實(shí)例闡述自動(dòng)控制與PID參數(shù)調(diào)整

何思敏

摘 要： 隨著控制技術(shù)的日新月異，DCS的廣泛應(yīng)用，火電廠的自動(dòng)化程度也得以穩(wěn)定提升。如何整定PID參數(shù)，優(yōu)化自動(dòng)控制，減輕運(yùn)行人員的工作負(fù)擔(dān)，成為電廠熱控維護(hù)人員基本技能之一。本文通過(guò)實(shí)例，分析自動(dòng)控制回路的構(gòu)建與參數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的。

關(guān)鍵詞： 熱工自動(dòng)化；自動(dòng)控制；PID參數(shù)整定

如圖1所示流程，送風(fēng)機(jī)根據(jù)負(fù)荷吹入適量的空氣進(jìn)入爐膛配合煤粉燃燒，產(chǎn)生的煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)抽出，再經(jīng)過(guò)增壓風(fēng)機(jī)升壓后，進(jìn)入脫硫吸收塔發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，脫硫后的干凈煙氣經(jīng)煙囪排放到大氣。以增壓風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制為例，被調(diào)量為增壓風(fēng)機(jī)入口壓力，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為增壓風(fēng)機(jī)動(dòng)葉，當(dāng)由于發(fā)電負(fù)荷變化導(dǎo)致送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)控制變化時(shí)，增壓風(fēng)機(jī)動(dòng)葉也需要自動(dòng)調(diào)節(jié)，使入口壓力維持在設(shè)定值附近范圍，維持工況穩(wěn)定。

一、正作用與反作用

增壓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，由增壓風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開大或關(guān)小，來(lái)控制增壓風(fēng)機(jī)的入口壓力，根據(jù)增壓風(fēng)機(jī)對(duì)入口壓力的影響，可知這是一個(gè)反作用的自動(dòng)控制回路，即當(dāng)動(dòng)葉開度變大時(shí)，入口壓力往負(fù)的方向變化，當(dāng)動(dòng)葉開度變小時(shí)，入口壓力往正的方向變化，和引風(fēng)機(jī)對(duì)爐膛負(fù)壓的控制作用方向一致。

二、比例與積分調(diào)節(jié)

在手動(dòng)調(diào)節(jié)方式下，運(yùn)行人員在監(jiān)控畫面操作0%-100%之間的指令，經(jīng)DCS轉(zhuǎn)化成4-20毫安電流信號(hào)，輸出到動(dòng)葉電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開大或關(guān)小動(dòng)葉，完成人工控制增壓風(fēng)機(jī)的入口壓力的調(diào)節(jié)。在自動(dòng)調(diào)節(jié)方式下， PID功能塊指令輸出計(jì)算公式如下：

由于被調(diào)量為增壓風(fēng)機(jī)入口壓力，單位為Pa，量程為-1500～1500（可理解為0-3000的范圍），而PID的輸出為到動(dòng)葉0～100%的指令，此時(shí)需要將被調(diào)量與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的單位進(jìn)行聯(lián)系。對(duì)入口壓力進(jìn)行百分比的轉(zhuǎn)換，將100除以3000，得出轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.033，則當(dāng)增壓風(fēng)機(jī)入口壓力變化時(shí)，偏差=（入口壓力設(shè)定值-入口壓力實(shí)際值）*0.033，得出入口壓力的變化百分?jǐn)?shù)，完成由單位“Pa”到“%”的轉(zhuǎn)化，與動(dòng)葉的開度0-100%建立了關(guān)系。

在實(shí)際手動(dòng)調(diào)節(jié)增壓風(fēng)機(jī)入口壓力過(guò)程中得知，動(dòng)葉在當(dāng)前開度基礎(chǔ)上增加1.3%的開度，入口壓力即往負(fù)的方向變化100Pa左右，例如當(dāng)前穩(wěn)定工況下，入口壓力為-100Pa，動(dòng)葉開度為62%，當(dāng)動(dòng)葉開大到63.3%時(shí)，入口壓力從-100Pa變化到-200Pa左右，由此可以推算出，當(dāng)在自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)下，當(dāng)入口壓力由于工況變化從-100Pa變化到-200Pa時(shí)，為了使入口壓力恢復(fù)到設(shè)定值-100Pa左右，此時(shí)動(dòng)葉必須在當(dāng)前開度基礎(chǔ)上減少1.3%的開度，即動(dòng)葉指令變量為-1.3%，才能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)目的。由偏差=（入口壓力設(shè)定值-入口壓力實(shí)際值）*0.033=【（-100）-（-200）】*0.033=3.3%，為了使動(dòng)葉的指令變化1.3%，可大約求出PID比例系數(shù)P=1.3%÷3.3%=0.39。

實(shí)際投入自動(dòng)調(diào)節(jié)中，由于比例作用無(wú)法消除靜態(tài)偏差，如果為了消除靜態(tài)偏差，需要增加積分作用。了解到DCS系統(tǒng)的積分時(shí)間是趨向0時(shí)積分作用越強(qiáng)，越往正數(shù)方向積分作用逐漸減弱，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初設(shè)積分時(shí)間為120，觀察積分作用對(duì)壓力調(diào)節(jié)的影響，判斷是應(yīng)該增加還是減小積分時(shí)間。如果需要快速消除偏差，則可修改為100或90等，加強(qiáng)積分作用，如果對(duì)系統(tǒng)造成擾動(dòng)，則應(yīng)增大積分時(shí)間。理論上積分作用越強(qiáng)會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，在實(shí)際調(diào)節(jié)中應(yīng)把握平衡。應(yīng)用比例與積分作用的自動(dòng)調(diào)節(jié)效果如圖2所示，入口壓力能維持在設(shè)定值附近。

三、前饋輸入

以上方式為比例與積分作用控制，根據(jù)控制策略的改變，也可增加前饋?zhàn)饔谩Ｓ捎谠鰤猴L(fēng)機(jī)動(dòng)葉與引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉存在關(guān)系，當(dāng)引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度增大時(shí)，增壓風(fēng)機(jī)動(dòng)葉也隨之增大，使負(fù)荷相應(yīng)匹配。在600MW燃煤機(jī)組運(yùn)行中，采集發(fā)電機(jī)實(shí)際升降負(fù)荷數(shù)據(jù)，當(dāng)不同負(fù)荷狀態(tài)最終穩(wěn)定時(shí)，引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度、增壓風(fēng)機(jī)開度有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)分段函數(shù)添加PID的前饋輸入，使引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度變化時(shí)，增壓風(fēng)機(jī)動(dòng)葉能相應(yīng)變化，完成調(diào)節(jié)。注意的是，由于添加了前饋?zhàn)饔?，需要相?duì)調(diào)整PID的參數(shù)，以使調(diào)節(jié)過(guò)程平穩(wěn)。

四、自動(dòng)退出的保護(hù)條件

為了維護(hù)工況穩(wěn)定，當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)無(wú)法保證生產(chǎn)安全時(shí)，需要及時(shí)退出自動(dòng)，提醒運(yùn)行人員手動(dòng)控制，常規(guī)退出自動(dòng)條件如下：

1、增壓風(fēng)機(jī)入口壓力顯示壞點(diǎn)（表示被調(diào)量無(wú)法監(jiān)視，更無(wú)法作為自動(dòng)調(diào)節(jié)依據(jù)）；

2、增壓風(fēng)機(jī)入口壓力與設(shè)定值偏差過(guò)大，延時(shí)3秒（表示在設(shè)定時(shí)間內(nèi)，被調(diào)量偏離設(shè)定值太大，自動(dòng)無(wú)法調(diào)節(jié)，偏差與延時(shí)時(shí)間可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置）；

3、增壓風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令與位置反饋偏差大，延時(shí)5秒（表示在設(shè)定時(shí)間內(nèi)，動(dòng)葉開度沒有達(dá)到指令要求，自動(dòng)無(wú)法調(diào)節(jié)。需要注意的是，指令變化的速率和動(dòng)葉電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際動(dòng)作的速率，實(shí)際情況存在工況突變?cè)斐芍噶钤跊]有速率限制的情況下變化太大，但電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要一定的速率才能開大或關(guān)小到相應(yīng)位置，此時(shí)如果延時(shí)設(shè)置不當(dāng)，即可能造成自動(dòng)調(diào)節(jié)退出，反而未必能保證工況的安全）。

在此例自動(dòng)控制回路中，考慮到壓力單位小，干擾因素多，波動(dòng)大，為了消除偏差，被調(diào)量精確控制在一個(gè)具體的設(shè)定值是不太現(xiàn)實(shí)的，往往容易因?yàn)閯?dòng)葉的頻繁動(dòng)作而造成工況的不穩(wěn)定，所以“精準(zhǔn)”控制不是必須的，另外，動(dòng)葉電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)也存在1.2%的死區(qū)，即指令變量超過(guò)1.2%電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)才會(huì)動(dòng)作，這也是為了避免電機(jī)頻繁動(dòng)作而發(fā)熱燒壞電機(jī)設(shè)置的保護(hù)。由上所述，這里需要為設(shè)定值與被調(diào)量的偏差設(shè)置死區(qū)，例如入口壓力維持在-100Pa左右對(duì)爐膛負(fù)壓、對(duì)機(jī)組工況都是最穩(wěn)定時(shí)，可適當(dāng)將死區(qū)設(shè)置為±60，即-160Pa～-40Pa范圍內(nèi)不計(jì)算誤差，超出這個(gè)范圍才開始調(diào)節(jié)，避免了動(dòng)葉頻繁動(dòng)作。

綜上所述，如何在“快、穩(wěn)、準(zhǔn)”之間尋找平衡點(diǎn)，是在PID自動(dòng)調(diào)節(jié)中需要注意的。只有把握控制策略、被調(diào)量、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、對(duì)工況穩(wěn)定的影響因素，才能最終得到優(yōu)良的調(diào)節(jié)效果，達(dá)到自動(dòng)控制的目的。

參考文獻(xiàn)

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