火電廠熱工系統(tǒng)中基于時(shí)間量度的pid控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在火電廠熱工系統(tǒng)中，基于時(shí)間量度的無模型PID控制器的優(yōu) 化整定設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)中應(yīng)用了黃金分割優(yōu)化方法，與其它應(yīng)用黃金分割優(yōu)化方法設(shè)計(jì)PID 控制器參數(shù)不同的是，本發(fā)明設(shè)計(jì)方法不需要被控制對象的數(shù)學(xué)模型，以及增加對前置系 數(shù)Kf的設(shè)計(jì)，這是本發(fā)明設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)。它應(yīng)用于火電廠熱工系統(tǒng)控制，屬于自動(dòng) 控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)過程控中，PID控制器是應(yīng)用最廣泛的控制器。通常，工程師設(shè)計(jì)PID控制 器，需要知道被控對象的精確模型，但是在實(shí)際工程中，精確模型往往很難獲得。在無模型 的情況下，設(shè)計(jì)和整定PID控制器參數(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的調(diào)試過程，如果現(xiàn)場的工程技術(shù)人員 不了解被控對象的特性，不適當(dāng)?shù)恼{(diào)試方法可能使系統(tǒng)發(fā)散，引發(fā)生產(chǎn)事故，這種調(diào)試過 程是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，還不一定能夠獲得滿意的控制品質(zhì)。本專利申請發(fā)明和設(shè)計(jì)了 基于系統(tǒng)時(shí)間量度慨念的無模型PID控制器的設(shè)計(jì)和整定方法，它能夠較好較快的完成調(diào) 試過程，并且能夠獲得滿意的控制品質(zhì)。程序中應(yīng)用了黃金分割優(yōu)化方法，與其它應(yīng)用黃 金分割優(yōu)化方法設(shè)計(jì)PID控制器參數(shù)不同的是，本專利申請?jiān)O(shè)計(jì)方法不需要被控制對象的 數(shù)學(xué)模型，以及增加通過對前置系數(shù)K f的設(shè)計(jì)，這是本專利申請?jiān)O(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 現(xiàn)代控制系統(tǒng)中的控制器都是應(yīng)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)控制系統(tǒng)都有一定的控 制周期（或者采樣周期）t s，、是與計(jì)算機(jī)的主頻率相關(guān)的。
[0004] 定義：一個(gè)模擬量控制系統(tǒng)在其控制（運(yùn)行）周期ts確定的情況下，控制指令（一 般是階躍信號(hào)）發(fā)出后，系統(tǒng)在沒有超過控制指令值的情況下，快速平穩(wěn)完成（達(dá)到）控制 指令值的時(shí)間T = nts。其中T是系統(tǒng)無超調(diào)過渡過程時(shí)間，η是控制系統(tǒng)的時(shí)間量度。
[0005] 本專利申請發(fā)明和設(shè)計(jì)的基于系統(tǒng)時(shí)間量度慨念的無模型PID控制器的設(shè)計(jì)和 整定方法，就是根據(jù)控制系統(tǒng)的控制周期（或者采樣周期）t s而出發(fā)的。
[0006] 基于時(shí)間量度的PID控制器參數(shù)整定設(shè)計(jì)步驟
[0007] 步驟一：在被控對象不包含不穩(wěn)定的極點(diǎn)和純滯后時(shí)間，由PID控制器構(gòu)建的控 制系統(tǒng)中，PID控制器的積分時(shí)間T 1^ (1/3~1/6)nt s其中η是控制系統(tǒng)的時(shí)間量度。設(shè) 被控對象為G(s)，如果經(jīng)過PID補(bǔ)償后的開環(huán)系統(tǒng)Q(S) =G(S)Gpid(S)~l/TlS，則閉環(huán)系 統(tǒng)H(S) = 1八1>+1)，這個(gè)系統(tǒng)完成控制指令（階躍信號(hào)）的時(shí)間T~61\。
[0008] 如果經(jīng)過PID補(bǔ)償后的開環(huán)系統(tǒng)（大多數(shù)情況下，開環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以與此 等價(jià)）：
[0009] Q(s) = G(S)Gpid(S) = l/(cs2+ds) = 1/(1^(1^/4+1))
[0010] 由于系統(tǒng)無超調(diào)，阻尼系數(shù)ζ = 1，則C = l/w2，d = 2/w，!^= d。閉環(huán)系統(tǒng)H(S) =V(cs2+ds+l)，完成控制指令的時(shí)間T~7/w，則T產(chǎn)（2/7)T。
[0011] 式中符號(hào)說明如下：Τ~7/w, w是系統(tǒng)無阻尼震動(dòng)頻率。
[0012] 這是本發(fā)明專利設(shè)計(jì)PID控制器中積分時(shí)間的根據(jù)。
[0013] 傳統(tǒng)的PID控制器的傳遞函數(shù)為：Gpid (s) = KJK1ZVKdS
[0014] 步驟二：本發(fā)明改進(jìn)的PID控制器的傳遞函數(shù)為：
[0015] Gpid(S) =^(^+^/8+^8/(^8+1)) (1)
[0016] 其中Kf，Td的作用是非常重要的，選擇合適的K f可以對大純滯后系統(tǒng)的PID控制 器設(shè)計(jì)取得事半功倍的作用。
[0017] Kf= f( τ/t p) = f (h)，h = τ/tp;其中，τ是系統(tǒng)純滯后時(shí)間，t p是在無純滯后 時(shí)間τ的情況下，系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間，Kf是關(guān)于h的單調(diào)遞減函數(shù)，0<K f<l，（當(dāng)τ =0時(shí)，Kf= 1)。本發(fā)明通過大量工程數(shù)據(jù)和
曲線擬合的方法得到下面的公式：
[0021] 實(shí)踐證明，當(dāng)系數(shù)h = τ /tp增大時(shí)，為了保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定和品質(zhì)，必須減小 KfO
[0022] 上面計(jì)算Kf公式的非線性，恰好補(bǔ)償了被控制對象G(s) = k Qe TS/(as2+bs+l)= e tsG1(S)中非最小相位部分e Ts對最小相位部分k/(as2+bs+l)的影響。
[0023] 把傳統(tǒng)PID控制器中微分KdS改進(jìn)為KdV(Tds+l)，能夠有效改進(jìn)微分的沖擊作用， 通過T d的設(shè)置能夠增加微分作用的時(shí)間，減少微分帶來的干擾。
[0024] 步驟三：在不完全知道被控對象數(shù)學(xué)模型的情況下，若設(shè)控制系統(tǒng)的時(shí)間尺度為 n，依據(jù)上述命題，可以按照下面方法整定PID控制器參數(shù)。
[0025] 實(shí)際工程應(yīng)用中，在分散控制系統(tǒng)（DCS)控制周期ts確定的情況下，這種PID控 制器參數(shù)整定方法不需要知道被控對象的數(shù)學(xué)模型，只需大致確定系統(tǒng)的1個(gè)基本參數(shù)， 即時(shí)間尺度η。系統(tǒng)完成控制指令的時(shí)間T 一般在現(xiàn)場也容易得到（T = nts)，這反映了控 制工程師對被控系統(tǒng)特性的基本了解和認(rèn)識(shí)，例如在火力發(fā)電廠對汽溫、水位、汽壓、負(fù)荷 等系統(tǒng)中，T是不同的。
[0026] 如果不能夠估計(jì)出n，就只能根據(jù)系統(tǒng)的控制周期（或者采樣周期）、來進(jìn)行優(yōu) 化設(shè)計(jì)。
[0027] (1)如果能夠估計(jì)出η,設(shè)置積分時(shí)間Ti= n its，其中Iii= (1/3~l/6)n。如果 不能夠估計(jì)出n，設(shè)置積分時(shí)間T1= (60~200) t s，初步設(shè)定PID參數(shù)如下：
[0028] PID控制器前置系數(shù)Kf= 1，比例系數(shù)K p= (0.3~1.5);，微分系數(shù)Kd= 0,微 分時(shí)間Td= (1~5)ts。一般的，為了防止系統(tǒng)輸出出現(xiàn)大的波動(dòng)，積分時(shí)間需要選擇大 一些，取Ti= 200t s，在Kp, Ti, Kd這組參數(shù)范圍內(nèi)去控制系統(tǒng)，能夠保證被控量不會(huì)出現(xiàn)大 的波動(dòng)。應(yīng)用黃金分割方法，可以在這組參數(shù)范圍內(nèi)確定一個(gè)KpT 1, Kd的值。
[0029] (2)應(yīng)用上述第一步設(shè)定的PID參數(shù)，如果被控對象輸出比較慢，應(yīng)用黃金分割法 減少積分時(shí)間T 1，增加比例系數(shù)Kp(如果能夠估計(jì)出n，設(shè)置T1= nt 7(4. 5~）6 ;)或者增 大 Kf，Kf= (I. 1 ~1.7)。
[0030] 應(yīng)用上述第一步設(shè)定的PID參數(shù)，如果被控對象的輸出太快且波動(dòng)大，說明被控 對象包含純滯后時(shí)間環(huán)節(jié)，或者被控對象的阻尼系數(shù)ζ <0.76,可以應(yīng)用黃金分割法增加 積分時(shí)間T1，減少比例系數(shù)Κρ，（如果能夠估計(jì)出η，設(shè)置T 1= 1^7(2.5~3. 5))。如果被 控對象的輸出仍有波動(dòng)，但波動(dòng)有所減少，可以加進(jìn)微分KdV(Tds+l)作用（K d= T 74,Td = (1~5) ts);如果加進(jìn)微分作用后，被控對象輸出仍然有波動(dòng)，可以減小Kf，取Kf= 0. 1~ 0.7。
[0031] (3)如果經(jīng)過（1)，⑵步設(shè)計(jì)仍然不能夠獲得滿意的控制品質(zhì)，需要回到第一步 重新設(shè)置KpT 1, Kd的取值范圍，重復(fù)（1)和（2)步的設(shè)計(jì)直到獲得滿意的控制品質(zhì)。
[0032] 按照上述（1)，（2)和（3)的步驟設(shè)計(jì)整定PID控制器參數(shù)，這種基于時(shí)間尺度的 PID參數(shù)整定方法，在第（2)步中，改變Kf等價(jià)于同時(shí)改變了其它3個(gè)參數(shù)K PlKd，這是一 種簡單有效的方法，一般2~4次即可以獲得比較滿意的控制品質(zhì)。
[0033] 優(yōu)點(diǎn)及功效：本發(fā)明一種火電廠熱工系統(tǒng)中基于時(shí)間量度的PID控制器的優(yōu)化設(shè) 計(jì)方法，其優(yōu)點(diǎn)是基于系統(tǒng)時(shí)間量度慨念的無模型PID控制器的設(shè)計(jì)和整定方法，它能夠 較好較快的完成調(diào)試過程，并且能夠獲得滿意的控制品質(zhì)。程序中應(yīng)用了黃金分割優(yōu)化方 法，與其它應(yīng)用黃金分割優(yōu)化方法設(shè)計(jì)PID控制器參數(shù)不同的是，本專利申請?jiān)O(shè)計(jì)方法不 需要被控制對象的數(shù)學(xué)模型，以及增加通過對前置系數(shù)K f的設(shè)計(jì)，這是本專利申請?jiān)O(shè)計(jì)方 法的主要特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0034] 圖1典型的PID控制系統(tǒng)示意圖。
[0035] 圖2第一次設(shè)計(jì)整定的PID參數(shù)控制系統(tǒng)閉環(huán)輸出響應(yīng)示意圖。
[0036] 圖3第二次設(shè)計(jì)整定的PID參數(shù)控制系統(tǒng)閉環(huán)輸出響應(yīng)示意圖。
[0037] 圖4 PID控制器中P，I，D的控制作用示意圖。
[0038] 圖5a、b是設(shè)計(jì)的程序界面示意圖。
[0039] 圖6是計(jì)算程序方框圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0040] 由本發(fā)明設(shè)計(jì)的整定的PID控制器需要在用戶的分散式控制系統(tǒng)（DCS)上組態(tài)實(shí) 現(xiàn)，然后進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行控制。也可以在工控機(jī)上實(shí)施。
[0041] 按照
【發(fā)明內(nèi)容】
中的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合PID控制器中比例P，積分I和微分D的作用（見 說明書附圖4)，本發(fā)明設(shè)計(jì)的整定的PID控制器參數(shù)程序如下圖所示：
[0042] 程序中應(yīng)用了黃金分割（0.618)優(yōu)化方法，與其它應(yīng)用黃金分割優(yōu)化方法設(shè)計(jì) PID控制器參數(shù)不同的是，本專利設(shè)計(jì)方法不需要被控制對象的數(shù)學(xué)模型，以及增加前置系 數(shù)Kf的設(shè)計(jì)，這是本發(fā)明設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)。
[0043] 所謂黃金分割（0. 618)優(yōu)化方法程序是：
[0044] function[xo, fo] = 0pt_Golden(f, a, b, TolX,TolFun,k)
[0045] % % % %黃金搜索算法求在區(qū)間[a，b]上的最優(yōu)化解
[0046] % f為目標(biāo)函數(shù)，TolX為X閾值，TolFun為函數(shù)閾值，k為迭代次數(shù)
[0047] r = (sqrt(5)-l)/2 = 0· 618 ; % r 為黃金分割點(diǎn)值，
[0048] h = b_a ; % 區(qū)間寬度
[0049] rh = r*h ;
[0050] % % %取兩點(diǎn)c、d，并計(jì)算相應(yīng)的函數(shù)值fc和fd
[0051] c = b~rh ；
[0052] d = a+rh ；
[0053] fc = feval (f，c);
[0054] fd = feval (f，d);
[0055] % % %算法第二步判斷是否停止迭代
[0059] end end
[0060] 上面程序 0pt_Golden (f, a, b, TolX, TolFun, k)中 [0061 ] 性能指標(biāo)f按照下面的分析的計(jì)算方法確定
[0062]由擾動(dòng)分析可知，當(dāng)系統(tǒng)的擾動(dòng)為確定性擾動(dòng)時(shí)，其控制系統(tǒng)的性能評價(jià)是無法 直接應(yīng)用最小方差指標(biāo)的。通常在確定性擾動(dòng)下，系統(tǒng)的性能分為動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，從 研究領(lǐng)域來看又分為時(shí)域性能與頻域性能。時(shí)域的穩(wěn)態(tài)性能通常采用穩(wěn)態(tài)誤差。時(shí)域的動(dòng) 態(tài)性能指標(biāo)通常如下：
[0063] 上升時(shí)間：單位階躍響應(yīng)從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%，所需要的時(shí)間。 對于系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)單調(diào)變化的系統(tǒng)如此，而對有震蕩的系統(tǒng)，可以被定義為從初始值 到第一次到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。上升時(shí)間，反應(yīng)的是系統(tǒng)的