智能ＰＩＤ設計與其在鍋爐主汽溫控制的應用初探

摘 要：提出了智能PID設計與其在鍋爐主汽溫控制的應用，對象模型的變化體現在增益、時間常數和階次三個方面。增益變化對調節系統品質影響最大，時間常數次之，階次通常可以認為不變。若能確定調節對象模型中增益和時間常數對指導信號的函數關系，這種函數關系可用于確定PID調節器參數，從而實現帶指導信號的PID調節器，這種調節器可保持調節系統性能指標在變工況下近似不變。這種方法通過擴展線性控制理論來解決非線性控制問題，且方便使用。與模糊神經網絡控制相比，這種方法更容易應用于工程實踐。

關鍵詞：智能PID調節器；主氣溫；控制，設計

中圖分類號：TB30文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）04-0264-02

1 引入指導信號的必要性

PID調節器對調節對象進行調節所采用的信號為誤差信號、誤差微分信號和誤差積分信號，通常對這三個信號的定義域沒有限定。當調節對象數學模型發生變化時（比如增益變化），對于相同數值的誤差信號、誤差微分信號和誤差積分信號，PID調節器無法分辨出對象數學模型的變化。即從誤差信號、誤差微分信號和誤差積分信號無法分辨出變化的原因是由干擾引起的還是由對象模型變化共同引起的。因此對誤差信號、誤差微分信號和誤差積分信號進行的任何再加工和處理都無法獲得關于對象模型變化的信息，也就無法設計出具有對象模型變化適應能力的調節器。

設計具有對象模型變化適應能力的調節器所需要的信息要比設計針對固定模型的調節器所需要的信息要多，需要引入新變量，利用新變量來識別調節對象模型的變化。

對象模型的變化體現在增益、時間常數和階次三個方面。增益變化對調節系統品質影響最大，時間常數次之，階次通常可以認為不變。若能確定調節對象模型中增益和時間常數對指導信號的函數關系，根據調節器工程整定方法就可確定PID調節器參數與指導信號的函數關系，從而實現帶指導信號的PID調節器，這種調節器可保持調節系統性能指標在變工況下近似不變。

2 PID調節器參數的確定方法

對于有自平衡能力的熱工對象，其傳遞函數可表示為：

在變工況下，測定若干工況下調節對象動態特性，通過擬合得到K（x）， To（x）和n（x），則可根據式（3）、式（4）和式（5）確定調節器參數。在調節對象階次為3≤n≤10，衰減率為ψ＝0.75時，經過擬合得：

從上至下依次為式（6）、（7）、（8）

3 應用示例

（1）火電廠主汽溫調節系統。

火電廠主汽溫調節對象是大慣性熱工對象，階次高。為了提高火電機組的經濟性和安全性，通常對主汽溫調節系統提出較高的性能指標，比如亞臨界鍋爐要求暫態偏差不能超過±8℃，穩態偏差不能超過±2℃。

帶指導信號的主汽溫調節系統如圖1所示。內回路采用P調節器，外回路采用PID調節器，G02（s）為導前區傳遞函數，G01（s）為惰性區傳遞函數，

圖1 主氣溫調節系統控制結構圖

對于某超臨界600WM機組的鍋爐過熱器在4個特定工況下汽溫對噴水擾動的動態特性如表1所示：

2 仿真結果

對主汽溫在典型工況下的動態特性進行了仿真。在仿真試驗中，內回路采用P調節器，衰減率取為ψ＝0.75，使內回路具有較強的克服擾動的能力。對于外回路，為了減少主汽溫的波動，取衰減率為ψ＝0.90。因為δ0.9＝1.6δ0.75，Ti0.9≈0.8Ti0.75。仿真結果如圖2所示。從圖中可以看出：采用帶指導信號的PID調節器，能夠在機組負荷變化時，修正調節器參數，使調節系統品質指標基本保持不變。

4 小結

設計具有對象模型變化適應能力的調節器所需要的信息要比設計針對固定模型的調節器所需要的信息要多。根據誤差信號及其導數信號無法識別熱工對象模型變化，需要引入指導信號，利用指導信號來識別調節對象模型的變化。導出了帶指導信號的PID調節器參數計算公式，并通過舉例進行了驗證。

對于大慣性、高階次、變模型參數熱工對象，可以通過實驗測定若干典型工況下熱工對象的階躍響應曲線，擬合模型參數隨工況的變化的函數關系，然后可根據文中所述方法設計出變參數PID調節器，使變工況下調節系統的品質指標近似不變。

在常規熱工對象模型參數中引入指導信號，利用常規PID調節器整定理論可以處理變模型熱工對象的控制問題，提出了通過線性控制理論擴展來處理非線性控制理論的新方法。這方法有嚴格的理論基礎，簡捷實用。

參考文獻

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。