王恒飛 陳永良 郭春裕

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

鍋爐過(guò)熱蒸汽出口壓力的串級(jí)專(zhuān)家PID控制

王恒飛 陳永良 郭春裕

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

針對(duì)常規(guī)PID鍋爐過(guò)熱蒸汽出口壓力控制效果不佳的問(wèn)題，提出并編寫(xiě)了基于PCS7系統(tǒng)的專(zhuān)家PID控制器。運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行專(zhuān)家PID的仿真，并利用高級(jí)多功能過(guò)程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)( SMPT 1000) 以及PCS7對(duì)控制效果進(jìn)行了進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)中PSC7主要負(fù)責(zé)建立控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)家控制。運(yùn)行結(jié)果表明，該控制方案的調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小，并且具有較好的抗干擾能力，可以實(shí)現(xiàn)過(guò)熱蒸汽出口壓力的穩(wěn)定控制。

過(guò)熱蒸汽 專(zhuān)家控制 PID控制 PCS7 系統(tǒng)組態(tài)

0 引言

鍋爐過(guò)熱蒸汽出口壓力是蒸汽供需平衡的標(biāo)志，是影響系統(tǒng)蒸汽平衡的重要熱力學(xué)參數(shù)，直接關(guān)系到操作的平穩(wěn)與生產(chǎn)的安全[1]。蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)具有時(shí)變、高階次、大滯后等特點(diǎn)，利用常規(guī)的PID很難對(duì)其實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制，于是引進(jìn)先進(jìn)的控制算法來(lái)解決此問(wèn)題。

本文選擇專(zhuān)家PID 算法來(lái)解決過(guò)熱蒸汽出口壓力過(guò)渡過(guò)程時(shí)間過(guò)長(zhǎng)這一缺點(diǎn)[2]。專(zhuān)家PID 控制是對(duì)常規(guī)PID 控制算法的一種改進(jìn)，能很好地與實(shí)際工業(yè)相結(jié)合。西門(mén)子的 Simatic PCS7集散系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化[3]，其中SCL模塊可以實(shí)現(xiàn)編寫(xiě)專(zhuān)家PID控制算法。通過(guò)SCL編寫(xiě)PID控制與專(zhuān)家系統(tǒng)結(jié)合，優(yōu)化了過(guò)熱蒸汽壓力控制器的輸出，大大提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制效果。

1 過(guò)熱蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

過(guò)熱蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)就是對(duì)出口負(fù)荷的壓力進(jìn)行控制的系統(tǒng)。影響過(guò)熱蒸汽出口壓力的變量有燃料流量、過(guò)熱蒸汽出口流量以及過(guò)熱蒸汽出口溫度等。其中燃料流量是對(duì)過(guò)熱蒸汽出口壓力影響最顯著的變量，而且可控性好。如圖1所示是壓力串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在串級(jí)控制系統(tǒng)中加入專(zhuān)家PID控制器PIC1104，通過(guò)主、副環(huán)的聯(lián)合控制，使整個(gè)壓力控制系統(tǒng)的性能提高。

圖1 過(guò)熱蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)

2 PCS7系統(tǒng)組態(tài)

西門(mén)子PCS7將傳統(tǒng)的DCS 和PLC 控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，系統(tǒng)所有的硬件都基于統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，可以根據(jù)需要選用不同的功能組件進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)[4]。PCS7基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備集成在過(guò)程控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)ET200系列分布式I/O連接到Profibus總線上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

PCS7的系統(tǒng)組態(tài)是指使用工具軟件對(duì)計(jì)算機(jī)及軟件的各種資源進(jìn)行配置，使計(jì)算機(jī)或軟件按照預(yù)先設(shè)置的指令參數(shù)，自動(dòng)執(zhí)行指定的任務(wù)的過(guò)程。PCS7的組態(tài)過(guò)程一般分為以下四個(gè)步驟。

① 新建項(xiàng)目工程

整個(gè)項(xiàng)目工程的新建都由工程向?qū)?new project wizard)完成，主要進(jìn)行CPU套件的選型、項(xiàng)目層級(jí)的設(shè)置以及創(chuàng)建操作員站(OS)。

② 應(yīng)用服務(wù)器(AS)、OS硬件的組態(tài)

項(xiàng)目建立完成之后，需要進(jìn)行硬件組態(tài)，實(shí)現(xiàn)SMPT1000(小型過(guò)程控制仿真平臺(tái))和PCS7的數(shù)據(jù)通信。根據(jù)過(guò)熱蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)的需求，將所需采集與輸出的信號(hào)線接到ET200對(duì)應(yīng)的I/O接口上。其中AS組態(tài)就是將電源、CPU、CP443-1等訂貨號(hào)與實(shí)際硬件訂貨號(hào)匹配，配置CPU412-3H的MPI/DP接口。該接口支持Profibus DP通信，可實(shí)現(xiàn)CPU直接與遠(yuǎn)程I/O通信。

OS組態(tài)與AS類(lèi)似，需要在工程師站(ES)中組態(tài)真實(shí)的OS,并且雙方通信成功。

③ 控制算法組態(tài)

控制算法組態(tài)主要是指連續(xù)功能圖(CFC)組態(tài)。在CFC編輯器中放置控制系統(tǒng)所需要的功能塊，配置相關(guān)的參數(shù)。這些功能塊是具有特定功能的預(yù)置功能塊，連接相應(yīng)的端子即可。本文所需要的專(zhuān)家PID功能塊需要使用SCL語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，編譯后才能生成專(zhuān)家PID控制器。

④ 監(jiān)控畫(huà)面組態(tài)

監(jiān)控畫(huà)面組態(tài)就是通過(guò)WinCC人機(jī)界面組件完成的上位機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)鍋爐過(guò)熱蒸汽出口壓力的監(jiān)控的可視化和過(guò)程任務(wù)控制。操作員在OS界面可以以圖形化的方式控制和監(jiān)視出口壓力控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化。

3 專(zhuān)家PID控制器設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)專(zhuān)家控制器時(shí)選用了經(jīng)典的控制器模型，進(jìn)一步提高專(zhuān)家PID控制器對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力，提高最終的控制效果。專(zhuān)家控制通過(guò)模擬專(zhuān)家的推理過(guò)程和知識(shí)，能以專(zhuān)家的水平解決問(wèn)題。本文使用知識(shí)工程方法，應(yīng)用專(zhuān)家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)則和實(shí)現(xiàn)形式構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)專(zhuān)家智能控制系統(tǒng)[5-6]。專(zhuān)家PID控制器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 專(zhuān)家PID控制器結(jié)構(gòu)圖

由圖3看出專(zhuān)家控制器選用的模型為[7]：

U=f(E,T,I)

(1)

式中：U=(u1,u2,…,ul)為控制器輸出集；E={e1,e2,…,em}為控制器輸入集；T={t1,t2,…,tn}為系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)項(xiàng)集；I={i1,i2，…，ip}為推理機(jī)構(gòu)的輸出集。

f為智能算子，其基本形式為：

IfEandTthen (ifIthenU)

(2)

專(zhuān)家PID控制器就是依據(jù)這個(gè)模型理論設(shè)計(jì)的。圖4所示的是典型的二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線[2]。

圖4 典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線

e(t)的采樣誤差e(k)、e(k-1)、e(k-2)分別表示前一次和前兩次采樣時(shí)刻的誤差值，則有:

Δe(k)=e(k)-e(k-1)

Δe(k-1)=e(k-1)-e(k-2)

根據(jù)誤差及其變化，并結(jié)合圖4對(duì)專(zhuān)家PID控制器的規(guī)則進(jìn)行如下定性分析。

① 當(dāng)|e(k)|>M1時(shí)，說(shuō)明誤差的絕對(duì)值已經(jīng)很大。不論誤差變化趨勢(shì)如何，都應(yīng)考慮控制器的輸出按定值輸出，以達(dá)到迅速調(diào)整誤差、同時(shí)避免超調(diào)的目的。此時(shí)，它相當(dāng)于實(shí)施開(kāi)環(huán)控制。控制器輸出為u(k)=usp。

② 當(dāng)e(k)Δe(k)>0時(shí)，說(shuō)明誤差在朝誤差絕對(duì)值增大方向變化，或誤差為某一常數(shù)，未發(fā)生變化。

如果|e(k)|≥M2，說(shuō)明誤差較大，可考慮由控制器實(shí)施較強(qiáng)的控制作用，使誤差絕對(duì)值朝減小方向變化，迅速減小誤差的絕對(duì)值。控制器輸出為:

u(k)=u(k-1)+K1{KpΔe(k)+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}

(3)

如果|e(k)|≥M2，說(shuō)明盡管誤差朝絕對(duì)值增大方向變化，但誤差絕對(duì)值本身并不是很大，可考慮實(shí)施一般的控制作用，扭轉(zhuǎn)誤差的變化趨勢(shì)，使其朝誤差絕對(duì)值減小方向變化?？刂破鬏敵鰹?

u(k)=u(K-1)+KpΔe(k)+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(4)

③ 當(dāng)e(k)Δe(k)<,Δe(k)Δe(k-1)>0或Δe(k)=0時(shí)，說(shuō)明誤差的絕對(duì)值朝減小的方向變化，或者已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。此時(shí)，可考慮采取保持控制器輸出不變。

④ 當(dāng)e(k)Δe(k)<0、Δe(k)Δe(k-1)<0時(shí)，說(shuō)明誤差處于極值狀態(tài)。如果此時(shí)誤差的絕對(duì)值較大，即可考慮實(shí)施較強(qiáng)的控制作用；如果誤差的絕對(duì)值較小即|e(k)|

e(k)=u(k-1)+K1Kpem(k) |e(k)|>M2

(5)

e(k)=u(k-1)+K2Kpem(k) |e(k)|≤M2

(6)

⑤ 當(dāng)|e(k)|≤ε(精度)時(shí)，說(shuō)明誤差的絕對(duì)值很小，此時(shí)可加入積分環(huán)節(jié)，減少穩(wěn)態(tài)誤差。

以上各式中，em(k)為誤差的第k個(gè)極值；u(k)為第k次控制器的輸出；K1為增益放大系數(shù)，K1>1；K2為抑制系數(shù)，0M2>0。

以上規(guī)則就是通過(guò)對(duì)誤差控制信號(hào)的瞬時(shí)響應(yīng)進(jìn)行模式識(shí)別。在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上構(gòu)建專(zhuān)家PID控制器，可以更好地優(yōu)化主控制器的輸出，充分發(fā)揮專(zhuān)家控制的優(yōu)點(diǎn)，能對(duì)時(shí)變、非線性和易受到各種干擾的受控過(guò)程給出有效的控制策略。串級(jí)專(zhuān)家PID控制系統(tǒng)方塊圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)方塊圖

4 仿真與驗(yàn)證

4.1 對(duì)象特性辨識(shí)

在進(jìn)行Matlab仿真之前，需要獲取最接近被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用WinCC控件中的Visual Basic的腳本語(yǔ)言讀取壓力模型的輸入(燃油流量)與輸出(蒸汽壓力),再利用行列式比定階法來(lái)估計(jì)壓力模型的階次；然后利用遞推最小二乘法實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力模型的系統(tǒng)辨識(shí)；最終確定最精確的過(guò)熱蒸汽出口壓力的數(shù)學(xué)模型[8-10]。在 Matlab 中編寫(xiě)模型階次辨識(shí)語(yǔ)言，對(duì)多組壓力模型的輸入輸出進(jìn)行計(jì)算，得到行列式比DR*(n)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)熱蒸汽出口壓力模型階次的辨識(shí)。行列式比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 行列式比數(shù)據(jù)

通過(guò)數(shù)據(jù)比較可知，當(dāng)n等于2時(shí)行列式比顯著增加，故壓力模型的階次可定為 2 階。

獲得壓力模型的階次之后，進(jìn)一步分析論證得到最接近的壓力辨識(shí)模型的差分方程為：

y(k)=-1.011 05y(k-1)+0.025 6y(k-2)- 0.000 6u(k-1)+0.000 5u(k-2)

(7)

4.2 專(zhuān)家PID控制的仿真

根據(jù)式(7)的模型，先在Matlab上進(jìn)行仿真，分別進(jìn)行常規(guī)PID與專(zhuān)家PID的仿真，PID控制器是通過(guò)數(shù)字PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的[11]。整定的專(zhuān)家PID控制參數(shù)為：

KP=5.4KI=0.8KD=30K1=1.2K2=0.6 利用Matlab繪出各自的壓力曲線如圖6所示。

圖6 常規(guī)PID與專(zhuān)家PID控制的輸出比較

由圖6的輸出曲線可以看出，專(zhuān)家PID控制過(guò)渡時(shí)間短且基本無(wú)超調(diào)。仿真結(jié)果表明專(zhuān)家PID 的控制效果更加優(yōu)越。

4.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由仿真結(jié)果可以明顯看出專(zhuān)家PID控制器的優(yōu)越性，再根據(jù)前面所述的專(zhuān)家PID控制器的設(shè)計(jì)規(guī)則，在PCS7中運(yùn)用SCL模塊編寫(xiě)專(zhuān)家PID控制器功能塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。生成的專(zhuān)家控制器功能塊如圖7所示。

圖7 專(zhuān)家PID控制器功能塊

在PCS7中將整個(gè)鍋爐過(guò)熱蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)搭建完成后，副回路控制器使用燃料流量控制器，主回路控制器分別采用常規(guī)和專(zhuān)家 PID控制器，準(zhǔn)備工作完成以后運(yùn)行上位機(jī)程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。兩種PID控制的輸出結(jié)果比較如表2所示。

表2的對(duì)比結(jié)果進(jìn)一步表明，專(zhuān)家PID 控制使控制器的輸出更加穩(wěn)定，專(zhuān)家PID 控制在快速性、抗干擾性等方面優(yōu)于常規(guī)PID 控制。

表2 常規(guī)/專(zhuān)家PID控制的比較

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先利用Matlab搭建的出口蒸汽壓力的數(shù)學(xué)模型，驗(yàn)證了專(zhuān)家系統(tǒng)在PID控制器運(yùn)用中的優(yōu)越性，并通過(guò)西門(mén)子先進(jìn)的PCS7系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。與常規(guī)的PID控制相比較，專(zhuān)家PID控制提高了系統(tǒng)的抗干擾性能，在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)中可以起到節(jié)能減排、提高經(jīng)濟(jì)效益的作用。

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Cascade Expert PID Control of Boiler Superheated Steam Outlet Pressure

To solve the problem of conventional PID, i.e., poor control effect for boiler superheated steam outlet pressure, the expert PID controller based on PCS7 system is proposed and compiled. The expert PID is simulated by adopting Matlab, and further test and verification of the control effect are conducted with advanced multifunction process control training system SMPT 1000 and PCS7, PCS7 is mainly responsible for setup the control system to implement expert control. The results of tests and operation show that the control scheme features shorter regulation time, smaller overshoot, and possesses high anti-interference capability, it is able to realize stable control for superheated steam outlet pressure.

Superheated steam Expert control PID control PCS7 System configuration

王恒飛(1990-)，男，現(xiàn)為中國(guó)計(jì)量學(xué)院檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生；主要從事計(jì)算機(jī)控制、電子測(cè)量及虛擬儀器技術(shù)的研究。

TH81;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510025

修改稿收到日期：2014-12-12。