電廠自動控制系統調節器應用概述

王逸波

摘 要：為了適應大型機組的發展需求，應對熱工控制系統進行優化策略研究。簡單說明了火電自動控制系統的概況，重點介紹了PID控制在電廠自動控制系統中調節器的應用現狀。

關鍵詞：電廠；自動控制系統；調節器；PID控制

中圖分類號：TV736 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.098

火力發電在我國整個電能供給體系中占據著舉足輕重的地位，因此，人們對火力發電機組的要求越來越高。PID控制在電廠自動控制系統中一直占據著主導地位，但隨著我國電力系統的迅速發展，在PID控制中傳統的中小型機組調峰方法已無法滿足大型機組調峰的要求，必須尋求一種熱工自動控制技術以提高控制器調節水平、機組效率，力爭實現我國大型機組熱工控制系統高效、快速的控制品質。

1 火電自動控制系統的基本概念

熱工控制系統作為火力發電廠日常生產運營管理的核心部分，其自動控制系統影響著火電廠所有大型機械設備的安全運行。熱工控制系統并不簡單，它涉及的方面很多，其中，包括有機爐協調控制、鍋爐燃料量、汽包水位和過熱蒸汽溫度等；熱工自動控制系統與很多調節控制系統相互關聯，對引風控制調節系統和送風控制調節系統都會造成影響。總而言之，熱工自動控制系統比較復雜，要維持其可靠運行，就必須依靠一系列的操作，從而實現控制調節。要保證熱工控制系統的安全、穩定運行，至少要做到以下2點：①要對設備進行定期檢修，對每個設備都要有及時、嚴格的檢測，在硬件水平上保證設備的正常運行；②熱工技術人員要有比較專業的技術水平，能實時對所有設備的運行狀態和運行環境監控和管理，可及時發現和處理故障。

2 PID控制

2.1 傳統PID控制中的不足

在我國的工業中，有很多問題都需要用到建模來解決，PID控制具有結構簡單、易于調整和不依賴對象的精確建模等特點，可解決很多工業建模難題，在自動控制過程領域得到了普遍運用。在世界范圍內，美國和日本等國家有90%以上的控制回路都采用PID控制。PID控制發展至今，工程師已積累了大量PID控制參數的調節經驗。然而，隨著社會的進步，常規PID的控制精度已逐漸無法滿足現代工業的要求，且對于時變對象和非線性系統，傳統的PID控制更加難以滿足其要求，主要體現在以下3點：①隨著我國電力系統的發展，電廠機組的數量越來越多，控制回路更加復雜，操作性要求更高。在實際中，由于缺乏完善的PID控制方法，往往使PID調節器參數整定達不到理想值，進而影響了回路的控制效果，使產品的質量、原料、消耗和能耗都與預期值有差異，嚴重時會影響到設備的安全、穩定運行，引發重大的安全事故。②電力工業發展至今，系統之間的反饋越來越多，傳統的PID控制器在反饋機制上已不能滿足現代電力系統的要求，常規的PID控制器只借助系統輸出等反饋信息實現控制，而被控對象很多都具有延遲的特性，這種反饋機制下的反饋量并不能及時反映對象模型和擾動變化，導致控制器輸出跟不上對象模型的變化，控制效果并不理想。③傳統的PID控制在參數整定方法方面的人為因素影響較大，整定過程中易導致參數整定不良，對參數整定操作人員有著較高的要求，且傳統的PID控制對經驗要求較高，不適合大規模推廣使用。

2.2 智能PID控制

在實際生產應用中，傳統PID控制的缺陷逐漸突顯。為了解決這類問題，控制學家和工程設計人員不斷改進PID控制方案，提出了智能PID控制方法，且取得了一定的成績。近年來，對智能PID控制器的研究主要集中在3個方面：①常規PID控制結合模糊控制。兩種控制方法各有特點，兩者結合可改善常規PID控制在建立精確數學模型的場合表現乏力的現狀，大大改善了控制器的性能。②常規PID控制結合神經網絡。神經網絡的控制特點為具有自適應學習能力、超強的容錯性和并行分布性，將人工神經網絡引入控制領域可實現控制器參數的自適應，大大提高了控制器的應變性和實效性。在未來，人工神經網絡會更多地應用于智能PID控制過程。③在智能PID控制器中應用遺傳算法。遺傳算法作為人工智能的重要分支，是一種簡便、有效的新型優化技術，高度并行處理能力強。利用遺傳算法可使常規的PID控制器參數得到優化。

3 PID控制在火電系統中的作用

3.1 PID參數整定

在電廠的實際生產應用中，對PID參數的整定一直是一個難題，特別是不穩定、積分對象的PID自整定一直沒有找到較好的突破口。在過去幾十年的發展歷史中，國內外對PID參數的整定方法都進行了大量的實驗和研究，且取得的一些不錯的成績，期間也產生了很多應用廣泛、行之有效的整定方法，比如Ziegler—Nicholsl法、衰減曲線整定法和無模型臨界比例帶法等。Ziegler—Nicholsl法通過提取被控對象的瞬態特性確定PID控制器的3個參數，它的一階慣性加純滯后環節的數學模型為：

式（1）中：G為系統的開環傳遞函數；?為容量滯后時間；s為變量；K為被控對象的開環增益；T為慣性時間常數；τ為純滯后時間常數。

下文中的智能PID參數自整定即對參數“K”“T”“τ”的在線修正。

為了使PID控制器能滿足時變對象和非線性系統的控制需求，工作人員一直在常規的PID控制的改進上尋找突破口。這些改進主要體現在2個方面：①對常規PID控制在控制結構上加以改進，以提高常規PID控制的調節能力。②將模糊控制、專家控制與神經網絡控制等常規PID控制相結合，充分利用各自的優點，取長避短，形成優勢互補，即實現智能PID控制。這種新型控制器不依賴系統的精確模型，具有較好的魯棒性，從而引起了人們的廣泛關注和極大的興趣，并取得了較為廣泛的運用。

目前，運用較多的智能PID算法有基于模型的PID參數自整定、基于規則的PID自整定、專家系統型PID控制器和基于蟻群算法的PID控制器等。智能PID參數自整定方法成為了近年來工業過程控制的研究熱門，它的優勢主要體現在參數自動整定和參數在線自校正兩方面。傳統的PID控制器在參數整定結束后，參數會形成固定值，而系統本身是變動的，固定的參數值設定很難使系統時刻處于最優狀態；智能PID控制能在線獲取被控系統的誤差和變化、控制量和系統的輸出量等信息，以及對PID的3個控制參數進行在線修正。

3.2 PID控制的重要性

大型機組（600 MW以上）比中小型機組對PID控制有著更高的要求，也更依賴PID控制實現機組的正常運轉。大型機組中，自動控制系統更為復雜。在實際生產中，系統的時變性和非線性更高。如果調節器的參數設定不是最優值，則系統控制的效率會降低。智能PID參數的自整定可實現調節器3個特征參數值隨被控對象所處環境的變化而實時變化，不但可實現系統的快速控制，使控制器的調節水平、系統的穩定性和機組效率升高，還可以節省大量的時間，為電廠創造更多的經濟效益。

4 結束語

電廠自動控制系統是實現機組經濟運行的關鍵，及時了解、分析機組設備的構成及其可能出現的問題，利用自動控制調節器及時對系統進行調整控制，優化機組運行和提高機組運行效率，是實現發電機組長久、安全、穩定生產運行的關鍵。目前，我國在該方面做得還不夠完善，還需要進行更多的研究工作。

參考文獻

[1]周燦文.電廠自動控制系統中調節器的應用技術[J].廣東科技，2009（6）.

[2]黃永志.火電機組鍋爐主汽溫智能PID控制研究[J].鄭州大學，2007（5）.

〔編輯：張思楠〕