基于专家PID算法的火电机组主气温控制系统的设计.docx

1、基于专家PID算法的火电机组主气温控制系统的设计题目：基于专家PID算法的火电机组主气温控制系统的设计一、课程设计目的：1、熟悉专家PID控制原理；2、了解专家PID算法对控制效果的影响；3、学会如何用MATLAB编程实现对控制系统进行方针研究。二、课程设计任务：1、查阅火电机组主气温控制系统的技术资料并了解被控对象的动态特性；2、提出火电机组主气温控制系统的专家PID控制设计方案；3、利用MATLAB的M语言实现专家PID控制系统的仿真，观察主气温的变化，绘制出系统的阶跃响应曲线；4、思考并对比专家PID控制和常规的PID控制的控制效果。三、课程设计原理：1）专家PID控制的实质是：基于受控

2、对象和控制规律的各种知识，无须知道被控对象的精确模型，利用专家经验来设计PID参数。专家PID控制是一种直接型专家控制器。典型的二阶系统单位阶跃响应误差曲线如图所示。对于典型的二阶系统阶跃响应过程作如下分析 图1 典型二阶系统单位阶跃响应误差曲线图中，、区域，误差朝绝对值减小的方向变化。此时，可采取保持等待措施，相当于实施开环控制；、区域，误差绝对值朝增大的方向变化。此时，可根据误差的大小分别实施较强或一般的控制作用，以抑制动态误差。令e(k)表示离散化的当前采样时刻的误差值，e(k-1),e(k-2)分别表示前一个和前两个采样时刻的误差值，则有 根据误差及其变化，可设计专家PID控制器，该控

3、制器可分为以下五种情况进行设计：（1）当|e(k)| M1时，说明误差的绝对值已经很大。不论误差变化趋势如何，都应考虑控制器的输出应按最大（或最小）输出，以达到迅速调整误差，使误差绝对值以最大速度减小。此时，它相当于实施开环控制。（2）当e(k)e(k)0或e(k)=0时，说明误差在朝误差绝对值增大方向变化，或误差为某一常值，未发生变化。此时，如果|e(k)| M2，说明误差也较大，可考虑由控制器实施较强的控制作用，以达到扭转误差绝对值朝减小方向变化，并迅速减小误差的绝对值，控制器输出为如果 |e(k)| M2，说明尽管误差朝绝对值增大方向变化，但误差绝对值本身并不很大，可考虑控制器实施一般的

4、控制作用，只要扭转误差的变化趋势，使其朝误差绝对值减小方向变化，控制器输出为（3）当e(k)e(k)0或者e(k)=0时，说明误差的绝对值朝减小的方向变化，或者已经达到平衡状态。此时，可考虑采取保持控制器输出不变。（4）当e(k)e(k)0且e(k)e(k-1) M2，可考虑实施较强的控制作用,即如果此时误差的绝对值较小，即|e(k)| M2,可考虑实施较弱的控制作用,即（5）当|e(k)| (精度)时，说明误差的绝对值很小，此时加入积分，减少稳态误差。以上各式中，em(k)为误差e的第k个极值；u（k）为第k次控制器的输出；u（k-1）为第k-1次控制器的输出；k1为增益放大系数，k1 1；

5、k2为抑制系数，0 k1M20;k为控制周期的序号（自然数）；为任意小的正实数。2）超超临界机组是在常规超临界机组的基础上发展起来的。众所周知，超临界机组是指主蒸汽压力大于水临界压力(22.12MPa)的机组。习惯上又将超临界机组分为两个层次:常规超临界机组，其主蒸汽压力一般24MPa 左右，主蒸汽和再热蒸汽温度为540-560;超超临界机组，其主蒸汽压力为25MPa 及以上，主蒸汽及再热蒸汽温度为580及以上。与常规超临界机组相比，超超临界机组的热效率可提高3%左右，而相对于亚临界机组其热效率更要提高6%左右1。由此可见，与亚临界和超临界机组相比，超超临界机组在经济性方面有了较大提高。当前，

6、超超临界技术正日益成为世界各国为提高火电机组效率、节约能源、减轻环境污染广泛采用的措施，是目前最成熟的洁净煤发电技术。我国在本世纪初开始大力发展超超临界发电技术。目前已有华能玉环、华电邹县、国电泰州等电厂的百万千瓦机组投入商业运行。由于超超临界机组的运行参数值已接近机组金属材料的极限参数值，同时又由于机组的材料导热、壁厚等方面的特殊性，使得热应力问题变得十分突出超温运行会对锅炉安全运行带来巨大的危害，故维持主汽温的稳定，尤为重要。一般情况下，主蒸汽温度长期不能超过6，短期不能超过2。超超临界机组锅炉一般采用直流炉，工质一次通过预热、蒸发和过热各受热面，锅炉蓄热较小，对外界的扰动响应较快，且燃烧

7、率、给水、汽轮机调门开度变化都会影响到主汽温，同时，主汽温还跟功率、主汽压力关联性很强，从而使得该系统具有明显的多变量特征2；此外, 超超临界机组的主汽温对象具有较大的惯性、时滞和非线性，且动态特性随运行工况的变化而改变，故设计有效的主汽温控制系统难度较大。1.超超临界机组主汽温控制系统的现状国内对超超临界机组主汽温控制系统的研究较少，现有的研究仍然主要集中在同为直流锅炉的超临界机组主汽温控制系统的设计与改进方面，并取得了一些成果。它们的共同之处是通常采用调节燃水比保持中间点温度，实现过热汽温的粗调，同时利用喷水减温手段细调过热器出口汽温的主汽温控制方案34。文献3针对超临界机组汽温控制的特点

8、和需求,在对汽温调整手段分析的基础上,论述了超临界机组汽温控制中的燃水比调整和喷水减温调节方案的设计要点,其中过热器出口汽温的调节方案取消了被工程实践反复证明行之有效的串级控制方案中的内回路，这样做势必削弱系统克服喷水自身扰动的能力，此外，喷水减温控制器采用传统的PID 算法，这对具有较大的惯性、时滞、非线性以及动态特性时变的超临界机组主汽温控制系统而言比较困难；文献4提出了在具体的工程实施中，燃水比与机组负荷、燃烧器摆角或烟气挡板开度之间的模糊规则。众所周知，模糊控制规则的获取比较困难，同时由于现场的工程师对此不熟悉，因此调试比较困难。本文仍然采用调节燃水比保持中间点温度，改进之处：采用基于

9、专家PID 算法的主汽温喷水减温控制方案。这样做既发挥了PID 控制器简单、直观以及便于现场控制工程师掌握的特点，又结合了专家控制控制不依赖于被控对象严格的数学模型以及灵活性和鲁棒性强的优点。将该方法应用于电厂超超临界机组主汽温系统的控制进行仿真研究并与常规PID 串级控制系统进行比较，结果表明控制系统的性能得到较大的提高。3）仿真研究为了验证本文所提出的控制方法的有效性，现将其应用于超超临界机组主汽温控制系统进行仿真研究。基于专家PID 算法的主汽温喷水减温控制系统如图2 所示。为了保持串级控制系统的优点，本方案中仅用专家PID 控制器取代了串级控制系统中的主调节器，而串级控制系统中的副回路

10、保持不变，这样当减温水流量发生自发性的扰动时，副回路就会快速动作，及时消除扰动的影响。图中，Wc1(s)为副调节器，Wo1(s)、Wo2(s)分别为调节对象导前区和惰性区的传递函数，Wm1(s)、Wm2(s)分别为导前汽温和过热汽温的测量单元，各环节的传递函数分别为： 其中，W01（s）、W02（s）分别为调节对象导前区和惰性区的传递函数，Wm1(s)、Wm2(s)分别为导前汽温和过温的测量. 仿真结果： 图3 为设定值r 作超超临界机组主汽温额定温度的10%的阶跃变化时，专家PID 控制系统与常规串级PID 控 制系统响应曲线的比较，可以看出，专家PID 控制系统 的动态响应无超调量且调节时

11、间有了较大的改善，控制系统的性能有了明显提高。为了验证本文所提出的超超临界机组主汽温专家PID 控制方法的鲁棒性，在Wo1(s)保持不变的情况下（1）假定过热汽温对象的惯性时间常数发生变化，变化后的对象模型Wo2(s)=1.276/(1+22)6;（2）假定过热汽温对象的增益变大，即Wo2(s)=1.8/(1+18.4)6。图4、图5 分别为对象惯性时间常数和增益变化后控制系统的设定值响应曲线。从图中可以看出，当对象的惯性时间常数和增益发生变化时，常规PID 串级控制系统的性能已经下降，而本文所提控制方法仍具有较好的控制效果，具有很强的鲁棒性。四、总结短短一周的控制系统课程设计结束了，在这个过程中，我学习和锻炼了好多。把智能控制的专家控制和PID控制又进行了巩固和学习。首先，对课题进行了分析：如对象、模型、设计控制器等等。去图书馆又了解了电厂超超临界机组主汽温控制系统。课题主要采用专家PID 控制器做主调节器，将专家控制和PID 控制相结合，这种方法不需要预先知道对象的精确模型，而且其设计思想和结构也易于被了解和操作。通过将基于该方法的电厂超超临界机组主汽温控制系统进行仿真研究并与常规PID 串级控制系统进行比较，结果表明控制系统的性能得到较大的提高。