PID與主蒸汽溫度控制策略概述目錄TOC\o"1-3"\h\u24768PID與主蒸汽溫度控制策略概述 18891.1PID控制理論 1221941.2鍋爐主蒸汽溫度控制策略設(shè)計(jì) 4184391.2.1主蒸汽溫度單回路控制方案 470331.2.2主蒸汽溫度串級(jí)PID控制方案 5126711.2.3主蒸汽溫度Smith預(yù)估控制方案 6現(xiàn)有對(duì)鍋爐的主蒸汽溫度控制的方案中雖然衍生了許多控制方法，但是最根本的還是PID控制理論。為此，本文將詳細(xì)介紹PID控制理論，然后針對(duì)鍋爐的主蒸汽溫度控制，制定控制策略。并在之后的第4章中利用軟件仿真工具對(duì)所提的控制進(jìn)行仿真測(cè)試。1.1PID控制理論P(yáng)ID控制其實(shí)是三種控制器的組成使用，它分為比例控制器（P），積分控制器（I）以及微分控制器（D）。PID控制在應(yīng)用時(shí)也可以分為正反饋控制與負(fù)反饋控制，正反饋控制顧名思義，誤差越大，輸出信號(hào)越大，負(fù)反饋控制時(shí)誤差越大，輸出信號(hào)越小，從而抑制誤差的增大，一般而言，負(fù)反饋控制往往是穩(wěn)定的。PID控制由于自身良好的控制特性，在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中也被廣泛的使用開來(lái)。下文將分別介紹PID控制中的三種控制器。首先是比例控制器，比例控制器的作用來(lái)源于誤差的輸入，有誤差則比例控制就會(huì)動(dòng)作，且動(dòng)作十分迅速。比例控制僅是一個(gè)常數(shù)，通過(guò)誤差來(lái)調(diào)整輸出，它的動(dòng)作來(lái)源是誤差，所以比例控制無(wú)法消除穩(wěn)態(tài)誤差，是一種有差控制。比例控制的數(shù)學(xué)表達(dá)可用以下公式進(jìn)行表示(1.1)公式1.1中KP為比例系數(shù)，error(t)為誤差函數(shù)。通常來(lái)說(shuō)，比例系數(shù)越高，帶來(lái)的輸出變化就會(huì)越大，相反比例系數(shù)越小，帶來(lái)的輸出變化越小。在應(yīng)用中也有部分用比例帶寬來(lái)表示比例控制的參數(shù)，如式1.2所示：(1.2) 上式說(shuō)明如果一個(gè)系統(tǒng)的比例帶寬為1，那么它的比例系數(shù)便是100。 積分控制器是通過(guò)積分來(lái)對(duì)信號(hào)的輸入進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而得到輸出信號(hào)。積分的一個(gè)最重要的作用就是消除穩(wěn)態(tài)誤差。也正是因?yàn)槿绱?，在?duì)需要無(wú)差控制的環(huán)節(jié)上，則必須要引入積分控制。 積分控制的數(shù)學(xué)表達(dá)如下所示：(1.3)公式1.2中KI為積分系數(shù)。如果一個(gè)在一個(gè)控制系統(tǒng)內(nèi)采用了積分控制，那么只要最終系統(tǒng)還未穩(wěn)定，說(shuō)明積分控制器仍在動(dòng)作，誤差還沒有到0。但是積分控制也有一個(gè)特點(diǎn)，就是如果系統(tǒng)的參數(shù)選取不當(dāng)，可能會(huì)影響系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，惡化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。微分控制是通過(guò)對(duì)誤差的變化率來(lái)改變輸出的控制手段。一般而言，倒數(shù)想可能會(huì)降低控制的變化率，但是微分項(xiàng)的加入能夠提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，降低調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。微分控制的數(shù)學(xué)表達(dá)式可用公式1.4表示。(1.4)公式1.4中KD為微分控制的微分系數(shù)。PID控制器則是兼顧了以上三種控制手段的一種控制方法，它的控制結(jié)構(gòu)可用圖1.1進(jìn)行表示。圖1.1PID控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖1.1中，R(t)為輸入量，e(t)為誤差量，U(t)為輸出量，它們之間滿足e(t)=R(t)?U(t)。圖1.1所示的P、I和D元件的并聯(lián)可以解釋PID控制器的這種原理動(dòng)作模式。根據(jù)圖1.1可用下式表示PID控制的數(shù)學(xué)表達(dá)：(1.5)也可以按照傳遞函數(shù)改寫成以下形式：(1.6)公式1.6中GPID(s)表示PID傳遞函數(shù)，TI是PID控制中的積分時(shí)間常數(shù)，TD表示微分時(shí)間常數(shù)，與上文中的比例系數(shù)和微分系數(shù)存在一種轉(zhuǎn)換關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，可用圖1.2對(duì)含PID控制的控制系統(tǒng)進(jìn)行概述。圖1.2PID做控制系統(tǒng)控制器的基本結(jié)構(gòu)在表1.1中給出了一些PID控制參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。表3-1PID各項(xiàng)參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響在整個(gè)PID控制中，三個(gè)控制參數(shù)都有相應(yīng)的作用，比例控制器可以對(duì)誤差進(jìn)行快速響應(yīng)，積分控制器可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，微分控制器則可以通過(guò)微分項(xiàng)改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。在PID控制中也會(huì)存在零極點(diǎn)對(duì)消的情況。PID表達(dá)式可以改成以下形式：(1.7)此時(shí)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：(1.8) 令(1.9)(1.10) 則(1.11)以上公式在整定PID控制的不穩(wěn)定現(xiàn)象時(shí)十分有用，還有一個(gè)方法就是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)手段調(diào)整比例、積分及微分系數(shù)來(lái)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。表3-2總結(jié)一些常見的PID參數(shù)調(diào)控方法，以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)。表3-2PID控制器的調(diào)節(jié)方法1.2鍋爐主蒸汽溫度控制策略設(shè)計(jì)1.2.1主蒸汽溫度單回路控制方案由前文可知，單回路控制即單PID控制器的控制系統(tǒng)。同時(shí)，也得知，在系統(tǒng)內(nèi)整個(gè)鍋爐的主蒸汽溫度具備大延遲大滯后的特點(diǎn)，導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)可用一個(gè)帶延遲環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行表示，結(jié)合PID控制，可用下式進(jìn)行表示：(1.12) 從公式1.12中可以看出，Gp(s)為主蒸汽溫度控制中的常規(guī)項(xiàng)，然后加入了一個(gè)延時(shí)環(huán)節(jié)。在主蒸汽的控制流程中，可用圖1.3進(jìn)行表示，數(shù)學(xué)模型可用圖.4進(jìn)行表示。圖1.3主蒸汽單回路控制示意圖圖1.4主蒸汽溫度單回路控制數(shù)學(xué)模型雖然單回路的控制方案較為簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際過(guò)程中由于簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)期望的目標(biāo)或者達(dá)到期望的控制效果，存在一些動(dòng)態(tài)性能較差的缺陷，所以在使用時(shí)可根據(jù)對(duì)控制效果的要求進(jìn)行選擇。1.2.2主蒸汽溫度串級(jí)PID控制方案串級(jí)PID控制也在上文中進(jìn)行了介紹，相比簡(jiǎn)單的單回路控制方案，串級(jí)PID控制能夠更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的控制，包括更小的超調(diào)量，更短的調(diào)節(jié)時(shí)間，更好的動(dòng)態(tài)性能等。它的本質(zhì)實(shí)在單回路中又加入了一個(gè)副PID控制器，令副PID控制器對(duì)導(dǎo)前區(qū)的溫度進(jìn)行快速的控制從而實(shí)現(xiàn)更好的效果。串級(jí)PID的物理結(jié)構(gòu)可參見第2章的圖2.12。不同于圖1.3所示的單回路控制方案，此時(shí)的詳細(xì)物理過(guò)程可用圖1.5進(jìn)行表示。圖1.5主蒸汽溫度串級(jí)PID控制原理在圖1.5所示的控制流程中，主PID控制和副PID控制扮演了不同的角色。副PID控制是主PID控制的輔助調(diào)節(jié)控制器，它根據(jù)主控單元的輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，快速響應(yīng)，而主PID控制器則會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量到的過(guò)熱器出口的溫度經(jīng)過(guò)溫度變送器后進(jìn)行溫度控制，進(jìn)而控制噴水減溫裝置的噴水量，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)控。1.2.3主蒸汽溫度Smith預(yù)估控制方案在實(shí)際控制中如果主蒸汽溫度存在較大的滯后和延遲特性，這對(duì)控制效果其實(shí)是十分不友好的，而Smith預(yù)估控制手段則可以改善該控制效果。接下來(lái)介紹以下Smith預(yù)估控制的基本原理。首先在常規(guī)的單回路控制方案中，盡管可能有所重復(fù)，但是為了方便加入了圖1.6進(jìn)行描述。圖1.6主蒸汽溫度單回路控制示意圖可見圖1.6中存在延遲環(huán)節(jié)，如果能夠去掉該延遲環(huán)節(jié)，將有利于控制效果的提升。而Smith預(yù)估控制便是針對(duì)該問(wèn)題的一項(xiàng)控制方法。圖1.7為不含滯后環(huán)節(jié)的控制模型。圖1.7單回路控制系統(tǒng)圖1.7中W0’(s)為不含滯后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，Ws’(s)為Smith預(yù)估控制器，沒有加入預(yù)估控制時(shí)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：(1.13)加入Smith預(yù)估控制后：(1.14)如果想要消除測(cè)量Y’(s)帶來(lái)的延時(shí)，期望公式1.14變?yōu)椋?/p>