电厂热工过程控制中智能PID控制器的应用探讨

高升

山东宏桥新型材料有限公司   山东省滨州市邹平市    256200

摘要：从电厂热工过程控制的实践操作来看，一般PID控制器无法应对电厂复杂的动力结构，建构出精准而完善的数学模型，实现对各个动力系统的有效控制，因此在实际应用中具有很大的局限性，无法适应当前日趋复杂的电厂内部结构，因此必须对一般PID控制器进行优化，从而拓宽该技术的应用领域。

关键词：电厂；热工过程；智能PID控制器；应用

1PID参数整定方法

1.1稳定边界法

设积分时间Ti=∞,微分时间Td=0,使控制器工作在纯比例情况下，设置比例增益由小逐渐变大，使系统的输出响应呈现等幅振荡。稳定边界法应用简单便捷，但该方法存在使用局限：从工艺上看，首先算法要求被控变量能够承受等幅振荡的波动；其次要求被控对象应为二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在纯比例环节控制下，系统无法出现等幅振荡状态，即无法获取PID控制器参数整定结果。

1.2衰减曲线法

闭环控制系统中，在纯比例控制器作用下由大到小不断调节比例增益Kc,并添加阶跃扰动信号观察输出响应的衰减过程，直至出现4∶1衰减响应曲线。此时比例增益Kc称为4∶1衰减比例增益，用Ks表示，相邻两波峰间的距离称为4∶1衰减周期Ts。

1.3科恩-库恩反应曲线法

反应曲线法对比值τ/T较为敏感，科恩-库恩基于相同模型进行深入研究，给出了与比值τ/T具有一定相关性的另外一组整定公式，称为科恩-库恩反应曲线法(简称CC方法),该公式对于不同的τ/T比值，具有较好的一致性。

1.4现场试凑法

试凑法是根据系统响应情况不断调整PID控制器参数的方法。此方法在观察响应曲线的同时不断调整PID控制器的参数，直到获得满意的控制效果为止。

通常来讲，增大比例增益Kc会加快系统的响应速度，提高系统的快速性，但过大的比例增益会使系统超调过大，甚至产生振荡导致系统稳定性降低，并且过大的比例增益可能导致系统存在较大的误差。减小积分时间Ti使得积分作用增强，系统的静差减小，并且有利于缩短系统消除静差所需的时间，但过大的积分时间，会导致超调变大，使系统的稳定性降低。增加微分时间Td使得系统的响应速度加快，响应提前，进而减少超调，但会导致系统抑制干扰的能力变差，另外整定不当反而会使系统处于不稳定状态。因此，试凑时一般根据比例增益Kc、积分时间Ti和微分时间Td参数的特点，对系统可调参数实施先比例、后积分、再微分的整定步骤。

2PID控制原理算法

2.1比例控制算法

先说PID中最简单的比例控制，抛开其他两个不谈。还是用一个经典的例子，假设有一个水缸，最终的控制目的是要保证水缸里的水位永远的维持在1米的高度。假设初试时刻，水缸里的水位是0.2米，那么当前时刻的水位和目标水位之间是存在一个误差的error,且error为0.8。这个时候，假设旁边站着一个人，这个人通过往缸里加水的方式来控制水位。如果单纯的用比例控制算法，就是指加入的水量u和误差error是成正比的。即u=kp*error,假设kp取0.5,那么t=1时(表示第1次加水，也就是第一次对系统施加控制),那么u=0.5*0.8=0.4,所以这一次加入的水量会使水位在0.2的基础上上升0.4,达到0.6。接着，t=2时刻(第2次施加控制),当前水位是0.6,所以error是0.4。u=0.5*0.4=0.2,会使水位再次上升0.2,达到0.8,如此这么循环下去，就是比例控制算法的运行方法，可以看到，最终水位会达到我们需要的1米。但是，单单的比例控制存在着一些不足，其中一点就是稳态误差!

像上述的例子，根据kp取值不同，系统最后都会达到1米，不会有稳态误差。但是，考虑另外一种情况，假设这个水缸在加水的过程中，存在漏水的情况，假设每次加水的过程，都会漏掉0.1米高度的水。仍然假设kp取0.5,那么会存在着某种情况，假设经过几次加水，水缸中的水位到0.8时，水位将不会再变换!!!因为，水位为0.8,则误差error=0.2.所以每次往水缸中加水的量为u=0.5*0.2=0.1.同时，每次加水缸里又会流出去0.1米的水!!!加入的水和流出的水相抵消，水位将不再变化!也就是说，如果目标是1米，但是最后系统达到0.8米的水位就不在变化了，且系统已经达到稳定。由此产生的误差就是稳态误差了。(在实际情况中，这种类似水缸漏水的情况往往更加常见，比如控制汽车运动，摩擦阻力就相当于是“漏水”,控制机械臂、无人机的飞行，各类阻力和消耗都可以理解为本例中的“漏水”),所以，单独的比例控制，在很多时候并不能满足要求。

2.2积分控制算法

还是用上面的例子，如果仅仅用比例，可以发现存在暂态误差，最后的水位就卡在0.8了。于是，在控制中，再引入一个分量，该分量和误差的积分是正比关系。所以，比例+积分控制算法为：u=kp*error+ki*∫error。

还是用上面的例子来说明，第一次的误差error是0.8,第二次的误差是0.4,至此，误差的积分(离散情况下积分其实就是做累加),∫error=0.8+0.4=1.2.这个时候的控制量，除了比例的那一部分，还有一部分就是一个系数ki乘以这个积分项。由于这个积分项会将前面若干次的误差进行累计，所以可以很好的消除稳态误差(假设在仅有比例项的情况下，系统卡在稳态误差了，即上例中的0.8,由于加入了积分项的存在，会让输入增大，从而使得水缸的水位可以大于0.8,渐渐到达目标的1.0.)这就是积分项的作用。

2电厂热工过程控制中智能PID控制器的应用

电厂热过程中的温度不超过压力、流量和液位等受控变量的控制，因为温度传输具有滞后性。其中，它涉及到对象的特性，如纯滞后和容量滞后。前者一般是指材料在工艺段中传输所需的时间，而后者一般是指在材料连续通过多个容器后，受控对象的热交换和稳定信号的建立所需要的时间。清楚的一点是，温度的真实值不能立即反映出来，而真实值只能在稍后显示。

在温度闭环控制中，采用PID温度控制器来解决这一问题。关键是在PID中使用d（微分控制），微分控制的作用是超前控制。假设有一个材料温度需要控制，并且希望控制在35℃（35℃是目标值）。PID控制包括P、PI、PD、PID等控制。考虑到被控变量是温度，有必要选择PID控制。

当温度传感器检测到温度时，此时获得的温度值将与目标值（35°）进行比较，然后控制器判断快速做出处理判断，并向执行器发送信号以调整温度。此时，将获得一个新的动态温度稳态值，温度传感器将该值的信号发送给控制器，与目标值进行比较，以获得残值，因此需要i积分控制进行干预，在处理和判断后，温度控制器再次向执行器发送信号以调整温度。在达到新的动态稳定性后，新的稳态值被传输到控制器。与目标值比较后，控制仍不理想，需要D微分控制的干预。因此，PID参数整定是一个乏味的过程。有时需要花费大量精力来提高控制质量并找到理想的三个PID控制参数。

为了实现温度控制在35°左右的动态稳定性，需要调整PID参数。首先是比例，然后是积分，最后是微分。温度控制器可以自动或手动设置PID。

结论

总体说来，PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。但是，PID也不是全能的。很重要的一点是因为，PID控制器主要适用于基本上线性，且动态特性不随时间变化的系统，但是对复杂非线性系统和复杂信号追踪，还是有局限性的。

参考文献：

[1]刘志远，吕剑虹，陈来九.智能PID控制器在电厂热工过程控制中的应用前景[J].中国电机工程学报，2002(8):129-135.

[2]张鑫，尚坤，卢红强.智能PID控制器在电厂热工过程控制中的应用[J].产业与科技论坛，2016,15(4):65-66.

[3]赵鑫.电厂热工过程控制中智能PID控制器的应用研究[J].民营科技，2018(9):62.