智能PID设计与其在锅炉主汽温控制的应用

摘 要：提出了智能PID设计与其在锅炉主汽温控制的应用，对象模型的变化体现在增益、时间常数和阶次三个方面。增益变化对调节系统品质影响最大，时间常数次之，阶次通常可以认为不变。若能确定调节对象模型中增益和时间常数对指导信号的函数关系，这种函数关系可用于确定PID调节器参数，从而实现带指导信号的PID调节器，这种调节器可保持调节系统性能指标在变工况下近似不变。这种方法通过扩展线性控制理论来解决非线性控制问题，且方便使用。与模糊神经网络控制相比，这种方法更容易应用于工程实践。
　　关键词：智能PID调节器；主气温；控制，设计 
　　
　　1 引入指导信号的必要性
　　
　　PID调节器对调节对象进行调节所采用的信号为误差信号、误差微分信号和误差积分信号，通常对这三个信号的定义域没有限定。当调节对象数学模型发生变化时（比如增益变化），对于相同数值的误差信号、误差微分信号和误差积分信号，PID调节器无法分辨出对象数学模型的变化。即从误差信号、误差微分信号和误差积分信号无法分辨出变化的原因是由干扰引起的还是由对象模型变化共同引起的。因此对误差信号、误差微分信号和误差积分信号进行的任何再加工和处理都无法获得关于对象模型变化的信息，也就无法设计出具有对象模型变化适应能力的调节器。
　　设计具有对象模型变化适应能力的调节器所需要的信息要比设计针对固定模型的调节器所需要的信息要多，需要引入新变量，利用新变量来识别调节对象模型的变化。
　　对象模型的变化体现在增益、时间常数和阶次三个方面。增益变化对调节系统品质影响最大，时间常数次之，阶次通常可以认为不变。若能确定调节对象模型中增益和时间常数对指导信号的函数关系，根据调节器工程整定方法就可确定PID调节器参数与指导信号的函数关系，从而实现带指导信号的PID调节器，这种调节器可保持调节系统性能指标在变工况下近似不变。
　　
　　2 PID调节器参数的确定方法
　　
　　
　　3 应用示例
　　
　　（1）火电厂主汽温调节系统。
　　火电厂主汽温调节对象是大惯性热工对象，阶次高。为了提高火电机组的经济性和安全性，通常对主汽温调节系统提出较高的性能指标，比如亚临界锅炉要求暂态偏差不能超过±8℃，稳态偏差不能超过±2℃。
　　带指导信号的主汽温调节系统如图1所示。内回路采用P调节器，外回路采用PID调节器，G02（s）为导前区传递函数，G01（s）为惰性区传递函数， 
  

对于某超临界600WM机组的锅炉过热器在4个特定工况下汽温对喷水扰动的动态特性如表1所示：
　　
　　2 仿真结果
　　
　　对主汽温在典型工况下的动态特性进行了仿真。在仿真试验中，内回路采用P调节器，衰减率取为ψ＝0.75，使内回路具有较强的克服扰动的能力。对于外回路，为了减少主汽温的波动，取衰减率为ψ＝0.90。因为δ0.9＝1.6δ0.75，Ti0.9≈0.8Ti0.75。仿真结果如图2所示。从图中可以看出：采用带指导信号的PID调节器，能够在机组负荷变化时，修正调节器参数，使调节系统品质指标基本保持不变。
　　
　　4 小结
　　
　　设计具有对象模型变化适应能力的调节器所需要的信息要比设计针对固定模型的调节器所需要的信息要多。根据误差信号及其导数信号无法识别热工对象模型变化，需要引入指导信号，利用指导信号来识别调节对象模型的变化。导出了带指导信号的PID调节器参数计算公式，并通过举例进行了验证。
　　对于大惯性、高阶次、变模型参数热工对象，可以通过实验测定若干典型工况下热工对象的阶跃响应曲线，拟合模型参数随工况的变化的函数关系，然后可根据文中所述方法设计出变参数PID调节器，使变工况下调节系统的品质指标近似不变。
　　在常规热工对象模型参数中引入指导信号，利用常规PID调节器整定理论可以处理变模型热工对象的控制问题，提出了通过线性控制理论扩展来处理非线性控制理论的新方法。这方法有严格的理论基础，简捷实用。