热工控制系统PID参数的优化和整定

热工控制系统PID参数的优化和整定

作者：王明柱

来源：《环球市场》2019年第27期

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摘要：近年来随着国内电力行业发展，对于电力公司来说，安全性以及机组运行过程中的经济成本也是十分重要的，对于整个系统运行来说热工控制系统的性能影响也光为重要。光其对于负荷变动相对频繁的机组来说，这一点更加明显，在处于控制系统结构一定的基础上，控制系统控制器参数的整定将会从一定程度上影响控制系统的整体性能。当前电厂热工自动控制系统使用pm控制器，在本研究中根根据热工控制系统的特点，能够实现PID控制器参数整地优化，并以某电厂直流机组锅炉过热气温控制系统作为研究对象，提出优化措施，并对优化前后的性能开展仿真分析，进而能够为热工控制系统实际应用提供重要的参考依据。 关键词：热工控制系统;PID;参数;优化;整定

近年来，随着国内电力行业的快速发展，上世纪中由于电力无法满足实际运行需求，因此很多电厂重视机组运行过程的稳定性，然而没有高度重視机组的运行经济性，之后随着电力工程关系变化和电力企业机制改革，在确保机组安全运行条件下逐渐重视机动运行经济性。电力企业为提高在市场中的竞争优势，采用竞价上网的运行策略，降低发电成本，然而机组运行的经济性主要是以安全性为基础的，控制系统性能对机组运行的经济性以及安全性产生十分重要的影响，尤其对于一些负荷变化较大的机组来说应当提升系统的安全性能。当前很多单元火电机组配置DCS控制系统，使用多种先进控制策略，使用多种策略，然而要想获得系统良好性能，除需要使用先进技术外还需要做好相应控制参数的调整工作，在结构一定下控制系统的控制器参数整定将会其他程度上影响系统性能。 一、获取热工过程的函数模型

热工过程控制系统其性能主要是由控制系统各环节特点，系统结构，被控对象影响的，热工过程建模是利用多种方法建立对于被控对象的数据模型，该模型对于系统分析是十分重要的。自动控制系统的成功是与设计者对被控对象模型的了解度具有直接联系，对于简单被控对象来说，应当知道如何利用数学模型实现控制器参数整定，然而对于一些被控对象较为复杂的情况下，只有获取形式模型才能够设计具有合理性的控制系统，并将其投入到热工控制系统中以获得良好运行效果。理论建模和实验建模是目前对象动态特性建模的主要方式，并且理论建模是通过对于对抗特性机理进行深入分析并采用数学进行模型构建，要求能够了解被控对象特征激励，利用微分方程对该模型进行描述，由于电厂热工过程复杂，在机理分析时需要对被控对象特点开展定性分析，无法采用理论方法进行动态模型构建，大多数在热工过程建模中主要采用实验建模的方式。

在本研究中针对三种典型的热工过程函数进行获取进行分析，我们知道大多数热工过程动态特点不正当，比如如图1所示为典型热工过程阶跃响应曲线，由于稳定性不同，因此可将热工过程响应曲线分为三种不同的情况，首先具有平衡能力对象的响应曲线，无平衡能力相应曲线，稳定值为零的响应曲线。对于有平衡能力对象的函数在进行模型获取过程中，热工被控对象大多具有自平衡力，且属于多接惯性环节，在响应曲线函数拟合过程中，我们可以向其认为是等容多阶对象传递函数，在求参数时可以计算，结果发现阶次n非整数，且与整数相差值较

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小，可以将其看作是整数，而如果对于两者相差较大时可以利用函数拟合的方式获得良好效果。而对于无自平衡能力的对象，其传递函数可以利用下列公式（1）表示，在函数获取过程中如曲线图1所示，当控制变量作为阶跃扰动时，此时该函数输出变量，在时域中可以用下列公式（2）进行理解。

对于稳态为0的函数，在进行模型获取过程中如曲线3所示，其过程可以利用一微分环节和以多种惯性环节串联进行表示，其函数可以用下列公式（3）表示，当控制变量可以作为阶跃扰动者，此时该函数传递对象的输出，在时域中的理解可以用下列公式（4）表示。 开发热工过程函数模型识别软件时，调整获取阶跃响应曲线特征参数，根据热工过程中的阶跃响应获取相应传递模型，获取相应阶跃响应参数，在工程上通常采用作图法的方式，在曲线中直接获取相应特征值，然而造使用作图法过程中人为因素干扰因素较大，所产生的误差大，精确度低。除此之外，实验数据曲线存在一定的干扰性，因此所获最终的曲线平滑度低，利用作图法获取参数存在较大困难。近年来随着计算机技术的发展，利用计算机软件完成数据处理并获得相应数据能够克服上述问题，获得较为可靠的结果，该方法首先需要利用数据完成曲线拟合，再根据这些数据获得曲线函数，利用数学方法计算参数值，为防止作图法阶跃参数影响，最终的结果导致出现误差，我们通常使用热工过程函数模型进行软件识别，该软件由输入数据处理，模型参数计算和多项计算，函数节阶跃响应计算共同构成，具体来看，输入模块可用于接收用户输入数据，用于识别阶跃响应数据，能够是以文本形式保存用户数据，对于其他输入数据来说包括采样周期产生的数据，系统曲线类型，阶跃响应曲线，阶跃信号幅值等相关参数值。数据处理模块是通过实验方案来获取详细数据，包括被控对象在信号前的稳定值，因而无法直接实现模型识别，需要将数据归零并减去实验前的数据值，此外为提高多项式拟合度，需要结合不同类型的参数估计值，按照上述方式选择有效数据实现多项式数据拟合。多项设计模块，该模块根据提供数据可实现多项式拟合过程，除响应曲线外，能够对不同数据进行拟合，然而还需要提升数据查表差值精度。模型参数计算模块，该模块能够用于不同响应曲线类型，根据拟合多项式来实现被控对象函数模型参数的计算。传递函数节约响应模块，该模块能够利用所获取的模型进一步实现离散化，传递函数输出，可将所识别数据与模型阶跃输出的数据进行比较分析，检验模型的可靠性，输出模块能够显示模型最终的识别效果，除对显示模型参数实时输出之外，还需要将模型阶跃响应数据和辨识数据，通过不同颜色曲线进行突出显示，便于用户能够直观进行模型辨识。 二、热工自动控制系统的参数整定

热控自动控制系统根据其控制策略，可将其分为多个控制方式，包括单回路、串接、前馈一反馈、多变量控制，在进行热工自动控制系统参数指定时，需要做好单回路，控制系统的相关参数整定过程，使用PAD控制器和经典频率理论进行参数整定，对于当前技术在这一方面的应用还有待提升，采用频率控制理论进行参数整定需要已知被控数据模型，该方法可用于闭环系统，且具有一定的稳定性，其结果无法保证系统对设定者的控制性能。在当前电站热工自

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动控制系统相关参数整定时，工程整定法是比较常用的一种方法。无需被控过程的数据模型，而只需要根据被控过程阶跃响应曲线特征参数直接获取PID参数值，该方法在工程应用中操作比较简便，然而所获取的结果只是近似整定，并不是最优化的结果。为进一步优化热工过程的相关系统参数，提升系统的整体控制性能，本研究使用软件方式能够对部分控制系统参数完成整定。

控制系统参数优化软件和仿真研究。从软件的模块功能上来看，为进一步确保单元机组设备在运行过程中的安全性，通常在设计热工自动控制系统中流程比较复杂，然而从控制系统参数上来看能够将其分为几种形式，包括串级，单回路，多变量控制以及前馈一反馈控制，基于典型控制系统研发热工系统的参数优化模型，该软件主要是由输入模块，仿真计算模块和模块参数的优化过程，初始值计算输出模块构成，对于输入模块来说可用于用户数据的输入，主要涉及控制系统的类型，控制器类型被控对象传递参数，扰动类型以及优化性能指标等多种类型数据，对于控制系统的仿真计算模块来说，该模块可以根据给定扰动类型计算响应值为控制系统性能计算模块，寻优提供扰动条件下的闭环响应数据语言控制系统计算模块，该模块能够用于调用仿真计算模块，并完成一些阶跃条件下响应数据的计算，比如计算闭环系统的上升、稳定时间，衰减率以及超调量等相应的指标数据。

參数初始值计算模块，可以结合具体系统类型，按照上述提出的方法计算相应的系统控制器参数，将其作为参数优化的初始值。参数寻优算法模块，可利用寻优控制系统参数这一方式来调用最优化的参数。初始计算模块获取的参数值，在具体使用时利用系统仿真模块获得某种控制条件下的响应数据值，进一步求取最优化的性能参数，输出模块可用于数据优化结果的输出，除显示寻优中控制器优化参数外，还可实现系统仿真计算，调用优化前后的响应数据值，并通过不同的颜色将其曲线进行区分直观，使用户了解参数优化前后系统整体性能。 三、直流锅炉过热气温控制系统参数优化稳定

单机组模拟量控制系统性能对于整体系统运行过程中的安全性和经济性取得十分重要的作用，就对于一些负荷变动相对频繁的机组来说这一影响程度更加明显，如果未能及时实现控制系统的稳定运行，将会导致执行机构在运行过程中比较激烈，增加对于机构磨损性，同时在设定指数附近，被控参数会形成较大波动，进而使设备热应力增加，导致部分设备在运行中出现热疲劳，影响其实际寿命。此外，如果未能合理控制，被控参数使其在预定值附近会影响记录运行的成本，当前国内很多大型单元机组均配置了这种自动控制系统，随自动化水平提升，然而对这种控制系统运行还需要深入分析，由于机组在运行前后会产生一些变化，即便技术处于正常运行状态但其运行特点也会产生变化，因此在大小修后一旦出现控制系统异常，需要及时进行模拟量控制系统调试，完成控制器参数整定，进而可适应机组的运行特点，然而当前在控制系统调试过程中，主要依据人为经验来实现，由于热工时会存在一定的滞后性，惯性，这种情况下给工作人员控制其参数调整带来难度，完全依据过去的经验完成参数调整具有较大盲目性，即便调试系统能够正常运行，但最终的参数不是最优化的。

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针对直流锅炉过热器系统控制来说，在锅炉实际运行中其气温会随锅炉的给水温度，蒸发量，燃料质量等多种情况的变化产生一定波动，当气温较高时会导致蒸汽的管道，气机高压部件损坏，而汽机降低时也影响热力循环效率，最终热气温较大会影响设备的运行情况，因此要求锅炉过热气温进量保持稳定状态，符合70%～100%的范围，这种情况下要求气温的变化值与额定值偏差不能超于5摄氏度，过热气温会随过热器负荷产生变化，在过流过热器和辐射过热器中这一结果是彼此相反的，在过滤过热器中增加负荷，也会增加相应的燃料料，增加烟气流量，引起流速增加时也会增加相应的烟气侧对流放热系数，由于阴线温度较高，同时还会导致出现较大的传热平均温差时，对流过的气息热量增加，超过蒸汽流量增加值，使每公斤蒸汽吸收量增加。因此当增加锅炉负荷时也会增加相应的过热气温，然而由于辐射是过热器，与上述相比其气温特点是相反，将增加负荷时由于炉膛平均温度低，辐射传热量增加不明显，因而会使工质含增减少，当增加锅炉负荷时其气温是降低的。综上所述，由于过热器采用辐射或后屏式时，保持适当吸热比例，能够尽量使气温保持平缓，在高压气泡锅炉中浸进过热器设备状态固定，处于干饱和蒸汽车，因此对流式比辐射式的吸热量要多。为确保机组实现安全运行，在工程中过热气温系统在运行过程中比较复杂，而对于转变PAD参数，这一步骤可将控制系统将转化为下列典型串级控制。对于各过热气温控制系统参数优化整体来说，首先需要完成过热气温系统动态实验，获取传递函数模型，可根据PAD控制器的参数整定，将获取被控数数学模型，对于热工过程来说通常采用试验的方式获取过程阶跃详细数据，由于在获取数学模型时，热工参数之间的影响相对复杂，在过程节约响应时尽量避免其他外界干扰，对于变量产生的不利影响，此外，应当适当施加扰动幅度，如果这一幅度较大时会使机组在运行过程中部分参数超出范围影响其安全性能，如果扰动幅度较小则输出值的变化不明显，影响最终检测精度值，被控阶跃响应不明确，过热气温过程动态实验是在减温喷水量阶跃下，喷水后过热器出口处的气温变化值，在具体开展实验时，由于无法准确检测现场降温喷水点温度，因此在实际操作时使用碱水阀开度作为阶跃信号，最终蒸汽温度和减温喷水调节阀开度数据可以文本的形式储存到相应位置。在具体开展实验中保持燃料量，给水量，送风量不变，避免外界因素干扰过热气温，比如如下图为减温喷水调节阀开度阶跃10%对应的过热气温响应曲线图。

由上述可以获得过热气温过程传递函数模型。将传递函数模型，阶跃响应曲线与实验曲线进行比较，我们可以发现模型阶跃响应曲线是与实验曲线基本一致的。

在热工过程自动控制中通常不使用标准PID控制算法，而对于试验机组DCS工作系统其PID可以用下列算法表示。

在PID参数优化整件时，我们只针对两个参数进行寻优，该公式为PID参数初始参数可以使用单纯形法的方式完成，优化之后该参数值如下所示，经优化后相应系统控制性能曲线如下测试，我们可以发现经过优化之后，控制系统气温动态偏值相比优化前要远远降低，说明经优化后该系统具有良好的鲁棒性。 四、小结

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总而言之，当前国内很多火电机组热工自动控制系统采用PID控制器的方式，合理选择PID参数对于系统性能来说影响程度较大，当前在参数整定中主要依据工作人员经验完成设定，由于该过程存在一定的惯性、滞后性，且依靠过去经验完成控制器参数整定，其性能并不是最优的，为进一步提高系统参数整体水平，保证系统的控制效果，在本研究中深入讨论了PID参数优化整定问题。 参考文献：

[1]陈志飞.电石炉炉压自控系统PID参数优化整定及其应用研究[J].仪器仪表用户，2017（9）.

[2]周春，许翠华，董萌萌，等.摩擦焊机压力控制系统模型辨识与PID参数整定[J].煤矿机械，2018，39;No.363（05）：156-158.

[3]杨中国.重整装置DCS系统PID参数整定与控制优化[J].化工管理，2017（11）.