王逸波

摘 要：為了適應(yīng)大型機組的發(fā)展需求，應(yīng)對熱工控制系統(tǒng)進行優(yōu)化策略研究。簡單說明了火電自動控制系統(tǒng)的概況，重點介紹了PID控制在電廠自動控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的應(yīng)用現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：電廠；自動控制系統(tǒng)；調(diào)節(jié)器；PID控制

中圖分類號：TV736 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.098

火力發(fā)電在我國整個電能供給體系中占據(jù)著舉足輕重的地位，因此，人們對火力發(fā)電機組的要求越來越高。PID控制在電廠自動控制系統(tǒng)中一直占據(jù)著主導(dǎo)地位，但隨著我國電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，在PID控制中傳統(tǒng)的中小型機組調(diào)峰方法已無法滿足大型機組調(diào)峰的要求，必須尋求一種熱工自動控制技術(shù)以提高控制器調(diào)節(jié)水平、機組效率，力爭實現(xiàn)我國大型機組熱工控制系統(tǒng)高效、快速的控制品質(zhì)。

1 火電自動控制系統(tǒng)的基本概念

熱工控制系統(tǒng)作為火力發(fā)電廠日常生產(chǎn)運營管理的核心部分，其自動控制系統(tǒng)影響著火電廠所有大型機械設(shè)備的安全運行。熱工控制系統(tǒng)并不簡單，它涉及的方面很多，其中，包括有機爐協(xié)調(diào)控制、鍋爐燃料量、汽包水位和過熱蒸汽溫度等；熱工自動控制系統(tǒng)與很多調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，對引風(fēng)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)和送風(fēng)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)都會造成影響?？偠灾?，熱工自動控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，要維持其可靠運行，就必須依靠一系列的操作，從而實現(xiàn)控制調(diào)節(jié)。要保證熱工控制系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行，至少要做到以下2點：①要對設(shè)備進行定期檢修，對每個設(shè)備都要有及時、嚴格的檢測，在硬件水平上保證設(shè)備的正常運行；②熱工技術(shù)人員要有比較專業(yè)的技術(shù)水平，能實時對所有設(shè)備的運行狀態(tài)和運行環(huán)境監(jiān)控和管理，可及時發(fā)現(xiàn)和處理故障。

2 PID控制

2.1 傳統(tǒng)PID控制中的不足

在我國的工業(yè)中，有很多問題都需要用到建模來解決，PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)整和不依賴對象的精確建模等特點，可解決很多工業(yè)建模難題，在自動控制過程領(lǐng)域得到了普遍運用。在世界范圍內(nèi)，美國和日本等國家有90%以上的控制回路都采用PID控制。PID控制發(fā)展至今，工程師已積累了大量PID控制參數(shù)的調(diào)節(jié)經(jīng)驗。然而，隨著社會的進步，常規(guī)PID的控制精度已逐漸無法滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求，且對于時變對象和非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID控制更加難以滿足其要求，主要體現(xiàn)在以下3點：①隨著我國電力系統(tǒng)的發(fā)展，電廠機組的數(shù)量越來越多，控制回路更加復(fù)雜，操作性要求更高。在實際中，由于缺乏完善的PID控制方法，往往使PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定達不到理想值，進而影響了回路的控制效果，使產(chǎn)品的質(zhì)量、原料、消耗和能耗都與預(yù)期值有差異，嚴重時會影響到設(shè)備的安全、穩(wěn)定運行，引發(fā)重大的安全事故。②電力工業(yè)發(fā)展至今，系統(tǒng)之間的反饋越來越多，傳統(tǒng)的PID控制器在反饋機制上已不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求，常規(guī)的PID控制器只借助系統(tǒng)輸出等反饋信息實現(xiàn)控制，而被控對象很多都具有延遲的特性，這種反饋機制下的反饋量并不能及時反映對象模型和擾動變化，導(dǎo)致控制器輸出跟不上對象模型的變化，控制效果并不理想。③傳統(tǒng)的PID控制在參數(shù)整定方法方面的人為因素影響較大，整定過程中易導(dǎo)致參數(shù)整定不良，對參數(shù)整定操作人員有著較高的要求，且傳統(tǒng)的PID控制對經(jīng)驗要求較高，不適合大規(guī)模推廣使用。

2.2 智能PID控制

在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，傳統(tǒng)PID控制的缺陷逐漸突顯。為了解決這類問題，控制學(xué)家和工程設(shè)計人員不斷改進PID控制方案，提出了智能PID控制方法，且取得了一定的成績。近年來，對智能PID控制器的研究主要集中在3個方面：①常規(guī)PID控制結(jié)合模糊控制。兩種控制方法各有特點，兩者結(jié)合可改善常規(guī)PID控制在建立精確數(shù)學(xué)模型的場合表現(xiàn)乏力的現(xiàn)狀，大大改善了控制器的性能。②常規(guī)PID控制結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制特點為具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力、超強的容錯性和并行分布性，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入控制領(lǐng)域可實現(xiàn)控制器參數(shù)的自適應(yīng)，大大提高了控制器的應(yīng)變性和實效性。在未來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會更多地應(yīng)用于智能PID控制過程。③在智能PID控制器中應(yīng)用遺傳算法。遺傳算法作為人工智能的重要分支，是一種簡便、有效的新型優(yōu)化技術(shù)，高度并行處理能力強。利用遺傳算法可使常規(guī)的PID控制器參數(shù)得到優(yōu)化。

3 PID控制在火電系統(tǒng)中的作用

3.1 PID參數(shù)整定

在電廠的實際生產(chǎn)應(yīng)用中，對PID參數(shù)的整定一直是一個難題，特別是不穩(wěn)定、積分對象的PID自整定一直沒有找到較好的突破口。在過去幾十年的發(fā)展歷史中，國內(nèi)外對PID參數(shù)的整定方法都進行了大量的實驗和研究，且取得的一些不錯的成績，期間也產(chǎn)生了很多應(yīng)用廣泛、行之有效的整定方法，比如Ziegler—Nicholsl法、衰減曲線整定法和無模型臨界比例帶法等。Ziegler—Nicholsl法通過提取被控對象的瞬態(tài)特性確定PID控制器的3個參數(shù)，它的一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型為：

式（1）中：G為系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)；?為容量滯后時間；s為變量；K為被控對象的開環(huán)增益；T為慣性時間常數(shù)；τ為純滯后時間常數(shù)。

下文中的智能PID參數(shù)自整定即對參數(shù)“K”“T”“τ”的在線修正。

為了使PID控制器能滿足時變對象和非線性系統(tǒng)的控制需求，工作人員一直在常規(guī)的PID控制的改進上尋找突破口。這些改進主要體現(xiàn)在2個方面：①對常規(guī)PID控制在控制結(jié)構(gòu)上加以改進，以提高常規(guī)PID控制的調(diào)節(jié)能力。②將模糊控制、專家控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等常規(guī)PID控制相結(jié)合，充分利用各自的優(yōu)點，取長避短，形成優(yōu)勢互補，即實現(xiàn)智能PID控制。這種新型控制器不依賴系統(tǒng)的精確模型，具有較好的魯棒性，從而引起了人們的廣泛關(guān)注和極大的興趣，并取得了較為廣泛的運用。

目前，運用較多的智能PID算法有基于模型的PID參數(shù)自整定、基于規(guī)則的PID自整定、專家系統(tǒng)型PID控制器和基于蟻群算法的PID控制器等。智能PID參數(shù)自整定方法成為了近年來工業(yè)過程控制的研究熱門，它的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在參數(shù)自動整定和參數(shù)在線自校正兩方面。傳統(tǒng)的PID控制器在參數(shù)整定結(jié)束后，參數(shù)會形成固定值，而系統(tǒng)本身是變動的，固定的參數(shù)值設(shè)定很難使系統(tǒng)時刻處于最優(yōu)狀態(tài)；智能PID控制能在線獲取被控系統(tǒng)的誤差和變化、控制量和系統(tǒng)的輸出量等信息，以及對PID的3個控制參數(shù)進行在線修正。

3.2 PID控制的重要性

大型機組（600 MW以上）比中小型機組對PID控制有著更高的要求，也更依賴PID控制實現(xiàn)機組的正常運轉(zhuǎn)。大型機組中，自動控制系統(tǒng)更為復(fù)雜。在實際生產(chǎn)中，系統(tǒng)的時變性和非線性更高。如果調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)定不是最優(yōu)值，則系統(tǒng)控制的效率會降低。智能PID參數(shù)的自整定可實現(xiàn)調(diào)節(jié)器3個特征參數(shù)值隨被控對象所處環(huán)境的變化而實時變化，不但可實現(xiàn)系統(tǒng)的快速控制，使控制器的調(diào)節(jié)水平、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和機組效率升高，還可以節(jié)省大量的時間，為電廠創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)束語

電廠自動控制系統(tǒng)是實現(xiàn)機組經(jīng)濟運行的關(guān)鍵，及時了解、分析機組設(shè)備的構(gòu)成及其可能出現(xiàn)的問題，利用自動控制調(diào)節(jié)器及時對系統(tǒng)進行調(diào)整控制，優(yōu)化機組運行和提高機組運行效率，是實現(xiàn)發(fā)電機組長久、安全、穩(wěn)定生產(chǎn)運行的關(guān)鍵。目前，我國在該方面做得還不夠完善，還需要進行更多的研究工作。

參考文獻

[1]周燦文.電廠自動控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的應(yīng)用技術(shù)[J].廣東科技，2009（6）.

[2]黃永志.火電機組鍋爐主汽溫智能PID控制研究[J].鄭州大學(xué)，2007（5）.

〔編輯：張思楠〕