李 寧

（ 寶鋼集團(tuán)八鋼公司，烏魯木齊 830000）

0 引 言

火電機(jī)組具有強(qiáng)耦合、非線性、大慣性、參數(shù)時(shí)變和不確定因素的典型復(fù)雜熱工系統(tǒng)，它具有多個(gè)控制量和被控量，具有上述的復(fù)雜控制目標(biāo)和相應(yīng)的復(fù)雜控制任務(wù)［1］。在火電機(jī)組仿真建模方面，不僅進(jìn)行理論研究建模(J.P.McDonald，1971 和 K.J.Astrom，1988)［2］，也開始了電廠控制對象在線辨識方法研究(如P.K.Chawdhry and B.W.Hogg，1989)［3］。常規(guī)的機(jī)組控制方案結(jié)合前饋補(bǔ)償、串級等控制策略，采用基于PID線形控制算法的多個(gè)SISO反饋控制回路組成的分散控制結(jié)構(gòu)，目前仍在大多數(shù)機(jī)組中獲得廣泛應(yīng)用，但無法保證長時(shí)期正常投入運(yùn)行，只能用來維持生產(chǎn)過程的平穩(wěn)運(yùn)行，復(fù)雜工況需要運(yùn)行人員大量的手工操作和監(jiān)督控制，機(jī)組運(yùn)行參數(shù)偏離經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較大，造成大量能量損失，增加了設(shè)備故障率，嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益和安全可靠運(yùn)行［4］。

為了解決上述控制方法對復(fù)雜的鍋爐控制系統(tǒng)的不適應(yīng)性，系統(tǒng)先進(jìn)和智能控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)開始得到日益廣泛的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了應(yīng)用非常規(guī)設(shè)計(jì)方法對電廠機(jī)組控制系統(tǒng)的重新考察。為了解決常規(guī)機(jī)組控制系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題，適應(yīng)電網(wǎng)綜合自動(dòng)化發(fā)展提出越來越度高的性能要求，人們對電廠控制對象及其控制方法進(jìn)行了廣泛深入的研究，提出了許多新的控制策略和設(shè)計(jì)方法，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的試驗(yàn)效果。其中主要有專家控制、模糊控制、神經(jīng)控制、遺傳算法、模型預(yù)測控制、自適應(yīng)或自整定控制方法，以及混合型智能控制方法等［5］。

1 自整定PID控制

1.1 PID參數(shù)自整定的概念和發(fā)展

PID參數(shù)自整定概念中應(yīng)包括參數(shù)自動(dòng)整定(auto－tuning)和參數(shù)在線自校正(self－tuning on－line)。具有自動(dòng)整定功能的控制器，能通過按鍵就由控制器自身來完成控制參數(shù)的整定，不需要人工干預(yù)，它既可用于簡單系統(tǒng)投運(yùn)，也可用于復(fù)雜系統(tǒng)預(yù)整定。運(yùn)用自動(dòng)整定的方法與人工整定法相比，無論是在時(shí)間節(jié)省方面還是在整定精度上都得以大幅度提高，這同時(shí)也就增進(jìn)了經(jīng)濟(jì)效益。早在20世紀(jì)70年代，Astrom等人首先提出了自校正調(diào)節(jié)器，以周期性地辨識過程模型參數(shù)為基礎(chǔ)，并和以最小方差為控制性能指標(biāo)的控制律結(jié)合起來，在每一采樣周期內(nèi)根據(jù)被控過程特性的變化，自動(dòng)計(jì)算出一組新的控制器參數(shù)。20世紀(jì)80年代，F(xiàn)oxboro公司發(fā)表了它的EXACT自校正控制器，使用模式識別技術(shù)了解被控過程特性的變化，然后使用專家系統(tǒng)方法去確定適當(dāng)?shù)目刂破鲄?shù)。這是一種基于啟發(fā)式規(guī)則推理的自校正技術(shù)。20世紀(jì)90年代，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念開始應(yīng)用于自校正領(lǐng)域［6－7］。

具有自動(dòng)整定功能和具有在線自校正功能的控制器被統(tǒng)稱為自整定控制器。一般而言，如果過程的動(dòng)態(tài)特性是固定的，則可以選用固定參數(shù)的控制器，控制器參數(shù)的整定由自動(dòng)整定完成。對動(dòng)態(tài)特性時(shí)變的過程，控制器的參數(shù)應(yīng)具有在線自校正的能力，以補(bǔ)償過程時(shí)變。

1.2 PID參數(shù)自整定方法

從目前的資料和應(yīng)用情況來看，PID參數(shù)自整定的方法主要?dú)w結(jié)為三大類:一是辨識方法;二是在線模式識別方法;三是基于知識推理方法。

(1)辨識法

在過去的五十多年中，辨識方法取得了很大的發(fā)展，在參數(shù)自整定的方法中占主導(dǎo)地位，這與控制理論的發(fā)展和人們對控制器的認(rèn)識有關(guān)。獲取模型是實(shí)現(xiàn)控制的前提，這種觀念在五十年代，乃至現(xiàn)在都為廣大的控制工作者所肯定。因此，設(shè)計(jì)控制器必須知道控制對象的數(shù)學(xué)模型，辨識是有力的工具，這是參數(shù)整定最根本的出發(fā)點(diǎn)。根據(jù)辨識方法和內(nèi)容不同，可以分為下面兩類:一是辨識過程對象的數(shù)學(xué)模型(傳遞函數(shù))，一是辨識閉環(huán)系統(tǒng)的臨界增益和臨界周期或多點(diǎn)頻率特性。

(2)模式辨識法

模式識別的思想根據(jù)實(shí)際響應(yīng)波形，抽取出一些能表征系統(tǒng)的特征值，由此來判斷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而調(diào)整控制器參數(shù)，即將波形分析與人工智能結(jié)合起來，開辟了參數(shù)整定的一條新路，實(shí)際應(yīng)用中獲得了很大的成功。例如Foxboro公司推出的EXACT控制器及其分散控制系統(tǒng)I/A Series中的PIDE功能模塊，采用模式識別的參數(shù)整定方法。根據(jù)波形可以抽取不同的特征描述量，從不同的角度進(jìn)行PID控制器的參數(shù)的整定。該方法的特點(diǎn)是不用對系統(tǒng)模型進(jìn)行辨識，節(jié)省時(shí)間，而且能夠適應(yīng)過程的變化，對于非線性變結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)有效。但是，該方法是模仿人的調(diào)節(jié)行為，即在波形產(chǎn)生以后再作修改，相當(dāng)于糾正“錯(cuò)誤”的過程，而對于實(shí)際過程控中這種“錯(cuò)誤”是不允許的。因此，該方法在設(shè)定參數(shù)初值時(shí)有一定的危險(xiǎn)性。

(3)基于知識推理方法

基于知識推理的PID自整定控制，對模型要求較少，是借助于控制器輸出和過程輸出變量的觀測值來表征的動(dòng)態(tài)特性，而不依賴于一個(gè)居間的過程模型，從而具有易于執(zhí)行且魯棒性較強(qiáng)的特點(diǎn)。它能綜合采用專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行整定，其中啟發(fā)式規(guī)則還可將過程動(dòng)特性和干擾特性區(qū)別開來，并從保持良好的閉環(huán)響應(yīng)特性出發(fā)，確定出所需的校正參數(shù)。而且基于產(chǎn)生式規(guī)則實(shí)現(xiàn)控制的系統(tǒng)，其程序設(shè)計(jì)以邏輯型語句為主，它和以代數(shù)型語句為主的辨識法相比較，需要的計(jì)算時(shí)間較少，所以用于處理較快的運(yùn)行過程。

但這類方法也存在一些不足，方法的指導(dǎo)原則仍然停留在較弱的理論基礎(chǔ)上，它需要豐富的控制知識，其性能的優(yōu)劣取決于開發(fā)者對控制回路參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)，以及對反饋控制理論的理解程度。另外，如果采用模式識別的方法，當(dāng)專家系統(tǒng)不具備判斷某種模式的知識時(shí)，整定后的控制會(huì)發(fā)散。

總之，由于常規(guī)PID控制器不具有在線整定參數(shù)的能力，使其不能滿足在不同e、ec下系統(tǒng)對PID參數(shù)自整定的要求，從而影響到控制效果的進(jìn)一步提高。本設(shè)計(jì)將模糊控制與常規(guī) PID控制相結(jié)合，利用模糊推理的思想，根據(jù)不同e、ec對PID的參數(shù)Kp、Ki、Kd進(jìn)行在線整定，這就模糊自適應(yīng)整定PID控制器。

2 自整定PID在汽包水位單沖量控制中的應(yīng)用

根據(jù)鍋爐控制系統(tǒng)對汽包水位的控制性能的要求，結(jié)合總體設(shè)計(jì)思想，分別對鍋爐汽包水位在啟動(dòng)過程中的單沖量控制和正常負(fù)載工作時(shí)的三沖量控制進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，并應(yīng)用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真分析，其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

2.1 單沖量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單沖量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖1所示，它是連續(xù)給水自動(dòng)調(diào)節(jié)中最簡單、最基本的一種模式。水位測量信號經(jīng)過變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)水位測量值與給定值的偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥，從而改變給水量保持鍋爐水位在允許范圍內(nèi)。因?yàn)橹徊捎盟灰粋€(gè)信號作調(diào)節(jié)器的信號，故叫做單沖量水位自動(dòng)調(diào)節(jié)。其中Gw(s)=

圖1 單沖量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 單沖量控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

對圖1的系統(tǒng)利用Matlab/Simulink設(shè)計(jì)系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖，其結(jié)構(gòu)如圖2，其中subsystem為封裝的自整定PID控制器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，PID Controller為常規(guī)的參數(shù)可調(diào)的PID控制器，封裝結(jié)構(gòu)如圖4所示，Manual Switch為手動(dòng)切換開關(guān)，用于在自整定控制器與常規(guī)控制器之間切換，step為水位的輸入控制信號，step1和step2分別為蒸汽輸出量和給水輸出量的模擬輸入信號。執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門的特性系數(shù)分別為10和2，用Gain7模擬的比例給水調(diào)節(jié)閥。

其中被控對象的傳遞函數(shù)分別為:

分別為給水流量和蒸汽流量的傳遞函數(shù)。

2.3 單沖量控制性能分析與對比

汽包水位自整定PID模糊控制與常規(guī)PID控制仿真比較因上述控制方案僅限于在鍋爐啟動(dòng)階段，即蒸汽發(fā)生端的負(fù)荷小于20%，暫時(shí)將蒸汽擾動(dòng)和給水?dāng)_動(dòng)的信號忽略。輸入信號(step)設(shè)置為1，蒸汽流量擾動(dòng)信號(step1)和給水?dāng)_動(dòng)信號(step2)均設(shè)為0，設(shè)定仿真時(shí)間為1000 s，仿真算法位定步長的四階龍格—庫塔方法，仿真步長為0.5 s。設(shè)置Kp、Ki和Kd的參數(shù)，運(yùn)行仿真器，觀察結(jié)果。其控制性能如圖5所示。其中(1)為自整定PID模糊控制器的控制仿真曲線，(2)為常規(guī)PID控制的仿真曲線?？梢?，相對于常規(guī)PID，自整定PID不僅縮短了系統(tǒng)的過渡時(shí)間，同時(shí)也減小了水位輸出的超調(diào)量，自整定控制器參數(shù)整定的曲線如圖6、圖7和圖8所示。

圖2 汽包水位單沖量自整定仿真結(jié)構(gòu)圖

圖3 自整定控制器結(jié)構(gòu)圖

圖4 常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)圖

圖5 汽包水位自整定PID模糊控制與常規(guī)PID控制仿真曲線

圖6 Kp參數(shù)整定曲線

圖7 Ki參數(shù)整定曲線

圖8 Kd參數(shù)整定曲線

通過觀察可以知道，在參數(shù)的動(dòng)態(tài)整定過程中，自整定控制器根據(jù)模糊規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了對控制參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，不斷按照規(guī)則使控制性能達(dá)到最優(yōu)。

(1)汽包水位在給水?dāng)_動(dòng)作用時(shí)兩種控制方式仿真比較

在各參數(shù)均不變的前提下，給系統(tǒng)在t=500 s時(shí)加入給水流量外擾動(dòng)信號 (Step2=5 t/h)，此時(shí)汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下自整定PID模糊控制系統(tǒng)與常規(guī)PID控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖9所示。

圖9 汽包水位在給水?dāng)_動(dòng)作用時(shí)兩種控制方式仿真曲線

(2)汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)作用時(shí)兩種控制方式仿真的比較

在其他各參數(shù)均不變的前提下，給系統(tǒng)在t=500 s時(shí)加入蒸汽流量外擾動(dòng)信號(Step1=7 t/h)，此時(shí)汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下自整定PID模糊控制系統(tǒng)與常規(guī)PID控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖10所示。其中(1)為自整定PID模糊控制器的控制仿真曲線，(2)為常規(guī)PID控制的仿真曲線。

圖10 汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)作用時(shí)兩種控制方式仿真曲線

通過上述分析，可以知道，相比常規(guī)PID控制器，模糊自整定PID在穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性、抗擾性等方面，都有很大的優(yōu)越性，非常適合汽包水位這樣的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

但是，從單沖量控制器在大范圍的蒸汽流量的擾動(dòng)下的控制特性的分析可以知道，由于存在“虛假水位”的問題，而單沖量控制器對于具有非最小相位特性的蒸汽流量擾動(dòng)，沒有足夠的抑制作用。所以，一旦發(fā)生流量在大范圍內(nèi)變動(dòng)，將引起給水調(diào)節(jié)閥的誤動(dòng)作，致使汽包水位激烈地上下波動(dòng)，嚴(yán)重影響設(shè)備的壽命和安全。從圖10中還可以看出，在蒸汽擾動(dòng)作用下，常規(guī)PID控制器在大負(fù)荷的作用下，將不能回到原有的水位高度，使控制器失穩(wěn)，造成嚴(yán)重的后果，而自整定控制器雖然能使水位最終回到初始位置，但調(diào)整時(shí)間過長，并且水位激烈的上下振動(dòng)，并不適宜鍋爐這樣的系統(tǒng)要求。

因此若采用單回路PID控制方式控制汽包水位，而不采取一定措施，則在出現(xiàn)“虛假水位”時(shí)，控制系統(tǒng)將會(huì)減少汽包進(jìn)水流量，致使汽包中水量進(jìn)一步減少。顯然，單回路PID控制方式是難以適應(yīng)汽包水位控制的，為了克服“虛假水位”現(xiàn)象，必須引進(jìn)更多的控制變量，采用三沖量控制算法，并將模糊控制算法應(yīng)用于上述控制系統(tǒng)中。

3 結(jié)論

在總結(jié)模糊自整定PID的控制方案的基礎(chǔ)上，通過對余熱鍋爐汽包水位在各種工作條件下的性能的仿真分析，充分證明了模糊自整定PID控制方案的有效性和可行性。在對于單沖量和三沖量兩種不同的控制方案的作用下，模糊自整定控制器同樣可以獲得良好的控制效果，尤其對于時(shí)變的控制系統(tǒng)，其優(yōu)越性更加顯著。同時(shí)，通過對模糊自整定控制器穩(wěn)定性的分析，可以知道，該模糊控制器對于所研究的對象而言，是穩(wěn)定而有效的。

針對對象參數(shù)未知的控制對象，模糊自整定PID控制有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)做出不同的參數(shù)調(diào)整。目前在溫度、水位等系統(tǒng)中的應(yīng)用比較廣泛。但是，由于規(guī)則的有限性和控制器設(shè)計(jì)人員的主觀性，模糊自整定控制器也有其不可以避免的局限性，一旦對象響應(yīng)中出現(xiàn)規(guī)則沒有的情況，將使控制性能極大下降。作為一種剛剛興起的先進(jìn)智能控制方案，模糊自整定PID有著廣泛的應(yīng)用空間和前景，其性能也有待進(jìn)一步的提高。

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