[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

摘要

一种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，在不完全知道被控对象数学模型的情况下，PID控制器的传递函数为GPID(s)＝Kf(Kp+Ki/s+Kds/(Tds+1))；设计整定第一步是设置PID控制器Kp,Ti,Kd的参数范围,应用黄金分割法确定Kp,Ti,Kd的数值；设计整定第二步是观察在第一步设置PID控制器Kp,Ti,Kd的参数下，系统闭环输出，然后按照黄金分割法进行2—3次参数整定即可获得满意的控制效果。本发明能够较好较快的完成调试过程,并且能够获得满意的控制品质。

主权项

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，其特征在于：该方法具体步骤如下：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Ti≈(1/6～1/3)nts，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)GPID(s)≈1/Tis，则闭环系统H(s)＝1/(Tis+1)，这个系统完成控制指令即阶跃信号的时间T≈6Ti；如果经过PID补偿后的开环系统为Q(s)＝G(s)GPID(s)＝1/(cs2+ds)＝1/(Tis(Tis/4+1))由于系统无超调，阻尼系数ζ＝1，则c＝1/w2，d＝2/w，Ti＝d；闭环系统H(s)＝1/(cs2+ds+1)，完成控制指令的时间T≈7/w，则Ti≈(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；这是设计PID控制器中积分时间的根据，而传统的PID控制器的传递函数为:GPID(s)＝Kp+Ki/s+Kds；步骤二：改进的PID控制器的传递函数为:GPID(s)＝Kf(Kp+Ki/s+Kds/(Tds+1))   (1)其中Kf,Td的作用很重要,选择合适的Kf对大纯滞后系统的PID控制器设计很关键；Kf＝f(τ/tp)＝f(h)，h＝τ/tp；其中，τ是系统纯滞后时间，tp是在无纯滞后时间τ的情况下，系统的过渡过程时间，Kf是关于h的单调递减函数，0＜Kf≤1，当τ＝0时，Kf＝1；通过大量工程数据和曲线拟合的方法得到下面的公式：Kf＝f(τ/tp)Kf＝f(h)＝c0+c1h+c2h2+c3h3+c4h4+…，   (2)或者实践证明，当系数h＝τ/tp增大时，为了保证控制系统的稳定和品质，必须减小Kf；上面计算Kf公式的非线性，恰好补偿了被控制对象G(s)＝ke‑τs/(as2+bs+1)＝e‑τsG1(s)中非最小相位部分e‑τs对最小相位部分k/(as2+bs+1)的影响；把传统PID控制器中微分Kds改进为Kds/(Tds+1)，能够有效改进微分的冲击作用，通过Td的设置能够增加微分作用的时间，减少微分带来的干扰；步骤三：在不完全知道被控对象数学模型的情况下，若设控制系统的时间尺度为n,依据上述步骤，按照下面方法整定PID控制器参数；实际工程应用中，在分散控制系统DCS控制周期ts确定的情况下，这种PID控制器参数整定方法不需要知道被控对象的数学模型，只需大致确定系统的1个基本参数，即时间尺度n；系统完成控制指令的时间T在现场也容易得到T＝nts，这反映了控制工程师对被控系统特性的基本了解和认识，在火力发电厂对汽温、水位、汽压、负荷系统中，T是不同的；如果不能够估计出n,就只能根据系统的控制周期或者采样周期ts来进行优化设计；(1)如果能够估计出n,设置积分时间Ti＝nits，其中ni＝(1/6～1/3)n；如果不能够估计出n,设置积分时间Ti＝(60～200)ts,初步设定PID参数如下：PID控制器前置系数Kf＝1，比例系数Kp＝(0.3～1.5)，微分系数Kd＝0，微分时间Td＝(1～5)ts；为了防止系统输出出现大的波动,积分时间需要选择大一些,取Ti＝200ts,在Kp,Ti,Kd这组参数范围内去控制系统，能够保证被控量不会出现大的波动；应用黄金分割方法,在这组参数范围内确定一个Kp,Ti,Kd的值；(2)应用上述第一步设定的PID参数，如果被控对象输出比较慢，应用黄金分割法减少积分时间Ti，增加比例系数Kp，如果能够估计出n,设置Ti＝nts/(6～4.5)；应用上述第一步设定的PID参数，如果被控对象的输出太快且波动大，说明被控对象包含纯滞后时间环节，或者被控对象的阻尼系数ζ＜0.76，应用黄金分割法增加积分时间Ti，减少比例系数Kp，如果能够估计出n,设置Ti＝nts/(3.5～2.5)；如果被控对象的输出仍有波动，但波动有所减少，加进微分Kds/(Tds+1)作用Kd＝Ti/4，Td＝(1～5)ts；如果加进微分作用后，被控对象输出仍然有波动，减小Kf，取Kf＝0.1～0.7；(3)如果经过(1),(2)步设计仍然不能够获得满意的控制品质,需要回到第一步重新设置Kp,Ti,Kd的取值范围,重复(1)和(2)步的设计直到获得满意的控制品质；按照上述(1),(2)和(3)步的设计整定PID控制器参数,这种基于时间尺度的PID参数整定方法，在第(2)步中，改变Kf等价于同时改变了其它3个参数Kp,Ti,Kd。