【循环流化床锅炉PID控制算法分析3000字】

循环流化床锅炉PID控制算法分析目录TOC\o"1-3"\h\u29424循环流化床锅炉PID控制算法分析 1222871.1循环流化床锅炉数学模型 185391.2PID控制 2276941.2.1PID控制原理 295951.2.2PID参数整定方法 3101011.2.3性能指标 4261961.3循环流化床锅炉PID控制器设计 4122871.3.1PID控制器模型搭建 45361.3.1PID控制器参数调节及仿真结果 51.1循环流化床锅炉数学模型控制系统的数学模型是指在输入信号的作用下，受控过程的相应输出变化的函数关系表达式。对于简单的控制系统，可以使用机理建模的方法来分析工作机理，以建立控制系统的数学模型。但是对于复杂的控制系统，在实践中会有很多影响因素，因此很难建立准确的通过机理分析建立数学模型。因此，通常使用实验建模，并且响应曲线方法是当前使用最广泛的方法。关于炉温的动态特性，本质上是炉内传热的动态问题。CFB锅炉中的传热过程是具有纯滞后作用的多体积过程，而热传导是分布参数过程。并包含某种等效的纯磁滞。体积之间的相互作用会更改体积的时间常数。较大的时间常数在动态特性分析中起主导作用，而较小的时间常数一起成为纯滞后现象。为了研究CFB锅炉的温度控制系统，本文使用两个一阶惯性加纯滞后环节来描述CFB锅炉的温度控制系统。其给煤量-床温的传递函数模型为：(4-1)式中:Ka为静态增益;Ta1，Ta2为时间常数，单位秒；τ为纯滞后时间，单位秒。Ka、Ta1、Ta2、τ、α都是随运行工况不同而变化的参数.当锅炉负荷在30%～100%额定负荷之间变化时,Ka取2～16,Ta1、Ta2取90～120s,τ取45～180s,α取2～16s。一次风量-床温的传递函数模型：(4-2)式(4-2)中:Kb为静态增益;Tb1、Tb2为时间常数。Kb、Tb1、Tb2、β也都是随运行工况不同而变化的参数。当锅炉负荷在30%～100%额定负荷之间变化时,Kb取0.2～1.8，Tb1、Tb2取90～180s,β取2～8s。根据式(4-1)和式(4-2)的模型结构，针对现场试验数据,采用最小二乘法进行辨识，通过优化和拟合得到4个典型工作点的传递函数模型。模型参数如表4-1所示。【13】表4-1CFB锅炉床温4个典型工况点的模型参数1.2PID控制1.2.1PID控制原理PID控制是对被控制对象的实际值与设定值e(t)=r(t)-y(t)之间的偏差进行比例，积分和微分计算，然后将各部分的结果求和获取输出控制值，其工作原理如图4-1所示。图4-1PID控制原理图PID

控制器的表达式为：ut将上式表达传递函数的形式如下：G(s)=∆U式（4-4）中，第一项是比例P环节，第二项是积分I环节，第三项是微分D环节；KP是调节器的比例增益；TI是积分时间；TD是微分时间。通过更改这三个参数的大小，可以相应地更改PID调整的大小和规律。PID控制的每个环节的功能如下：⑴比例环节调节及时，并且响应很灵敏。一旦发生偏差，它会及时产生比例调节效果。偏差越大，调节效果越强，但是比例系数不能太大，否则会引起较大的系统冲击。=2\*GB2⑵积分环节的作用是消除系统的稳态误差。仅当控制变量的设置值和实际值之间存在误差时，积分环节才能工作。通过积分的作用消除误差，直到没有稳态误差为止，积分停止。但是，加入积分环节会降低系统的稳定性并减慢动态响应。=3\*GB2⑶微分环节主要起预测变化趋势和抑制系统偏差的作用。当系统偏差太大时，可以及时进行控制，以确保系统的控制效果。1.2.2PID参数整定方法对于PID控制器，比例，积分和微分参数需要进行调整才能正常工作。目前，PID整定方法主要有试凑法，Z-N法等。=1\*GB2⑴试凑法试凑法基于系统响应曲线。通过反复调整先按比例，然后积分，然后微分的过程参数，首先需要设置PID控制器的积分时间常数和微分时间常数Ti=∞，Td=0。系统参数的特定调整首先需要将比例系数从小到大调整，直到出现4：1响应衰减振荡曲线为止，并在此时记录比例系数的值。然后加上积分作用，将比例系数减小10-20％，将Ti的值从大变小，并通过反复调整，在基本消除了静态误差后，将此时的积分参数用作导数控制器的参数值。最后，需要选择适当的微分系数。调整微分系数Td时，需要从小到大调整微分系数。当系统稳定且满足实际需求时，此时记录PID控制的三个参数。则完成整定PID控制器的三个参数。=2\*GB2⑵Z-N参数整定法Z-N整定法是基于一阶近似模型开环阶跃响应曲线进行参数辨识，整定得到PID的控制参数。Ziegler-Nichols经验整公式是针对被控对象模型为带有延迟的一阶惯性传递函数提出的：1.2.3性能指标动态性能指标和稳态性能指标两类作为控制系统的性能评价。（1）动态性能指标动态过程是指系统从初始状态到最终状态的响应过程。通常，在阶跃函数的作用下，测量和计算系统的动态性能。描述在稳定系统的单位阶跃函数的作用下动态过程随时间t变化的指数称为动态性能指数。上升时间tr：是指响应曲线从稳态值的10％上升到最终值的90％所需的时间（也指从零上升到稳态值所需的时间）。峰值时间tp：指响应曲线超过其稳态值达到第一个峰值所需的时间。调整时间ts：指响应曲线的稳态值。将±5％（或±2％）作为误差带，并且将响应曲线达到且不再超过误差带的最短时间。调整时间ts是系统速度的指标。超调量σ％：是指在响应过程中超出稳态值的最大偏差h(tpσ%=h若h(tp)<h(∞（2）稳态性能指标稳态误差通常用作衡量控制系统性能的指标。它是预期稳态输出与实际稳态输出之间的差。控制系统的稳态误差越小，说明其控制精度也越高。1.3循环流化床锅炉PID控制器设计1.3.1PID控制器模型搭建首先在MATLAB/SIMULINK仿真平台中进行循环流化床锅炉建模仿真，建立的CFB的常规PID控制器的仿真模型如图4-2所示。其中循环流化床锅炉采用传递函数模块（TransferFcn）加一个延迟模块（TransportDelay）来表示。控制器模块使用的是SIMULINK连续模块库（continuous）里的PID（s）。温度的设定值用阶跃函数模块表示，并将值设为880℃。本文主要采用试凑法的方法来整定PID控制器的三个参数。图4-2CFB的PID控制器系统结构图1.3.1PID控制器参数调节及仿真结果为了能够在系统中清楚地观察，本文所设计的CFB的常规PID控制器的控制性能，在仿真中添加了示波器对CFB锅炉的物理量进行观测，并对参数进行逐步调节，以达到较为满意的性能。首先在PID控制器模块里设置三个参数的值分别为Kp=10，Ki=0.2，然后在PID控制器模块里设置三个参数的值分别为Kp=5，Ki=0.1，图4-3循环流化床锅炉床温PID控制器参数调整过程仿真结果从图4-3中可以发现，系统响应最大温度值超过1600摄氏度，超调量达到100%，而且系统响应多次振荡，稳定性和调节时间等指标均不好。继续调整PID参数，设置三个参数的值分别为Kp=2，Ki=0.05，图4-4循环流化床锅炉床温PID控制器参数调整过程仿真结果从图4-4中可以发现，系统响应最大温度值小于1600摄氏度，超调量小于100%，系统响应的振荡次数、超调量、稳定性和调节时间等指标有所提高，但是效果仍然不够理想，因此需要进一步优化参数。 最后经过大量尝试，继续调整PID控制器参数得到的最终PID控制器的三个参数的值分别为：Kp=1.59，Ki=0.013，图4-5simulink中的PID控制器的三个参数值本章利用simulink仿真工具设计的循环流化床锅炉床温PID控制器的较为理想的仿真最终结果图如图4-6所示。图4-6循环流化床锅炉床温PID控制器仿真结果从图