热工自动控制系统PID参数的优化整定及其应用研究
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摘要
近几年来，随着电力行业运行机制的改革，电力企业单元机组运行的安全性和经济性越来越重视。热工控制系统的性能对机组运行的安全性和经济性都有着直接的影响，尤其是对负荷变动较为频繁的机组。在控制系统结构一定的条件下，控制系统的性能在很大程度上取决于对控制系统控制器参数的整定。
目前，电厂热工自动控制系统普遍采用PID控制器。论文根据热工过程的特点，对PID控制器参数的优化整定问题进行了研究，其主要内容及进展为：
1．研究了有自平衡能力、无自平衡能力和稳态为零的三类典型的热工过程的传递函数模型的求取方法，并在此基础上开发了相应的应用软件。仿真研究结果表明，所开发的软件是有效的。为进一步基于传递函数模型进行PID参数优化整定提供了前提条件。
2．针对热工过程的特点，研究了单回路控制系统、串级控制系统、前馈-反馈控制系统和2×2多变量控制系统的PID参数整定方法，并在此基础上提出了以上述各系统的PID参数整定值作为初始参数值，采用单纯形算法对PID参数进行寻优的PID参数优化整定方案，并开发了相应的PID参数优化整定软件。对2×2多变量控制系统的PID参数优化整定进行了仿真研究，结果表明，所开发的PID参数优化整定软件是有效的。
3．对某电厂300MW直流机组锅炉过热汽温控制系统的参数优化整定进行了应用研究。首先通过现场试验获取过热汽温过程的阶跃响应曲线，再根据试验得到的过程阶跃响应数据求取相应过程的传递函数模型；然后，根据传递函数模型进行控制系统PID参数的优化整定；最后，对优化前后的控制系统性能进行了仿真研究。为优化整定结果在实际控制系统中的应用，提供了可靠的依据和保证。
With the development of the power industry, the safety and economy of the boiler turbine generator units become more and more important. The performance of the control systems of units directly influences the safety and economy of units. For fixed structure control system, its performance depends on the adjustment of controller parameters.
At present, the PID controller is widely used in thermal processes control in power plants. This dissertation studies on the problem of the PID parameters optimal adjustment according to the character of thermal processes. The main content include:
1. The identification methods of transfer function are studied for three kinds of typical thermal processes. The related identification soft is developed. Simulations are carried out to show that the developed soft is valid.
2. The PID parameters adjustment methods are studied for single loop- control sy stems ^ cascade control systems , feed forward back forward control systems and 2*2 multivariable control systems according to the character of thermal processes control. The optimal adjustment strategy of using simple shape algorithm to search the optimal PID parameters with the initial PID parameter values obtained by related adjustment methods is proposed. The optimal adjustment soft is developed also. Simulations for 2*2 multivariable control systems parameter adjustment are carried out. The results show that the proposed optimal adjustment strategy and the related soft are valid.
3. The application study is carried out for the PID parameter optimal adjustment for the boiler steam temperature control system of a power plant. First, the step response of the steam temperature process is obtained by experimentation, and the transfer function of the controlled process is calculated out using the step response data of the process. Then, the PID parameters of the control system are optimized using the obtained process transfer function. Finally, simulations are carried out to show the performance of the optimization-before system and optimization-after system. The results provide reliable guarantee for the optimization results to be used in real control system.
目前，电厂热工自动控制系统普遍采用PID控制器。论文根据热工过程的特点，对PID控制器参数的优化整定问题进行了研究，其主要内容及进展为：
1．研究了有自平衡能力、无自平衡能力和稳态为零的三类典型的热工过程的传递函数模型的求取方法，并在此基础上开发了相应的应用软件。仿真研究结果表明，所开发的软件是有效的。为进一步基于传递函数模型进行PID参数优化整定提供了前提条件。
2．针对热工过程的特点，研究了单回路控制系统、串级控制系统、前馈-反馈控制系统和2×2多变量控制系统的PID参数整定方法，并在此基础上提出了以上述各系统的PID参数整定值作为初始参数值，采用单纯形算法对PID参数进行寻优的PID参数优化整定方案，并开发了相应的PID参数优化整定软件。对2×2多变量控制系统的PID参数优化整定进行了仿真研究，结果表明，所开发的PID参数优化整定软件是有效的。
3．对某电厂300MW直流机组锅炉过热汽温控制系统的参数优化整定进行了应用研究。首先通过现场试验获取过热汽温过程的阶跃响应曲线，再根据试验得到的过程阶跃响应数据求取相应过程的传递函数模型；然后，根据传递函数模型进行控制系统PID参数的优化整定；最后，对优化前后的控制系统性能进行了仿真研究。为优化整定结果在实际控制系统中的应用，提供了可靠的依据和保证。
With the development of the power industry, the safety and economy of the boiler turbine generator units become more and more important. The performance of the control systems of units directly influences the safety and economy of units. For fixed structure control system, its performance depends on the adjustment of controller parameters.
At present, the PID controller is widely used in thermal processes control in power plants. This dissertation studies on the problem of the PID parameters optimal adjustment according to the character of thermal processes. The main content include:
1. The identification methods of transfer function are studied for three kinds of typical thermal processes. The related identification soft is developed. Simulations are carried out to show that the developed soft is valid.
2. The PID parameters adjustment methods are studied for single loop- control sy stems ^ cascade control systems , feed forward back forward control systems and 2*2 multivariable control systems according to the character of thermal processes control. The optimal adjustment strategy of using simple shape algorithm to search the optimal PID parameters with the initial PID parameter values obtained by related adjustment methods is proposed. The optimal adjustment soft is developed also. Simulations for 2*2 multivariable control systems parameter adjustment are carried out. The results show that the proposed optimal adjustment strategy and the related soft are valid.
3. The application study is carried out for the PID parameter optimal adjustment for the boiler steam temperature control system of a power plant. First, the step response of the steam temperature process is obtained by experimentation, and the transfer function of the controlled process is calculated out using the step response data of the process. Then, the PID parameters of the control system are optimized using the obtained process transfer function. Finally, simulations are carried out to show the performance of the optimization-before system and optimization-after system. The results provide reliable guarantee for the optimization results to be used in real control system.
引文
1 陈来九．热工过程自动调节原理和应用．水利电力出版社，1982
2 涂健等．控制系统的数字仿真与计算机辅助设计．华中工学院出版社，1985
3 方崇智等．过程数学模型的建立方法—综合介绍．自动化与仪器仪表，11，1，1984
4 方崇智等．过程辨识．清华大学出版社，1988
5 孙万云等．330MW机组协调控制系统改造的工程设计．中国电力，7，1988
6 张法文等．热工过程控制系统分析设计和调试．中国电力出版社，1997
7 李遵基．热工自动控制系统．中国电力出版社，1997
8 谷俊杰等．调峰机组过热汽温控制．动力工程，4，1996
9 张栾英等．火电厂燃烧系统全程解耦控制．华北电力学院学报，1，1995
10 孙万云等．330MW机组协调控制系统分析与实验研究．华北电力学院学报，2，1995
11 张栾英等．钢球磨煤机自寻最优控制．中国电力，3，1993
12 张栾英等．国产300MW机组给水全程控制系统．华北电力学院学报，4，1994
13 刘吉臻．协调控制与全程控制．水利电力出版社，1995
14 任兴权等．控制系统计算机仿真与辅助设计．东北工学院出版社，1986
15 王常力等．集散型控制系统的设计与应用．清华大学出版社，1993
16 Mac Farlance,A. G. J.. A design method techniques for linear multivariable feedback system. Int. J. Control, 25, 1977, 837-874
17 魏晓东．分散型控制系统．科学技术文献出版社，1991
18 范从振．锅炉原理．水利电力出版社，1986
19 章臣樾．锅炉动态特性及其数学模型．水利电力出版社，1987
20 高镗年．热工控制对象动力学．水利电力出版社，1986
21 汪健等．数字仿真研究电站设备的动态特性．计算机仿真，2，1989
22 Astrom, K. J.. Practical experience of adaptive techniques. Proc. Of ACC, 1990, 1599-1606
23 朱春钟．热工自动化技术的现状与展望．火电厂热工自动化，3，1999
24 王金华等．工业控制系统的现状与展望．中国电力，1，1998
25 李勤等．制粉系统为直吹制的锅炉过热汽温控制方法的研究．中国电机工程学报，12，1，1992，53-56
26 徐书松等．制粉系统为风扇磨直吹制的锅炉主汽压自控系统研究．中国电机工程学报，10，4，1990
27 吕剑虹等．智能PID控制器的设计及其应用．动力工程，15，4，1995，6-9
28沈炯等．单元机组负荷控制系统的在线自整定．中国电机工程学报，14，2，1994，13-19
29沈炯等．一种协调控制系统的频域设计及自整定方法．中国电机工程学报，13，2，1993，125-129
30沈炯等．基于智能解耦的协调控制系统参数自整定．中国电机工程学报，13，4，1993，14-19
31曹晕等．PID参数自整定专家系统．化工自动化及仪表，17，5，1990，5-9
32Astrom, K.J.. Towards intelligent PID control. Automatica28, 1982, 1-9
33王锦标等．过程计算机控制．清华大学出版社，1992
34Clarke,D.W.. PID algorithms and their computer implementation. Trans. Inst. M.C., 6, 1985, 305-316
35刘晨辉．多变量过程控制系统解耦理论．水利电力出版社，1984
36白方周等．多变量频域理论与设计技术．国防工业出版社，1988
37薛履中．工程最优化技术．天津大学出版社，1988
38孙增析．计算机控制理论及应用．清华大学出版社，1989
39孙增析等．控制系统的计算机辅助设计．清华大学出版社，1988
40徐用茂等．工业过程模型化及控制．清华大学出版社，1991
2 涂健等．控制系统的数字仿真与计算机辅助设计．华中工学院出版社，1985
3 方崇智等．过程数学模型的建立方法—综合介绍．自动化与仪器仪表，11，1，1984
4 方崇智等．过程辨识．清华大学出版社，1988
5 孙万云等．330MW机组协调控制系统改造的工程设计．中国电力，7，1988
6 张法文等．热工过程控制系统分析设计和调试．中国电力出版社，1997
7 李遵基．热工自动控制系统．中国电力出版社，1997
8 谷俊杰等．调峰机组过热汽温控制．动力工程，4，1996
9 张栾英等．火电厂燃烧系统全程解耦控制．华北电力学院学报，1，1995
10 孙万云等．330MW机组协调控制系统分析与实验研究．华北电力学院学报，2，1995
11 张栾英等．钢球磨煤机自寻最优控制．中国电力，3，1993
12 张栾英等．国产300MW机组给水全程控制系统．华北电力学院学报，4，1994
13 刘吉臻．协调控制与全程控制．水利电力出版社，1995
14 任兴权等．控制系统计算机仿真与辅助设计．东北工学院出版社，1986
15 王常力等．集散型控制系统的设计与应用．清华大学出版社，1993
16 Mac Farlance,A. G. J.. A design method techniques for linear multivariable feedback system. Int. J. Control, 25, 1977, 837-874
17 魏晓东．分散型控制系统．科学技术文献出版社，1991
18 范从振．锅炉原理．水利电力出版社，1986
19 章臣樾．锅炉动态特性及其数学模型．水利电力出版社，1987
20 高镗年．热工控制对象动力学．水利电力出版社，1986
21 汪健等．数字仿真研究电站设备的动态特性．计算机仿真，2，1989
22 Astrom, K. J.. Practical experience of adaptive techniques. Proc. Of ACC, 1990, 1599-1606
23 朱春钟．热工自动化技术的现状与展望．火电厂热工自动化，3，1999
24 王金华等．工业控制系统的现状与展望．中国电力，1，1998
25 李勤等．制粉系统为直吹制的锅炉过热汽温控制方法的研究．中国电机工程学报，12，1，1992，53-56
26 徐书松等．制粉系统为风扇磨直吹制的锅炉主汽压自控系统研究．中国电机工程学报，10，4，1990
27 吕剑虹等．智能PID控制器的设计及其应用．动力工程，15，4，1995，6-9
28沈炯等．单元机组负荷控制系统的在线自整定．中国电机工程学报，14，2，1994，13-19
29沈炯等．一种协调控制系统的频域设计及自整定方法．中国电机工程学报，13，2，1993，125-129
30沈炯等．基于智能解耦的协调控制系统参数自整定．中国电机工程学报，13，4，1993，14-19
31曹晕等．PID参数自整定专家系统．化工自动化及仪表，17，5，1990，5-9
32Astrom, K.J.. Towards intelligent PID control. Automatica28, 1982, 1-9
33王锦标等．过程计算机控制．清华大学出版社，1992
34Clarke,D.W.. PID algorithms and their computer implementation. Trans. Inst. M.C., 6, 1985, 305-316
35刘晨辉．多变量过程控制系统解耦理论．水利电力出版社，1984
36白方周等．多变量频域理论与设计技术．国防工业出版社，1988
37薛履中．工程最优化技术．天津大学出版社，1988
38孙增析．计算机控制理论及应用．清华大学出版社，1989
39孙增析等．控制系统的计算机辅助设计．清华大学出版社，1988
40徐用茂等．工业过程模型化及控制．清华大学出版社，1991