[发明专利]火电厂热工系统中基于时间量度的PID控制器的优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在火电厂热工系统中,基于时间量度的无模型PID控制器的优化整定设计方法，设计中应用了黄金分割优化方法，与其它应用黄金分割优化方法设计PID控制器参数不同的是，本发明设计方法不需要被控制对象的数学模型，以及增加对前置系数K_f的设计，这是本发明设计方法的主要特点。它应用于火电厂热工系统控制,属于自动控制技术领域。

背景技术

在工业中,PID控制器是应用最广泛的控制器。通常，工程师设计PID控制器，需要知道被控对象的精确模型，但是在实际工程中，精确模型往往很难获得。在无模型的情况下,设计和整定PID控制器参数是一项复杂的调试过程,如果现场的工程技术人员不了解被控对象的特性,不适当的调试方法可能使系统发散,引发生产事故,这种调试过程是一项费时费力的工作,还不一定能够获得满意的控制品质。本发明设计了基于系统时间量度概念的无模型PID控制器的设计和整定方法，它能够较好较快地完成调试过程,并且能够获得满意的控制品质。程序中应用了黄金分割优化方法，与其它应用黄金分割优化方法设计PID控制器参数不同的是，本方法不需要被控制对象的数学模型，以及增加通过对前置系数K_f的设计，这是本发明设计方法的主要特点。

发明内容

现代控制系统中的控制器都是应用计算机实现的,每个控制系统都有一定的控制周期(或者采样周期)t_s,t_s是与计算机的主频率相关的。

定义：一个模拟量控制系统在其控制(运行)周期t_s确定的情况下，控制指令(一般是阶跃信号)发出后，系统在没有超过控制指令值的情况下，快速平稳完成(达到)控制指令值的时间T＝nt_s。其中T是系统无超调过渡过程时间，n是控制系统的时间量度。

本发明基于系统时间量度概念的无模型PID控制器的设计和整定方法，就是根据控制系统的控制周期(或者采样周期)t_s而出发的。

基于时间量度的PID控制器参数整定设计步骤

步骤一：在被控对象不包含不稳定的极点和纯滞后时间,由PID控制器构建的控制系统中，PID控制器的积分时间T_i≈(1/6～1/3)nt_s，其中n是控制系统的时间量度。设被控对象为G(s),

如果经过PID补偿后的开环系统Q(s)＝G(s)G_PID(s)≈1/T_is，则闭环系统H(s)＝1/(T_is+1)，这个系统完成控制指令(阶跃信号)的时间T≈6T_i。

如果经过PID补偿后的开环系统(大多数情况下，开环系统的传递函数可以与此等价)：

Q(s)＝G(s)G_PID(s)＝1/(cs²+ds)＝1/(T_is(T_is/4+1))

由于系统无超调，阻尼系数ζ＝1，则c＝1/w²，d＝2/w，T_i＝d。闭环系统H(s)＝1/(cs²+ds+1)，完成控制指令的时间T≈7/w，则T_i≈(2/7)T。

式中符号说明如下：T≈7/w,w是系统无阻尼震动频率。

这是本发明设计PID控制器中积分时间的根据。

传统的PID控制器的传递函数为:G_PID(s)＝K_p+K_i/s+K_ds

步骤二：本发明改进的PID控制器的传递函数为:

G_PID(s)＝K_f(K_p+K_i/s+K_ds/(T_ds+1))(1)

其中K_f,T_d的作用是非常重要的,选择合适的K_f可以对大纯滞后系统的PID控制器设计取得事半功倍的作用。