【《PID与主蒸汽温度控制策略概述》2500字】

PID与主蒸汽温度控制策略概述目录TOC\o"1-3"\h\u24768PID与主蒸汽温度控制策略概述 18891.1PID控制理论 1221941.2锅炉主蒸汽温度控制策略设计 4184391.2.1主蒸汽温度单回路控制方案 470331.2.2主蒸汽温度串级PID控制方案 5126711.2.3主蒸汽温度Smith预估控制方案 6现有对锅炉的主蒸汽温度控制的方案中虽然衍生了许多控制方法，但是最根本的还是PID控制理论。为此，本文将详细介绍PID控制理论，然后针对锅炉的主蒸汽温度控制，制定控制策略。并在之后的第4章中利用软件仿真工具对所提的控制进行仿真测试。1.1PID控制理论PID控制其实是三种控制器的组成使用，它分为比例控制器（P），积分控制器（I）以及微分控制器（D）。PID控制在应用时也可以分为正反馈控制与负反馈控制，正反馈控制顾名思义，误差越大，输出信号越大，负反馈控制时误差越大，输出信号越小，从而抑制误差的增大，一般而言，负反馈控制往往是稳定的。PID控制由于自身良好的控制特性，在现代工业应用中也被广泛的使用开来。下文将分别介绍PID控制中的三种控制器。首先是比例控制器，比例控制器的作用来源于误差的输入，有误差则比例控制就会动作，且动作十分迅速。比例控制仅是一个常数，通过误差来调整输出，它的动作来源是误差，所以比例控制无法消除稳态误差，是一种有差控制。比例控制的数学表达可用以下公式进行表示(1.1)公式1.1中KP为比例系数，error(t)为误差函数。通常来说，比例系数越高，带来的输出变化就会越大，相反比例系数越小，带来的输出变化越小。在应用中也有部分用比例带宽来表示比例控制的参数，如式1.2所示：(1.2) 上式说明如果一个系统的比例带宽为1，那么它的比例系数便是100。 积分控制器是通过积分来对信号的输入进行调整，进而得到输出信号。积分的一个最重要的作用就是消除稳态误差。也正是因为如此，在对需要无差控制的环节上，则必须要引入积分控制。 积分控制的数学表达如下所示：(1.3)公式1.2中KI为积分系数。如果一个在一个控制系统内采用了积分控制，那么只要最终系统还未稳定，说明积分控制器仍在动作，误差还没有到0。但是积分控制也有一个特点，就是如果系统的参数选取不当，可能会影响系统的响应时间，恶化系统的动态性能。微分控制是通过对误差的变化率来改变输出的控制手段。一般而言，倒数想可能会降低控制的变化率，但是微分项的加入能够提高系统的动态性能，降低调节时间和超调量。微分控制的数学表达式可用公式1.4表示。(1.4)公式1.4中KD为微分控制的微分系数。PID控制器则是兼顾了以上三种控制手段的一种控制方法，它的控制结构可用图1.1进行表示。图1.1PID控制系统的典型结构图1.1中，R(t)为输入量，e(t)为误差量，U(t)为输出量，它们之间满足e(t)=R(t)−U(t)。图1.1所示的P、I和D元件的并联可以解释PID控制器的这种原理动作模式。根据图1.1可用下式表示PID控制的数学表达：(1.5)也可以按照传递函数改写成以下形式：(1.6)公式1.6中GPID(s)表示PID传递函数，TI是PID控制中的积分时间常数，TD表示微分时间常数，与上文中的比例系数和微分系数存在一种转换关系。在实际应用中，可用图1.2对含PID控制的控制系统进行概述。图1.2PID做控制系统控制器的基本结构在表1.1中给出了一些PID控制参数变化对系统动态性能的影响。表3-1PID各项参数对控制系统的影响在整个PID控制中，三个控制参数都有相应的作用，比例控制器可以对误差进行快速响应，积分控制器可以消除稳态误差，微分控制器则可以通过微分项改善系统动态性能。在PID控制中也会存在零极点对消的情况。PID表达式可以改成以下形式：(1.7)此时的闭环传递函数：(1.8) 令(1.9)(1.10) 则(1.11)以上公式在整定PID控制的不稳定现象时十分有用，还有一个方法就是建立系统的数学模型，通过手段调整比例、积分及微分系数来改善系统的动态性能。表3-2总结一些常见的PID参数调控方法，以及它们的优缺点。表3-2PID控制器的调节方法1.2锅炉主蒸汽温度控制策略设计1.2.1主蒸汽温度单回路控制方案由前文可知，单回路控制即单PID控制器的控制系统。同时，也得知，在系统内整个锅炉的主蒸汽温度具备大延迟大滞后的特点，导前区和惰性区可用一个带延迟环节的数学模型进行表示，结合PID控制，可用下式进行表示：(1.12) 从公式1.12中可以看出，Gp(s)为主蒸汽温度控制中的常规项，然后加入了一个延时环节。在主蒸汽的控制流程中，可用图1.3进行表示，数学模型可用图.4进行表示。图1.3主蒸汽单回路控制示意图图1.4主蒸汽温度单回路控制数学模型虽然单回路的控制方案较为简单，但是在实际过程中由于简单的控制结构难以实现期望的目标或者达到期望的控制效果，存在一些动态性能较差的缺陷，所以在使用时可根据对控制效果的要求进行选择。1.2.2主蒸汽温度串级PID控制方案串级PID控制也在上文中进行了介绍，相比简单的单回路控制方案，串级PID控制能够更好的实现对控制对象的控制，包括更小的超调量，更短的调节时间，更好的动态性能等。它的本质实在单回路中又加入了一个副PID控制器，令副PID控制器对导前区的温度进行快速的控制从而实现更好的效果。串级PID的物理结构可参见第2章的图2.12。不同于图1.3所示的单回路控制方案，此时的详细物理过程可用图1.5进行表示。图1.5主蒸汽温度串级PID控制原理在图1.5所示的控制流程中，主PID控制和副PID控制扮演了不同的角色。副PID控制是主PID控制的辅助调节控制器，它根据主控单元的输出进行调节，快速响应，而主PID控制器则会根据实时测量到的过热器出口的温度经过温度变送器后进行温度控制，进而控制喷水减温装置的喷水量，实现对温度的调控。1.2.3主蒸汽温度Smith预估控制方案在实际控制中如果主蒸汽温度存在较大的滞后和延迟特性，这对控制效果其实是十分不友好的，而Smith预估控制手段则可以改善该控制效果。接下来介绍以下Smith预估控制的基本原理。首先在常规的单回路控制方案中，尽管可能有所重复，但是为了方便加入了图1.6进行描述。图1.6主蒸汽温度单回路控制示意图可见图1.6中存在延迟环节，如果能够去掉该延迟环节，将有利于控制效果的提升。而Smith预估控制便是针对该问题的一项控制方法。图1.7为不含滞后环节的控制模型。图1.7单回路控制系统图1.7中W0’(s)为不含滞后环节的传递函数，Ws’(s)为Smith预估控制器，没有加入预估控制时的闭环传递函数为：(1.13)加入Smith预估控制后：(1.14)如果想要消除测量Y’(s)带来的延时，期望公式1.14变为：