（控制理论与控制工程专业论文）锅炉智能控制与网络管理的研究.pdf

中文摘要 摘要 自动化和计算机技术的高速发展，促使很多锅炉供热控制现场已经实现了自 动控制。然而在国内锅炉供热系统中，相关参数的被控效果并不理想，绝大多数 系统中，操作人员仍凭借着粗放的经验进行操作，造成了能源的严重浪费，导致 环境污染恶劣，生产效率在很长时期内得不到提高。在管理上，生产中的运行数 据没有很好的利用，导致工人的工作积极性不高。鉴于此，国内供热领域的控制 技术和管理方式都有待发展与改善。 传统的p i d 控制算法在大惯性、大迟延，多扰动的锅炉控制系统中控制效果 难以尽如人意，为此本文引出了一种简单实用的控制算法：1 t g c ( i n t e l l i g e n tt r a c k g u i d i n gc o n t r 0 1 ) - - 智能轨迹导引控制，该算法将传统的“目标控制 过渡到“过程 控制”，能够有效的克服p i d 算法中存在的本质缺陷。经过工业锅炉实际现场的应 用和验证，取得了良好的控制效果。 由于自动控制系统被控对象的千差万别，i t g c 控制器对大时间常数系统的控 制尤为有效，通过调整i t g c 的参数，以满足不同系统的性能要求。尤其是在工况 发生变化时导致的参数改变，将严重影响系统的自动运行。为了减轻控制系统的 调试工作量，增强系统的适应性，充分发挥其结构简单，操作简便的特点，本文 对其进行了参数的自整定工作。 在管理方面，为了能更好的调动员工的积极性，提高供热的品质与效益，有 针对性的设计了一个较为合理的绩效考评制度，充分利用锅炉运行中的相关生产 数据，将工人的工作成果进行了量化，通过奖惩制度来激励员工的工作热情，提 高工作效率。该管控一体化系统模式的建立，将推动企业的信息化建设，对促进 企业技术进步和供热行业的发展具有现实可行的积极意义。 关键词：p i d ：i t g c ；智能轨迹；参数自整定；绩效考评 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n da u t o m a t i o nt e c h n o l o g y ，m a n y o n - s i t eh e a t i n gb o i l e r sh a v ea l r e a d ya c h i e v e da u t o m a t i cc o n t r 0 1 h o w e v e r , i nt h ef i e l do f d o m e s t i ch e a t i n g ，t h er e s u l t so fc o n t r o le f f e c ta r en o ts a t i s f a c t o r y f u r t h e r m o r e ，m o s to f t h es y s t e m sa r em a i n l yi nt r a d i t i o n a le x t e n s i v em a n a g e m e n tm o d ea n do p e r a t o r so p e r a t e o n l yw i t he x p e r i e n c e ，t h i sc a u s e sas e r i o u sw a s t eo fe n e r g ya n das e v e r ee n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o na n dt h ep r o d u c t i v i t yc a nn o ti n e a s ei nav e r yl o n gt i m e i nm a n a g e m e n t , t h e r u n n i n gd a t ad u r i n gp r o d u c t i o nc a n tb em a d eg o o du s e ，w h i c hr e s u l t si nl o ww o r k m o t i v a t i o no fw o r k e r s i nv i e w o ft h i s ，t h ec o n t r o lt e c h n o l o g ya n dm a n a g e m e n tm o d ei n d o m e s t i ch e a t i n gs y s t e m sa r ey e tt ob ed e v e l o p e da n di m p r o v e d i nt h eb o i l e r sc o n t r o ls y s t e m sw i t hl a r g ei n e r t i aa n dt i m e - d e l a y , t h et r a d i t i o n a lp i d c o n t r o l l e rc a n n to b t a i ns a t i s f a c t o r yc o n t r o lr e s u l t t h i ss t u d yp r o p o s e sas i m p l ea n d p r a c t i c a lc o n t r o la l g o r i t h m ：i t g c ( i n t e l l i g e n tt r a c kg u i d i n gc o n t r 0 1 ) ，i tt r a n s i t e st h e t r a d i t i o n a l ”o b j e c t i v ec o n t r o l ”t ot h e ”p r o c e s sc o n t r o l ”a n di tc a ne f f e c t i v e l yo v e r c o m e t h es h o r t c o m i n g so fp i dc o n t r 0 1 t h ea l g o r i t h mh a sas a t i s f a c t o r yc o n t r o lr e s u l ti nt h e b o i l e rc o n t r o ls y s t e mo fl a r g ei n e r t i a , l a r g et i m e d e l a y , a n dm o r ed i s t u r b a n c e a f t e r a c t u a lo n s i t ea p p l i c a t i o na n dv e r i f i c a t i o ni nt h eb o i l e rc o n t r o ls y s t e m ，i th a sa c h i e v e d g o o dc o n t r o le f f e c t a st h ec o n t r o l l e do b j e c t so fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e ma r ev a r i a b l e , i t g ci s p a r t i c u l a re f f e c t i v ef o rl a r g et i m e - c o n s t a n ts y s t e m b ya d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r s ，i tc a n m e e tt h er e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n ts y s t e m s i np a r t i c u l a r , t h ec h a n g e so fp a r a m e t e r sd u e t ot h ec h a n g e so fw o r k i n gc o n d i t i o n sw i l la f f e c tt h ea u t o m a t i cr u n n i n go ft h es y s t e m s e r i o u s l y t h i ss t u d yc a r r yo nt h ew o r ko fs e l f - t u n i n go fp a r a m e t e r sb a s e do nt h ei t g c c o n t r o la l g o r i t h m ，g i v e sf u l lp l a yt oi t ss i m p l es t r u c t u r ea n d s i m p l eo p e r a t i o n i nm a n a g e m e n t ，i no r d e rt ob e t t e rm o b i l i z et h ee n t h u s i a s mo ft h es t a f fa n di m p r o v e t h eq u a l i t ya n de f f e c t i v e n e s so fh e a tp r o d u c t i o n , t h i ss t u d yd e s i g n e dar a t i o n a ls y s t e mo f p e r f o r m a n c ee v a l u t i o n , t h es y s t e mb a s e do nt h ew o r ko fs e l f - t u n i n go fp a r a m e t e r si n i t g c ，i tq u a n t i f i e dt h er e s u l t so ft h ew o r ko fw o r k e r s ，t h r o u g hr e w a r da n dp u n i s h m e n t m e t h o dt or e s t r a i nw o r k e r st ow o r k ，i ti m p r o v e dc o n t r o lq u a l i t y t h ee s t a b l i s h m e n to ft h e i n t e g r a t i o no fm a n a g e m e n ta n dc o n t r o lm o d e lw i l lr r e a l i z ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to f 英文摘要 e n t e r p r i s e ，w h i l ep r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to fe n t e r p r i s e si ta l s oh a sap o s i t i v ee f f e c t o nt h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y k e yw o r d s ：p i d ；i t g c ( i n t e l l i g e n tt r a c kg u i d i n gc o n t r 0 1 ) ； i n t e l l i g e n t t r a c k ； s e l f - t u n i n go fp a r a m e t e r s ；p e r f o r m a n c ee v a l u t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：堡垃蟹篚控剑曼圆终筻堡的研究= = 。除论文中已经注明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公 开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：毛放 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“4 ) 论文作者签名：奄骂处师签名：神 u 川v 1 日期：劢p 年6 月日 锅炉智能控制与网络管理的研究 1 1 选题背景及研究意义 第一章绪论 在我国北方，燃煤锅炉仍然是居民供热的最主要的方式，但是国内绝大多数 的锅炉供热系统在控制上仍然有难度，自动化程度并不是很高，在许多控制环节 上还停留在手动控制的水平上，现场司炉人员仅凭工作经验进行操作，以至于造 成了能源上的严重浪费，环境污染也很严重，生产效率也一直得不到提高，这完 全不符合目前中国“节能减排的发展方向【l l 。 随着自动化和计算机技术的快速发展，虽然在很多供热锅炉控制现场与供热 管理系统已经实现了计算机化，或称为“泛计算机化 ，但是由于一些原因，工业 现场自动化化程度并不是很高，这为进一步提高现场自动化控制水平及供热生产 的品质与效益提供了现实可能性，其原因在于现实的锅炉控制中p i d 的控制效果 不尽如人意。在实际锅炉控制现场，许多监测数据都还没有得到充分的利用，主 要表现在：对锅炉运行参数的设定缺乏理论上依据，锅炉不能够长时间在最佳的 工作状态运行；对锅炉的供热品质也缺乏量化的评价标准，没有充分的调动工人 的积极性。因此，供热系统领域的控制水平和管理水平都有待提高，必须根据当 前技术现状提出具体解决办法【2 】。 在工业控制系统中，p i d 控制器以其结构简单，易于操作等优点，得到了广泛 的应用。但是随着工业控制系统的日益复杂化，工业装置越来越大，控制回路越 来越多，操作也越来越复杂，对控制的要求也越来越高，对于存在大惯性、多变 量耦合的工业锅炉控制系统，传统的p i d 控制算法由于存在着时变性、时滞性、 不确定性等因素，使得在许多场合下p i d 的控制效果难以尽如人意，很难兼顾静 态与动态指标的要求，控制参数往往也难以整定到理想的状态，影响控制回路的 控制效果，对原料消耗、能耗、产品质量等都会带来不利的影响，更严重的甚至 会影响到生产装置的安全操作。针对控制中p i d 算法存在的这些问题，在控制领 域研究了一种新的更为实用的控制器：i t g c ( i n t e l li g e n tt r a c kg u i d i n g 第一章绪论 c o n t r o l l e r ) 智能轨迹导引控制器。 i t g c 控制器以结构简单，使用方便为主要特点，实现了控制上“稳 、“准”、 “快”的要求。在稳定性方面，由于其使控制输出能够按照导引轨迹的要求循序 渐进的变化，有效的抑制了振荡和超调，并且在获得良好的控制效果的同时并不 会带来响应时间的延长。i t g c 控制器有效的克服了p i d 控制器所解决不了的问题， 对具有大迟延、大惯性，多扰动等特点的较为难控的一类大时间常数的系统有很 好的控制效果，这已经在工业现场中得到了很好的证实。 在管理方面，以企业的信息化为研究视角，大多数企业普遍关心的是信息管 理集成系统的建设，而忽略了生产控制系统与信息管理的有机结合。如果将生产 工业监控系统与信息管理系统有机的结合起来，将为企业的信息化建设带来更多 的好处。例如，企业统一的数据库管理功能的建立，能够保证现场数据的完整性、 一致性和互操作性；综合实时信息库的建立，能为企业生产调度、优化控制、计 划决策提供依据；现场控制信息的建立、生产状况实时的与企业信息网进行通信， 可以在任何地方通过标准化的、统一的、友好的图形界面浏览并了解企业的各种 信息，并能够实现对控制网络工作状态的远程监视，优化调度，也能实现控制网 络的远程诊断与维护等【3 】。 具体在工业锅炉现场中，可以通过对司炉人员的操作进行指导，不断地调整 改进锅炉的实时运行参数，可以确保锅炉运行在一个良好的状态。通过信息管理 系统，对现场的运行数据进行分析，得出正确的决策，然后反馈给生产现场，改 善现场的控制水平，将使生产过程不断得到优化和改进，最终能够促使整个系统 处于良好的运行状态。这种管控一体化系统对企业来说使企业实现了信息化管理， 提高了企业的管理水平，对企业的未来发展起到了很大的推动作用，当然这对国 民经济的发展来说也具有积极意义。 1 2 研究现状 近年来，现代工业发展速度很快，工业控制系统日益复杂，不仅装置越来越 锅炉智能控制与网络管理的研究 大，控制回路也越来越多，而且操作也越来越复杂，对控制的要求也越来越高， 而传统的p i d 算法由于存在的缺陷，又不能很好的满足工业上的要求，这就促使 科研人员不段的研发新的实用的控制算法。传统的p i d 控制算法对于非线性程度 严重、大时间常数的系统，控制效果很不理想，不能同时满足动态性能和稳态性 能的要求，在自动控制时系统基本上是处于不可控的状态【4 】。并且随着科技的不断 进步，工业控制系统日益复杂化，对自动控制上的工艺要求也越来越高，对于大 时间常数，不确定外扰、多变量耦合等复杂难控的系统，研究人员使用了现在的 智能p i d 控制算法和非线性控制方法进行控制，取得了一些成果。 中科院专家韩京清教授经过多年的研究，针对于p i d 控制器自身存在的缺陷 和问题，对传统的p i d 算法进行了改进，并提出了一种非线性自适应控制器 自抗扰控制器【5 1 。这是对p i d 算法的一次革命。上世纪末，人们通过对非线性状态 观测器的进一步完善与改造，研发出了一种新的扩张状态观测器，该非线性功能 单元的出现为进一步改进非线性p i d 控制器提供了可能和契机f 6 】。系统的内扰和外 扰的实时作用量可以通过扩张状态观测器来获得，如果将其加进到控制器当中去， 就可以将非线性系统转化为积分器串联型结构的系统。此时其功能就等同于反馈 线性化法。若将控制器用来控制高阶的对象，再去除非线性p i d 中的积分作用， 那么就会得到一种新的控制律非线性状态误差反馈控制律【7 - 9 。不同阶次的被 控对象需要不同的反馈控制律，如果知道了被控模型的阶次，然后再进一步使用 非线性配置构成非线性误差反馈控制律，以此来提高闭环系统的控制性能。因此 自抗扰控制器对控制系统的控制性能及适应能力要比非线性p i d 优越的多，这就 是对p i d 控制器的第二次改进【l o - 1 1 1 。 p i d 的第二次改进自抗扰控制器，控制效果好、鲁棒性强，已经在机器人、 航空工业、磁悬浮等高尖端领域得到了应用，控制效果比较良好，虽然自抗扰控 制器取得了一定的成果，但也存在着一定的缺陷。首先，控制中需要设置的参数 太多；其次，在参数的整定上也比较困难，为实际应用造成了极大的不便。故该 控制器也有待于进一步完善。根据古典控制理论与现代控制理论的优点，以及自 抗扰控制器的启发，本文提出了一种更为简单实用的控制器：i t g c ( i n t e l l i g e n t 第一章绪论 t r a c kg u i d i n gc o n t r o l l e r ) 智能轨迹导引控制器。 控制器在实际的控制当中需要实现两个目标，即：“指的对”和“打的准。 所谓“指的对 是指设定合理的规划曲线来进行引导，也就是目标要准确；而“打 得准 是指系统的控制量输出要能够及时准确的跟随设定值，并平稳、准确、快 速的达到设定值。i t g c 控制器能够根据不同系统的特点给出准确的导引曲线作为 过程目标值，克服了传统p i d 控制算法中偏差取法不合理的问题，将传统控制方法 中的过程控制与目标控制有效的结合了起来。设定一个合理的过程目标，为实现 良好的控制提供了可靠的前提。过程目标的“打的准 更易于实现，并且过程目 标的实现，真正的实现“指的对”，将过程控制与传统控制方法中的目标控制有效 的结合起来。过程目标是最终目标实现的基础，减少控制过程中的随机性与盲目 性，为过程目标的实现提供了保障，更易于过程目标的实现。 在管理上，随着科学技术的高速发展，在很多锅炉控制现场与供热管理系统 虽然已经实现了计算机化，但是由于一些原因，工业现场自动化程度并不是很高， 这为进一步提高现场自动化控制水平及供热生产的品质与效益提供了现实可能 性，其原因在于现实的锅炉控制中p i d 的控制效果不尽如人意。在实际锅炉控制 现场，许多生产上的监测数据都还没有得到充分的利用，对司炉工的工作状况缺 乏量化的评价标准，没有充分的调动工人工作的积极性，工作效率低下。因此， 供热系统领域的控制水平与管理水平都有待于提高。 1 3 研究内容 本文以控制和管理这两个方面为研究点，通过改进现场的控制算法，对锅炉 的三大系统( 水系统、减温系统、燃烧系统) 进行有效的自动控制：充分利用供 热锅炉的运行数据，对工人的工作成果进行了量化，得出直观反映系统供热品质 的得分，实施量化标准与奖惩制度挂钩的原则，有效的提高工人的工作积极性。 本文的主要工作分为以下几章： 第一章：绪论部分。主要介绍了课题的选题背景及研究意义、研究的主要现 锅炉智能控制与网络管理的研究 状和课题的主要内容。 第二章：对p i d 和i t g c 控制器进行了比较，针对p i d 控制器存在的缺陷， 提出了基于过渡过程控制的i t g c 控制算法，简要介绍了i t g c 控制算法的基本原 理、结构、算法如何实现，对其相关参数进行了分析，并在理论上对参数自整定 进行了分析。 第三章：在实验室搭建实验平台，用触摸屏和西门子p l c 一2 0 0 模拟工业现场 锅炉传感器，构建锅炉水位模型，更加真实的了模拟了工业现场锅炉运行时水位 的变化情况。并用西门子p l c _ 3 0 0 对其进行控制，对i t g c 算法进行相关的实验。 选取i t a e u 作为评价指标，对其参数进行了自整定工作。 第四章：为了提高司炉工的工作积极性，提高控制系统的自动化水平和企业 的管理水平，设计了一个科学合理的绩效考评制度，并对司炉人员进行网络化管 理。 第五章：结论与展望。总结论文所做的工作，提出下一步的研究方向。 锅炉智能控制与网络管理的研究 第二章it g c 算法的原理 2 1pld 控制存在的问题 p i d 控制器是一种基于偏差“过去( i ) 、现在( p ) 和未来( d ) 的控制算法。 p i d 控制器自诞生以来，以其结构简单，调节参数物理意义清晰，与过程的动态响 应关系较明确、对模型的依赖性低以及控制可靠等优点，得到了广泛的应用。但 是在实际工业控制过程中，其存在着一些不尽如人意的地方。传统p i d 控制器的 原理结构如图2 1 所示。 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fp i dc o n t r o ls y s t e m 其控制规律为： 绯m 卜+ 砉“ f e ( r ) d r + t ad e 犷( t ) 仁- ， 式中，k p 为比例系数；互为积分时间常数；乃为微分时间常数。 p i d 控制算法的缺点：由于其采用全量输出，所以每次的输出均与上一次的状 态有关，计算时要对偏差e ( t ) 量进行累加，计算机输出的控制量u ( 0 对应的是执行 机构的实际位置偏差，如果现场中的位置传感器出现故障，u ( t ) 就很可能会出现大 幅度的变化。u ( t ) 的大幅度变化势必会引起执行机构未知的大幅度变化，这种情况 在工业生产中可能会造成重大事故，这是不允许的。 为了避免上述情况的发生，对传统p i d 算法进行了相应的改进，对式( 2 1 ) 离 第二章i t g c 算法的原理 散化处理，司得到增量式p i d 的表达式： “( f ) = k p a u = k p ( 巳一e n i ) + k 巳+ 局( 巳一2 巳一l + 巳一2 ) ( 2 2 ) 即： u = k p + k 巳- 6 蟛( 巳一巳一i ) ( 2 3 ) u = u i + q ( 2 4 ) 其中e 疗为偏差，其大小等于给定值与测量值之差。 对上式中的各项进行简要分析说明：k p ( p 。- - e n 一。) 为比例项，它与偏差的变化 量i l 有关，当巳= 0 时，该项失去作用，因此单纯的依靠比例项是无法消除静 态误差的。在偏差增加的过程中，如果i 气f 越大，则控制需要加强，抑制作用也 会越强；当偏差减小的时候，i a e 。l 就减小，即趋向平衡点越快，而反向控制加强， 则起到“刹车 的作用，这与人工操作的原则相仿。k e 。是积分项，它是只要存 在偏差，就“加油 不止，在小偏差下可以消除静态偏差，但是在大偏差下则 容易产生积分饱和现象，并且在大偏差时，过渡过程减小，这与人工实际采用的 “保持”操作方式是相违背的。最后一项k d ( 巳一血州) 为微分项，它与偏差的速 度的变化有关，即l 气i 的任何变化都将受到抑制。它的许多作用阶段会和比例项 与微分项相制约，也与人工操作不符合【1 2 1 。 通过上述分析可以看出无论是传统的p i d 还是改进后的增量式p i d 都存在问 题，尤其是在大时间常数系统中，系统本身的结构决定了其响应过程必然是一个 长时间逐步渐近的过程。即使给定值为阶跃信号，系统也不能迅速达到给定值， 如图2 2 所示： 锅炉智能控制与网络管理的研究 图2 2 一阶系统阶跃响应曲线 f i g 2 2s t e p 唧1 1 s cc u r v eo fo n e - o r d e rs y s t e m 在阶跃响应开始阶段，由于偏差岛极大，而在实际控制过程中阶跃响应是不 可达的，这势必会造成p i d 控制的输出极强，很容易造成控制的混乱，因此这种 偏差的取法很不合理。此外由于p i d 控制器中微分作用对噪声干扰有放大效果， 微分调节作用过强，对系统抗干扰不利，它的许多作用阶段又和比例项与积分项 相互制约，也与常见的人工操作不符合，从而引出新的思考：以什么样的过程曲 线进行引领，才能使给定信号是合理的：以什么样的方式利用微分信号，才能抑 其缺点，扬其优点。对此本文引进i t g c 控制算法。 2 2lt g c 控制器概述 2 2 1it g c 原理与结构 对传统p i d 进行改进，所得到的i t g c 控制器原理框图如下所示： 图2 3 智能轨迹导引控制原理图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fi n t e l l i g e n tt r a c kg u i d i n gc o n t r o l 第二章i t g c 算法的原理 对于大时间常数系统来说，系统的阶跃响应必然是一个逐渐趋近的过程( 给定 值不应该突然改变【1 3 1 ) 。因为要使一个物理系统与不连续的阶跃给定完全拟和是不 可能实现的；为了避免系统初始阶段偏差过大和达到给定值后控制系统的超调， 给定值应该渐进的改变，以便于控制系统的输出能够渐进的跟踪。这就需要安排 一个相似的过程来近似给定，来改变设定值的非连续阶跃轨迹。由于一阶惯性系 统在实际中的简洁性及广泛性，又因为一阶惯性系统的阶跃响应可理解为大时间 常数系统理想的过渡过程，使其成为被控过程引领曲线的首选，所以在算法中采 用一阶惯性环节的阶跃响应曲线来代替原来的阶跃给定变化，并计算得出同步需 要的响应速度。这样，由原来对系统指令要求的一个阶跃信号转换成为位置信号 p 1 和速度信号v 1 两个给定信号。同样，反馈测取的信号也由一个位置量转变为两 个量：位置量p 2 和速度量v 2 。这样系统的偏差也由原来单一的位置偏差转换为位 置偏差和速度偏差两部分。这种方法从机理上使得系统的控制关口“前移”了， 也就是整个过程由原来的“目标控制 过渡到“过程控制 ，对系统的终极目标 控制，转变为在全过程中对给定位置和给定速度的控制。引领曲线的合理性来自 于对系统特征时间的定性或粗略的估计。在控制中除对位置的控制之外，又引进 了对速度的控制，这势必带来了平稳和“超前 的控制效果。 2 2 2it g c 算法的实现 如上所述，阶跃信号作为给定值时，起始阶段的偏差通常会很大，系统的控 制输出也很大，这会导致执行器的大幅度变化，很可能使系统失控，因此设定一 个合理的过渡过程是很有必要的，使用一阶惯性阶跃响应曲线作为过渡过程曲线 进行引领，能够有效的克服系统在控制初始阶段偏差较大的问题，从而保证了系 统控制比较平稳。 至于在实际控制中采用什么样的一阶惯性环节阶跃响应曲线代替原来的阶跃 给定，这需要根据实际被控系统的物理特性来定，由于i t g c 算法的鲁棒性较强， 可以粗略的估计系统的时间常数，略有偏差对系统的影响不大。如果想要获得精 确地控制参数，可以通过手动预整定或自整定方法得到。得到了系统的时间常数 锅炉智能控制与网络管理的研究 之后，也就会得到一个比较合理的过渡过程曲线。 在传统h d 算法中，虽然微分项能够使控制系统的扰动变大，但是由于微分 项也能提前预测系统的偏差，对系统进行超前控制，减小系统的超调量【1 4 1 ，在控 制过程中也有积极的作用，所以不能去除微分项，需要对其进行合理的利用，如 何发扬其优点，克服其缺点十分重要。经典实用的微分器如下式所示： y 川胪嘉y = 抖熹 v 亿5 ， y o ) 圭( v o ) 一1 ，o f ) ) 1 ，( f ) ( 2 6 ) 式中，1 ，( f ) ，y ( t ) 分别是系统的输入信号、输出信号，w ( s ) 是系统的传递函数。 当对信号1 ，( f ) 叠加随机噪声栉( f ) 时， y ( f ) ! ( v ( f ) 一v ( 卜f ) ) + 盟洒+ ! 刀( f ) ( 2 7 ) 从( 2 7 ) 中可看出，t 越小，系统输出的“噪声放大 就会越严重。若用近似 微分公式： ；( f ) v ( t - t 2 ) - v ( t - r 1 ) ，o 一3 0 0 r aa +a i l1 2 r aa a i l1 5 r ba 十a 1 21 7 r ba a 1 22 0 r ca 十a 0 13 r ca a o l6 整个实验的实验设备如图3 3 、3 4 所示： 锅炉智能控制与网络管理的研究 图33 实验设罄图 f i g 33 t h e f i g u r e o f e x p e r i m 即te q u i p m e n t 酗34 实验设备图 f i g 34 t h e f i g u r eo f e x p e r i m e n t e q u i p m e n t 第三章参数自整定的实验室验证及i t g c 在工业现场的应用 3 2 2 实验平台的软件设计 软件部分的设计包括：m c g s 中水位数学模型的设计，p i e 一2 0 0 程序的编写， p l c l 0 0 程序的编写，组态王监控画面的设计。 m c g s 中水位数学模型的设计，通过m c g s 组态软件中内置的编程语言环境， 按照实际工业现场中水位随进水阀位及蒸汽流量的具体变化规律编写相应的脚本 程序，水位随进水阀位及蒸汽流量的具体变化关系在下一节中将有详细的说明。 p i h o o 程序的编写，p i ，c - 2 0 0 在整个实验中的主要作用就是数据的转换 与传递。m c g s 中的变量值是以十六进制的无符号数的形式存在的，无法直接输 出4 2 0 m a 的信号，而p l c - 3 0 0 只能接收电流信号或电压信号，这就需要一个中 间设备进行量纲的转换，把m c g s 中的变量值转变成电流信号，p i c - 一2 0 0 就起了 这个中间桥梁的作用。反过来，经过相应的运算后，通过p l c 一3 0 0 输出的电流或 电压信号，m c g s 也无法直接读取，必须经过p i ，c - _ 2 0 0 再进行相反的转换。 p l c 一3 0 0 程序的编写，这是整个实验的控制部分。由三部分组成，主循环程 序、时间中断程序和日期中断程序。 主循环程序主要完成数据采集、控制输出、报警等功能，其程序结构如图3 5 所示： 图3 5 主循环程序结构图 f i g 3 5t h ef r a m e w o r ko f m a i np r o g r a m 锅炉智能控制与网络管理的研究 数据采集模块部分负责采集系统运行的所有数据。该部分程序包括功能块f c l 和f c l l 、数据块d b 2 和d b 4 。功能块f c l ：负责采集变送器水位和阀位等模拟 信号进行a d 转换后的数据量原始值，并将原始值写入到数据块d b 2 中。功能块 f c l l ：采集控制信号，并将输入的控制量转换为工程量，并将转换后的值写到数 据块d b 2 中。数据块d b 4 存储的是被采集信号的工程量转换参数，包括工程量的 最大值，最小值和偏移量等。d b 4 是与上位机进行通讯的数据块，上位机能够读 写d b 4 中的数据，设置被采集参数的量程和偏移量。 控制输出部分包含在主循环模块o b l 中，主要是判断当前控制回路( 水位控 制) 手自动状态，进行相应的输出。当在自动状态时，从i t g c 控制输出数据块 d b 5 中读取相应的输出值写到a o 模块对应的地址上，a o 模块经过数模转换后， 将电流信号输出到操作器的输入端。当在手动状态时，先读取操作器输出量，将 该值写到i t g c 输出数据块d b 5 相应地址。这样，就是使控制回路输出值等于执 行器反馈值，在进行手动向自动切换时实现无扰动切换。 报警部分由功能块f c 3 和数据块d b l 实现。d b l 中存储报警限制，可以由上 位机进行设置。报警部分主要是完成水位上、下限的报警功能。数字输出模块d o 中的d 0 1 和d 0 2 分别为报警灯和报警铃输出通道。当有报警量越限时，d 0 1 输 出以一秒钟为周期的方波信号驱动报警灯闪光报警；d 0 2 输出高电平，驱动报警 铃发出声音报警。如果报警量不能及时解除，可以按确认报警按钮，则d 0 1 输出 高电平使报警灯定光，d 0 2 输出低电平解除声音报警，直到报警解除后熄灭报警 灯。新的报警信息总会再次触发声光报警。 时间校正部分，p l c 的c p u 和工控机都有各自的时间处理系统，作为长期运 行的设备，当时间出现偏差时，会影响日期中断模块的功能。因此当上位机和下 位机时间差超过一定范围后，由上位机更新p l c 的时间参数以达n - 者时间的一 致。该部分程序在主循环o b l 中，d b 4 存储时间参数和上位机进行数据交互。上 位机定时读取d b 4 中的时间参数，比较时间差，当时间差超过1 秒后由上位机发 出校正信号，将上位机的时间信息写入到d b 4 中，当p l c 中时间校正模块读取新 的时间参数后，向上位机发送校正完毕信号，完成时间校正功能。 第三章参数白齄定的实验室验证发i t g c 在工业现场的应用 时间中断程序主要完成控制回路i t g c 运算。时问中断的周期设为1 秒钟，也 就是说汽包水位控制回路的控制周期为1 秒钟。i t g c 运算功能块是f c 2 5 ，背景 模块为d b 3 5 ，数据块d b 2 i 存储控制回路的控制参数。当中断发生时，c p u 扫描 控制| 旦i 路的状态，计算控制状态为自动时的控制回路输出值，并将计算后的结果 存储在控制输出数据块中d b 4 中。该控制算法可以通过上位机进行灵活的组态， 通过组态可以完成现场锅炉的各种控制。由于现场水位信号本身有较大的波动， 在控制回路计算中，可以对反馈值( 测量值) 进行遗忘因子滤波。由于该控制算 法进行模块化设计可以由程序重复调用，对于p l c 这种程序存储空间较小的系 统具有很高的实用价值。该控制模块也可以方便的移植到其它系统中，通过组态 适应不同控制要求。 组态王软件部分的设计，该部分包括：流程图、汽包水位的实时曲线、历史 曲线、报警显示、控制回路、控制参数的设置与历史报表等窗口页面的设计。控 制参数设置页面如图3 6 所示： 凹36 控制参数设置页面 f i g3 6s e t t i n g p a g eo f c o n t r o l l i n 8 ：p a r a m e t e r 锅炉智能控制与网络管理的研究 3 2 3 实验室水位数学模型的建立 在实验室以锅炉水位为例，通过m c g s 建立水位随给水流量与蒸汽流量变化的 数学模型，模拟工业锅炉现场的水位变化。汽包水位系统是一个具有大扰动和非 线性特性的滞后系统。影响汽包水位有多个因素，其中最主要的是给水流量和蒸 汽流量，下面分别分析如下： 在给水流量作用下汽包水位的动态变化特性。由于在实际中给水温度要比汽 包内饱和水的温度要低，所以当给水流量增加时，新进入锅炉的水由于温度低， 需要从锅炉里原有的饱和水中吸取一部分热量，饱和水温度要降低，根据热胀冷 缩原理，水位下汽包容积就减小了，当水位下汽包容积的变化过程达到平衡后， 汽包水位将会因汽包中储水量的增加而上升。当水位下汽包容积不再变化时，这 时水位变化就完全反映了因储水量的增加而直线的上升。因此在给水流量作阶跃 变化后，汽包水位不会马上增加，反而会先下降，或呈现一段起始惯性段，然后 再上升。用传递函数来描述时，近似于一个积分环节和纯滞后环节的串联，可拟 合其动态特性的数学模型为【2 3 】：( 11 ) g 朋) = 器= 而k 丽i ( 3 7 ) 由式3 7 可看出，在给水流量作用下，汽包水位的动态特性由一个积分环节和一 个惯性环节组成。对于不同规模的锅炉数学模型中k 。和t 。的值也所不同。所以当 锅炉的给水量增加时，汽包水位可能反而会先下降，延迟一段时间后才会增加。 汽包水位在给水流量扰动下的曲线如图3 7 所示： 第三章参数自整定的实验室验证及i t g c 在工业现场的应用 。 。 、- 图3 7 汽包水位在给水流量扰动f = 的曲线 f i g 3 7t h ec u r v eo fb o il e rw a t e rl e v e ld i s t u r b e dw i t hs t r e a mo fw a t e r 在蒸汽流量扰动下汽包水位的动态变化特性( 即干扰通道的动态特性) 。在燃 料量不变的情况下，当蒸汽流量突然增加时，从锅炉的汽水平衡关系来看，蒸汽 流量要大于给水流量，设此时的水位变化为l 1 。蒸汽流量的突然增加，瞬间必然 导致汽包内压力下降。压力降低了，水的沸点也就降低了，汽包内的水沸腾突然 加剧，产生闪蒸现象，水中汽泡就会迅速增加，设此时水位变化为l 2 。这时锅炉 实际显示的水位变化l 为l 1 于l 2 之和，即l = l 1 + l 2 。当蒸汽流量加大时，虽然 锅炉的给水流量小于蒸汽流量，但在一开始，水位不但不会下降，反而会先迅速 上升，然后再下降。反之，如果蒸汽流量突然变小时，汽包水位则先下降，然后 再上升) 。这种现象称为“虚假水位 。蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性可 用传递函数表示为【2 4 】： g 朋，= 器= 击一去 8 ， 蒸汽扰动下汽包水位的响应曲线如图3 8 所示： 锅炉智能控制与网络管理的研究 一一一i 一 一 、 f j 、 。j f ”“。+ 。 图3 8 汽包水位在蒸汽流量扰动下的曲线 f i g 3 8t h ec u r v eo fb o i l e tw a t e rl e v e ld i s t u r b e dw i t hs t r e a m 虚假水位的变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关，对于一般的中高压 型锅炉，当负荷变化1 0 时，虚假水位可达到3 0 - - 4 0 m m 2 5 1 。假水位现象的存在给 控制带来一定的困难，在工业现场控制中，必须要引起注意。在设计汽包水位控 制系统时，可先不考虑汽包压力扰动和燃料扰动对水位的影响，而只考虑给水流 量扰动和蒸汽流量扰动对水位的影响。汽包水位控制系统中存在两个难点：一是 蒸汽流量突变造成的假水位现象：在给水流量较稳定的情况下，当蒸汽流量阶跃 增加时，由于汽包内蒸汽是处于饱和状态，汽包内的压力就会减小，水的沸点也 随之减小，造成汽包内汽水混合物的体积增大，因此水位不但没有下降，反而有 所上升。另一个是由于炉体内影响汽水变化的对流管束的物理特性变化引起的。 所以水位系统是一个慢时变系统。根据汽包容量大小，调节阀开度变化引起水位 变化需要一定时间。因此系统具有延时性，而且存在着较大的干扰【2 6 1 。 在分析了水位随给水流量与蒸汽流量的动态变化后，取水位被控对象的数学 模型为g w 阶s 而0 0 丽3 7，蒸汽扰动的数学模型为g 触) = 羔一半f 2 6 】。 第三章参数自整定的实验室验证及i t g c 在工业现场的应用 3 2 4i t g c 算法的自整定实验 在本文所设计的i t g c 控制器中，在参数设置中存在两个控制偏差限d l l 和 d l 2 ( d l i d l 2 时， 此时偏差较大，采用p a n g p a n g 控制，以便于使被控量能够快速地靠近设定值； 当d l l e d l 2 时，采用一阶惯性引领的i t g c 控制，使被控量能够以合适的速度 达到设定值并且减小甚至消除震荡超调；当e 乡 ”k - i、 弋、缒一。 圈 ， - 冒l ； 闻 、 ，f叮r _ 。一u j r