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+ a2^2lB(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。

++ fz—n f'n f乙—2g 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厂采用这种控制方案后，往往会出现当高加水位投入自动运 行时，使高加水位产生大幅度的波动而无法长期投入自动运 行的情况。

从控制的角度来看，整个被控对象有较大的滞后，常规的PID 控制规律较难取得理想的品质， 原因是对大滞后对象， PID 调节器的参数必须整定得很慢，才能够确保整个闭环系 统是稳定的。

针对这一情况，提出自校正 PID 控制设计方案。

图3.3高加水位自校正 PID 控制系统框图高加水位自动控制系统的组成:过程变量：高加实际水位，调节器：自校正PID ，执行机构:气动执行器。

当高加水位变送器 LT 测量到水位信号，进 入自校正PID 控制系统，在自校正PID 调节器与给定值进行比较，经过 PID 作用，输出4 一 20mA 信号,换器的转换，将电信号转换成气压信号，控制气动执行器的 开关，实现水位的自动调节。

从高加水位控制系统的组成分析，如何测量高加水位是 技术的关键。

因为咼加是一个咼温咼压、 参数变化快的设备， 因此，水位只是使用差压测量，一定存在着较大偏差，必须 对它进行温度和压力的补偿，对高加物理结构进行分析，高 压加热器可以分为 3段：过热蒸汽冷却段、凝结段和疏水冷 却段，水位测量装置安装在凝结段。

如此一来，水位补偿就可以按凝号,结段进行补偿。

凝结段的压力可以认为是抽汽压力，以抽汽压力为变量，按照高加的额定抽汽压力，选取几个有代表性的点，做一个饱和水密度的函数：P1=f（p抽）再以抽汽压力为变量换算出饱和温度，做出对饱和蒸汽密度的函数：P2 =f（P 抽），作为温度补偿。

经过压力补偿后的高加水位比较接近高加实际水位，准确的测量水位，为高加水位自动的投入提供了必要的条件。

过热蒸汽冷却段）凝结段I疏水冷却段图3.4高加物理结构图3.5高加水位测量示意图高加液位正常运行时有一定波动且液位高度小，不易控制，为了提高测量精度，采用由德国SIMENS公司所生产的智能变送器（型号为LD301D211-001 ）进行测量，并且把测量结果加以运算输出一个调节信号去控制疏水阀的开度。

若气动调节阀采用气动定位器，则阀门定位难，且只能进行全开全关，调节性较差，故采用SIMENS公司生产专用电气转换器（型号为BET11-F123-4 ），该定位器具有反馈功能和低气压闭锁功能（当气源压力低于某一定值时，闭锁阀门动作，该定值由用户自己设定），气动调节阀能可靠的定位于任意位置，使液位控制准确可靠。

四、控制系统仿真效果如图4.1所示。

20y r (t) y(t)-10由图4.1可以看出，常规 PID 算法对于本系统的控制效果良好，但PID 控制器参数不易整定。

被控对象动态模型:-s e s(s+ 1)1.取采样周期T s = 0.5 s ，期望输出 y r (k)为幅值为10的方波信口 号,采用增量式PID 控制算法，其中 k p =0.4、K = 0、k d =1，其10图4.1增量式PID 控制-20 ----- 1 ----- ------ « ---- ------ ------ ------ ------ ----- » ----- 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200t2.离散后的被控对象模型 y(k) -1.606申(k -1) + 0.606申(k - 2) = 0.1065k -3) + 0.0902j(k- 4) + e(k) 式中e(k)=2为常值干扰。

期望传递函数分母多项式为A m (z' b^1.320Z-1+ 0.4966~^取初值P(0)= 1(fI 、致0)=0.001遗忘因子--1 ;期望输出y r (k)为幅值为10的方波信号，采用自校正控制间接 算法，仿真结果如图4.2所示。

图4.2自校正PID 控制间接算法口号, 2010、k ry-1020-40—y(-y(k)(a)控制效果b计 估 数参0.O.C'50「1111111 ___________________________________0 50 100 150 200 250 300 350 400k(b )对象参数估计结果-2(50100150 200 250 300 350 400 k-2 ----------- 1 ---- > ---- ■ --- ■ --- ■ --- -----0 50 100 150 200 250 300 350 400k—b—' b五、总结短短一周的控制系统课程设计结束了，在这个过程中，我学习和锻炼了好多。

把PID 控制和自校正PID 控制又进行了巩固和学习。

首先，对课题进行了分析：如对象、模型、设计控制器等等。

课题主要采用自校正PID 控制器做主调节器，将自校正控制和PID 控制相结合，这种方法不需要预先知道对象的精确模型，而且其设计思想和结构也易于被了解和操作为了解火电机组高加水位控制系统，我去图书馆查阅了相关资料，发现与之相关的资料很少，但大体对其有了一定的了解。

后来学习了软件设计方面的书籍《MATLAB^真》。

在网上下载了软件，然后进行设计方案的仿真，总体感觉收论研究关于实验的原理、方案之间的优缺点等方面的内容，充分体现了团队合作精神。