終的控制效果。專家控制通過模擬專家的推理過程和知識，能以專家的水平解決問題。本文使用知識工程方法，應(yīng)用專家系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)則和實現(xiàn)形式構(gòu)建一個實時專家智能控制系統(tǒng)[5-6]。專家PID控制器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 專家PID控制器結(jié)構(gòu)圖

由圖3看出專家控制器選用的模型為[7]：

U=f(E,T,I)

(1)

式中：U=(u1,u2,…,ul)為控制器輸出集；E={e1,e2,…,em}為控制器輸入集；T={t1,t2,…,tn}為系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)項集；I={i1,i2，…，ip}為推理機(jī)構(gòu)的輸出集。

f為智能算子，其基本形式為：

IfEandTthen (ifIthenU)

(2)

專家PID控制器就是依據(jù)這個模型理論設(shè)計的。圖4所示的是典型的二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線[2]。

圖4 典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線

e(t)的采樣誤差e(k)、e(k-1)、e(k-2)分別表示前一次和前兩次采樣時刻的誤差值，則有:

Δe(k)=e(k)-e(k-1)

Δe(k-1)=e(k-1)-e(k-2)

根據(jù)誤差及其變化，并結(jié)合圖4對專家PID控制器的規(guī)則進(jìn)行如下定性分析。

① 當(dāng)|e(k)|>M1時，說明誤差的絕對值已經(jīng)很大。不論誤差變化趨勢如何，都應(yīng)考慮控制器的輸出按定值輸出，以達(dá)到迅速調(diào)整誤差、同時避免超調(diào)的目的。此時，它相當(dāng)于實施開環(huán)控制?？刂破鬏敵鰹閡(k)=usp。

② 當(dāng)e(k)Δe(k)>0時，說明誤差在朝誤差絕對值增大方向變化，或誤差為某一常數(shù)，未發(fā)生變化。

如果|e(k)|≥M2，說明誤差較大，可考慮由控制器實施較強(qiáng)的控制作用，使誤差絕對值朝減小方向變化，迅速減小誤差的絕對值。控制器輸出為:

u(k)=u(k-1)+K1{KpΔe(k)+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}

(3)

如果|e(k)|≥M2，說明盡管誤差朝絕對值增大方向變化，但誤差絕對值本身并不是很大，可考慮實施一般的控制作用，扭轉(zhuǎn)誤差的變化趨勢，使其朝誤差絕對值減小方向變化。控制器輸出為:

u(k)=u(K-1)+KpΔe(k)+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(4)

③ 當(dāng)e(k)Δe(k)<,Δe(k)Δe(k-1)>0或Δe(k)=0時，說明誤差的絕對值朝減小的方向變化，或者已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。此時，可考慮采取保持控制器輸出不變。

④ 當(dāng)e(k)Δe(k)<0、Δe(k)Δe(k-1)<0時，說明誤差處于極值狀態(tài)。如果此時誤差的絕對值較大，即可考慮實施較強(qiáng)的控制作用；如果誤差的絕對值較小即|e(k)|

e(k)=u(k-1)+K1Kpem(k) |e(k)|>M2

(5)

e(k)=u(k-1)+K2Kpem(k) |e(k)|≤M2

(6)

⑤ 當(dāng)|e(k)|≤ε(精度)時，說明誤差的絕對值很小，此時可加入積分環(huán)節(jié)，減少穩(wěn)態(tài)誤差。

以上各式中，em(k)為誤差的第k個極值；u(k)為第k次控制器的輸出；K1為增益放大系數(shù)，K1>1；K2為抑制系數(shù)，0M2>0。

以上規(guī)則就是通過對誤差控制信號的瞬時響應(yīng)進(jìn)行模式識別。在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上構(gòu)建專家PID控制器，可以更好地優(yōu)化主控制器的輸出，充分發(fā)揮專家控制的優(yōu)點，能對時變、非線性和易受到各種干擾的受控過程給出有效的控制策略。串級專家PID控制系統(tǒng)方塊圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)方塊圖

4 仿真與驗證

4.1 對象特性辨識

在進(jìn)行Matlab仿真之前，需要獲取最接近被控對象的精確數(shù)學(xué)模型。運用WinCC控件中的Visual Basic的腳本語言讀取壓力模型的輸入(燃油流量)與輸出(蒸汽壓力),再利用行列式比定階法來估計壓力模型的階次；然后利用遞推最小二乘法實現(xiàn)對壓力模型的系統(tǒng)辨識；最終確定最精確的過熱蒸汽出口壓力的數(shù)學(xué)模型[8-10]。在 Matlab 中編寫模型階次辨識語言，對多組壓力模型的輸入輸出進(jìn)行計算，得到行列式比DR*(n)，從而實現(xiàn)對過熱蒸汽出口壓力模型階次的辨識。行列式比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 行列式比數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)比較可知，當(dāng)n等于2時行列式比顯著增加，故壓力模型的階次可定為 2 階。

獲得壓力模型的階次之后，進(jìn)一步分析論證得到最接近的壓力辨識模型的差分方程為：

y(k)=-1.011 05y(k-1)+0.025 6y(k-2)- 0.000 6u(k-1)+0.000 5u(k-2)

(7)

4.2 專家PID控制的仿真

根據(jù)式(7)的模型，先在Matlab上進(jìn)行仿真，分別進(jìn)行常規(guī)PID與專家PID的仿真，PID控制器是通過數(shù)字PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的[11]。整定的專家PID控制參數(shù)為：

KP=5.4KI=0.8KD=30K1=1.2K2=0.6 利用Matlab繪出各自的壓力曲線如圖6所示。

圖6 常規(guī)PID與專家PID控制的輸出比較

由圖6的輸出曲線可以看出，專家PID控制過渡時間短且基本無超調(diào)。仿真結(jié)果表明專家PID 的控制效果更加優(yōu)越。

4.3 實驗驗證

由仿真結(jié)果可以明顯看出專家PID控制器的優(yōu)越性，再根據(jù)前面所述的專家PID控制器的設(shè)計規(guī)則，在PCS7中運用SCL模塊編寫專家PID控制器功能塊進(jìn)行實驗驗證。生成的專家控制器功能塊如圖7所示。

圖7 專家PID控制器功能塊

在PCS7中將整個鍋爐過熱蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)搭建完成后，副回路控制器使用燃料流量控制器，主回路控制器分別采用常規(guī)和專家 PID控制器，準(zhǔn)備工作完成以后運行上位機(jī)程序進(jìn)行實驗。兩種PID控制的輸出結(jié)果比較如表2所示。

表2的對比結(jié)果進(jìn)一步表明，專家PID 控制使控制器的輸出更加穩(wěn)定，專家PID 控制在快速性、抗干擾性等方面優(yōu)于常規(guī)PID 控制。

表2 常規(guī)/專家PID控制的比較

5 結(jié)束語

本文首先利用Matlab搭建的出口蒸汽壓力的數(shù)學(xué)模型，驗證了專家系統(tǒng)在PID控制器運用中的優(yōu)越性，并通過西門子先進(jìn)的PCS7系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步實驗驗證。與常規(guī)的PID控制相比較，專家PID控制提高了系統(tǒng)的抗干擾性能，在實際生產(chǎn)環(huán)節(jié)中可以起到節(jié)能減排、提高經(jīng)濟(jì)效益的作用。

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Cascade Expert PID Control of Boiler Superheated Steam Outlet Pressure

To solve the problem of conventional PID, i.e., poor control effect for boiler superheated steam outlet pressure, the expert PID controller based on PCS7 system is proposed and compiled. The expert PID is simulated by adopting Matlab, and further test and verification of the control effect are conducted with advanced multifunction process control training system SMPT 1000 and PCS7, PCS7 is mainly responsible for setup the control system to implement expert control. The results of tests and operation show that the control scheme features shorter regulation time, smaller overshoot, and possesses high anti-interference capability, it is able to realize stable control for superheated steam outlet pressure.

Superheated steam Expert control PID control PCS7 System configuration

王恒飛(1990-)，男，現(xiàn)為中國計量學(xué)院檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事計算機(jī)控制、電子測量及虛擬儀器技術(shù)的研究。

TH81;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510025

修改稿收到日期：2014-12-12。