蘇雋成 楊平

(上海電力學院自動化工程學院,上海 200090)

過熱汽溫串級MCP-PID控制

蘇雋成 楊平

(上海電力學院自動化工程學院,上海 200090)

為提高過熱汽溫控制品質,嘗試將一種新型的PID控制器——MCP-PID控制器應用于過熱汽溫串級控制系統(tǒng)中。針對一個典型的過熱汽溫過程,設計了串級的MCP-PID控制器,并利用Simulink仿真平臺進行了控制系統(tǒng)仿真試驗。仿真試驗結果表明,在設定值擾動試驗和內外擾動試驗中,MCP-PID控制器均優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器,具有超調量小、調整時間短、擾動抑制強和魯棒性高的特點,值得在復雜工業(yè)控制系統(tǒng)中推廣應用。

PID控制 多容慣性 串級控制 過熱汽溫 火電廠

0 引言

電站鍋爐過熱汽溫控制品質是電站鍋爐運行的一個重要考核要素,它與過熱器、汽輪機葉片的壽命和機組熱效率都有關系,對電廠的安全經(jīng)濟運行有很大影響。對于電站鍋爐汽溫控制系統(tǒng),其回路長、擾動多,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。因此,業(yè)內對于鍋爐汽溫控制系統(tǒng)的改進研究一直沒有停止過。文獻[1]提出了一種改進的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文獻[2])。MCP-PID的結構與傳統(tǒng)PID相同,但參數(shù)整定依據(jù)一種新的標準傳遞函數(shù),即多容慣性標準傳遞函數(shù)[3]。這種標準傳遞函數(shù)具有無超調、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熱汽溫串級控制系統(tǒng)的研究工作是串級控制系統(tǒng)內外控制器采用MCP-PID控制器的新嘗試。仿真試驗表明,與采用常規(guī)的PID控制器相比,新系統(tǒng)有著超調量小、魯棒性高的明顯優(yōu)勢。

1 MCP-PID控制器

根據(jù)文獻[1],對于式(1)所示的典型的有自平衡單容時滯被控過程模型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)整定計算公式。

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

2 汽溫串級控制器設計

結合一個具體的控制工程案例,采用兩步法整定兩個串級控制器,并采用兩點法擬合所需的單容時滯模型,展開對過熱汽溫串級MCP-PID控制器的設計。

引用文獻[5]中的石橫電廠300 MW單元機組汽溫實際控制案例。該控制系統(tǒng)的串級控制結構如圖1所示。主對象和副對象的具體被控過程模型如式(6)和式(7)所示。這些被控過程模型是根據(jù)石橫電廠300 MW單元機組1號爐過熱器系統(tǒng)在210 MW負荷下的運行數(shù)據(jù)辨識得出的。式(6)表示的是副對象(導前區(qū))過程數(shù)學模型,式(7)表示的是主對象(惰性區(qū))過程數(shù)學模型。

圖1 汽溫串級控制系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure of the steam temperature cascade control system

根據(jù)文獻[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)副調節(jié)器參數(shù),式(9)表示常規(guī)主調節(jié)器參數(shù)。

2.1 副調節(jié)器的MCP-PID控制器參數(shù)計算

計算副調節(jié)器的MCP-PID控制器參數(shù)時,先要知道內回路受控過程的單容時滯過程模型參數(shù),即K、T和τ。為此,利用文獻[6]介紹的根據(jù)過程階躍響應求解內回路單容時滯過程模型參數(shù)的兩點法。

先根據(jù)式(5)所示副對象過程數(shù)學模型,利用Simulink仿真平臺做出單位階躍響應曲線,再從曲線上測量出3個參數(shù),如式(10)所示,則根據(jù)兩點法公式可算出副對象過程的單容時滯過程模型參數(shù),如式(11)所示。根據(jù)式(3)可算得副調節(jié)器的MCP-PID控制器參數(shù),如式(12)所示。

2.2 主調節(jié)器的MCP-PID控制器參數(shù)計算

計算主調節(jié)器的MCP-PID控制器參數(shù)時,先要知道外回路受控過程的單容時滯過程模型參數(shù),即K、T和τ。為此,可利用文獻[6]介紹的根據(jù)過程階躍響應求解內回路單容時滯過程模型參數(shù)的兩點法。不過,外回路受控過程為主對象(惰性區(qū))過程與內回路控制系統(tǒng)的串聯(lián)過程,所以先利用Simulink仿真平臺做出外回路受控過程的單位階躍響應曲線,再從曲線上測量出3個參數(shù),如式(13)所示,則根據(jù)兩點法公式可算出外回路受控過程的單容時滯過程模型參數(shù),如式(14)所示。根據(jù)式(5)可算得主調節(jié)器的MCP-PID控制器參數(shù),如式(15)所示。

3 汽溫串級控制仿真試驗

為驗證MCP-PID控制器應用過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的性能,設計了設定值與內外擾動仿真試驗。設定值階躍擾動在一開始就加入,然后在t=90 min加入內擾方波信號(幅度d2=1,持續(xù)時間從t=90 min到t= 95 min);在t=150 min加入外擾方波信號(幅度d1=1,持續(xù)時間從t=150 min到t=155 min)。仿真試驗系統(tǒng)中包含了一個過熱汽溫傳統(tǒng)PID串級控制系統(tǒng)。

傳統(tǒng)PID和MCP-PID抗擾性曲線如圖2所示。其中,實線為傳統(tǒng)PID控制響應曲線,虛線為MCP-PID控制器控制響應曲線。由圖2可看出,對于設定值階躍擾動,MCP-PID控制響應在超調量和調整時間方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。對于內回路擾動抑制,MCPPID控制明顯較傳統(tǒng)PID控制強,其波動幅度還不及傳統(tǒng)PID控制的一半。對于外回路擾動,MCP-PID控制的波幅也只有傳統(tǒng)PID控制的3/4。由此可見, 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控制器應用過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的魯棒性性能,還進行了改變過程模型參數(shù)的魯棒性試驗。一般而言,當過程模型的增益參數(shù)變小或是慣性時間常數(shù)變大時,按過程模型參數(shù)未變時設計的控制系統(tǒng)的性能有惡化的趨勢。因此,魯棒性試驗具體設計了過程模型的增益參數(shù)變小和慣性時間常數(shù)變大兩項典型試驗。

首先把惰性區(qū)傳遞函數(shù)的K=0.5改為K′=0.3,相當于參數(shù)值減小40%。這種變參數(shù)試驗在傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)和MCP-PID控制系統(tǒng)中同時進行。傳統(tǒng)PID和MCP-PID對于K的魯棒性比較曲線如圖3所示。圖3中,實線是K=0.5時的傳統(tǒng)PID控制響應;點線是K=0.5時的MCP-PID控制響應;短劃線是K=0.3時的傳統(tǒng)PID控制響應;點劃線是K=0.3時的MCPPID控制響應。

圖3 對于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K=0.5變化為K′=0.3時, MCP-PID控制響應曲線變化幅度小于傳統(tǒng)PID控制響應曲線變化幅度。由此表明,對于過程增益變化,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,相當于參數(shù)值增大83%。這種變參數(shù)試驗在傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)和MCP-PID控制系統(tǒng)中同時進行。傳統(tǒng)PID和MCP-PID對于T的魯棒性比較曲線如圖4所示。

圖4 對于T的魯棒性比較曲線Fig.4 Comparison of the robustness to T

圖4中,實線為T1=1.2 min時的傳統(tǒng)PID控制響應;點線為T1=1.2 min時的MCP-PID控制響應;短劃線為T1=2.2 min時的傳統(tǒng)PID控制響應;點劃線為T1=2.2 min時的MCP-PID控制響應。從圖4可以看出,由T1=1.2 min變化為T1=2.2 min時,MCP-PID控制響應曲線變化幅度小于傳統(tǒng)PID控制響應曲線變化幅度。由此表明,對于過程時間常數(shù)變化,MCP-PID控制的魯棒性優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。

4 結束語

綜上所述,MCP-PID控制器[7-11]用于電站鍋爐過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的研究表明,MCP-PID控制器相比于傳統(tǒng)PID控制器,具有超調量小、調整時間短、擾動抑制強和魯棒性高的優(yōu)勢。對于類似電站鍋爐過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的復雜工業(yè)控制系統(tǒng),MCP-PID控制器有推廣應用價值。

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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)新行動計劃基金資助項目(編號:13111104300);

上海市電站自動化技術重點實驗室基金資助項目(編號:13DZ2273800)。

修改稿收到日期:2014-04-26。

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