一种大迟延系统的控制方法

一种大迟延系统的控制方法
马平;李奕杰
【摘要】大迟延系统在工业生产过程中比较常见但又难以控制,并且大部分工业生产过程都具有非线性的特征,被控对象的传递函数随负荷的变化而变化.在利用传统串级PID对实际系统进行控制的时候,很难得到理想的控制效果,难以保证控制品质,因此针对此问题提出基于物理机理的PID控制方法.该方法的控制策略主要是基于被控对象和控制过程的物理机理,使其可以不需要经过复杂的计算和补偿环节,取消了串级控制回路,从而使系统结构更加简单有效,控制性能得到较大改善,可适应大范围负荷变化的需要.由于火电厂主汽温为典型的大惯性、大迟延、非线性系统,被控对象的传递函数随负荷的变化而改变,所以选取主汽温为被控对象进行仿真实验.实验结果证明,基于物理机理的PID控制与传统串级PID相比,可以达到更好的控制效果.%In the industrial production process,the large delay system is comparatively common and get difficult to be controlled one. Most of them are nonlinear and their transfer function varies with load. U-sing traditional serial PID for control of practical system, it is difficult to get an ideal control effect and hard to ensure the control quality. In view of above-mentioned facts, a physical mechanism-based PID control method was presented. Its control strategies were mainly based the physical mechanism of the controlled objects and control process without complex calculation and compensation link, where the cascade control loop was canceled, so that the system structure became simpler and more effective, and its control performance got very great improvement, meeting the requirement of wide range of load variation. In power plant, the main
steam temperature is a typical large-inert, long delayed, and nonlinear system. The transfer function of the controlled object varies with the load. Therefore, the main steam temperature was taken as the controlled object to carry out the simulation experiment. The experimental result showed that, compared with the traditional cascade PID control, the PID control based on physical mechanism would be able to achieve better control effect.
【期刊名称】《兰州理工大学学报》
【年(卷),期】2012(038)006
【总页数】4页(P66-69)
【关键词】基于物理机理的PID控制;过热汽温;扰动;大迟延
【作者】马平;李奕杰
【作者单位】华北电力大学自动化系,河北保定071000;华北电力大学自动化系,河北保定071000
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
大迟延系统在工业生产过程中比较常见但又是难以控制的，一直是控制界关注的研究方向［1］.利用传统串级PID对实际系统进行控制的时候，得到理想的控制效果相当困难，难以保证控制品质［2］.而基于物理机理的PID控制可以很好地解决此问题.并且通过仿真实验与传统的串级PID控制效果比较，更能突显出基于物理机
理的PID控制的优势.
1 基于物理机理的PID控制
1.1 传统串级PID控制的缺陷
现在工程上针对大惯性大迟延系统往往采用串级PID控制.串级系统和简单系统有一个显著的区别，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；一个环在外面，被称为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足工艺要求［3］.
系统内回路整定后可约等于1，此时系统的震荡频率取决于系统的惰性区G01（s），而G01（s）仍然为具有较大迟延的对象，因此这种控制结构在负荷扰动下，系统超调量大、调节时间长的特性不能得到有效的改善.
1.2 基于物理机理的PID控制原理
对于大惯性大迟延系统基于物理机理的PID控制的控制策略主要基于被控对象和过程的物理机理，可以不需要复杂的计算和补偿环节，取消了串级控制回路，系统结构更加简单、有效，可适应大范围负荷变化的需要［4］.
基于物理机理的PID控制的系统原理如图1所示，其中K为调整因子，G01（s）为系统的惰性区，G02（s）为导前区.
图1 基于物理机理的PID控制系统结构Fig.1 Configuration of physical mechanism-based PID control system
系统构建了基于对象机理模型的局部反馈G′01（s），反馈与对象相关联，系统在本质上变成开环，消除了系统的震荡和超调.
系统的开环传递函数如下：
得出系统的特征方程为
代入式（1）以及系统的特征方程，得出：
当时，系统的特征方程转化为
则式（1）可简化为
化简后系统的原理图如图2所示.可以看出，系统的震荡频率取决于G02（s），而对于大惯性大迟延的系统，往往G02（s）的震荡频率比G01（s）小很多，调节对象成为快速响应对象而不再是大惯性对象，参数整定十分容易，系统的震荡频率减小，调节器的输出更加平和，调节器出现震荡的可能性大大减小，负荷扰动下，系统超调量大，调节时间长的特性得到了有效改善.
图2 基于物理机理的PID控制系统化简后方框原理图Fig.2 Simplified block diagram of physical mechanismbased PID control system
系统的误差传递函数为
得出系统的稳态误差为
将式（1，3，4）代入式（7）可得
当s→0时，GPID（s）→∞，1+GPID（s）G02（s）可以等效为GPID（s）G02（s），所以稳态误差为
g（s）是动态环节，可表示为，当s→0时，g（s）等于1，所以得出系统的稳态误差等于0.
2 基于物理机理的火电厂过热汽温控制设计
2.1 过热汽温对象特性分析
由火电厂主汽温在不同负荷下的被控对象传递函数［5］（见表1）即可以得出其
为大惯性、大迟延、非线性的系统，被控对象的传递函数随负荷的变化而改变.
目前电厂过热器调节方法主要采用喷水减温方法，过热蒸汽温度控制系统采用串级控制或导前汽温微分信号的双回路控制［6］.当工况变化大时，难以保证控制品质，因而考虑采用基于物理机理的PID汽温调节.
表1 不同负荷下的被控对象传递函数Tab.1 Transfer function of controlled object with different loads负荷/%导前区惰性区100 G02（s）=1.58
（14s+1）2 G01（s）= 2.45（15.8s+1）4 88 G02（s）=2.01（16s+1）2
G01（s）= 2.09（22.3s+1）4 62 G02（s）=4.35（19s+1）2 G01（s）= 1.83（28.2s+1）4 44 G02（s）=6.62（21s+1）2 G01（s）= 1.66
（39.5s+1）4
2.2 基于物理机理过热汽温结构设计
根据过热汽温的实际情况，得出基于物理机理的PID控制的过热汽温控制原理图
如图3所示，图3依然可以简化为图2的形式.其中，输入为过热器出口汽温设定
值Tsp，输出为过热器出口汽温Tout，实际工程中通过f（x）来实现K的取值，，K为G01（s）在不同负荷下的增益的倒数.
图3 过热汽温的基于物理机理的PID控制系统结构Fig.3 Configuration of physical mechanism-based PID control system for superheated steam temperature control
当G′01（s）与实际 G01（s）的特性充分接近时则整个动态调整过程基本维持恒定，整个汽温调节系统转换为以过热器进口汽温为对象的单回路系统［7］.模拟的过热器特性的G′01（s）随着负荷的改变会发生变化，即可以通过负荷与多容环节
时间常数的关系曲线实现不同负荷下的过热器的特性.
同时调整因子也随负荷的变动而发生改变.过热器特性的G′01（s）和调整因子并
不总是很准确的，但 Tout总能稳定到设定点［8］.
本文分别针对负荷为100%、88%、62%、44%的情况对被控对象进行研究.被控
对象传递函数见表1.
2.3 仿真研究
为了检验证明本文提出的控制策略的有效性和优越性，根据在不同负荷系统出现的不同扰动，做了两组扰动仿真实验，并和传统串级PID加入同样的扰动进行比较. 过热汽温基于物理机理的PID控制的系统原理如图3所示，因为G′01（s）模拟
的是过热器的特性，G′01（s）的模型为
在不同负荷下分别加入给定值扰动和调节量扰动，系统的响应曲线如图4和图5
所示，虚线为常规串级PID控制，实线为基于物理机理的PID控制.
图4 四种不同负荷下给定值扰动的响应曲线Fig.4 Curves of response of system with four different loads to definite-valued disturbance
图5 四种不同负荷下调节量扰动下的响应曲线Fig.5 Curves of response of system with four different loads to disturbance of adjusting magnitude
从仿真结果可以看出，相对于常规的PID控制策略，采用基于物理机理的PID控
制策略在出现调节量扰动时有更小的超调，并且调节时间要短.
本文在对负荷扰动进行研究时，将100%、88%负荷作为第一组，62%、44%负
荷作为第二组，即把100%负荷下的G01（s）换成88%负荷下的G01（s），88%负荷下的G01（s）换成100%负荷下的G01（s），观察控制效果的变化，第二
组做同样的研究，并与串级相同的扰动仿真，然后进行比较.系统的响应曲线如图
6所示，虚线为常规PID控制，实线为基于物理机理的PID控制.
图6 四种负荷扰动下不同负荷扰动下的响应曲线ig.6 Curves of system response to disturbance of four loads
从仿真结果可以看出，相对于常规的PID控制策略，采用基于物理机理的PID控
制策略在出现负荷扰动时有更小的超调，并且调节时间要短.
3 结论
本文针对大惯性、大迟延、非线性系统提出了一种基于被控对象和过程物理机理的PID控制策略，使其可以不需要复杂的计算和补偿环节，取消了串级控制回路，从而使系统结构更加简单和有效，可适应大范围负荷变化的需要.通过以火电厂主汽
温为被控对象的仿真，验证了基于物理机理的PID控制策略的有效性和较传统串
级PID控制的优越性.基于物理机理的PID控制策略不仅具有更小的超调量、更强的抗干扰能力和更好的自适应性，并且算法原理简单，使其可以方便地应用于工业控制中，具有很好的工业应用前景.
参考文献：
［1］李长更，刘友宽，苏杰.模型算法控制对大迟延系统的控制效果研究［J］.
仪器仪表用户，2010，17（4）：5-7.
［2］王丽珍.模糊PID控制器在过热汽温控制中的应用［J］.机械工程与自动化，2009（1）：129-131.
［3］金以慧，方崇智.过程控制［M］.北京：清华大学出版社，2009：112-114. ［4］夏明.超临界机组汽温控制系统设计［J］.中国电力，2006，39（3）：74-77.
［5］李建强，杨铎烔.基于灰色预估PID控制的过热汽温控制［J］.华北电力大学学报：自然科学版，2011，38（1）：71-74.
［6］车得福，庄正宁，李军，等.锅炉［M］.西安：西安交通大学出版社，2004：276-282.
［7］张华，孙奎明，张磊.热工自动化［M］.北京：中国电力出版社，2010：76-78.
［8］李致远.基于单神经元自适应PID的过热汽温控制系统研究［J］.工业控制计算机，2011，23（8）：65-66.。