摘要：針對火力發電機組鍋爐主汽溫的非線性、多變量、多擾動、大滯后等特性，將基本PID控制器、微分先行PID控制器和模糊PID控制器應用于鍋爐主汽溫控制系統，并分別在仿真平臺Matlab的仿真環境Simu-Link下進行了仿真。仿真結果表明，微分先行PID控制器縮短了滯后時間。　　
　　引言
　　
　　火力發電在我國電力工業中占有重要地位，火力發電機組是火力發電系統的核心設備。隨著火力發電機組越來越向大容量、高參數、率的方向發展，生產系統日益復雜，系統的藕合性、時變性、非線性等特點顯得更加突出，對機組主汽溫系統控制品質的要求越來越嚴格。　　
　　主蒸汽溫度是火力發電機組的重要參數，對主汽溫的控制必須注意5個問題。　　
　　a．汽溫過高會使鍋爐受熱面及蒸汽管壁金屬材料的蠕變速度加快，影響使用壽命。例如，12CrMoV鋼在585℃環境下保證應用強度的時間約為10×104h，而在595℃時達到3×104h就可能會喪失其應用強度，而且如果受熱面嚴重超溫，將會由于管道材料強度的急劇下降而導致爆管。
　　
　　b．汽溫過低會使機組循環熱效率降低，煤耗增大。根據理論估算可知：汽溫降低10℃，會使煤耗平均增加0.2％。此外，汽溫過低，汽輪機轉子所受的軸向推力增大，對機組安全運行十分不利。
　　
　　c．汽溫變化過大，除使管材及有關部件產生疲勞外，還將引起汽輪機轉子與汽缸的脹差發生變化，甚至產生劇烈振動，危及機組安全運行。
　　
　　d．影響汽溫變化的因素很多，例如，蒸汽負荷、減溫水量、燃料成分、煙氣側的過量空氣系數和火焰中心位置等。
　　
　　e．汽溫對象在各種擾動作用下（如負荷、工況變化等）反映出非線性、時變性等特點，使其控制的難度加大。
　　
　　針對主汽溫控制的復雜性和重要性，必須正確選擇主汽溫的控制手段或控制策略，以保證主蒸汽的品質和生產過程的安全性、經濟性。
　　
　　一、控制策略選擇
　　
　　主蒸汽溫度控制系統是一個純滯后系統，被認為是一個較難控制的復雜對象。若直接采用基本PID控制，難以滿足對系統的控制要求。而采用改進的PID控制策略，一般可以獲得較為滿意的控制效果。改進PID控制是指史密斯補償控制和微分先行PID控制。史密斯補償控制從根本上采取措施消除或部分消除滯后對控制系統控制品質的影響，以改善系統的控制品質。該控制策略和基本PID控制策略相比，具有控制品質高、魯棒性好等優點，適用于控制精度要求較高的場合。缺點是需要對系統模型進行計算機辨識，其識別過程復雜，實時性較差，可靠性較低，故在實際生產過程中應用較少。
　　
　　微分先行PID控制是將微分作用提前，即包含了一個先行的微分環節。微分環節的輸出信號包含了被控參數及其變化速度值，將其作為測量值輸入到比例積分控制器中，可使系統克服超調的作用加強，從而補償過程滯后，達到改善系統控制品質的目的。采用PI的微分先行控制方案，可較好地抑制滯后系統的超調量，控制性能良好，且不需要進行模型識別，所以微分先行PID控制具有結構簡單、可靠性高、易于工業實現等諸多優點。與史密斯補償控制相比，具有相當大的*性。　　
　　隨著微處理器技術的發展，特別是現代控制理論和智能控制理論研究和應用，為控制復雜無規則系統開辟了新途徑。模糊PID控制器是近年發展起來的一種新型控制器，其優點是不要求掌握被控對象的數學模型，而根據人工控制規則組織控制決策表，然后由該表決定控制量大小。盡管與基本PID控制策略相比具有一定的*性，但由于其控制過程過于復雜，運算量過于龐大，實時性也較差，所以在實際工業應用中，具有一定的局限性。
        總之，在鍋爐主汽溫這樣的純滯后控制系統中，采用微分先行PID控制，能有效地克服超調現象，縮短調節時間，而且其算法簡單，實現起來簡單方便，是比較理想的控制方案。
　　
　　二、主汽溫數學描述
　　
　　串級系統主汽溫控制系統模型由系統輸入、PID控制器、導前區、惰性區、系統輸出等組成，如圖1所示。　　
　　圖中，擾動1為減溫水的自發擾動，擾動2為燃燒率的改變。導前區的系統傳遞函數為。　　惰性區的系統傳遞函數為　　
　　三、微分先行PID控制器設計
　　
　　3.1基本PID控制器
　　
　　基本PID控制的原理方框圖如圖2所示。　　PID控制規律為　　
　　其中，u（t）為調節器的輸出信號；e（t）為調節器輸入的偏差信號；KP為比例系數；τ1為積分時間常數；二為微分時間常數。
　　
　　利用Matlab中的Simulink平臺，可以組建串級主汽溫基本PID控制系統方框圖。在Simulink界面中可以用鼠標雙擊模型，在對話框中填入各個模型的參數。在這里設定比例系數Kp=0.42，積分系數K1=0.0092，微分系數KD=34；減溫水自發擾動的響應時間為100s，燃燒率改變的響應時間為500s；滯后時間為20s；仿真時間為1500s。如圖3所示。　　
　　3.2微分先行PID控制器
　　
　　微分先行PID控制的特點是只對輸出量C（t）進行微分，而對給定值r（t）不作微分。在微分先行控制方案中，微分環節的輸出信號包含了被控參數及其變化速度值。將其作為測量值輸入到比例積分控制器中，可使系統克服超調的作用加強，從而補償過程滯后，達到改善系統控制品質的目的[6]，其結構如圖4所示。若用相應的符號表示，則如圖5所示。圖5中GC（s）表示比例積分控制器，τDs＋1表示先行的微分環節，G（s）表示被控對象傳遞函數中不含時間滯后的部分，e-τs“表示被控對象傳遞函數中的時間滯后部分。則系統的傳遞函數可表示為　　
　　若系統采用常規PID控制，則系統傳遞函數可寫為　　
　　顯然，采用P1的微分先行控制比采用常規PID控制相比系統傳遞函數少了一個零點。因此，盡管2種方式都采用了比例、積分和微分環節，但采用P1的微分先行控制方案可較好地抑制系統的超調量，控制性能良好。
　　
　　利用Matlab中的Simulink平臺，設定與基本PID控制相同的參數，建立的串級主汽溫微分先行PID控制系統方框圖如圖6所示。

　　
　　3.3仿真比較
　　
　　為了便于進行比較，把基本PID控制和微分先行PID控制模型放在同一方框圖內進行仿真，仿真結果如圖7所示。　　
　　圖中，橫坐標為仿真時間，單位為秒；縱坐標為輸出相對值，無量綱。曲線1為基本PID控制的主汽溫動態響應過程，曲線2為微分先行PID控制的主汽溫動態響應過程。對比2條曲線可知，雖然采用的參數*相同，但微分先行PID控制的響應波動幅度較小，超調量較小，且在擾動情況下能及時恢復到穩定狀態，說明其調節品質明顯優于基本PID控制，可以實現對滯后系統較好的控制效果。同樣，微分先行PID的控制特性與文獻的模糊PID控制特性相比較，也具有幾乎*一樣的控制效果。因此，微分先行PID的控制器具有良好的控制品質。
　　
　　四、微分先行PID控制器的PLC實現
　　
　　4.1PLC的工作原理及結構
　　
　　PLC采用循環掃描工作方式，這個工作過程一般包括5個階段：內部處理、與編程器的通信處理、輸入掃描、執行用戶程序、輸出處理，其工作過程如圖8所示。圖8中當PLC方式開關置于RUN（運行）時，執行所有階段；當開關方式置于STOP（停止）時，不執行后3個階段，此時可進行通信處理，如對PLC連機或離線編程。　　PLC基本硬件結構與一般計算機幾乎一樣，主要由中央處理單元（CPU）、存儲器（ROM/RAM）、輸入／輸出單元（I/O）、電源以及外部設備（如編程器）等幾大部分組成。其基本結構如圖9所示。　　
　　PLC的軟件含系統軟件和用戶程序。系統軟件由PLC制造商固化在機內，用以控制可編程控制器本身運作；用戶程序由可編程控制器的使用者編制并輸入，用于控制外部對象運行。PlC有5種編程語言，即順序功能圖、梯形圖、功能塊圖、指令表和結構文本。其中，較為常用的是梯形圖、指令表和順序功能流程圖。而梯形圖編程語言更為直觀易懂，簡單方便，符合廣大電氣工程技術人員的使用習慣，因此大多數廠家PLC的編程語言都采用梯形圖語言。
　　　　
　　4.2初始化PID參數
　　
　　利用前面設定的KP＝0.42,K1＝0.0092,KD＝34這組參數，先確定采樣周期T，再計算出τ1和τD，然后進行PID各參數在S7－200PLC程序上的嵌入。西門子PIC提供有專門的PID控制模塊，可以直接應用。下面進行相應的參數計算。
　　
　　對溫度控制系統，一般采樣周期T＝10~20s,這里取T=10s。則根據PID算法的表達式：　　
　　可知：KP＝0.42，K1＝KPT/τ1＝0.0092，KD＝KPτD/T＝34。計算可得：τ1＝456s＝7.6min，τD＝809s=13.5min。
　　
　　計算出相應參數之后，即可進行初始化PID參數，過程如下：
　　
　　取設定值為滿值的80%，存入VD204中；KP＝0.42，存入VD212中；T＝10s,存入VD216中；τ1＝7.6min，存入VD220中；τD＝13.5min，存入VD224中；定時中斷時間t1＝100ms，存入SMB34中。
　　
　　4.3主汽溫微分先行PID控制器的程序實現
　　
　　采用S7－200的3個PID回路實現對主汽溫的串級微分先行控制。其中，回路1實現比例積分運算，回路2實現超前微分運算，回路3實現比例運算。回路1和回路2成了主汽溫串級控制的主回路，回路3構成了主汽溫串級控制的副回路。在調用PID回路之前，都要*行數據的歸一化處理。調用之后，還要進行逆歸一化處理。其程序結構流程圖如圖10和圖11所示。　　
　　由于副回路只采用比例控制，其結構比較簡單，在這里不再敘述。
　　
　　五、結語
　　
　　針對火力發電機組鍋爐主汽溫控制對象的非線性、多變量、多擾動、大滯后等特性，將基本PID控制器、微分先行PID控制器和模糊PID控制器應用于鍋爐主汽溫控制系統，并分別進行了仿真研究。結果表明，微分先行PID控制器縮短了滯后時間，減小了超調量，其控制性能和動態特性與模糊PID控制器相一致。與基本PID控制器相比，具有更好的控制性能和動態特性。此外，微分先行PID控制器與模糊PID控制器相比，具有更簡單的硬件結構和更高的可靠性。同時，給出了基于PI無的程序設計。因此，基于PLC硬件設施的微分先行PID控制策略，對實現火力發電機組主蒸汽溫度的高品質控制有著重要的實用價值。