過(guò)熱汽溫串級(jí)MCP-PID控制

蘇雋成 楊平

(上海電力學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院,上海 200090)

過(guò)熱汽溫串級(jí)MCP-PID控制

蘇雋成 楊平

(上海電力學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院,上海 200090)

為提高過(guò)熱汽溫控制品質(zhì),嘗試將一種新型的PID控制器——MCP-PID控制器應(yīng)用于過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)中。針對(duì)一個(gè)典型的過(guò)熱汽溫過(guò)程,設(shè)計(jì)了串級(jí)的MCP-PID控制器,并利用Simulink仿真平臺(tái)進(jìn)行了控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明,在設(shè)定值擾動(dòng)試驗(yàn)和內(nèi)外擾動(dòng)試驗(yàn)中,MCP-PID控制器均優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器,具有超調(diào)量小、調(diào)整時(shí)間短、擾動(dòng)抑制強(qiáng)和魯棒性高的特點(diǎn),值得在復(fù)雜工業(yè)控制系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

PID控制 多容慣性 串級(jí)控制 過(guò)熱汽溫 火電廠

0 引言

電站鍋爐過(guò)熱汽溫控制品質(zhì)是電站鍋爐運(yùn)行的一個(gè)重要考核要素,它與過(guò)熱器、汽輪機(jī)葉片的壽命和機(jī)組熱效率都有關(guān)系,對(duì)電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有很大影響。對(duì)于電站鍋爐汽溫控制系統(tǒng),其回路長(zhǎng)、擾動(dòng)多,采用一般的傳統(tǒng)PID控制方案難以取得令人滿意的控制品質(zhì)。因此,業(yè)內(nèi)對(duì)于鍋爐汽溫控制系統(tǒng)的改進(jìn)研究一直沒(méi)有停止過(guò)。文獻(xiàn)[1]提出了一種改進(jìn)的PID控制器,即多容慣性PID(multiple capacity process PID, MCP-PID)控制器(其建立理論方法可參見(jiàn)文獻(xiàn)[2])。MCP-PID的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)PID相同,但參數(shù)整定依據(jù)一種新的標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù),即多容慣性標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)[3]。這種標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)具有無(wú)超調(diào)、不限系統(tǒng)階數(shù)和不限系統(tǒng)型次的優(yōu)良特性[4]。所以,以下闡述的電站鍋爐過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的研究工作是串級(jí)控制系統(tǒng)內(nèi)外控制器采用MCP-PID控制器的新嘗試。仿真試驗(yàn)表明,與采用常規(guī)的PID控制器相比,新系統(tǒng)有著超調(diào)量小、魯棒性高的明顯優(yōu)勢(shì)。

1 MCP-PID控制器

根據(jù)文獻(xiàn)[1],對(duì)于式(1)所示的典型的有自平衡單容時(shí)滯被控過(guò)程模型Gp(s),若采用PI控制,即式(2)所示控制器傳遞函數(shù),則有式(3)所示的MCP-PID參數(shù)整定計(jì)算公式;若采用PID控制,即式(4)所示控制器傳遞函數(shù),則有式(5)所示的MCP-PID參數(shù)整定計(jì)算公式。

式中:K為被控過(guò)程增益;T為被控過(guò)程慣性時(shí)間;τ為被控過(guò)程遲延時(shí)間;Kp為控制器增益;Ti為控制器積分時(shí)間;Td為控制器微分時(shí)間。

2 汽溫串級(jí)控制器設(shè)計(jì)

結(jié)合一個(gè)具體的控制工程案例,采用兩步法整定兩個(gè)串級(jí)控制器,并采用兩點(diǎn)法擬合所需的單容時(shí)滯模型,展開(kāi)對(duì)過(guò)熱汽溫串級(jí)MCP-PID控制器的設(shè)計(jì)。

引用文獻(xiàn)[5]中的石橫電廠300 MW單元機(jī)組汽溫實(shí)際控制案例。該控制系統(tǒng)的串級(jí)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。主對(duì)象和副對(duì)象的具體被控過(guò)程模型如式(6)和式(7)所示。這些被控過(guò)程模型是根據(jù)石橫電廠300 MW單元機(jī)組1號(hào)爐過(guò)熱器系統(tǒng)在210 MW負(fù)荷下的運(yùn)行數(shù)據(jù)辨識(shí)得出的。式(6)表示的是副對(duì)象(導(dǎo)前區(qū))過(guò)程數(shù)學(xué)模型,式(7)表示的是主對(duì)象(惰性區(qū))過(guò)程數(shù)學(xué)模型。

圖1 汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the steam temperature cascade control system

根據(jù)文獻(xiàn)[5],采用常規(guī)方法整定得出的一組PID參數(shù)如式(8)和式(9)所示。式(8)表示常規(guī)副調(diào)節(jié)器參數(shù),式(9)表示常規(guī)主調(diào)節(jié)器參數(shù)。

2.1 副調(diào)節(jié)器的MCP-PID控制器參數(shù)計(jì)算

計(jì)算副調(diào)節(jié)器的MCP-PID控制器參數(shù)時(shí),先要知道內(nèi)回路受控過(guò)程的單容時(shí)滯過(guò)程模型參數(shù),即K、T和τ。為此,利用文獻(xiàn)[6]介紹的根據(jù)過(guò)程階躍響應(yīng)求解內(nèi)回路單容時(shí)滯過(guò)程模型參數(shù)的兩點(diǎn)法。

先根據(jù)式(5)所示副對(duì)象過(guò)程數(shù)學(xué)模型,利用Simulink仿真平臺(tái)做出單位階躍響應(yīng)曲線,再?gòu)那€上測(cè)量出3個(gè)參數(shù),如式(10)所示,則根據(jù)兩點(diǎn)法公式可算出副對(duì)象過(guò)程的單容時(shí)滯過(guò)程模型參數(shù),如式(11)所示。根據(jù)式(3)可算得副調(diào)節(jié)器的MCP-PID控制器參數(shù),如式(12)所示。

2.2 主調(diào)節(jié)器的MCP-PID控制器參數(shù)計(jì)算

計(jì)算主調(diào)節(jié)器的MCP-PID控制器參數(shù)時(shí),先要知道外回路受控過(guò)程的單容時(shí)滯過(guò)程模型參數(shù),即K、T和τ。為此,可利用文獻(xiàn)[6]介紹的根據(jù)過(guò)程階躍響應(yīng)求解內(nèi)回路單容時(shí)滯過(guò)程模型參數(shù)的兩點(diǎn)法。不過(guò),外回路受控過(guò)程為主對(duì)象(惰性區(qū))過(guò)程與內(nèi)回路控制系統(tǒng)的串聯(lián)過(guò)程,所以先利用Simulink仿真平臺(tái)做出外回路受控過(guò)程的單位階躍響應(yīng)曲線,再?gòu)那€上測(cè)量出3個(gè)參數(shù),如式(13)所示,則根據(jù)兩點(diǎn)法公式可算出外回路受控過(guò)程的單容時(shí)滯過(guò)程模型參數(shù),如式(14)所示。根據(jù)式(5)可算得主調(diào)節(jié)器的MCP-PID控制器參數(shù),如式(15)所示。

3 汽溫串級(jí)控制仿真試驗(yàn)

為驗(yàn)證MCP-PID控制器應(yīng)用過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的性能,設(shè)計(jì)了設(shè)定值與內(nèi)外擾動(dòng)仿真試驗(yàn)。設(shè)定值階躍擾動(dòng)在一開(kāi)始就加入,然后在t=90 min加入內(nèi)擾方波信號(hào)(幅度d2=1,持續(xù)時(shí)間從t=90 min到t= 95 min);在t=150 min加入外擾方波信號(hào)(幅度d1=1,持續(xù)時(shí)間從t=150 min到t=155 min)。仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中包含了一個(gè)過(guò)熱汽溫傳統(tǒng)PID串級(jí)控制系統(tǒng)。

傳統(tǒng)PID和MCP-PID抗擾性曲線如圖2所示。其中,實(shí)線為傳統(tǒng)PID控制響應(yīng)曲線,虛線為MCP-PID控制器控制響應(yīng)曲線。由圖2可看出,對(duì)于設(shè)定值階躍擾動(dòng),MCP-PID控制響應(yīng)在超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。對(duì)于內(nèi)回路擾動(dòng)抑制,MCPPID控制明顯較傳統(tǒng)PID控制強(qiáng),其波動(dòng)幅度還不及傳統(tǒng)PID控制的一半。對(duì)于外回路擾動(dòng),MCP-PID控制的波幅也只有傳統(tǒng)PID控制的3/4。由此可見(jiàn), MCP-PID控制優(yōu)于傳統(tǒng)PID。

圖2 抗擾性比較曲線Fig.2 Comparison curves of the anti-interference capability

為考察MCP-PID控制器應(yīng)用過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的魯棒性性能,還進(jìn)行了改變過(guò)程模型參數(shù)的魯棒性試驗(yàn)。一般而言,當(dāng)過(guò)程模型的增益參數(shù)變小或是慣性時(shí)間常數(shù)變大時(shí),按過(guò)程模型參數(shù)未變時(shí)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的性能有惡化的趨勢(shì)。因此,魯棒性試驗(yàn)具體設(shè)計(jì)了過(guò)程模型的增益參數(shù)變小和慣性時(shí)間常數(shù)變大兩項(xiàng)典型試驗(yàn)。

首先把惰性區(qū)傳遞函數(shù)的K=0.5改為K′=0.3,相當(dāng)于參數(shù)值減小40%。這種變參數(shù)試驗(yàn)在傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)和MCP-PID控制系統(tǒng)中同時(shí)進(jìn)行。傳統(tǒng)PID和MCP-PID對(duì)于K的魯棒性比較曲線如圖3所示。圖3中,實(shí)線是K=0.5時(shí)的傳統(tǒng)PID控制響應(yīng);點(diǎn)線是K=0.5時(shí)的MCP-PID控制響應(yīng);短劃線是K=0.3時(shí)的傳統(tǒng)PID控制響應(yīng);點(diǎn)劃線是K=0.3時(shí)的MCPPID控制響應(yīng)。

圖3 對(duì)于K的魯棒性比較曲線Fig.3 Comparison of the robustness to K

從圖3可以看出,當(dāng)K=0.5變化為K′=0.3時(shí), MCP-PID控制響應(yīng)曲線變化幅度小于傳統(tǒng)PID控制響應(yīng)曲線變化幅度。由此表明,對(duì)于過(guò)程增益變化,MCP-PID控制的魯棒性優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。

其次,把惰性區(qū)傳遞函數(shù)的T1=1.2 min改為T1′= 2.2 min,相當(dāng)于參數(shù)值增大83%。這種變參數(shù)試驗(yàn)在傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)和MCP-PID控制系統(tǒng)中同時(shí)進(jìn)行。傳統(tǒng)PID和MCP-PID對(duì)于T的魯棒性比較曲線如圖4所示。

圖4 對(duì)于T的魯棒性比較曲線Fig.4 Comparison of the robustness to T

圖4中,實(shí)線為T1=1.2 min時(shí)的傳統(tǒng)PID控制響應(yīng);點(diǎn)線為T1=1.2 min時(shí)的MCP-PID控制響應(yīng);短劃線為T1=2.2 min時(shí)的傳統(tǒng)PID控制響應(yīng);點(diǎn)劃線為T1=2.2 min時(shí)的MCP-PID控制響應(yīng)。從圖4可以看出,由T1=1.2 min變化為T1=2.2 min時(shí),MCP-PID控制響應(yīng)曲線變化幅度小于傳統(tǒng)PID控制響應(yīng)曲線變化幅度。由此表明,對(duì)于過(guò)程時(shí)間常數(shù)變化,MCP-PID控制的魯棒性優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,MCP-PID控制器[7-11]用于電站鍋爐過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的研究表明,MCP-PID控制器相比于傳統(tǒng)PID控制器,具有超調(diào)量小、調(diào)整時(shí)間短、擾動(dòng)抑制強(qiáng)和魯棒性高的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于類似電站鍋爐過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的復(fù)雜工業(yè)控制系統(tǒng),MCP-PID控制器有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Superheated Steam Temperature Cascade Control System Based on MCP-PID Control

In order to improve the control quality for temperature of superheated steam,the new type of PID controller,i.e.,MCP-PID controller has been applied in superheated steam cascade temperature control system.The cascade MCP-PID controller is designed for a typical superheated steam process,and the simulation test of the control system is conducted by using Simulink simulation platform.The results of simulation test show that in set-point disturbance test and internal and external disturbance tests,MCP-PID controller is better than traditional PID controller,it features small overshoot,short adjusting time and high capability of disturbance rejection and strong robustness,so it is worth to be promoted in complex industrial control systems.

PID control Multiple capacity process(MCP) Cascade control Superheated steam temperature Fossil power plant

TP13

A

上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào):13111104300);

上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(編號(hào):13DZ2273800)。

修改稿收到日期:2014-04-26。

蘇雋成(1992-),男,現(xiàn)為上海電力學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)在讀本科生;主要從事自動(dòng)化與測(cè)控技術(shù)的研究。