循環(huán)流化床鍋爐PID控制算法研究綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u24002循環(huán)流化床鍋爐PID控制算法研究綜述 122561.1循環(huán)流化床鍋爐數(shù)學模型 1161651.2PID控制 373271.2.1PID控制原理 3199561.2.2PID參數(shù)整定方法 4151261.2.3性能指標 453721.3循環(huán)流化床鍋爐PID控制器設計 5300401.3.1PID控制器模型搭建 5215821.3.1PID控制器參數(shù)調節(jié)及仿真結果 61.1循環(huán)流化床鍋爐數(shù)學模型控制系統(tǒng)的數(shù)學模型是指在輸入信號的作用下，受控過程的相應輸出變化的函數(shù)關系表達式。對于簡單的控制系統(tǒng)，想要建立數(shù)學模型可以采用機理建模的方法。但是對于復雜的控制系統(tǒng)，在實踐中會有很多影響因素，因此很難建立準確的通過機理分析建立數(shù)學模型。因此，通常使用實驗建模，并且響應曲線方法是當前使用最廣泛的方法。對于循環(huán)流化床鍋爐溫度的動態(tài)特性，其實就是爐膛內部傳熱的動態(tài)變化問題。為了研究CFB鍋爐的溫度控制系統(tǒng)，本文使用兩個一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)來描述CFB鍋爐的溫度控制系統(tǒng)。其給煤量-床溫的傳遞函數(shù)模型為：(4-1)式中:Ka為靜態(tài)增益;Ta1，Ta2為時間常數(shù)，單位秒；τ為純滯后時間，單位秒。Ka、Ta1、Ta2、τ、α都是隨運行工況不同而變化的參數(shù).當鍋爐負荷在30%～100%額定負荷之間變化時,Ka取2～16,Ta1、Ta2取90～120s,τ取45～180s,α取2～16s。一次風量-床溫的傳遞函數(shù)模型：(4-2)式(4-2)中:Kb為靜態(tài)增益;Tb1、Tb2為時間常數(shù)。Kb、Tb1、Tb2、β也都是隨運行工況不同而變化的參數(shù)。當鍋爐負荷在30%～100%額定負荷之間變化時,Kb取0.2～1.8，Tb1、Tb2取90～180s,β取2～8s。根據(jù)式(4-1)和式(4-2)的模型結構，針對現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù),采用最小二乘法進行辨識，通過優(yōu)化和擬合得到4個典型工作點的傳遞函數(shù)模型。模型參數(shù)如圖4-1所示。圖SEQ圖\*ARABIC4-1CFB鍋爐床溫4個典型工況點的模型參數(shù)循環(huán)流化床鍋爐溫度控制系統(tǒng)是串級控制，可以把鍋爐過熱器分成兩個區(qū)域，分別為導前區(qū)和惰性區(qū)，它們的傳遞函數(shù)分別用W1(s)和W2(s)表示，則，整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以寫為W(s)=W1(s)*W2(s)，其中(4-3)(4-4)從熱動力學可以看出，蒸汽溫度模型參數(shù)的時間變化與單位負荷密切相關。當單位負荷增加時，由于過熱蒸汽流量和流量的增加，模型的靜態(tài)增益和時間常數(shù)將單調變化，反之亦然。因此，根據(jù)負載變化，可以選擇多個固定模型來表征系統(tǒng)的時變特性。在圖4-2中，選擇4個典型負載點的蒸汽溫度模型作為控制過程的子模型，經(jīng)擬合處理后可以表示為一階慣性環(huán)節(jié)加滯后環(huán)節(jié)組成，以提供給圖中的預測功能控制器和預測模型使用。參考了相關文獻以及經(jīng)過仿真，確定了CFB鍋爐的4個典型工況。每個工況均可將導前區(qū)和惰性區(qū)串聯(lián)的傳遞函數(shù)近似等價為一階時滯對象。圖4-2CFB鍋爐四種負載下導前區(qū)、惰性區(qū)模型參數(shù)及等效一階滯后模型1.2PID控制1.2.1PID控制原理PID控制是對被控制對象的實際值與設定值e(t)=r(t)-y(t)之間的偏差進行比例，積分和微分計算，然后將各部分的結果求和獲取輸出控制值，其工作原理如圖4-3所示。圖4-3PID控制原理圖PID

控制器的表達式為：ut將上式表達傳遞函數(shù)的形式如下：G(s)=?U式（4-6）中，第一項是比例P環(huán)節(jié)，第二項是積分I環(huán)節(jié)，第三項是微分D環(huán)節(jié)；KP是調節(jié)器的比例增益；TI是積分時間；TD是微分時間。通過更改這三個參數(shù)的大小，可以相應地更改PID調整的大小和規(guī)律。PID控制的每個環(huán)節(jié)的功能如下：⑴比例環(huán)節(jié)調節(jié)及時，并且響應很靈敏。一旦發(fā)生偏差，它會及時產(chǎn)生比例調節(jié)效果。偏差越大，調節(jié)效果越強，但是比例系數(shù)不能太大，否則會引起較大的系統(tǒng)沖擊。=2\*GB2⑵積分環(huán)節(jié)的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。僅當控制變量的設置值和實際值之間存在誤差時，積分環(huán)節(jié)才能工作。通過積分的作用消除誤差，直到?jīng)]有穩(wěn)態(tài)誤差為止，積分停止。但是，加入積分環(huán)節(jié)會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性并減慢動態(tài)響應。=3\*GB2⑶微分環(huán)節(jié)主要起預測變化趨勢和抑制系統(tǒng)偏差的作用。當系統(tǒng)偏差太大時，可以及時進行控制，以確保系統(tǒng)的控制效果。1.2.2PID參數(shù)整定方法對于PID控制器，比例，積分和微分參數(shù)需要進行調整才能正常工作。目前，PID整定方法主要有試湊法，Z-N法等。=1\*GB2⑴試湊法試湊法基于系統(tǒng)響應曲線。通過反復調整先按比例，然后積分，然后微分的過程參數(shù)，首先需要設置PID控制器的積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)Ti=∞，Td=0。系統(tǒng)參數(shù)的特定調整首先需要將比例系數(shù)從小到大調整，直到出現(xiàn)4：1響應衰減振蕩曲線為止，并在此時記錄比例系數(shù)的值。然后加上積分作用，將比例系數(shù)減小10-20％，將Ti的值從大變小，并通過反復調整，在基本消除了靜態(tài)誤差后，將此時的積分參數(shù)用作導數(shù)控制器的參數(shù)值。最后，需要選擇適當?shù)奈⒎窒禂?shù)。調整微分系數(shù)Td時，需要從小到大調整微分系數(shù)。當系統(tǒng)穩(wěn)定且滿足實際需求時，此時記錄PID控制的三個參數(shù)。則完成整定PID控制器的三個參數(shù)。=2\*GB2⑵Z-N參數(shù)整定法Z-N整定法是基于一階近似模型開環(huán)階躍響應曲線進行參數(shù)辨識，整定得到PID的控制參數(shù)。Ziegler-Nichols經(jīng)驗整公式是針對被控對象模型為帶有延遲的一階慣性傳遞函數(shù)提出的：1.2.3性能指標動態(tài)性能指標和穩(wěn)態(tài)性能指標兩類作為控制系統(tǒng)的性能評價。（1）動態(tài)性能指標動態(tài)過程是指系統(tǒng)從初始狀態(tài)到最終狀態(tài)的響應過程。通常，在階躍函數(shù)的作用下，測量和計算系統(tǒng)的動態(tài)性能。描述在穩(wěn)定系統(tǒng)的單位階躍函數(shù)的作用下動態(tài)過程隨時間t變化的指數(shù)稱為動態(tài)性能指數(shù)。（2）穩(wěn)態(tài)性能指標穩(wěn)態(tài)誤差通常用作衡量控制系統(tǒng)性能的指標。它是預期穩(wěn)態(tài)輸出與實際穩(wěn)態(tài)輸出之間的差?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差越小，說明其控制精度也越高。1.3循環(huán)流化床鍋爐PID控制器設計1.3.1PID控制器模型搭建首先在MATLAB/SIMULINK仿真平臺中進行循環(huán)流化床鍋爐建模仿真，建立的CFB的常規(guī)PID控制器的仿真模型如圖4-4所示。其中圖中有兩個封裝好的模塊，PIDController為封裝的PID控制器，其內部結構如圖4-5所示。循環(huán)流化床鍋爐選取70%負載工況下的傳遞函數(shù)。采用傳遞函數(shù)模塊（TransferFcn）加一個延遲環(huán)節(jié)（TransportDelay）來表示，如圖4-6所示。溫度的設定值用階躍函數(shù)模塊表示，并將值設為880℃。本文主要采用試湊法的方法來整定PID控制器的三個參數(shù)。圖4-470%負載下CFB的PID控制器系統(tǒng)結構圖圖4-570%負載PID控制器內部結構圖圖4-670%負載下廣義被控對象等價系統(tǒng)1.3.1PID控制器參數(shù)調節(jié)及仿真結果為了能夠在系統(tǒng)中清楚地觀察，本文所設計的CFB的70%負載工況下的常規(guī)PID控制器的控制性能，在仿真中添加了示波器對CFB鍋爐的物理量進行觀測，并對參數(shù)進行逐步調節(jié)，以達到較為滿意的性能。首先在PID控制器模塊里設置三個參數(shù)的值分別為Kp=10，Ki=0.2，然后在PID控制器模塊里設置三個參數(shù)的值分別為Kp=5，Ki=0.1，Kd圖4-7循環(huán)流化床鍋爐床溫PID控制器參數(shù)調整過程仿真結果從圖4-5中可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)響應最大溫度值超過1600攝氏度，超調量達到100%，而且系統(tǒng)響應多次振蕩，穩(wěn)定性和調節(jié)時間等指標均不好。繼續(xù)調整PID參數(shù)，設置三個參數(shù)的值分別為Kp=2，Ki=0.05，Kd圖4-8循環(huán)流化床鍋爐床溫PID控制器參數(shù)調整過程仿真結果從圖4-6中可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)響應最大溫度值小于1600攝氏度，超調量小于100%，系統(tǒng)響應的振蕩次數(shù)、超調量、穩(wěn)定性和調節(jié)時間等指標有所提高，但是效果仍然不夠理想，因此需要進一步優(yōu)化參數(shù)。最后經(jīng)過大量嘗試，繼續(xù)調整PID控制器參數(shù)得到的最終PID控制器的三個參數(shù)的值分別為：Kp=1.59，Ki=0.013，本章利用simulink仿真工具設計的循環(huán)流化床鍋爐70%負載工況下床溫PID控制器的較為理想的仿真最終結果圖如圖4-7所示。圖4-7循環(huán)流化床鍋爐床溫PID控制器仿真結果從圖