循環流化床鍋爐PID控制算法研究綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u24002循環流化床鍋爐PID控制算法研究綜述 122561.1循環流化床鍋爐數學模型 1161651.2PID控制 373271.2.1PID控制原理 3199561.2.2PID參數整定方法 4151261.2.3性能指標 453721.3循環流化床鍋爐PID控制器設計 5300401.3.1PID控制器模型搭建 5215821.3.1PID控制器參數調節及仿真結果 61.1循環流化床鍋爐數學模型控制系統的數學模型是指在輸入信號的作用下，受控過程的相應輸出變化的函數關系表達式。對于簡單的控制系統，想要建立數學模型可以采用機理建模的方法。但是對于復雜的控制系統，在實踐中會有很多影響因素，因此很難建立準確的通過機理分析建立數學模型。因此，通常使用實驗建模，并且響應曲線方法是當前使用最廣泛的方法。對于循環流化床鍋爐溫度的動態特性，其實就是爐膛內部傳熱的動態變化問題。為了研究CFB鍋爐的溫度控制系統，本文使用兩個一階慣性加純滯后環節來描述CFB鍋爐的溫度控制系統。其給煤量-床溫的傳遞函數模型為：(4-1)式中:Ka為靜態增益;Ta1，Ta2為時間常數，單位秒；τ為純滯后時間，單位秒。Ka、Ta1、Ta2、τ、α都是隨運行工況不同而變化的參數.當鍋爐負荷在30%～100%額定負荷之間變化時,Ka取2～16,Ta1、Ta2取90～120s,τ取45～180s,α取2～16s。一次風量-床溫的傳遞函數模型：(4-2)式(4-2)中:Kb為靜態增益;Tb1、Tb2為時間常數。Kb、Tb1、Tb2、β也都是隨運行工況不同而變化的參數。當鍋爐負荷在30%～100%額定負荷之間變化時,Kb取0.2～1.8，Tb1、Tb2取90～180s,β取2～8s。根據式(4-1)和式(4-2)的模型結構，針對現場試驗數據,采用最小二乘法進行辨識，通過優化和擬合得到4個典型工作點的傳遞函數模型。模型參數如圖4-1所示。圖SEQ圖\*ARABIC4-1CFB鍋爐床溫4個典型工況點的模型參數循環流化床鍋爐溫度控制系統是串級控制，可以把鍋爐過熱器分成兩個區域，分別為導前區和惰性區，它們的傳遞函數分別用W1(s)和W2(s)表示，則，整個系統的傳遞函數可以寫為W(s)=W1(s)*W2(s)，其中(4-3)(4-4)從熱動力學可以看出，蒸汽溫度模型參數的時間變化與單位負荷密切相關。當單位負荷增加時，由于過熱蒸汽流量和流量的增加，模型的靜態增益和時間常數將單調變化，反之亦然。因此，根據負載變化，可以選擇多個固定模型來表征系統的時變特性。在圖4-2中，選擇4個典型負載點的蒸汽溫度模型作為控制過程的子模型，經擬合處理后可以表示為一階慣性環節加滯后環節組成，以提供給圖中的預測功能控制器和預測模型使用。參考了相關文獻以及經過仿真，確定了CFB鍋爐的4個典型工況。每個工況均可將導前區和惰性區串聯的傳遞函數近似等價為一階時滯對象。圖4-2CFB鍋爐四種負載下導前區、惰性區模型參數及等效一階滯后模型1.2PID控制1.2.1PID控制原理PID控制是對被控制對象的實際值與設定值e(t)=r(t)-y(t)之間的偏差進行比例，積分和微分計算，然后將各部分的結果求和獲取輸出控制值，其工作原理如圖4-3所示。圖4-3PID控制原理圖PID

控制器的表達式為：ut將上式表達傳遞函數的形式如下：G(s)=?U式（4-6）中，第一項是比例P環節，第二項是積分I環節，第三項是微分D環節；KP是調節器的比例增益；TI是積分時間；TD是微分時間。通過更改這三個參數的大小，可以相應地更改PID調整的大小和規律。PID控制的每個環節的功能如下：⑴比例環節調節及時，并且響應很靈敏。一旦發生偏差，它會及時產生比例調節效果。偏差越大，調節效果越強，但是比例系數不能太大，否則會引起較大的系統沖擊。=2\*GB2⑵積分環節的作用是消除系統的穩態誤差。僅當控制變量的設置值和實際值之間存在誤差時，積分環節才能工作。通過積分的作用消除誤差，直到沒有穩態誤差為止，積分停止。但是，加入積分環節會降低系統的穩定性并減慢動態響應。=3\*GB2⑶微分環節主要起預測變化趨勢和抑制系統偏差的作用。當系統偏差太大時，可以及時進行控制，以確保系統的控制效果。1.2.2PID參數整定方法對于PID控制器，比例，積分和微分參數需要進行調整才能正常工作。目前，PID整定方法主要有試湊法，Z-N法等。=1\*GB2⑴試湊法試湊法基于系統響應曲線。通過反復調整先按比例，然后積分，然后微分的過程參數，首先需要設置PID控制器的積分時間常數和微分時間常數Ti=∞，Td=0。系統參數的特定調整首先需要將比例系數從小到大調整，直到出現4：1響應衰減振蕩曲線為止，并在此時記錄比例系數的值。然后加上積分作用，將比例系數減小10-20％，將Ti的值從大變小，并通過反復調整，在基本消除了靜態誤差后，將此時的積分參數用作導數控制器的參數值。最后，需要選擇適當的微分系數。調整微分系數Td時，需要從小到大調整微分系數。當系統穩定且滿足實際需求時，此時記錄PID控制的三個參數。則完成整定PID控制器的三個參數。=2\*GB2⑵Z-N參數整定法Z-N整定法是基于一階近似模型開環階躍響應曲線進行參數辨識，整定得到PID的控制參數。Ziegler-Nichols經驗整公式是針對被控對象模型為帶有延遲的一階慣性傳遞函數提出的：1.2.3性能指標動態性能指標和穩態性能指標兩類作為控制系統的性能評價。（1）動態性能指標動態過程是指系統從初始狀態到最終狀態的響應過程。通常，在階躍函數的作用下，測量和計算系統的動態性能。描述在穩定系統的單位階躍函數的作用下動態過程隨時間t變化的指數稱為動態性能指數。（2）穩態性能指標穩態誤差通常用作衡量控制系統性能的指標。它是預期穩態輸出與實際穩態輸出之間的差。控制系統的穩態誤差越小，說明其控制精度也越高。1.3循環流化床鍋爐PID控制器設計1.3.1PID控制器模型搭建首先在MATLAB/SIMULINK仿真平臺中進行循環流化床鍋爐建模仿真，建立的CFB的常規PID控制器的仿真模型如圖4-4所示。其中圖中有兩個封裝好的模塊，PIDController為封裝的PID控制器，其內部結構如圖4-5所示。循環流化床鍋爐選取70%負載工況下的傳遞函數。采用傳遞函數模塊（TransferFcn）加一個延遲環節（TransportDelay）來表示，如圖4-6所示。溫度的設定值用階躍函數模塊表示，并將值設為880℃。本文主要采用試湊法的方法來整定PID控制器的三個參數。圖4-470%負載下CFB的PID控制器系統結構圖圖4-570%負載PID控制器內部結構圖圖4-670%負載下廣義被控對象等價系統1.3.1PID控制器參數調節及仿真結果為了能夠在系統中清楚地觀察，本文所設計的CFB的70%負載工況下的常規PID控制器的控制性能，在仿真中添加了示波器對CFB鍋爐的物理量進行觀測，并對參數進行逐步調節，以達到較為滿意的性能。首先在PID控制器模塊里設置三個參數的值分別為Kp=10，Ki=0.2，然后在PID控制器模塊里設置三個參數的值分別為Kp=5，Ki=0.1，Kd圖4-7循環流化床鍋爐床溫PID控制器參數調整過程仿真結果從圖4-5中可以發現，系統響應最大溫度值超過1600攝氏度，超調量達到100%，而且系統響應多次振蕩，穩定性和調節時間等指標均不好。繼續調整PID參數，設置三個參數的值分別為Kp=2，Ki=0.05，Kd圖4-8循環流化床鍋爐床溫PID控制器參數調整過程仿真結果從圖4-6中可以發現，系統響應最大溫度值小于1600攝氏度，超調量小于100%，系統響應的振蕩次數、超調量、穩定性和調節時間等指標有所提高，但是效果仍然不夠理想，因此需要進一步優化參數。最后經過大量嘗試，繼續調整PID控制器參數得到的最終PID控制器的三個參數的值分別為：Kp=1.59，Ki=0.013，本章利用simulink仿真工具設計的循環流化床鍋爐70%負載工況下床溫PID控制器的較為理想的仿真最終結果圖如圖4-7所示。圖4-7循環流化床鍋爐床溫PID控制器仿真結果從圖