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　　摘要：針對(duì)火力發(fā)電機(jī)組鍋爐主汽溫的非線性、多變量、多擾動(dòng)、大滯后等特性，將基本PID控制器、微分先行PID控制器和模糊PID控制器應(yīng)用于鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)，并分別在仿真平臺(tái)Matlab的仿真環(huán)境Simu-Link下進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，微分先行PID控制器縮短了滯后時(shí)間?！　?br />　　引言
　　
　　火力發(fā)電在我國(guó)電力工業(yè)中占有重要地位，火力發(fā)電機(jī)組是火力發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備。隨著火力發(fā)電機(jī)組越來(lái)越向大容量、高參數(shù)、率的方向發(fā)展，生產(chǎn)系統(tǒng)日益復(fù)雜，系統(tǒng)的藕合性、時(shí)變性、非線性等特點(diǎn)顯得更加突出，對(duì)機(jī)組主汽溫系統(tǒng)控制品質(zhì)的要求越來(lái)越嚴(yán)格?！　?br />　　主蒸汽溫度是火力發(fā)電機(jī)組的重要參數(shù)，對(duì)主汽溫的控制必須注意5個(gè)問(wèn)題。　　
　　a．汽溫過(guò)高會(huì)使鍋爐受熱面及蒸汽管壁金屬材料的蠕變速度加快，影響使用壽命。例如，12CrMoV鋼在585℃環(huán)境下保證應(yīng)用強(qiáng)度的時(shí)間約為10×104h，而在595℃時(shí)達(dá)到3×104h就可能會(huì)喪失其應(yīng)用強(qiáng)度，而且如果受熱面嚴(yán)重超溫，將會(huì)由于管道材料強(qiáng)度的急劇下降而導(dǎo)致爆管。
　　
　　b．汽溫過(guò)低會(huì)使機(jī)組循環(huán)熱效率降低，煤耗增大。根據(jù)理論估算可知：汽溫降低10℃，會(huì)使煤耗平均增加0.2％。此外，汽溫過(guò)低，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子所受的軸向推力增大，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行十分不利。
　　
　　c．汽溫變化過(guò)大，除使管材及有關(guān)部件產(chǎn)生疲勞外，還將引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與汽缸的脹差發(fā)生變化，甚至產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，危及機(jī)組安全運(yùn)行。
　　
　　d．影響汽溫變化的因素很多，例如，蒸汽負(fù)荷、減溫水量、燃料成分、煙氣側(cè)的過(guò)量空氣系數(shù)和火焰中心位置等。
　　
　　e．汽溫對(duì)象在各種擾動(dòng)作用下（如負(fù)荷、工況變化等）反映出非線性、時(shí)變性等特點(diǎn)，使其控制的難度加大。
　　
　　針對(duì)主汽溫控制的復(fù)雜性和重要性，必須正確選擇主汽溫的控制手段或控制策略，以保證主蒸汽的品質(zhì)和生產(chǎn)過(guò)程的安全性、經(jīng)濟(jì)性。
　　
　　一、控制策略選擇
　　
　　主蒸汽溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)純滯后系統(tǒng)，被認(rèn)為是一個(gè)較難控制的復(fù)雜對(duì)象。若直接采用基本PID控制，難以滿足對(duì)系統(tǒng)的控制要求。而采用改進(jìn)的PID控制策略，一般可以獲得較為滿意的控制效果。改進(jìn)PID控制是指史密斯補(bǔ)償控制和微分先行PID控制。史密斯補(bǔ)償控制從根本上采取措施消除或部分消除滯后對(duì)控制系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響，以改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)。該控制策略和基本PID控制策略相比，具有控制品質(zhì)高、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于控制精度要求較高的場(chǎng)合。缺點(diǎn)是需要對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)辨識(shí)，其識(shí)別過(guò)程復(fù)雜，實(shí)時(shí)性較差，可靠性較低，故在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用較少。
　　
　　微分先行PID控制是將微分作用提前，即包含了一個(gè)先行的微分環(huán)節(jié)。微分環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)包含了被控參數(shù)及其變化速度值，將其作為測(cè)量值輸入到比例積分控制器中，可使系統(tǒng)克服超調(diào)的作用加強(qiáng)，從而補(bǔ)償過(guò)程滯后，達(dá)到改善系統(tǒng)控制品質(zhì)的目的。采用PI的微分先行控制方案，可較好地抑制滯后系統(tǒng)的超調(diào)量，控制性能良好，且不需要進(jìn)行模型識(shí)別，所以微分先行PID控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、易于工業(yè)實(shí)現(xiàn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。與史密斯補(bǔ)償控制相比，具有相當(dāng)大的*性?！　?br />　　隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)代控制理論和智能控制理論研究和應(yīng)用，為控制復(fù)雜無(wú)規(guī)則系統(tǒng)開(kāi)辟了新途徑。模糊PID控制器是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型控制器，其優(yōu)點(diǎn)是不要求掌握被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量大小。盡管與基本PID控制策略相比具有一定的*性，但由于其控制過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，運(yùn)算量過(guò)于龐大，實(shí)時(shí)性也較差，所以在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，具有一定的局限性。
        總之，在鍋爐主汽溫這樣的純滯后控制系統(tǒng)中，采用微分先行PID控制，能有效地克服超調(diào)現(xiàn)象，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，而且其算法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單方便，是比較理想的控制方案。
　　
　　二、主汽溫?cái)?shù)學(xué)描述
　　
　　串級(jí)系統(tǒng)主汽溫控制系統(tǒng)模型由系統(tǒng)輸入、PID控制器、導(dǎo)前區(qū)、惰性區(qū)、系統(tǒng)輸出等組成，如圖1所示。　　
　　圖中，擾動(dòng)1為減溫水的自發(fā)擾動(dòng)，擾動(dòng)2為燃燒率的改變。導(dǎo)前區(qū)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為。　　惰性區(qū)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為　　
　　三、微分先行PID控制器設(shè)計(jì)
　　
　　3.1基本PID控制器
　　
　　基本PID控制的原理方框圖如圖2所示。　　PID控制規(guī)律為　　
　　其中，u（t）為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；e（t）為調(diào)節(jié)器輸入的偏差信號(hào)；KP為比例系數(shù)；τ1為積分時(shí)間常數(shù)；二為微分時(shí)間常數(shù)。
　　
　　利用Matlab中的Simulink平臺(tái)，可以組建串級(jí)主汽溫基本PID控制系統(tǒng)方框圖。在Simulink界面中可以用鼠標(biāo)雙擊模型，在對(duì)話框中填入各個(gè)模型的參數(shù)。在這里設(shè)定比例系數(shù)Kp=0.42，積分系數(shù)K1=0.0092，微分系數(shù)KD=34；減溫水自發(fā)擾動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間為100s，燃燒率改變的響應(yīng)時(shí)間為500s；滯后時(shí)間為20s；仿真時(shí)間為1500s。如圖3所示。　　
　　3.2微分先行PID控制器
　　
　　微分先行PID控制的特點(diǎn)是只對(duì)輸出量C（t）進(jìn)行微分，而對(duì)給定值r（t）不作微分。在微分先行控制方案中，微分環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)包含了被控參數(shù)及其變化速度值。將其作為測(cè)量值輸入到比例積分控制器中，可使系統(tǒng)克服超調(diào)的作用加強(qiáng)，從而補(bǔ)償過(guò)程滯后，達(dá)到改善系統(tǒng)控制品質(zhì)的目的[6]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。若用相應(yīng)的符號(hào)表示，則如圖5所示。圖5中GC（s）表示比例積分控制器，τDs＋1表示先行的微分環(huán)節(jié)，G（s）表示被控對(duì)象傳遞函數(shù)中不含時(shí)間滯后的部分，e-τs“表示被控對(duì)象傳遞函數(shù)中的時(shí)間滯后部分。則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可表示為　　
　　若系統(tǒng)采用常規(guī)PID控制，則系統(tǒng)傳遞函數(shù)可寫為　　
　　顯然，采用P1的微分先行控制比采用常規(guī)PID控制相比系統(tǒng)傳遞函數(shù)少了一個(gè)零點(diǎn)。因此，盡管2種方式都采用了比例、積分和微分環(huán)節(jié)，但采用P1的微分先行控制方案可較好地抑制系統(tǒng)的超調(diào)量，控制性能良好。
　　
　　利用Matlab中的Simulink平臺(tái)，設(shè)定與基本PID控制相同的參數(shù)，建立的串級(jí)主汽溫微分先行PID控制系統(tǒng)方框圖如圖6所示。

　　
　　3.3仿真比較
　　
　　為了便于進(jìn)行比較，把基本PID控制和微分先行PID控制模型放在同一方框圖內(nèi)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。　　
　　圖中，橫坐標(biāo)為仿真時(shí)間，單位為秒；縱坐標(biāo)為輸出相對(duì)值，無(wú)量綱。曲線1為基本PID控制的主汽溫動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，曲線2為微分先行PID控制的主汽溫動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。對(duì)比2條曲線可知，雖然采用的參數(shù)*相同，但微分先行PID控制的響應(yīng)波動(dòng)幅度較小，超調(diào)量較小，且在擾動(dòng)情況下能及時(shí)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明其調(diào)節(jié)品質(zhì)明顯優(yōu)于基本PID控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滯后系統(tǒng)較好的控制效果。同樣，微分先行PID的控制特性與文獻(xiàn)的模糊PID控制特性相比較，也具有幾乎*一樣的控制效果。因此，微分先行PID的控制器具有良好的控制品質(zhì)。
　　
　　四、微分先行PID控制器的PLC實(shí)現(xiàn)
　　
　　4.1PLC的工作原理及結(jié)構(gòu)
　　
　　PLC采用循環(huán)掃描工作方式，這個(gè)工作過(guò)程一般包括5個(gè)階段：內(nèi)部處理、與編程器的通信處理、輸入掃描、執(zhí)行用戶程序、輸出處理，其工作過(guò)程如圖8所示。圖8中當(dāng)PLC方式開(kāi)關(guān)置于RUN（運(yùn)行）時(shí)，執(zhí)行所有階段；當(dāng)開(kāi)關(guān)方式置于STOP（停止）時(shí)，不執(zhí)行后3個(gè)階段，此時(shí)可進(jìn)行通信處理，如對(duì)PLC連機(jī)或離線編程。　　PLC基本硬件結(jié)構(gòu)與一般計(jì)算機(jī)幾乎一樣，主要由中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器（ROM/RAM）、輸入／輸出單元（I/O）、電源以及外部設(shè)備（如編程器）等幾大部分組成。其基本結(jié)構(gòu)如圖9所示。　　
　　PLC的軟件含系統(tǒng)軟件和用戶程序。系統(tǒng)軟件由PLC制造商固化在機(jī)內(nèi)，用以控制可編程控制器本身運(yùn)作；用戶程序由可編程控制器的使用者編制并輸入，用于控制外部對(duì)象運(yùn)行。PlC有5種編程語(yǔ)言，即順序功能圖、梯形圖、功能塊圖、指令表和結(jié)構(gòu)文本。其中，較為常用的是梯形圖、指令表和順序功能流程圖。而梯形圖編程語(yǔ)言更為直觀易懂，簡(jiǎn)單方便，符合廣大電氣工程技術(shù)人員的使用習(xí)慣，因此大多數(shù)廠家PLC的編程語(yǔ)言都采用梯形圖語(yǔ)言。
　　　　
　　4.2初始化PID參數(shù)
　　
　　利用前面設(shè)定的KP＝0.42,K1＝0.0092,KD＝34這組參數(shù)，先確定采樣周期T，再計(jì)算出τ1和τD，然后進(jìn)行PID各參數(shù)在S7－200PLC程序上的嵌入。西門子PIC提供有專門的PID控制模塊，可以直接應(yīng)用。下面進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)計(jì)算。
　　
　　對(duì)溫度控制系統(tǒng)，一般采樣周期T＝10~20s,這里取T=10s。則根據(jù)PID算法的表達(dá)式：　　
　　可知：KP＝0.42，K1＝KPT/τ1＝0.0092，KD＝KPτD/T＝34。計(jì)算可得：τ1＝456s＝7.6min，τD＝809s=13.5min。
　　
　　計(jì)算出相應(yīng)參數(shù)之后，即可進(jìn)行初始化PID參數(shù)，過(guò)程如下：
　　
　　取設(shè)定值為滿值的80%，存入VD204中；KP＝0.42，存入VD212中；T＝10s,存入VD216中；τ1＝7.6min，存入VD220中；τD＝13.5min，存入VD224中；定時(shí)中斷時(shí)間t1＝100ms，存入SMB34中。
　　
　　4.3主汽溫微分先行PID控制器的程序?qū)崿F(xiàn)
　　
　　采用S7－200的3個(gè)PID回路實(shí)現(xiàn)對(duì)主汽溫的串級(jí)微分先行控制。其中，回路1實(shí)現(xiàn)比例積分運(yùn)算，回路2實(shí)現(xiàn)超前微分運(yùn)算，回路3實(shí)現(xiàn)比例運(yùn)算?；芈?和回路2成了主汽溫串級(jí)控制的主回路，回路3構(gòu)成了主汽溫串級(jí)控制的副回路。在調(diào)用PID回路之前，都要*行數(shù)據(jù)的歸一化處理。調(diào)用之后，還要進(jìn)行逆歸一化處理。其程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖10和圖11所示。　　
　　由于副回路只采用比例控制，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在這里不再敘述。
　　
　　五、結(jié)語(yǔ)
　　
　　針對(duì)火力發(fā)電機(jī)組鍋爐主汽溫控制對(duì)象的非線性、多變量、多擾動(dòng)、大滯后等特性，將基本PID控制器、微分先行PID控制器和模糊PID控制器應(yīng)用于鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)，并分別進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明，微分先行PID控制器縮短了滯后時(shí)間，減小了超調(diào)量，其控制性能和動(dòng)態(tài)特性與模糊PID控制器相一致。與基本PID控制器相比，具有更好的控制性能和動(dòng)態(tài)特性。此外，微分先行PID控制器與模糊PID控制器相比，具有更簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)和更高的可靠性。同時(shí)，給出了基于PI無(wú)的程序設(shè)計(jì)。因此，基于PLC硬件設(shè)施的微分先行PID控制策略，對(duì)實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電機(jī)組主蒸汽溫度的高品質(zhì)控制有著重要的實(shí)用價(jià)值。