基于自校正PID算法火电机组高加水位控制系统设计

《过程控制与自动化仪表》

课程设计报告

自动化 班级

学号

姓名

2013年6月

院系

电子与电气工程学院

专业

一、设计目的

二、高加水位自动控制系统的背景

在 在火力发电厂中， 高加系统作为主要的辅助设备， 对锅 炉给水进行加热通过省煤器直至供给汽包，给水温度的恒 定，直接关系到锅炉的热效率。每一次高加系统的解列，在 不增加煤量的情况下，导致降低负荷 30MW/h 左右，同时造 成给水温度骤降、引起汽包水位下降锅炉气压不稳定，严重 威胁锅炉的安全稳定运行。因此，为了保持高加水位在正常 范围内调节，保证高加系统稳定的投入运行，是机组安全稳 定运行的前提条件。

在当今的条件下用常规仪表可搭接成典型的单级单回

路调节系统，各环节全由硬件硬接线完成，它存在的缺点是 连接起来很复杂、故障点比较多、调节的品质不高、自动投 入率比较低。基地式高加水位调节仪的优点是测量和调节单 元合二为一，删减了多余的连接部件和电缆，且不存在电磁 干扰的问题；缺点是它比较容易进入不正常的状态，它的气 路复杂、漏点故障点多。它对气源的要求非常高，灰尘和油 污会使调节部件的节流孔堵塞而使调节失灵，气源带水会使

基于自校正

PID 算法的火电机组高加水位控制系统设计

1. 熟悉自校正 PID 控制原理

2. 了解自校正 PID 算法对控制效果的影响

3. 学会如何用 MATLAB 编程实现对控制系统进行仿真研究

调节部件腐蚀失灵，在冬天甚至会发生结冰冻裂的现象。

高加水位控制系统被控对象动态模型:

Ste P Response

图2.1被控对象动态模型阶跃响应曲线

三、自校正PID控制设计方案

在生产过程自动控制的历史发展中，PID控制是历史最

久、生命力最强的基本控制方式。由于PID控制具有原理简单、使用方便、适应性强、鲁棒性强等特点，所以在电力生产过程中得到了广泛的应用。大型火力发电厂在我国电力工业中占有主要地位，大型火力发电机组具有效率高、自动化水平高等特点。

随着社会的进步和生产技术水平的提高，人们对自动控

制技术所提出的要求也越来越高，自校正PID控制应运而生。

F面在介绍常规PID控制与自适应PID控制的基础上，通过比较提出自校正PID控制方案。

1.常规PID 控制原理 理想连续PID 控制作用的控制规律可用下式来描述

心+ 5^」严M+几晋.

:e(t)为输入偏差；u(t)为控制过程输出；Kp 为比例增益;Ti

为了能使计算机对上式进行计算， 必须将连续的PID 控

制算法转化成离散的 PID 控制算法.设采样周期为Ts ，每经 过一个采样周期进行一次数据采样、控制运算和数据输出。

离散PID 控制算法可由连续理想

PID 控制算法直接经离散化 导出。 u (k ) _

g o + gh 1+g 2Z-2 e(k) " 1 - z-1

上式可表示为：F(z —1)u(k)二

R(zT)y r (k)- G(^1

)y(k) F(z —1) = 1 - z" ； R(Z A G(Z 1)7 + qz 1

+

gz 2。 式中

为积分时间；Td 为微分时间。

在火力发电厂中 控制器离散时间传递函数为: 其中 图3.1常规PID 控制器框图

2.自校正PID控制原理

自校正PID控制是自校正控制思想与常规PID控制相结

合的产物，吸收了2者的优点，不仅需要调整的参数少，而且能够根据对象特性的变化在线修改这些参数，从而增强了控制器的自适应能力。

自校正PID控制器的设计思路是:

以式F(z1 )u(k) R(-Z r)y (-k) G(z )为控制器

基本形式，引入递推算法估计对象参数，并将估计结果按极点配置法进行控制器参数的设计。

设被控对象为：A(z—1)y(k)= zdB(z—1)u(k)+e(k)( 1)

其中：u(k)为输入，y(k)为输出，e(k)为外部扰动，延时，且

I A(z"1^ V a^—1+ a2^2

lB(zj)= b o + ^2“ + b2z—2+...+

b n b z—nb

对系统采用PID控制，为了消除常值干扰，控制器必须

有积分作用。此时，对应的PID控制器可表示为：

d > 1为纯

F i(zT)u(k) R(zj)y r(k)- G(zT)y(k)(2)

F (z—1)

4G (zT) 且丨_1 [R (z 1) g 0 " g 1 z -1+

G (1) = g。+

+ f

z

—n f

'n f乙

—2

g z

图3.2自校正控制系统框图

图中,y(k)为输出，u( k )为控制量，r(k)为给定值，v (k )

为干扰。图中的“被控对象”为考虑了采样器和零阶保持器 在内的离散化了的离散时间系统，虚线框内各部分实际上均 为计算机的程序。“参数估计器”根据输入、输出得到对象 模型未知参数的估计值 致k)，“控制器参数计算”根据致k)计 算控制器参数。“控制器”再用新的控制参数计算控制量。

3、火电机组高加水位控制系统自校正

PID 控制设计方案 在控制方案上，一般采用常规的 PID 控制。国内不少电

将(2)式代入(1)式得闭环系统输出为:

y(k)=——BR ^y r (k- d)+ — AF 「z —d BG AR -d BG e (k

)

令闭环多项式为期望传递函数分母多项式，即

AF 1 + Z d BG = A m

(3 )中 进行求解；当

A(z )、B(z —)参数未知时，

控制算法。 F 、G 的参数可利用 MATLAB

函数 diop hantine 需要采用自校正 rl

— 控制器 控制器参数计算

rr

参数估计器

被控对象