自整定智能PI_D控制器及其应用
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文章编号: 100023673 (2001)0920033204
自整定智能 PI+D控制器及其应用
牛培峰,周丽芹,葛安亮
(青岛海洋大学工程学院,山东省 青岛市 266071)
A SELF-SETTING INTELL IGENCE PI+D CONTROLER AND ITS APPL ICATION
N IU Pei2feng,ZHOU L i2qin,GE A n2liang
(Engineering College,O cean U niversity of Q ingdao,Q ingdao 266071, Shandong Province,China)
ABSTRACT:A ccording to the dynam ic characteristics of w a2
ter2supply process in circulating fluidized bed boiler (CFBB),
a self2setting intelligent P I +D controller is presented in
w hich the setting strategy of second2class param eters is adop t2
ed,thus,the control process is fast,accurate and smooth.
The results of app lying this controller to dom estic high capaci2
ty CFBB s are satisfied.
KEY WORDS:intelligent control;P ID controller;w ater2sup2
ply process ;fluidized bed
摘要:根据循环流化床锅炉经常带冲击负荷的给水过程动态
特性,提出了一种自整定智能 P I+D控制器。该控制器采用
了二级参数整定策略,使控制过程快速、准确、平稳。将该控
制器应用于国产大型循环流化床锅炉给水过程控制,获得满
意效果。
关键词:智能控制;P ID 控制器;给水过程;流化床
中图分类号:TQ 03 文献标识码:A
1 引言
近些年来,自动控制理论的研究已取得了显著
的进展,特别是在智能控制方面成效显著。模糊控制
一问世,就受到控制领域的极大重视,显示出强大的
生命力,并在实践中得到广泛的应用。本文根据循环
流化床锅炉给水过程的特点,应用模糊集合理论,提
出了一种具有二级参数整定策略的自整定智能 P I
+D控制器,并将其应用于国产大型循环流化床锅
炉汽包给水过程控制中。
循环流化床锅炉汽包给水过程自动控制的任务
是维持汽包水位在一定的范围内变化。汽包水位是
锅炉运行中的一个重要监控参数,它间接地表示了
锅炉负荷与给水的平衡关系。维持汽包水位是保证
基金项目:国家经贸委“八五”重点攻关项目(国经贸攻[ 1994 ]
227)。
锅炉和汽轮机安全运行的重要条件。
2 给水被控对象的数学模型
给水被控对象的数学模型一般可用下述传递函
数表达[1, 2 ]
H(S)=TWS+kW
T1S(T2S+ 1)
W(S)-TMS+kM
T1S(T2S+ 1)
M(S)-TDS+kD
T1S(T2S+ 1)D(S)-
TPS+kP
T1S(T2S+ 1)P(S) (1)
式中 kW为给水流量放大系数;kM为燃料量放大
系数;kD为蒸汽流量放大系数;kP为汽包压力放大
系数;TW为给水流量项的时间常数;TM为燃料量
项的时间常数;TD为蒸汽流量项的时间常数;TP为
汽包压力项的时间常数;T1、
T2为水位的时间常数;
H(S)为汽包水位;W(S)为给水流量;M(S)为燃料
量;D(S)为蒸汽流量;P(S)为汽包压力。
从式(1)可以看出汽包水位被控对象的扰动来
源有四个:①给水方面的扰动W(S),其中包括给水
压力的变化和调节阀开度的变化,这个扰动来自给
水管道和给水泵;②蒸汽负荷的扰动D(S),包括蒸
汽管道阻力的变化和主蒸汽调节阀开度的变化,这
个扰动主要来自汽轮发电机组的功率变化;③燃料
量M(S)的变化,包括引起燃料发热量变化的种种
因素;④汽包压力 P(S)的变化,压力变化对汽包水
位的影响是通过汽包内部汽水系统在压力升高时的
“自凝结”过程和压力降低时的“自蒸发”过程起作用
的。由以上分析可知,在设计给水自动控制方案时应
考虑这些扰动因素,这便是设计给水自动控制方案
的主要根据。
第25卷 第9期
2001年9月 电 网 技 术
Pow er System Technology Vol. 25 No. 9
Sep. 2001
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3 设计方案
3.1 对象特点
对于普通汽包锅炉给水控制,通常采用常规三
冲量给水控制方案,控制器采用常规 P I 控制器。而
本文研究对象——中国科学院75t
h循环流化床锅
炉经常带变动负荷,负荷变化范围是20%～100% ,
另外还经常受到外界电负荷和热负荷变化的冲击。
对于承担冲击负荷的锅炉机组,锅炉运行具有下述
特点:
(1)锅炉受到连续的、周期性的大幅度负荷升
降的影响,引起汽包压力及过热器压力大幅度变化。
由式(1)可知,这必将造成水位剧烈的波动,从而使
虚假水位更为严重,同时也使式(1)中的时间常数和
放大系数发生变化;
(2)给水调节阀频繁往复动作,给水流量剧烈
波动,这些扰动的存在,对机组的安全运行是很大的
威胁;
(3)承担冲击负荷的锅炉,其给水控制的主要
任务是在适应负荷要求的情况下,尽可能降低水位
波动,最大限度的减小水位的最大波动幅度,同时使
给水量的波动不过于剧烈。
通过以上分析可知,带变动和冲击负荷的锅炉
机组,其汽包水位变化幅度大,对象参数随负荷变
化,控制品质要求高,采用常规三冲量 P I 控制将无
法满足机组控制运行的要求。因此,需要采用其它比
较有效的控制方法。
3.2 智能 PI+D控制器设计
P ID 控制器具有简单、稳定性好、可靠性高等优
点,这使它广泛的应用于工业控制领域中。但是,随
着科学技术的发展,对被控对象动态、稳态性能要求
越来越高(如锅炉汽包水位),使得常规 P ID 控制器
不能满足控制要求。而采用参数自适应、自调整 P ID
控制算法往往要求对象模型十分准确,计算时间也
较长,这些都与工业现场不相适应。为此,本文在文
献[3～6 ]的基础上,提出一种智能 P I+D控制器。
该控制器不但能在线修改 P ID 中的3个参数,使汽
包水位具有良好的动态、稳态性能,而且计算时间
短,易于工程实现。
根据被控对象的动态特性、运行特点及控制理
论的知识,智能 P I+D控制器为改善被控对象的
动、稳态响应,在给定 P ID 3个参数初值的基础上,
提出以下参数调整规则:
Rule1: 当系统输出超过给定值时,减少 KI(积
分参数);
Rule2: 当系统输出上升时间大于要求上升时间
时,增大 KI;
Rule3: 在稳态时,系统输出产生波动现象,应适
当增加 KD(微分参数);
Rule4: 系统输出对干扰信号反应敏锐,应适当
减小 KD(微分参数);
Rule5: 上升时间过大,增加 Kp(比例参数);
Rule6: 系统输出发生振荡现象,减小 KP;
Rule7: Rule2优先级高于 Rule5, 即当上升时间
过长时,先调整 KI,再调整 KP。
3. 2. 1 Fuzzy 参数调整矩阵粗调表
根据以上规则,通过大量的仿真试验调整,最后
设计出修改 KI、
KD、
KP的Fuzzy 矩阵粗调表,如表1
所示。其中 ei=R-yi(yi的含义见图1),∃ei=ei-
ei- 1。
表1 Fuzzy 参数调整矩阵粗调表
Tab
.1
W ide adjusting table of fuzzy parameter adjusting matrix
ei∃ei
5 4 3 2 1 + 0 - 0 - 1 - 2 - 3 - 4 - 5
5 1 1 0. 9 0. 8 0. 7 0. 6 0. 6 0. 5 0. 5 0 0 0
4 0. 9 0. 8 0. 7 0. 7 0. 6 0. 5 0. 4 0. 3 0 0 0 0
3 0. 8 0. 7 0. 6 0. 5 0. 4 0. 3 0. 2 0 0 0 0 - 0. 1
2 0. 7 0. 6 0. 5 0. 4 0. 3 0. 2 0 0 0 0 - 0. 1 - 0. 2
1 0. 6 0. 5 0. 4 0. 3 0. 2 0 0 0 0 - 0. 1 - 0. 2 - 0. 3
+ 0 0. 5 0. 4 0. 3 0. 2 0 0 0 0 0 - 0. 2 - 0. 3 - 0. 4
- 0 0. 4 0. 3 0. 2 0 0 0 0 0 - 0. 2 - 0. 3 - 0. 4 - 0. 5
- 1 0. 3 0. 2 0. 1 0 0 0 0 - 0. 2 - 0. 3 - 0. 4 - 0. 5 - 0. 6
- 2 0. 2 0. 1 0 0 0 0 - 0. 2 - 0. 3 - 0. 4 - 0. 5 - 0. 6 - 0. 7
- 3 0. 1 0 0 0 0 - 0. 2 - 0. 3 - 0. 4 - 0. 5 - 0. 6 - 0. 7 - 0. 8
- 4 0 0 0 0 - 0. 3 - 0. 4 - 0. 5 - 0. 6 - 0. 7 - 0. 7 - 0. 8 - 0. 9
- 5 0 0 0 - 0. 5 - 0. 5 - 0. 6 - 0. 6 - 0. 7 - 0. 8 - 0. 9 - 1 - 1
43 Pow er System Technology Vol
. 25 No. 9
摘要：
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