楊軍統(tǒng)

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601)

0 引言

自1940年以來(lái)，許多先進(jìn)控制方法不斷推出，并被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)外的調(diào)節(jié)器種類不下幾十種。但在實(shí)際應(yīng)用中，許多被控對(duì)象具有高度非線性、時(shí)變不確定性和純滯后等特點(diǎn)，DESBOROUGH和Mn.T.RR在2002年的一次統(tǒng)計(jì)報(bào)告中指出，只有近1/3的比例積分微分(proportion integral differential,PID)[1-4]控制器在實(shí)際應(yīng)用中取得了令人滿意的控制效果，有2/3的PID控制性能達(dá)不到用戶的要求，這給控制理論研究和應(yīng)用帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

三自智能調(diào)節(jié)器全稱是自糾纏自平衡自動(dòng)尋優(yōu)智能調(diào)節(jié)器(簡(jiǎn)稱三自智能調(diào)節(jié)器)。所謂自糾纏是采用被控量的三階慣性環(huán)節(jié)作為積分的設(shè)定值，自平衡則是輔助調(diào)節(jié)器與主調(diào)節(jié)器相互配合，自動(dòng)達(dá)到一個(gè)最優(yōu)的控制效果和自動(dòng)尋找最佳的平衡點(diǎn)。

三自智能調(diào)節(jié)器成功應(yīng)用于循環(huán)流化床機(jī)組協(xié)調(diào)控制、干法脫硫的自動(dòng)控制，控制精確，起到了常規(guī)調(diào)節(jié)器所不能達(dá)到的效果。

1 三自智能調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

三自智能調(diào)節(jié)器由主調(diào)節(jié)器與輔助調(diào)節(jié)器構(gòu)成。主調(diào)節(jié)器是常用調(diào)節(jié)器。輔助調(diào)節(jié)器是用功能塊搭建而成。比例、積分、微分彼此相互獨(dú)立計(jì)算的調(diào)節(jié)器。輔助調(diào)節(jié)器以主調(diào)節(jié)器的前饋形式疊加到主調(diào)節(jié)器，與主調(diào)節(jié)器相輔相成。這樣既保留了主調(diào)節(jié)器的原有功能，又完善了主調(diào)節(jié)器的不足，增強(qiáng)了主調(diào)節(jié)器的功能，使其功能更加智能化。三自智能調(diào)節(jié)器構(gòu)成如圖1所示。

圖1 三自智能調(diào)節(jié)器構(gòu)成圖

輔助調(diào)節(jié)器不同于主調(diào)節(jié)器，其偏差實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建立與消除，積分的輸出呈現(xiàn)非線性，能夠快速、有效地消除偏差，維持被控參數(shù)的穩(wěn)定。

輔助調(diào)節(jié)器通過(guò)搭建三階次微分環(huán)節(jié)，提供可限幅、高預(yù)測(cè)性的微分作用，應(yīng)對(duì)各種不確定的擾動(dòng)。非線性的微分環(huán)節(jié)與非線性的積分環(huán)節(jié)與比例環(huán)節(jié)共同完成了輔助調(diào)節(jié)器的非線性自動(dòng)控制，強(qiáng)化了三自智能調(diào)節(jié)器修正的實(shí)時(shí)性。

主調(diào)節(jié)器與輔助調(diào)節(jié)器的相互配合使控制對(duì)象達(dá)到精細(xì)控制的要求，同時(shí)輸出的指令在一定的位置達(dá)到平衡，使被控量和指令達(dá)到最優(yōu)控制，從而不會(huì)大幅度的動(dòng)作，克服了積分飽和現(xiàn)象以及過(guò)調(diào)的危害。

1.1 主調(diào)節(jié)器自適應(yīng)變參數(shù)原理

在實(shí)際的控制應(yīng)用中，對(duì)于具有高度非線性、時(shí)變、不確定性和純滯后等特點(diǎn)的主汽壓力控制，比如火力發(fā)電廠的超臨界直流鍋爐控制、循環(huán)流化床鍋爐控制，由于存在諸多不可預(yù)測(cè)因素，其調(diào)節(jié)器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。因此，控制方案有待完善，特別是調(diào)節(jié)器的功能有待改進(jìn)和提高。

火力發(fā)電廠的主汽壓力控制，外界負(fù)荷指令的不確定變化以及煤質(zhì)變化帶來(lái)的風(fēng)、水、煤配比的變化都對(duì)調(diào)節(jié)器提出了更高、更精確的要求。大慣性、大遲延帶來(lái)了積分的過(guò)調(diào)、微分的起調(diào)點(diǎn)問(wèn)題，都要求調(diào)節(jié)器適應(yīng)不同的控制對(duì)象、不同的控制特性。因此，就要提高調(diào)節(jié)器的自適應(yīng)性變參數(shù)，以及調(diào)節(jié)器的基本性能。

1.2 主調(diào)節(jié)器自適應(yīng)變參數(shù)的方法

主調(diào)節(jié)器有關(guān)聯(lián)調(diào)節(jié)器和非關(guān)聯(lián)調(diào)節(jié)器兩種形式。以比例帶形式與比例、積分、微分相關(guān)聯(lián)的稱為關(guān)聯(lián)調(diào)節(jié)器，比例、積分、微分相互獨(dú)立，互不干擾的稱為非關(guān)聯(lián)調(diào)節(jié)器。以關(guān)聯(lián)調(diào)節(jié)器為例，其表達(dá)式為：

(1)

設(shè)定:

(2)

則：

(3)

最終:

(4)

從上面的公式不難看出，調(diào)節(jié)器的輸出與控制的偏差有關(guān)，那么調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分系數(shù)也應(yīng)與此有關(guān)，同時(shí)調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)與積分系數(shù)、微分系數(shù)相關(guān)聯(lián)。

首先，通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分進(jìn)行變參數(shù)，提高調(diào)節(jié)器的自適應(yīng)性[5-9]。

根據(jù)調(diào)節(jié)器的測(cè)量值與設(shè)定值，計(jì)算出二者的偏差，用二者的偏差通過(guò)折線函數(shù)，對(duì)應(yīng)不同的比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分系數(shù)。比如，對(duì)于慣性大、遲延大的控制對(duì)象可以實(shí)現(xiàn)，偏差越大比例作用越大、積分作用越弱、微分越強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)控制的自適應(yīng)性。

其次，借助調(diào)節(jié)器的變參數(shù)肢解關(guān)聯(lián)調(diào)節(jié)器的關(guān)聯(lián)性，變關(guān)聯(lián)為非關(guān)聯(lián)。

1.3 輔助調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

輔助調(diào)節(jié)器與主調(diào)節(jié)器有本質(zhì)上的區(qū)別。

首先，認(rèn)知不同階次的多階慣性環(huán)節(jié)具有的不同特性。

n階慣性環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(5)

采用Matable軟件仿真1～4慣性環(huán)節(jié)的特性，慣性時(shí)間取20 s，階躍量取±100。

搭建1～4慣性環(huán)節(jié)，分別作階躍升降變化，1～4階次仿真曲線如圖2所示。

表1 1～4階慣性試驗(yàn)設(shè)定數(shù)據(jù)

圖2 1～4階次仿真曲線

由圖2可以得出以下結(jié)論。

①在同樣的慣性時(shí)間，不同的慣性階數(shù)表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，階數(shù)越多，變化越緩慢。

②同樣的初始階躍量，在不同的階數(shù)慣性環(huán)節(jié)所形成的面積亦不同，且階數(shù)越多，面積越大。

通過(guò)選擇慣性的階數(shù)擬合控制參數(shù)的變化特性，也可以擬合合適的指令，并可據(jù)此構(gòu)建出符合控制對(duì)象特性的微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)。

輔助調(diào)節(jié)器特性如圖3所示。

圖3 輔助調(diào)節(jié)器特性圖

輔助調(diào)節(jié)器功能設(shè)定如下。

①輔助調(diào)節(jié)器的設(shè)定值。主調(diào)節(jié)器設(shè)定值通過(guò)乘法系數(shù)(SPG)修正，形成輔助調(diào)節(jié)器的設(shè)定值。

②輔助調(diào)節(jié)器的測(cè)量值。主調(diào)節(jié)器測(cè)量值通過(guò)乘法系數(shù)(PVG)修正，形成輔助調(diào)節(jié)器的測(cè)量值。

③作用設(shè)定。當(dāng)SPG為負(fù)、PVG為正，則輔助調(diào)節(jié)器為正作用；SPG為正、PVG為負(fù)，則輔助調(diào)節(jié)器為反作用。

同時(shí)，通過(guò)調(diào)整SPG和PVG，設(shè)定輔助調(diào)節(jié)器比例、微分對(duì)偏差的啟調(diào)點(diǎn)，再通過(guò)乘法系數(shù)Kf調(diào)整輔助調(diào)節(jié)器的總輸出，控制其幅度。

輔助調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)P：輔助調(diào)節(jié)器的輸入偏差經(jīng)過(guò)，輔助調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp,形成輔助調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)輸出。該環(huán)節(jié)的默認(rèn)輸出幅度在-100%～+100%。

輔助調(diào)節(jié)器的微分環(huán)節(jié)D：輔助調(diào)節(jié)器的輸入偏差，經(jīng)過(guò)三階次的微分運(yùn)算輸出，形成初始微分輸出。初始微分輸出經(jīng)過(guò)乘法修正系數(shù)Kd，最終形成微分輸出值。

輔助調(diào)節(jié)器的積分環(huán)節(jié)I：主調(diào)節(jié)器的測(cè)量值經(jīng)過(guò)三階慣性后形成輔助調(diào)節(jié)器積分環(huán)節(jié)的設(shè)定值，主調(diào)節(jié)器的測(cè)量值作為輔助調(diào)節(jié)器積分環(huán)節(jié)的測(cè)量值。輔助調(diào)節(jié)器積分環(huán)節(jié)的設(shè)定值與測(cè)量值形成動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、間斷、可變的偏差，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器積分環(huán)節(jié)的非線性、抗積分飽和的功能。

將輔助調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)相加經(jīng)過(guò)乘法器Kf修正構(gòu)成了一個(gè)完整的輔助調(diào)節(jié)器。當(dāng)智能調(diào)節(jié)器在手動(dòng)條件下，主調(diào)節(jié)器的測(cè)量值與設(shè)定值相等，輔助調(diào)節(jié)器的積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)的三階慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間為0，則輔助調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分環(huán)節(jié)的輸出為0；當(dāng)智能調(diào)節(jié)器在自動(dòng)，測(cè)量值與設(shè)定值偏差建立，輔助調(diào)節(jié)器的積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)的三階慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間不為0。

默認(rèn)輔助調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分的輸出限制幅度為-100%～+100%，則三者的最大限幅度為-300%～+300%。當(dāng)三者和的乘法輸出為0.1，則輔助調(diào)節(jié)器的總輸出的幅度只能是-30%～+30%。

輔助調(diào)節(jié)器構(gòu)成如圖4所示。

圖4 輔助調(diào)節(jié)器構(gòu)成圖

2 實(shí)際驗(yàn)證

某大型循環(huán)流化床機(jī)組采用自動(dòng)發(fā)電控制、石灰石顆粒管道輸送(爐內(nèi)脫硫)的方式運(yùn)行，手動(dòng)控制石灰石的入爐和原煤中石灰石子的摻加。當(dāng)SO2變化呈現(xiàn)脈動(dòng)突變時(shí)，把石灰石入爐變頻器開(kāi)到最大。此時(shí)，SO2依然超標(biāo)，且?guī)?lái)NOX的超標(biāo)。為此，運(yùn)用了三自智能調(diào)節(jié)器的技術(shù)，在分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)中，采用自帶的功能塊，依據(jù)圖4輔助調(diào)節(jié)器構(gòu)成圖搭建輔助調(diào)節(jié)器，與原來(lái)的調(diào)節(jié)器構(gòu)成了脫硫控制三自智能調(diào)節(jié)器。SO2實(shí)際排放量在33～85.15 mg/m3之間，SO2小時(shí)平均值為46 mg/m3。

主調(diào)節(jié)器整定參數(shù)、輔助調(diào)節(jié)器整定參數(shù)如表2、表3所示。

表2 主調(diào)節(jié)器整定參數(shù)

表3 輔助調(diào)節(jié)器整定參數(shù)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從理論論證試驗(yàn)仿真和實(shí)際運(yùn)用，證明了三自智能調(diào)節(jié)器的先進(jìn)性[8-9]。輔助調(diào)節(jié)器有效完善了以往調(diào)節(jié)器的控制功能。值得一提的是，輔助調(diào)節(jié)器以三階次微分解決了偏差啟調(diào)點(diǎn)和動(dòng)作幅度的問(wèn)題，三階慣性的非線性積分則解決了積分的非線性和積分飽和問(wèn)題。輔助調(diào)節(jié)器重在穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定控制，主調(diào)節(jié)器重在無(wú)差調(diào)節(jié)。主、輔調(diào)節(jié)器構(gòu)成的三自智能調(diào)節(jié)器，有效地解決了大遲延、大慣性的控制對(duì)象的控制難題。同時(shí)，該調(diào)節(jié)器在超臨界機(jī)組的煤質(zhì)變化、水煤解耦的運(yùn)用上也達(dá)到了理想的控制效果，具有普遍的適應(yīng)性和推廣價(jià)值。