實例闡述自動控制與PID參數調整

何思敏

摘 要： 隨著控制技術的日新月異，DCS的廣泛應用，火電廠的自動化程度也得以穩定提升。如何整定PID參數，優化自動控制，減輕運行人員的工作負擔，成為電廠熱控維護人員基本技能之一。本文通過實例，分析自動控制回路的構建與參數調整，實現自動控制的目的。

關鍵詞： 熱工自動化；自動控制；PID參數整定

如圖1所示流程，送風機根據負荷吹入適量的空氣進入爐膛配合煤粉燃燒，產生的煙氣經引風機抽出，再經過增壓風機升壓后，進入脫硫吸收塔發生化學反應，脫硫后的干凈煙氣經煙囪排放到大氣。以增壓風機的自動控制為例，被調量為增壓風機入口壓力，執行機構為增壓風機動葉，當由于發電負荷變化導致送風機、引風機控制變化時，增壓風機動葉也需要自動調節，使入口壓力維持在設定值附近范圍，維持工況穩定。

一、正作用與反作用

增壓風機啟動后，由增壓風機動葉開大或關小，來控制增壓風機的入口壓力，根據增壓風機對入口壓力的影響，可知這是一個反作用的自動控制回路，即當動葉開度變大時，入口壓力往負的方向變化，當動葉開度變小時，入口壓力往正的方向變化，和引風機對爐膛負壓的控制作用方向一致。

二、比例與積分調節

在手動調節方式下，運行人員在監控畫面操作0%-100%之間的指令，經DCS轉化成4-20毫安電流信號，輸出到動葉電動執行機構開大或關小動葉，完成人工控制增壓風機的入口壓力的調節。在自動調節方式下， PID功能塊指令輸出計算公式如下：

由于被調量為增壓風機入口壓力，單位為Pa，量程為-1500～1500（可理解為0-3000的范圍），而PID的輸出為到動葉0～100%的指令，此時需要將被調量與執行機構的單位進行聯系。對入口壓力進行百分比的轉換，將100除以3000，得出轉換系數為0.033，則當增壓風機入口壓力變化時，偏差=（入口壓力設定值-入口壓力實際值）*0.033，得出入口壓力的變化百分數，完成由單位“Pa”到“%”的轉化，與動葉的開度0-100%建立了關系。

在實際手動調節增壓風機入口壓力過程中得知，動葉在當前開度基礎上增加1.3%的開度，入口壓力即往負的方向變化100Pa左右，例如當前穩定工況下，入口壓力為-100Pa，動葉開度為62%，當動葉開大到63.3%時，入口壓力從-100Pa變化到-200Pa左右，由此可以推算出，當在自動調節狀態下，當入口壓力由于工況變化從-100Pa變化到-200Pa時，為了使入口壓力恢復到設定值-100Pa左右，此時動葉必須在當前開度基礎上減少1.3%的開度，即動葉指令變量為-1.3%，才能實現調節目的。由偏差=（入口壓力設定值-入口壓力實際值）*0.033=【（-100）-（-200）】*0.033=3.3%，為了使動葉的指令變化1.3%，可大約求出PID比例系數P=1.3%÷3.3%=0.39。

實際投入自動調節中，由于比例作用無法消除靜態偏差，如果為了消除靜態偏差，需要增加積分作用。了解到DCS系統的積分時間是趨向0時積分作用越強，越往正數方向積分作用逐漸減弱，根據經驗初設積分時間為120，觀察積分作用對壓力調節的影響，判斷是應該增加還是減小積分時間。如果需要快速消除偏差，則可修改為100或90等，加強積分作用，如果對系統造成擾動，則應增大積分時間。理論上積分作用越強會降低系統的穩定程度，在實際調節中應把握平衡。應用比例與積分作用的自動調節效果如圖2所示，入口壓力能維持在設定值附近。

三、前饋輸入

以上方式為比例與積分作用控制，根據控制策略的改變，也可增加前饋作用。由于增壓風機動葉與引風機動葉存在關系，當引風機動葉開度增大時，增壓風機動葉也隨之增大，使負荷相應匹配。在600MW燃煤機組運行中，采集發電機實際升降負荷數據，當不同負荷狀態最終穩定時，引風機動葉開度、增壓風機開度有如下對應關系，通過分段函數添加PID的前饋輸入，使引風機動葉開度變化時，增壓風機動葉能相應變化，完成調節。注意的是，由于添加了前饋作用，需要相對調整PID的參數，以使調節過程平穩。

四、自動退出的保護條件

為了維護工況穩定，當自動調節無法保證生產安全時，需要及時退出自動，提醒運行人員手動控制，常規退出自動條件如下：

1、增壓風機入口壓力顯示壞點（表示被調量無法監視，更無法作為自動調節依據）；

2、增壓風機入口壓力與設定值偏差過大，延時3秒（表示在設定時間內，被調量偏離設定值太大，自動無法調節，偏差與延時時間可根據實際情況設置）；

3、增壓風機動葉指令與位置反饋偏差大，延時5秒（表示在設定時間內，動葉開度沒有達到指令要求，自動無法調節。需要注意的是，指令變化的速率和動葉電動執行機構實際動作的速率，實際情況存在工況突變造成指令在沒有速率限制的情況下變化太大，但電動執行機構需要一定的速率才能開大或關小到相應位置，此時如果延時設置不當，即可能造成自動調節退出，反而未必能保證工況的安全）。

在此例自動控制回路中，考慮到壓力單位小，干擾因素多，波動大，為了消除偏差，被調量精確控制在一個具體的設定值是不太現實的，往往容易因為動葉的頻繁動作而造成工況的不穩定，所以“精準”控制不是必須的，另外，動葉電動執行機構也存在1.2%的死區，即指令變量超過1.2%電動執行機構才會動作，這也是為了避免電機頻繁動作而發熱燒壞電機設置的保護。由上所述，這里需要為設定值與被調量的偏差設置死區，例如入口壓力維持在-100Pa左右對爐膛負壓、對機組工況都是最穩定時，可適當將死區設置為±60，即-160Pa～-40Pa范圍內不計算誤差，超出這個范圍才開始調節，避免了動葉頻繁動作。

綜上所述，如何在“快、穩、準”之間尋找平衡點，是在PID自動調節中需要注意的。只有把握控制策略、被調量、調節機構、對工況穩定的影響因素，才能最終得到優良的調節效果，達到自動控制的目的。

參考文獻

[1]《自動調節系統解析與PID整定》.

[2]《火電廠熱工自動控制技術及應用》.