基于MATLAB过热汽温控制系统仿真.doc

华北电力大学本科毕业设计（论文）基于MATLAB的过热汽温控制的仿真与设计摘要 随着我国电力工业的迅速发展，越来越多的高参数大容量机组陆续投产。从发展趋势看, 600MW 及以上等级的火电机组已成为大电网的主力机组。同时大容量机组的不断增加和电网调度自动化程度的日益提高，对火电厂机组的控制品质提出了更高的要求。过热汽温度是锅炉运行中的主要参数,它的高低直接影响锅炉安全稳定运行。锅炉过热汽温控制有非线性和时变性。其大延时和大惯性的特点使其一直以来都成为火电厂自动控制的难点。本次毕业设计，针对火电厂锅炉过热汽温控制系统具有大迟延、时变等特点，常规控制难以取得满意的控制效果，通过采用先进的控制策略，在MATLAB环境下进行仿真实验，研究过热汽温控制系统的控制性能。 关键字：过热器，分段控制，串级控制，过热汽温，控制策略 Steam temperature cascade control sub-system performance analysis and simulationAbstractWith Chinas power industry developing rapidly, more and more large-capacity high-parameter units have put into production. From the development trend, above 600 MW unit will become a main unit of the power grids in the future. With the increasing of the large-capacity unit and the increasing degree of automation of the scheduling grid, it is a higher demand to the quality control of the thermal power plant unit. Supercritical generating units is the development of large-capacity generating units in China will also become the main force units. The main steam temperature is the main parameters in the boiler operation, which affect the safe and stable operation of boiler directly. The control of main steam temperature in the boiler is nonlinear and time variability. It is very difficult to control for the large delay and the inertia of its characteristics. In this paper, we focused on the characteristics, composition, and the principles analysis of main steam temperature control system and propose a control strategy that fits the large delay control system. Research superheated steam temperature control system control performance through the use of advanced control strategy and MATLAB simulation experiment,Keywords: Superheater，Segment control，cascade control，superheated steam temperature，control strategy目 录摘要IAbstractII1绪论11.1课题背景11.2过热汽温控制的难点11.2.1过热汽温的意义21.2.2过热汽温控制系统31.3本文主要研究内容32 过热汽温控制系统分析42.1过热汽温控制系统的对象特性和任务42.1.1过热汽温被控对象特性42.1.2过热汽温控制系统的任务62. 1.3过热汽温控制的难点及设计原则72.2过热汽温控制系统72.2.1过热汽温串级控制系统分析82.2.2过热汽温串级控制系统的组成82.3 PID调节器102.3.1 PID调节器的基本原理102.3.2 PID控制器参数对控制性能的影响113 分段串级汽温控制系统的仿真实验133.1 调节器参数的工程整定法133.12稳定边界法133.13衰减曲线法143.2对模型的仿真154多模型的PID无扰切换254.1多模型串级PID控制系统254.2过热汽温多模型建立264.3切换策略274.4典型工况下控制器设计及参数整定274.5仿真研究28结束语30致谢31参考文献32341绪论1.1课题背景电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，是关系国计民生的基础产业，是世界各国经济发展战略中的优先发展重点。作为一种先进的生产力和基础产业，电力行业对促进国民经济的发展和社会进步起到了重要作用。与社会经济和社会发展有着十分密切的关系，它不仅是关系国家经济安全的战略大问题，而且与人们的日常生活、社会稳定密切相关。随着中国经济的发展，对电的需求量不断扩大，电力销售市场的扩大又刺激了整个电力生产的发展。目前中小型火电厂，锅炉、汽机的操作和监控仍然由人工加仪表，不仅难以做到平衡操作，安全生产也没有确实保证。工人的劳动强度大、条件差，而且运行效率低、耗煤量大、浪费能源、污染环境，不改变现有的控制手段，锅炉的运行很难有满意的效果。为了提高锅炉、汽机的运行效率，降低能耗，确保安全生产，改善劳动环境，利用计算机的快速性、可靠性、准确性等多种特殊功能，代替常规仪表实现锅炉，汽机的检测和控制是发展的必然趋势。计算机可以提供许多常规仪表和人工操作难以实现和无法实现的功能，它在改善锅炉和汽机的监控品质，提高锅炉和汽机的热效率，节省能源，减少污染等方面将会起到极为重要的作用。随着单机容量的增大，初蒸汽参数也向高压、超高压、亚临界、超临界、超超临界压力逐步过渡。超临界机组是我国近期发展起来的大容量机组，并逐渐将成为国家电力行业的主力机组。就目前看来，我国发电还是主要以火力发电为主，由于我国的煤炭储量还较为丰富，所以火力发电厂主要还是燃煤电厂，而考虑到煤炭、石油、天然气等资源的有限性和不可再生性以及我国水利资源的可观性，我国这几年正在大力发展水电站。除此以外，核电事业的发展也取得了很好的成绩。火电厂日渐朝着大机组大容量的方向发展，这样可以提高热效率，每千瓦的建设投资和发电成本也会降低。目前，我国发电主要是向600WM、1000WM机组的目标迈进。由于超临界和超超临界机组可以调高煤炭利用率、降低环境污染、提高经济性的优势，发展超临界机组和超超临界机组是必然趋势。1.2过热汽温控制的难点锅炉是火电厂及其它工业企业中最普遍的动力设备之一。它的功能是把燃料中的贮能，通过燃烧转化成热能，以蒸汽或热水的形式输给各种设备。火电厂锅炉过热蒸汽温度是否具有较好的控制品质和鲁棒性，与锅炉机组的安全和经济运行有着密切的关系。过热汽温的控制一直是火电厂模拟量控制系统的难点，这主要是因为过热汽温控制对象具有大延时、大惯性、非线性和时变性等特点，采用常规和简单的控制规律难以获得较好的调节效果。长期以来，过热汽温的控制是火电厂自动控制领域研究的热点方向，目前已经出现了相当多的控制方案以及应用尝试。1.2.1过热汽温的意义过热汽温是火电厂汽水工质中的最高温度，维持过热汽温稳定、控制过热汽温在给定范围、保证整个过热器不要超温是过热汽温控制系统的重要任务。过热汽温控制对于机组的安全经济的运行有着非常重要的意义，但同时也是最难控制的系统之一，其控制难点主要体现在一下几个方面：（1）过热汽温的干扰因素很多，例如负荷，减温水量等。（2）在各种扰动量的干扰下汽温对象具有非线性、时变等特性，使控制难度加大。（3）汽温对象具有大迟延、大惯性的特点，尤其是随着机组容量和参数的提高，蒸汽过热受热面的比例加大，使其迟延和惯性进一步加大，增大了控制难度。但同时过热汽温控制对于机组安全经济的运行有着相当重要的作用，主要有以下几个方面：过热汽温过高会使蒸汽管道金属和锅炉受热面的蠕变加快，影响使用寿命。当超温严重的时候，将会使材料强度急剧下降从而导致管道破裂。过热汽温过高还会导致汽轮机的汽缸、汽门、前几级喷嘴和叶片的机械强度下降，导致使用寿命降低和设备损坏。汽温过低，将会影响机组的经济性。当汽温低的时候机组热效率降低，煤耗增大。另外，汽温降低会使汽轮机尾部的蒸汽湿度增大，影响汽轮机内部的热效率，使汽轮机末几级叶片的侵蚀加剧。此外，汽温降低会使汽轮机所受的轴向推力增大，对汽轮机的安全运行很不利。主汽温变化过大，除使管材及有关部件产生疲劳外，还将引起汽轮机汽缸的转子与汽缸的胀差变化，甚至产生剧烈振动，危及机组安全运行。总之，过热汽温是火电机组的主要参数。由于过热器是在高温、高压环境下工作，过热器出口汽温是全厂工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处，工艺上允许的汽温变化又很小，汽温对象特性呈非线性，影响汽温变化的干扰因素多等，这些都使得汽温控制系统复杂化，因此正确选择控制汽温的手段及控制策略是非常重要的。1.2.2过热汽温控制系统过热蒸汽系统 由各级过热器及其进出口联箱、连接管道、阀门及调温装置等设备组成。过热器是该系统中的主设备。过热器的作用是将蒸发系统所产生的饱和蒸汽加热成具有一定温度和压力的过热蒸汽。过热汽温控制系统一般根据锅炉各类分为汽包炉主汽温控制系统和直流锅炉控制系统。此文中仅介绍汽包炉，直流炉与其类似。汽包炉主汽温控制系统是由汽包，水冷壁，减温器和过热器串联而成。其工艺流程可以从图1-1中看出。主汽温控制系统采用分段控制策略，具体内容可见图1。汽包炉主汽温调节可以分为A、B两侧，蒸汽经过A、B两侧过热器后进入联合混热箱，最后通过蒸汽管道进入汽轮机。通过A、B两侧一级减温器喷水注入过热器来调节A、B两侧一级过热器的出口蒸汽温度，通过A、B两侧二级减温器的喷水流量来控制主蒸汽温度。图1-1 汽包炉主汽温控制系统工艺流程图1.3本文主要研究内容1、了解及掌握过热汽温在宽负荷工况下的动态特性；2、熟悉过热汽温常用的控制方法；3、运用自适应PID方法进行过热汽温控制系统的设计；4、在Matlab环境下对所设计的控制系统进行仿真研究。2 过热汽温控制系统分析2.1过热汽温控制系统的对象特性和任务2.1.1过热汽温被控对象特性（一）静态特性(1)锅炉负荷与过热汽温的关系。锅炉负荷增加时，炉膛中燃烧的燃料增加，但炉膛中的最高温度没有多大变动，炉膛辐射放热量相对变化不大，使得炉膛出口烟温增高。这就是说负荷增加时，每千克燃料的辐射放热百分率减少，而在炉膛后的对流换热区中，由于烟温和烟速的提高，每千克燃料的对流放热百分率将增大。因此，对于对流式过热器来说，当锅炉的负荷增加时，出口汽温的稳态值升高；辐射式过熟器则具有相反的汽温特性，即当锅炉负荷增加时，会使出口汽温的稳态值降低。如果使两种过热器串联配合，可以取得较平坦的汽温特性。(2)给水温度与过热汽温的关系。提高给水温度，将使过热汽温下降，这是因为产生每千克蒸汽所需的燃料量减少了，流经过热器的烟气量也减少了。也可这样认为：提高给水温度后，在相同的燃料量下，锅炉的蒸发量增加了，故过热汽温将下降。因此，是否投入高压给水加热器将使给水温度相差很大，这对过热汽温有明显影响。(3)燃料器的运行方式与过热汽温的关系。在炉膛内投入高度不同的燃料器或改变燃料器摆角会影响炉内温度分布和炉膛出口烟温，因而也会影响过热汽温，火焰中心相对提高时，过热汽温将升高。(4)过剩空气系数与过热汽温的关系。过剩空气量改变时，燃料生成的烟气量亦改变，因而所有对流受热面吸热随之改变，而且对离炉膛出口较远的受热面影响显著。以对流吸热为主的过热器，当增大过剩空气量时，将使过热汽温上升。此外，还有受热面清洁程度、饱和蒸汽用量、燃料性质、尾部烟道中再热汽温控制挡板位置等都会对过热汽温的产生影响。过热汽温控制对象的静态特性指汽温随锅炉负荷变化的静态关系。对流式过热器和辐射式过热汽温静态特性完全相反。如图所示。对于对流式过热器，当负荷增加时，通过对流过热器的烟气量和烟气温度增加，因而对流式过热器的汽温升高。对于辐射式过热器，由于负荷增加时炉膛温度升高不多，而炉膛烟气温度升高所增加的辐射热量小于蒸汽负荷增加而降低。可见过热器的传热形式、结构、布置将直接影响过热器的静态特性。现代大容量锅炉的过热器系统都采取了对流式过热式、辐射式过热器和屏式（半辐射式）过热器交替串联布置的结构，这有得于减小过热器的出口汽温的偏差，并改善了过热汽温控制对象的静态特性。对流式过热器辐射式过热器图2-1过热汽温控制对象静态特性曲线需要说明的是，上述汽温特性是指变化前后的两个稳定工况。对于变化的动态过程，汽温的变化的情况不同，例如，当负荷突然增加时，不论是哪种过热器，汽温总是降低的。（二）动态特性目前，火电机组广泛采用喷水减温方式来控制过热蒸汽温度。影响汽温变化的因数很多，但主要有蒸汽流量、烟气传热量和减温水量等。在各种扰动下，汽温控制对象具有迟延、惯性和自平衡能力的。下面分别说明在上述三种主要扰动作用下，过热汽温对象的动态特性。(1)蒸汽流量扰动下过热汽温对象的动态特性。大型锅炉都采用复合式过热器，当锅炉负荷增加时，锅炉燃烧率增加，通过对流式过热器的烟气量增加，而且烟气温度也随负荷的增大而升高。这两个因数都使对流式过热器的汽温升高。然而，当负荷增加时，炉膛温度升高得并不明显，由炉膛辐射传给过热器的热量比锅炉蒸汽量增加所需要的热量少，因此使辐射式过热器出口汽温下降。可见，这两种形式的过热器对蒸汽流量扰动的反应恰好相反，只要设计上配合得当，就能使过热器出口汽温随蒸汽流量变化的影响减小。通常，过热器以对流方式吸热比辐射方式吸热多，因此过热器出口汽温仍随负荷的增加而升高。应当注意：如果蒸汽流量的增加是汽机侧扰动引起的，则在锅炉燃料燃烧率调整之前，过热汽温是随蒸汽流量的上升而下降的。当蒸汽流量发生扰动时，由于过热器上各点的汽温几乎同时变化，因此过热器出口汽温变化的迟延较小，迟延时间约为20s。尽管蒸汽流量扰动下汽温对象的动态特性较好，但由于蒸汽负荷决定于用户，所以不能用蒸汽流量的扰动作为控制汽温的手段。(2)烟气传热量扰动下过热汽温对象的动态特性。当燃料量、送风量或煤种等发生变化时，都会引起烟气温度和流速的变化，使烟气传给过热器的热量发生变化，从而使过热汽温变化很快，迟延时间很小，一股为1525s。由于烟气侧扰动时，过热汽温的动态特性较好，因此可利用烟气侧的扰动作为控制汽温的手段，例如，采用烟气再循环(改变流过过热器的烟气流量)和改变喷燃器的摆角等，但这些控制方法需要锅炉具有满足自动控制要求的结构和性能，而锅炉设计、制造及实际使用都还有一定的困难。(3)减温水量扰动下过热汽温对象的动态特性。对于蒸汽流量的扰动和烟气侧的扰动，过热汽温对象的动态特性虽然较好，但前者由机组负荷决定，不能作为汽温的控制手段，后者使用比较困难。因此，目前常用喷水式减温来控制汽温。当减温水量发生扰动时，虽然减温器出口处汽温已发生变化，但要经过较长的过热器管道才能使出口汽温发生变化，使汽温反应的迟延很大，而且减温器离过热器出口愈远，则对象控制通道的迟延和惯性愈大。因此，控制汽温的最有效方法是在过热器出口处直接进行喷水减温，但这又对过热器和汽轮机的安全运行不利。为此，喷水减温器通常装在末级过热器高温段的前面，这样既保护了过热器的高温段，同时又减少了蒸汽带水的可能性。但是，迟延时间仍较大，一般为30-60s。因此，大型单元机组一般采用多级减温。对于维持汽温这一要求而言，汽温对象在控制作用下动态特性的迟延和时间常数太大，如果只根据汽温偏差来改变减温水量往往不能有效地控制汽温。所以，为了提高控制质量，一般选择减温器后的汽温作为局部反馈信号。因为这个信号比主汽温提前反应减温水的扰动，所以也称为导前信号。对于现代大型锅炉，由于过热器管道加长，结构变得复杂，迟延和惯性更大，为了完成控制主蒸汽温度和保护过热器两个任务，多采用分段控制系统，如图2.2所示。图2-2过热汽温工艺流程如上所述，由于过热汽温控制通道的迟延和惯性较大、被调量信号反应慢，选择减器后的汽温作为局部反馈信号，就形成了双回路控制系统。2.1.2过热汽温控制系统的任务过热汽温控制系统的任务是维持过热器出口汽温在允许范围内，并且使过热器温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一。过热器出口汽温是全厂工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处，在过热器正常工作时已经接近材料允许的最高温度。过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏，影响安全运行; 过热蒸汽温度过低，会引起电厂热耗上升，降低全厂热效率，并使汽轮机轴向推力增大，造成推力轴承过载，还会引起汽轮机末级蒸汽温度增加，从而降低汽轮机的内效率，加剧对叶片的侵蚀。所以，在锅炉运行中，必须保持过热汽温稳定在规定值附近。一般要求过热汽温与规定值的暂时偏差不超过10，长期偏差不能超过5.2. 1.3过热汽温控制的难点及设计原则过热汽温调节系统的难点在于:(1)过热汽温作为调节对象，其主要特点是滞后时间较大。在发生扰动后，温度不会立刻发生变化。此外，测量温度的传感器也有较大的惯性，在动态过程中不能及时的发出测量和调整信号。 (2)设备的结构设计与自动调节的要求存在矛盾。从调节的角度看，减温设备应安装在过热器出口的地方，这样可以使调节作用的时滞最小，使输出的蒸汽温度波动小，但是从设备安全的角度看，减温设备应安装在过热器入口的地方。 (3)造成过热汽温扰动的因素很多，各种因素之间又相互影响，使对象的动态过程十分复杂。能使过热器出口汽温改变的因素有:蒸汽流量的变化、燃烧工况的变化、锅炉给水温度的变化、进入过热蒸汽热焓的变化、流经过热器烟气温度即流速的变化、锅炉受热面结垢等。 综上所述，过热汽温控制系统设计原则可归纳为:(1)从动态特性的角度考虑，改变烟气侧参数(如改变烟温或烟气流速)的调节手段是比较理想的，但具体实现比较困难的，所以一般很少被采用。 (2)喷水减温对过热器的安全运行比较理想，尽管对象的调节特性不够理想，但还是目前被广泛使用的过热蒸汽温度调节方法。采用喷水减温时，由于对象调节通道有较大的延迟和惯性以及运行中要求有较小的汽温控制偏差，所以采用单回路调节系统往往不能获得好的调节品质。针对过热汽温调节对象调节通道惯性延迟大、被调量信号反馈慢的特点，应该从对象的调节通道中找出一个比被调量反应快的中间点信号作为调节器的补充反馈信号，以改善对象调节通道的动态特性，提高调节系统的质量。 (3)使用快速的测量元件，安装在正确的位置，保证测量信号传递的快速性，减小延迟和惯性。如果测量元件的延迟和惯性比较大，就不能及时反映过热汽温的变化，就会造成系统不稳定，影响控制质量。 (4)现代电厂的过热器管道的长度不断加长，延迟和惯性越来越大，采用一级减温己不能满足要求，可以采用多级减温，以保证汽温控制的要求。2.2过热汽温控制系统系统主要被控对象一过热器管道，执行机构电动喷水阀门(执行器)，检测变送部件热电偶或温度变送器，控制系统核心部件电动控制器(调节器)组成。其中，被调量(测量值)主汽温度，调节量(控制信号)喷水流量，干扰信号炉膛燃烧工况。 图2-3简单过热汽温控制系统当过热汽温度的测量值等于设定值时，喷水阀门不动，系统处在动态平衡状态，此时，若炉膛燃烧工况发生变化。使汽温上升，造成给定值和测量值产生偏差，则偏差信号经过控制器的方向判断及数学运算后，产生控制信号使喷水阀门以适当形式增加喷水流量。测量值最终回到设定值，系统重新回到平衡状态。2.2.1过热汽温串级控制系统分析简单控制系统系统虽然是一种最基本的，使用最广泛的控制系统，但是随着火电厂锅炉机组越来越向大容量、高参数和高效率的方向发展，生产系统日益复杂、系统的耦合性、时变性、非线性等特点显得更加突出，对于这些复杂较难控制的过程，控制质量要求很严的参数，简单控制系统就无能为力了。因此，需要改进控制结构，增加辅助回路或添加其它环节，组成复杂控制系统。目前关于主汽温控制系统主要有串级控制、前馈控制和多变量解耦等等控制，其中最普遍的是串级控制系统。2.2.2过热汽温串级控制系统的组成串级控制系统的方框图，如图2-4所示。串级控制系统共有2个控制回路。内部的反馈回路称为副回路(或内回路)。副回路包括副控制器，调节阀，副对象和副变送器。发生在副回路内的扰动称为内扰。外部的控制回路称为主回路(或外回路)。主回路包括主控制器、整个副回路、主对象和主变送器。发生在主对象上的扰动称为外扰。图2-4串级控制系统方框图串级控制系统和单回路控制系统有有一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，被称为副环或者副回路，在控制过程中起着粗调的作用；一个闭环在外面，别成为主环或者主回路，用来完成细调的任务，以保证被调量最终满足工艺要求。如图2-3所示，有调节单元I、执行器、调节对象I和测量单元I构成的回路称为副回路(或称内回路)，调节单元I称为副调节器，调节对象I的输出信号称为辅助被调量。有调节单元II、副回路、调节对象II和测量单元II构成的回路称为主回路(或称外回路)，调节单元II称为主调节器，调节对象II的输出信号称为主被调量，调节对象I和调节对象II统称是系统的调节对象。串级调节系统具有下列特点:(1)串级控制系统有一个副回路，副回路具有快速作用，能够有效的克服二次扰动的影响可以说串级控制系统主要是用来克服进入副回路的二次扰动的。从图可以看出，进入副回路的扰动1在进入副环后，首先影响副参数y2，于是副调节器立即动作，力图消除干扰对于副参数的影响。显然，如果没有副回路，扰动1的影响就需要由主被调量的变化通过主调节器来克服。如果具有副回路，扰动1的影响就可以很快的由辅助被调量的变化通过辅助调节器来加以克服。（2）副回路起了改善调节对象动态特性的作用，因此可以加大主调节器的增益，提高系统的工作频率。在串级控制系统中，副回路替代了单回路的一部分对象，其等效时间常数会缩短，而且随着副调节器比例增益的增大而减小。通常副回路被控对象都是单容或者双容的对象，因此副回路控制器的比例增益可以调的很大，这样，等效时间常数就可以很小，从而加快了副环的响应速度，提高了系统的工作频率。（3）由于副回路的存在，使串级控制系统有了一定的自适应能力。在生产过程中，往往会包含一些非线性因素的存在。因此，在一定负荷下，即在确定的工作点情况下，按照一定控制指标整定的控制器参数只适应于工作点附近的一个小范围。如果符合变化过大，超出这个范围，控制品质就会下降。串级控制系统的基本组成如图2-5所示。串级控制系统能改善过热汽温控制品质，主要是因为有一个快速动作的副控制回路存在的缘故。由图2-5可以看出，引入负反馈而构成的副回路起到了稳定的作用，从而使过热汽温保持基本不变。 图2-5过热汽温串级控制系统流程图在过热控制系统中以减温器的喷水为控制手段，在单回路控制主汽温1,(即将1作为主信号反馈到主调节器,主调节器直接去控制阀门开度)的基础上增加一个对减温水量变化反应快的中间温度信号2作为导前信号，增加一个副调节器的串级控制信号系统。副调节器根据2信号控制减温水阀，如果有某种扰动，汽温2比1提早反映，使扰动引起的2波动很快消除，从而使主汽温1基本不受影响。另外，副调节器给定值受主调节器的影响，根据1改变2的给定值，从而保证负荷扰动时，仍能保证1满足要求。可见，串级系统采用了两级调节器，各有其特殊任务。副回路起着粗调过热汽温的作用。而过热汽温的规定值，主要由主调节器Pl(或PID)来保证。只要不等于规定值，主控制器就会不断地改变其输出信号，并通过副控制器去不断改变减温水流量，直到恢复到等于规定值为止。 2.3 PID调节器2.3.1 PID调节器的基本原理实际工业过程中会存在变量误差，根据偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器，就称为PID调节器(也成为PID控制器)。PID控制算法简单易实现、控制性能好、稳定性高等优点，被广泛应用于工业过程控制当中。常规的PID一般为线性控制器，实际输出值和给定值会存在一个偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合来构成控制量，最后对被控对象进行控制，故称PID控制器。当系统是连续控制时，PID控制器的输出u(t)与输入e(t)之间会存在比例、积分、微分的关系。拉氏变换后：拉氏变换前：(t)=r(t)-y(t)，Kp是比例增益，Ti是积分时间，Td是微分时间。2.3.2 PID控制器参数对控制性能的影响PID控制器各个参数对系统的动态和稳态性能起着不同的作用，这三个参数的取值优劣将直接影响PID控制系统的控制品质好坏。1比例作用比例作用就是以比例形式来反应系统的偏差信号e，以最快速度来产生控制作用，使偏差逐渐趋于减小。(1)对动态特性的影响比例控制参数值加大，系统的动作灵敏，速度加快，超调增大，Kp越大，振荡次数加多，调节时间也越长。当Kp太大时，系统会趋于不稳定，若Kp太小，又会使系统的动作缓慢。(2)对稳态特性的影响在系统稳定的情况下，比例系数Kp增大，稳态误差e(k)就会减少，以此来提高控制精度，但是加大Kp只是减少e，却无法从本质上消除稳态误差，无法做到系统无差。2积分作用引入积分作用，主要是为了在稳态状态下，满足被控量对设定值的无静差跟踪，对系统的性能影响主要表现如下：(1)对动态特性的影响积分作用会引起系统的稳定性下降，Ti太小，系统将不稳定，Ti偏小到一定程度时，系统会出现振荡；Ti太大，对系统性能的影响力也会减弱，只有当正合适时，才能出现比较理想的过渡特性。(2)对稳态特性的影响积分作用能够降低系统稳态误差，同时也能提高系统的控制精度，不过，当Ti值太大时，积分作用将会变得非常弱，稳态误差e也不会紧随减弱了。3微分作用微分作用常与比例作用、比例积分作用联合，构成PD控制器或者PID控制器。微分作用主要改善闭环系统的动态特性和稳定性。Td偏大时，超调量会较小，调节时间也会较短；Td偏小时，超调量也较大，相应调节时间也会较长。但是，微分作用有能使系统趋于不稳定的可能，因此，Ti的参数选取对于系统的优化也极其重要。3 分段串级汽温控制系统的仿真实验3.1 调节器参数的工程整定法3.11逐步逼近法在串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务是不同的，所以它们调节动作规则的选择也是不同的。副调节器的任务是能够快速动作以迅速抵消落在副环内的二次扰动，并且不要求无差，所以可以选择P调节器，也可以采用PD调节器。主调节器的任务是准确保持被调量复合生产要求，是不允许有偏差的，所以一般采用PI调节器。串级控制系统的参数整定要比简单系统复杂些。一般来说，串级系统整定的方法有两种：逐步逼近法和两步整定法。本文采用逐步逼近法整定系统参数。逐步逼近法是一种依次整定主环、副环，然后循环进行，逐步接近主、副环的最佳整定的一种方法，其步骤如下：(1)首先整定副环。此时断开主环，按照单回路整定方法，求取副调节器的整定参数，得到第一次整定值，记作Gc21。 (2)整定主环。把刚整定好的副环作为主环中的一个环节，仍按照单回路整定方法，求取主调节器的整定参数，记作Gc11。 (3)再次整定副环，注意此时副回路，主回路都已经闭合。在主调节器的整定参数为Gc11条件下，按单回路整定方法，重新求取副调节器的整定参数Gc22.。至此已经完成一个循环的整定。 (4)从新整定主环。同样是在两个回路闭合、副调节器整定参数为Gc22的情况下，重新整定主调节器，得到Gc12。 (5)如果调节过程仍然没有达到品质要求，按照上面（3）、(4）步继续进行，直到控制效果满意为止。一般情况下，完成第(3）步甚至只要完成第(2）步就以满足品质要求，无需继续进行。3.12稳定边界法稳定边界法，定边界法是一种闭环的整定方法。它基于纯比例控制系统临界震荡试验数据，即临界比例度 和临界振荡周期 ，利用一些经验公式，求取调节器的最佳参数值。其整定公式如表3-1所示。在采用这种方法整定时，控制系统应工作在线性区，否则得到的持续振荡曲线可能是极循环，不能依据此时的数据来计算整定参数。由于被控对象特性的不同，按上述经验公式求得的参数不一定都能获得满意的结果。实践证明，对于无自衡特性的对象，用稳定边界法求得的调节器参数往往使系统响应的衰减率偏大；而对于有自平衡的高阶等容对象，用此法整定调节器参数，系统响应的衰减率大多偏小。因此，上述求得的调节器参数需要针对具体系统在实际运行过程中做在线校正。 稳定边界法适用于许多过程控制系统。但是对于锅炉水位控制系统那样不准进行稳定边界试验的系统，或者某些时间常数较大的单容对象，采用纯比例控制系统时系统本质稳定。对于这些系统是无法用稳定边界法来进行整定的。 这个方法是基于系统的稳定性理论。系统闭环特征方程的要（即闭环极点）都在其复平面虚轴的左侧时，闭环系统稳定;当闭环特征方程有纯虚根时，系统的根轨迹与虚轴相交，其响应等幅振荡，系统临界稳定;只要有一个闭环特征方程的根在其复平面虚轴右侧时，闭环系统不稳定。当置PID调节器的Ti=与Td=0时，增加Kp值直到系统开始振荡，记录此时的比例带（临界比例带），并计算两个波峰间的时间。利用和的值按表3-1给出的相应公式计算，求调节器各整定参数。（PID调节器参数的计算公式如表3-1）P2PI22085PID1670500125表3-1稳定边界法参数整定公式稳定边界法适用于许多过程控制系统。但是对于锅炉水位控制系统那样不准进行稳定边界试验的系统，或者某些时间常数较大的单容对象，采用纯比例控制系统时系统本质稳定。对于这些系统是无法用稳定边界法来进行整定的。3.13衰减曲线法与稳定边界法类似，不同的只是本法采用某衰减比（通常为4：1或10:1）时设定值振动的衰减振荡试验数据，然后根据一些经验公式，求取调节器相应的整定参数。对4：1衰减曲线法的具体步骤如下：（1）、置调节器积分时间为最大值（），微分时间为为零（），比例带为最大值，并将系统投入运行。（2）、待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统的响应。基系统响应衰减太快，减小比例带，反之，系统响应衰减过慢，就增大比例带。如此反复，直到出现衰减比为4：1的振荡曲线，记下此时的比例带和振荡周期的数值。衰减率0.75PsPI1.2s0.5PID0.8s0.30.10.90PsPI1.2s2PID0.8s1.20.4表3-2衰减曲线法整定计算公式对于振动频繁，过程进行较快的控制系统，要准确地确定系统响应的衰减程度比较困难，往往只能根据调节器输出摆动次数加以判断。对于4：1的误差过程，调节器输出就来回摆两次后稳定。摆动一次所需的时间即为Ts。显然这样测得的Ts和s值，会给调节器参数整定带来误差。衰减曲线法也可以根据实际需要，在衰减比为n=10:1的情况下进行。3.2对模型的仿真以“浙江长兴电厂#2机组过热汽温先进控制”的为例。该项目的目的是通过采用先进的控制策略，对原有过热汽温系统进行改造，过热汽温能够长期保持在，变负荷过程中，过热汽温能够保持在范围内。系统改进后，可以在机组正常运行中（包括调峰过程）无需人工干预。该项目于2008年4月已交付电厂使用，运行状况良好。浙江长兴电厂#2机组为300MW单元机组，汽轮机采用上海汽轮机厂生产的中间再热凝汽式汽轮机，机组型号为N300-16.7/537/537，锅炉采用北京巴威公司制造的亚临界、中间再热、自然循环单锅筒锅炉，采用正压直吹MPS中速磨制粉系统，前后对冲燃烧方式，并配有B&W标准的双调风PAX型旋流煤粉燃烧器。负荷工况导前区传递函数/（T/H）惰性区传递函数/290MW260MW240MW210MW180MW表3-3长兴#2机组B侧二级减温水扰动模型针对以上模型对控制系统进行仿真：1对290MW机组的仿真搭建仿真模型如图3-1导前区传递函数为惰性区传递函数为：图3-1 290 MW机组串级控制系统MATLAB仿真根据串级系统的结构图进行参数整定，内回路控制器均为P调节，外回路控制器为PID调节。参数整定步骤如下：(1)首先断开主回路，在内回路中加入单位阶跃响应，改变内环PID的比例值，最终是要得到曲线衰减比大致为4:1-10：1的曲线。首先将比例增益Kp2设为-10，衰减比为9：1，应增大比例作用。令Kp3=-12，得到衰减比为6：1的曲线。图3-2内回路整定曲线(2) 整定主回路，运用稳定边界法，令Kp=3.7时，即cr=1/Kp=0.2702.发生等幅振荡。如图所示，从图中读出Tcr=131s。 图3-3 发生衰减振荡时仿真曲线根据稳定边界法整定计算公式Kp=1/Kp*1.67 =0.45Ti=1/(0.50*Tcr) =0.015Td=0.125*Tcr=16.375仿真后得到曲线衰减比为4.3：1，衰减率为85%的曲线。经过反复调整，将积分值设定为Td=14.775时，能够得到满意的曲线，如图3-4所示。 图3-4 290MW机组仿真后的曲线从仿真曲线中可以看出，系统最终能稳定在设定值上，没有稳态误差，得出的动态性能参数为：上升时间tr=267s、峰值时间tp=268s、调节时间ts=1800s、超调量=40%。从其动态性能参数可以看出，对于主汽温控制系统来说，串级常规PID能够在设定值扰动下取得良好的控制效果。对于过热汽温控制系统来说，由于主要采用喷水来控制汽温，所以喷水量扰动是该系统的基本扰动。在导前区与副调节器间加一阶跃扰动，用以模拟喷水量扰动。由于有内回路的快速调节作用，系统的输出不会产生大的变化。仿真的得到的响应曲线如图所示： 图3-5 加入阶跃扰动后的仿真曲线在减温水扰动下，该控制系统最终能够消除扰动，使主汽温稳定在设定值，其最大动态偏差为0.041，调节时间为1000s。从其动态性能指标可以看出，串级PID控制能够有效的消除减温水扰动对过热汽温的影响，使过热汽温度不发生大范围波动。（2）对240MW机组搭建仿真模型如导前区传递函数为惰性区传递函数为：图3-6 240 MW机组串级控制系统MATLAB仿真同290MW机组模型一样，先断开外回路，整定内回路。令Kp3=-13，得到衰减比为4：1的曲线图3-7 内回路整定曲线然后整定外回路。运用稳定边界过，当系统发生等幅振荡时Kp=3.9. cr=1/Kp=0.256。Tcr=294s图3-8 发生等幅振荡时的曲线Kp=1/Kp*1.67 =0.427Ti=1/(0.50*Tcr)=0.0068Td=0.125*Tcr=36.75经过反复调整，Kp=0.42,Ti=0.01,Td=36.75时能够得到满意的曲线，如图3-9。图3-9 290MW机组仿真后的曲线从仿真曲线中可以看出，系统最终能稳定在设定值上，没有稳态误差，得出的动态性能参数为：峰值时间tp=430s、调节时间ts=3000s、超调量=40%，衰减率为87.5%。从其动态性能参数可以看出，对于主汽温控制系统来说，串级常规PID能够在设定值扰动下取得良好的控制效果。在导前区与副调节器间加一阶跃扰动，用以模拟喷水量扰动。 在3400s加入阶跃扰动图3-10 在一导前区后加入一阶跃扰动后仿真图图3-11 内回路整定曲线在减温水扰动下，该控制系统最终能够消除扰动，使过热汽温稳定在设定值，其最大动态偏差为0.041，调节时间为2000s。从其动态性能指标可以看出，串级PID控制能够有效的消除减温水扰动对过热汽温的影响，使过热汽温度不发生大范围波动。（3）对180MW机组搭建仿真模型如下：导前区传递函数为惰性区传递函数为：图3-12 180 MW机组串级控制系统MATLAB仿真先断开主回路，调节副回路Kp=-10时，衰减率为78.5%。曲线如下图3-13 内回路整定曲线整定外回路，运用稳定边界法。当系统发生等幅振荡时Kp=4.1. cr=1/Kp=0.244。Tcr=257sKp=1/Kp*1.67 =0.407Ti=1/(0.50*Tcr)=0.0078Td=0.125*Tcr=32.125图3-14 外回路发生等幅振荡时的曲线经过反复调整，Kp=0.41,Ti=0.0078,Td=32.125时能够得到满意的曲线，如图图3-15 整定后的曲线从仿真曲线中可以看出，系统最终能稳定在设定值上，没有稳态误差，得出的动态性能参数为：峰值时间tp=534s、调节时间ts=3000s、超调量=40%，衰减率为87.5%。从其动态性能参数可以看出，对于主汽温控制系统来说，串级常规PID能够在设定值扰动下取得良好的控制效果。在导前区与副调节器间加一阶跃扰动，用以模拟喷水量扰动。 在3300s加入阶跃扰动图3-16 加入扰动后的仿真曲线图在减温水扰动下，该控制系统最终能够消除扰动，使过热汽温稳定在设定值，其最大动态偏差为0.055，调节时间为2000s。从其动态性能指标可以看出，串级PID控制能够有效的消除减温水扰动对过热汽温的影响，使过热汽温度不发生大范围波动。（4）对260MW机组模型分别采用290MW和240MW机组PID控制参数290MW 外环采用PID调节Kp=0.45 1/Ti=0.015 Td=14.775 内环采用P调节Kp=-15得到的仿真曲线如下图3-17 采用290MW机组PID参数时仿真实验曲线控制品质不如预期理想。240MW机组 外环PID调节Kp=0.42,Ti=0.01,Td=36.75 内环P调节Kp=-13得到仿真曲线如下图3-18 采用240MW机组PID参数后仿真曲线扰动实验曲线如下图3-19 导前区加入阶跃扰动后的仿真曲线由此可见，PID调节具有一定的鲁棒性。但由于不同负荷工况下，不同的PID参数对系统有一定的影响。4多模型的PID无扰切换4.1多模型串级PID控制系统多模型控制的设计思想是：许多实际工业过程存在较大的非线性，而任何线性模型都只能在某一平衡点附近的一个有限区域内有效，由此把非线性空间划分为一些子空间，对每个子空间都有一个失配较小的数学模型，而每个控制器(局部控制器)是针对不同子空间的数学模型进行单独设计的。然后选择一种局部控制器输出切换方法将所有局部控制器组合成全局控制器。给出了本文提出的基于串级PID的多模型控制系统结构图。从图中可以看出，主调由多个局部PID控制器构成，副调由多个局部PI控制器构成，根据被控对象当前运行的工作点，通过模态调度机制进行控制器之间的切换，从而实现全局控制。图4-1基于串级PID多模型切换系统针对传统串级过热汽温控制难以取得满意的控制效果，我们采用基于多模型切换的过热控制系统结构(如图所示)。其中主回路采用内模控制，副回路采用比例控制器。系统在某一工作点运行时，总会有一对主、副控制器能使系统获得较好的控制品质。当系统运行在工作点附近时，若控制器具有较好的鲁棒性，系统仍能获得满意的控制品质。当系统工况发生较大变化时，根据对当前运行工况的判断，可切换到相应的控制器。若相邻工况控制器的满意控制范围能够交叠，则基于多模型切换控制可实现系统全工况运行的满意控制。4.2过热汽温多模型建立针对过热器喷水扰动下汽温动态特性随工况变化的特征，选择表征工况的特征矢量，将锅炉过热汽温的工作区域力进行合理划分，得到，n个工作区域1n，满足条件： ；，别代表“圆心”和“半径”，即对所有。由上述条件建立n个工作区域。由前述动态特性分析，可将主蒸汽流量D和主蒸汽压力P作为特性参数，构成特征矢量。对于过热汽温对象，影响模型最严重的是负荷变化。由热工动态学可知，过热汽温对象模型的参数与机组负荷的变化密切相关。当负荷上升时，由于过热蒸汽流量和流速增大，相对于同等变化的减温水流量，模型静态增益和时间常数将随着单调变化。反之亦然。以浙江长兴电厂#2机组为300MW单元机组为例。表4-1负荷工况导前区传递函数/（T/H）惰性区传递函数/290MW260MW240MW210MW180MW表4-1浙江长兴电厂#2机组为300MW单元机组各负荷下的被控对象传递函数4.3切换策略由前述动态特性分析，构成特征矢量为。（其中D,P分别对应该负荷下的温度和压力）依据数据间的相似程度来确定当前系统属于基本工况级中哪个工况工作范围。常用的确定数据间相似度的方法有Euclidian距离法，夹角余弦法等。研究表明，采用何种方法所获得的结果并没有明显差别。因此简单易行、计算量小的方法往往成为首选方法。我们采用Euclidian距离法来确定当前系统处于哪个工况工作范围，即令则系统处于第j个工况工作范围内。4.4典型工况下控制器设计及参数整定 随着负荷的变化，不仅模型参数变化很大，而且结构也发生了变化。因此，用单一固定控制器参数不能保证系统在各种工况下控制系统的品质。不同负荷下的控制器参数整定值，如表4-2。 负荷主回路副回路比例带积分时间微分时间比例带180MW（60%）0.407128.532.1250.1240MW（80%）0.42714836.750.077290MW （97%）0.4566.716.3750.083表4-2三种负荷下机组PID参数表4.5仿真研究1模型与控制器匹配及不匹配情形下阶跃扰动试验根据对象模型(表4-1)和控制器参数(表4-2)对过热汽温控制系统在模型匹配与不匹配的情况下进行给定值单位阶跃扰动试验。以80负荷时的控制器参数分别控制四种典型工况时，在对象模型匹配与不匹配时的仿真结果如图4-2所示。奇才 无可奈何栽地魂牵梦萦地基本面栽 180MW 210MW260MW 290MW图4-2 80负荷时的控制器参数分别控制四种典型工况仿真曲线2对210MW机组采用此控制策略进行实验，其特征矢量更接近到180MW机组。帮采用180MW机组的PID控制器参数实验。图4-3 210MW机组采用180MW机组PID参数仿真曲线仿真曲线如图4-3所示，系统稳定性良好，超调量39%，衰减率87.5%。在导前区加入一阶跃扰动后如图4-4图4-4 加入扰动后仿真曲线系统2000秒后回到稳定 最大偏差0.42。结束语通过查阅资料，了解了分段串级汽温控制系统的组成及其控制难点，及其常用的控制手段。通过本次论文写作，重新温习了以前不曾深入研究的问题。具体来说，本文做了以下的内容：（1）了解我国电力行业发展情况的现状，对于整个大的电力行业的形势有了新的了解。（2）过热汽温控制对于机组的安全经济运行有着重要意义，但由于扰动量多、汽温对象的非线性和大迟延的特点，过热汽温控制是电厂控制的难点所在。（3）由于大型锅炉的过热器管道非常长，为了减少主汽温控制的迟延与惯性，一般汽温控制系统都会采用分段控制策略，即采用两级喷水减温控制主汽温，其中一级喷水减温器通常布置在屏过前，二级喷水布置在高温过热器前。由于两个过热器的静态特性不同，当负荷变化时，两个减温器调节阀动作相反，影响机组的经济性，所以在设计控制系统时，