蒸汽锅炉液位控制系统设计及MATLAB模拟改

1、过程控制系统课程设计报告蒸汽锅炉液位控制系统设计及MATLAB模拟设计组长： 袁文君 小组成员： 梁灿 张佳 指导老师： 侯雄坡 化学工程与技术学院2012年10月摘 要任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中液位位保持在一定的范围内，实现机组安全经济运行。锅炉液位控制系统有三种基本结构：单冲量调节系统结构、双冲量调节系统结构、串级三冲量调节系统结构。低负荷阶段，由于疏水和锅炉排污等因素的影响，给水和蒸汽流量存在着严重的不平衡，而且流量太小时，测量误差大，故在低负荷阶段，很难采用三冲量调节方式，一般均采用单冲量调节方式。负荷达到一定值以上时，疏水和排污阀逐渐关闭，汽、水趋于平衡，流量逐渐增大，

2、测量误差逐渐减小，这时原则上可采用三冲量调节方式。但由于单级三冲量调节系统要求蒸汽流量和给水流量信号在稳态时必须相等，否则汽包水位存在静态偏差，而且由于测量装置及变送器的误差等因素的影响，实际上现场这两个信号在稳态时，经常难以做到完全相等，而且单级三冲量调节系统一个调节器参数整定需兼顾的因素多。因此单级三冲量事实上一般也难以采用。 串级三冲量调节方式，采用主、副两个调节器。两调节器任务分工明确，整定相对容易，而且不要求稳态时给水流量信号与蒸汽流量信号完全相等，易于得到较好的调节品质，因此现场多采用此控制方式。在串级控制系统中，参数的整定也是非常重要的，由于在系统中所设计的对象是确定的，所以只有

3、对调节器进行整定，控制系统的参数整定有理论计算方法和工程整定方法，理论计算方法是基于一定的性能指标，结合组成系统各环节的动态特征，通过理论计算求得调节器的动态参数设定值；而工程整定法，则是源于理论分析，结合实验、工程实际经验等一套工程上的方法，其具体方法将在本文中体现。 本文主要是采用串级三冲量给水控制系统控制汽包水位，使其平稳运行，并通过MATLAB仿真，证明所设计的系统可以很好的克服系统的内外扰动，实现汽包锅炉水位控制的要求。 目 录摘 要I目 录III前 言1第一章 概述31.1 工业锅炉系统概述31.2 锅炉的工艺流程简介41.3 锅炉设备的调节任务4第二章 锅炉汽包水位控制对象与控制

4、指标62.1 锅炉汽包水位的特性62.2 汽包水位在给水流量W作用下的动态特性62.3 汽包水位在蒸汽流量D扰动下的动态特性72.4 燃料量B扰动下汽包水位的动态特性8第三章 汽包水位控制方案93.1 单冲量控制方式93.2 双冲量控制方式103.3 三冲量控制方式11第四章 三冲量控制系统PID设计134.1 常规 PID 控制的基本理论134.1.1 PID控制器简述134.1.2 PID控制器的结构134.1.3 PID控制器的分类144.2 常用PID参数整定方法164.3 串级PID控制174.3.1串级PID控制原理174.3.2串级控制系统的参数整定184.4 PID控制的特点及

5、智能整定PID参数194.4.1 PID控制的优缺点19智能整定 PID 参数20第五章 三冲量串级PID控制的MATLAB 仿真215.1 仿真的目的和意义215.2 仿真软件功能概述215.3 锅炉汽包水位的三冲量串级PID控制系统仿真22第六章 模糊控制原理256.1 模糊控制的基本概念256.2 模糊控制器的工作原理286.3 模糊控制器的优缺点316.4 模糊PID控制器32模糊 PID 控制器的基本形式32模糊 PID 控制器的设计步骤33第七章 汽包水位模糊控制器设计及仿真357.1 输入输出变量357.2 隶属度函数367.3 模糊规则表387.4 合成推理算法427.5 参数

6、的自整定算法447.6 MATLAB 仿真研究45模糊逻辑控制器模块的建立45系统仿真模型的建立477.7 模糊自整定PID控制与常规PID控制仿真比较487.7.1 无扰动作用时487.7.2 加入蒸汽流量扰动时497.7.3 加入给水扰动时507.7.4 时间常数改变时50第八章 总结51参考文献52致谢54完成人员分工及签名55前 言锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十万台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使大多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。同时，锅炉工作过程中各项指标的调节难以建立数学模型，具有非线性、不稳定性、时滞等特点，所以如何改善

7、对锅炉的控制，保证其正常工作，提高效率一直是人们关注的焦点。而汽包液位是锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证液位在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅，这都对汽包液位控制系统提出了更高的要求。汽包液位过高，会影响汽包内汽液分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽

8、水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。目前，对汽包液位位控制大多采用常规PID控制方式，从控制方式来看，它们要么系统结构简单成本低，不能有效的控制锅炉汽包“虚假水位”现象，要么能够在一定程度上控制“虚假现象”，系统却过于复杂，成本投入过大。目前工业控制急需一种系统简单，并且能够控制“虚假水位”，具有高性价比的控制系统。常用的蒸汽锅炉液位调节系统有三种基本结构：单冲量调节系统结构、双冲量调节系统结构、串级三冲量调节系统结构。低负荷阶段，由于疏水和锅炉排污等因素的影响，给水和蒸汽流量存在着严重的不平衡，而且流量太小时，测量误差大，故在低负荷阶段，很难采用三冲量调节

9、方式，一般均采用单冲量调节方式。负荷达到一定值以上时，疏水和排污阀逐渐关闭，汽、水趋于平衡，流量逐渐增大，测量误差逐渐减小，这时原则上可采用三冲量调节方式。但由于单级三冲量调节系统要求蒸汽流量和给水流量信号在稳态时必须相等，否则汽包水位存在静态偏差，而且由于测量装置及变送器的误差等因素的影响，实际上现场这两个信号在稳态时，经常难以做到完全相等，而且单级三冲量调节系统一个调节器参数整定需兼顾的因素多。因此单级三冲量事实上一般也难以采用。串级三冲量调节方式，采用主、副两个调节器。两调节器任务分工明确，整定相对容易，而且不要求稳态时给水流量信号与蒸汽流量信号完全相等，易于得到较好的调节品质，因此现场

10、多采用此控制方式。然而，传统的常规PID控制方式是根据控制对象的数学模型建立，由于锅炉水位系统存在非线性、不确定性时滞和负荷干扰、非最小相位特征等，其精确的数学模型往往无法获得而且常规PID控制的参数是固定不变的，难以适应各种扰动及对象变化，其控制效果往往难以满足要求，控制效果也不是最理想。模糊控制是建立在人工经验基础之上的，它能将熟练操作员的实经验加以总结和描述，并用语言表达出来，得到定性的、不精确的控规则，不需要被控对象的数学模型。模糊控制易于被人们接受，构造容易，鲁棒性和适应性好。模糊控制器一般采用二维结构形式，即以误差及误差变化作用模糊控制器的输入信号，根据二者模糊化的结果查询模糊控制

11、表，得到控制量的模糊量，再经去模糊化处理转化为精确量去控制执行机构。基于锅炉水位控制及模糊控制的特点，本文将模糊控制引入锅炉汽包水位的三冲量控制中，作了以下一些试探性工作,对现有的模糊控制器的构成方式进行归纳总结。对汽包水位的模糊控制方式进行结构及性能上的分析和比较，并利用Simulink分别在设定值及在干扰作用下对控制系统进行仿真。第一章 概述1.1 工业锅炉系统概述锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。它通过煤、石油、天然气的燃烧所释放出的化学能，通过传热过程把能量传递给它水，使水变成水蒸气。这所产生的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动的动力源，又可

12、作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。随着石油化学工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断创新，生产过程的不断强化，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高参数、高效率发展。为了确保安全，稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要。工业锅炉的管理水平、运行水平和自动化水平大都很低，就其设备来说，数量大、耗煤高、设备陈旧、热效率远远没有达到锅炉制造厂家的设计指标，但也不能否认，以上现象与工业锅炉缺少必要的检测、控制手段等有关27。可见，加速工业锅炉的技术改造，迅速提高其自动控制水平是刻不容缓的任务。锅炉系统主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。其主要工艺流程如图1.1。图1.

13、1 锅炉的工艺流程图1.2 锅炉的工艺流程简介一般工业蒸汽锅炉主要由以下五部分组成：1）汽包：由上下锅筒和三组沸水管组成。水在管内受外部烟气加热，发生自然循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽集聚在上锅筒。2）炉膛：是使燃料充分燃烧并释放热量的设备。3）过热器：是将锅炉所产生的饱和蒸汽继续加热为合格蒸汽的换热器件。4）省煤器：是利用烟气预热锅炉的给水，以降低烟气温度的换热器件。5）空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧时所需的空气的热器件。图1.1给出了蒸汽锅炉的主要工艺流程图。给水经过水泵、给水控制阀、省煤器进入锅炉的汽包，燃料和空气按一定比例送入炉膛燃烧，产生的热量传给蒸

14、汽发生系统，产生饱和蒸汽，然后再经过过热蒸汽，形成满足一定质量指标的过热蒸汽输出，经负载设备控制供给负荷设备用。同时燃烧过程中产生的烟气，经过过热器将饱和蒸汽加热成过热蒸汽后，再经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱排入大气8。1.3 锅炉设备的调节任务锅炉设备是一个复杂的控制对象，是多输入，多输出多回路，非线性的输入输出变量间相互关联的对象21。如下图1.2所示，主要输入变量是负荷，锅炉给水、燃料量、送风和引风等。主要输出量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等。这些入变量与输出变量之间相互关联。图1.2 锅炉设备控制对象 锅炉是重要的

15、动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉的发热量适负荷的需要。所以，生产过程中的各个主要工艺参数必须严格控制。 锅炉的主要调节任务是：1）汽包中水位保持在一定范围内；2）锅炉供应的蒸汽量适应负荷变化的需要或保持给定的负荷；3）锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定的范围内；4）过热器的蒸汽温度保持在一定范围内；5）保持锅炉燃烧的经济性和安全性；6）炉膛负压保持在一定范围内。 锅炉控制中的调节任务之一是锅炉汽包水位的控制，也是难点之一27。如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又快，因而汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸；

16、水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带水现象，会使过热器管壁结构导致破坏。在锅炉控制系统中，汽包水位的控制是最基本的也是及其重要的。汽包水位控制的任务是，使锅炉给水量始终跟着蒸发量，维持汽包水位在锅炉生产允许的范围内。汽包及蒸发管储存着蒸汽和水，储存量的多少，是以被控制量水位表征的，通常情况下汽包的流入是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。引起水位变化的主要扰动式蒸汽流量和给水量的变化。当蒸汽流量突然增大，汽包压力将急剧下降，饱和水将快速蒸发，使得饱和水中产生大量的汽包致使水位上升，而此时给水量并没有增加。这就是锅炉的“虚假水位”现象，此时的水位并不能代表锅炉中

17、水位真实情况27。因此，必须对汽包水位进行控制，将其严格控制在规定的范围内。 锅炉汽包水位控制常采用的方式有：单冲量、双冲量、三冲量控制等。它们常采用PID 控制算法。通过分析发现，单、双冲量控制系统结构简单廉价，系统的可靠性不高，控制效果差，不能避免“虚假水位”现象；三冲量控制系统控制效果好，可靠性高，能有效的避免“虚假水位”现象。可见，“虚假水位”给水位控制带来了困难和挑战。本文采用的是串级三冲量汽包水位控制系统和模糊控制系统27。第二章 锅炉汽包水位控制对象与控制指标2.1 锅炉汽包水位的特性锅炉的安全是一个非常重要的问题，必须引起高度重视。汽包水位是锅炉系统正常运行的重要参数，维持锅炉

18、汽包水位在规定的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损，叶片断裂等事故；水位过低则可造成水的急速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷壁管被烧坏，严重时造成爆炸事故。现代工业锅炉都向着大容量高参数的方向发展，一般锅炉容量越大，汽包的容水量就相对越小，允许波动的蓄水量就更少，这样对汽包水位要求就更高了。因此，研究汽包水位的控制方法有着重要的意义。工业锅炉汽水系统结构如图2.1 所示：图 2.1 锅炉的汽水系统锅炉汽包水位控制的任务是：跟踪锅炉的蒸发量并维持

19、汽包水位在工艺允许的范围内。汽包及蒸发管中贮藏着蒸汽和水，贮藏量的多少是以被控制量水位表征的。汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。影响汽包水位变化的因素很多，主要有燃煤量、给水量和蒸汽流量，其它还有炉膛热负荷、汽包压力的变化等原因。燃煤量对水位变化的影响是非常缓慢的，比较容易克服。因此，我们主要考虑给水量W、蒸汽流量D燃料量B三个主要因素对水位的影响。2.2 汽包水位在给水流量W作用下的动态特性如果把汽包及其水循环系统看作一个单容水槽，那么水位的给水阶跃扰动响应曲线应该为图2.2所示的曲线H1所示。但考虑到给水的温度低于汽包内饱和的水温度，当它进入汽

20、包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量使得锅炉内部的蒸汽产量下降，水面以下的汽泡的总体积V也就会相应的减小，从而导致水位下降如图2.2所示的曲线H2所示。水位的实际响应曲线应是曲线H1和H2之和，如图2.2所示的曲线H所示。从图中可以看出该响应过程有一段延迟时间。即它是一个具有延迟时间的积分环节，水的过冷度越大则响应延迟时间就会越长。其传递函数可以近似表示为： （2-1）式2-1中表示汽包水位的变化速度，表示延迟时间。图2.2 给水流量扰动下水位阶跃响应图2.3 给水扰动传递函数方框图 其扰动传递函数方框图如图2.3所示，可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节的串联的形式。2.3 汽包水位在蒸汽

21、流量D扰动下的动态特性当锅炉负载耗汽量D突然做阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降，如图2.4所示的曲线H1所示，另一方面由于锅炉负载耗汽量D的突然增加，将迫使锅炉内汽泡增多，同时由于燃料量维持不变，汽包压力下降，会导致水面以下蒸汽泡膨胀，总体积V增大，从而导致汽包水位上升，如图2.4所示曲线H2所示。水位的实际响应曲线应该是曲线H1和H2之和，如图2.4所示曲线H所示。对于大中型锅炉来说，后者的影响要大于前者，因此负荷做阶跃增加后的一段时间内会出现水位不但没有下降反而明显升高的现象，这种反常现象通常被称为“假水位现象”。可以认为这是一个惯性加积分

22、环节，其传递函数可以近似的表示为： （2-2） 式2-2中表示汽包水位对于蒸汽流量的飞升速度，表示“假水位现象”的延迟时间。图2.4蒸汽流量扰动下水位阶跃响应2.4 燃料量B扰动下汽包水位的动态特性 燃料量的扰动必然也会引起蒸汽流量D的变化，因此也同样会有“假水位现象”发生。但由于汽包水循环系统中有大量的水，汽包和水冷壁管道也会存储大量的热量，因此具有一定的热惯性。燃料量的增大只能使蒸汽量缓慢增大，而且同时汽压也会缓慢上升，它将使汽泡体积减小，因此燃料量扰动下的“假水位现象”比负荷扰动下要缓和的多。 由以上分析可知道给水量扰动下的水位响应有迟滞性，负荷扰动下的水位响应有“假水位现象”。这些特性

23、使得汽包水位的变化受到多种因素影响，因而对它的控制变得比较复杂和困难。此外，通过汽包内部汽水系统在压力升高时的“自凝结”和压力降低时的“自蒸发”影响水位。由于汽包压力对汽包水位影响较为复杂且不很显著，本设计未涉及对它的研究。第三章 汽包水位控制方案给水控制的任务是维持汽包中水位在工艺允许范围内。由于影响汽包水位的几个因素中，燃料量的扰动影响较小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位为被控变量，以调节给水流量为控制手段。同时，由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制都应能限制汽包水位只在给定的范围内变化。常用的汽包水位控制方式有

24、单冲量、双冲量及三冲量控制。这里的冲量指的是变量8。3.1 单冲量控制方式单冲量水位控制系统原理图及方框图如图3.1和3.2所示。单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量以保持汽包水位在允许范围内。单冲量水位控制系统，是汽包水位控制系统中最简单最基本的一种形式。图3.1 单冲量水位控制系统原理图图3.2 单冲量水位控制系统方框图如图3.1和图3.2所示是单冲量水位控制系统，单冲量即只有一个变量汽包水位。单冲量水位控制系统是最简单、最基本的控制系统。这种控制结构的特点主要有：结

25、构简单，投资少；适用于汽包容量较大，虚假水位不严重，负荷较平稳的场合；为安全运行，可设置水位报警和连锁控制系统。但在停留时间较短，负荷变化较大时，采用此方式就不合适。这是由于： 负荷变化时产生的“虚假水位”，将使调节器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调节阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动很大，动态品质很差； 负荷变化时，控制作用缓慢。即使“虚假水位”现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再由水位变化到阀动作己滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著； 给水系统出现扰动时，阀门动作缓慢。假定给水泵的压力发生变化，进水流量立即变化，然而到水位发生偏差而调节

26、阀动作，同样不够及时。总之，单冲量汽包水位调节的优点是:系统结构简单，在汽包容量比较大、水位在受到扰动后的反应速度比较慢、“假水位”现象不很严重的场合，采用单冲量水位调节是能够满足生产要求的。3.2 双冲量控制方式 （3-1）图3.3 双冲量水位控制系统原理图图3.4 双冲量水位控制系统方框图从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈加单回路反馈控制系统的复合控制系统。这种调节系统的特点是：(1)引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节的不良影响，当蒸汽量变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就

27、向正确的方向移动。因而大大减小了给水量和水位的波动，缩短了过渡过程的时间。(2)引入了蒸汽流量前馈信号，能够改善调节系统的静态特性，提高调节质量。当选择匹配时，系统的静态特性是无差的。双冲量调节由于有以上特点，所以能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位调节任务。在给水压力比较平稳时，采用双冲量调节是能够达到调节要求的。双冲量调节存在的问题是：调节作用不能及时反映给水侧的扰动，当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。同时调节阀的工作特性不一定是线性的，这样要做到静态补偿就比较困难。3.3 三冲量控制方式目前

28、锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般讲锅炉容量越大，汽包的容水量相对就越小，允许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在1020秒内就会发生危险水位；如果仅是给水量与蒸发量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。这样对水位控制要求就更高了。锅炉给水量在运行中经常会有自发性的变化，当几台锅炉并列运行时，还可能发生几台锅炉的水位调节互相干扰的现象。当某一台锅炉负荷和给水量改变时，引起给水母管压力波动，而使其它锅炉的给水量受到扰动。在双冲量水位调节中，对于给水量这种自发变化不能及时反映出来，要经过一定的迟延时间之后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化而被发觉，此后在克服扰动时，几台锅炉的

29、水位调节又互相影响，使得调节过程非常复杂。针对上述情况，为了把水位控制平稳，在双冲量水位调节基础上引入了给水流量信号，由水位H、蒸汽流量D和给水流量W组成了三冲量汽包水位调节系统，汽包水位H是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量D、给水流量W是两个辅助冲量信号。三冲量的水位控制系统原理图和方框图如图3.5和图3.6所示。图3.5 三冲量水位控制系统原理图图3.6 三冲量水位控制系统方框图三冲量控制系统，采用蒸汽流量信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷忽然变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了“虚假水位”引起的反向动作，因而减小了水位和给水流量

30、的波动幅度。当由于水压干扰使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减小的信号，开大给水阀门，使给水流量保持不变。这样，就能够有效地维持汽包水位在工艺允许的范围内，也有效地克服了系统中存在的虚假水位现象。第四章 三冲量控制系统PID设计4.1 常规 PID 控制的基本理论4.1.1 PID控制器简述 PID控制器产生并发展于1915-1940年期间，尽管自上世纪80年代以来，电子计算机的快速更新换代和计算技术的高速发展，推动了控制理论研究的深入开展，出现了许多先进的控制算法，然而，以PID为原理的各种控制器仍是过程控制中不可或缺的基本控制单元。至今，仍有90

31、%以上的控制回路采用PID结构或其改进型。概括的说，PID控制器应用如此广泛主要有以下几个原因：l 只要设计和参数整定合适，PID 控制器在许多应用场合都能获得较满意的效果。l PID 控制器有一个相对固定的结构形式，一般仅有三个参数需要设置，不需要精确的数学模型；并且，PID 控制器操作简单、维护方便，对设备和技术人员的要求不高，因而在现有控制系统中使用容易。l 现在，随着微处理器性价比的不断提高，一些优于传统 PID 控制的复杂控制算法能够得到实现，而且控制技术的迅速发展导致了控制系统的组合化。然而在这种情况下，为什么 PID 控制器依然能在过程工业中得到广泛应用?其中一个原因，是许多高级

32、控制策略都采用分层结构，而 PID 控制被用于最底层;上层多变量控制器给底层的 PID 控制器提供设定值；另一个原因，是负责实际操作的技术人员要掌握复杂控制系统的原理和结构比较难。l 借助于电子管、半导体和集成电路技术，PID 控制器发生了许多变化，从过去的气动式向今天的微处理器方向发展。微处理器的出现对 PID 控制器产生了重大影响，实际上今天几乎所有的 PID 控制器都是建立在微处理器基础上。这样也就给传统PID 控制器提供了增加一些新功能的可能，这些新功能主要包括自整定、增益调度和自适应。自整定技术对于工程师设置控制器参数非常有用，尤其体现在一些复杂回路的控制器参数整定上。 PID 控制

33、器在功能和作用上，可以提供一种反馈控制，通过积分作用可以消除静态偏差，通过微分作用可以预测未来。它能解决许多控制问题，尤其在动态过程是良性的和性能要求不太高的情况下11。4.1.2 PID控制器的结构PID 控制器的基本控制规律有比例、积分和微分等几种，工业上所用的控制规律是这些基本规律之间的不同组合。比例、积分、微分调节器，是前述调节器中功能最全的一种(如图 4.1)。图4.1 PID控制系统图 PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与被控量输出值c(t）构成的控制偏差e(t）=r(t)-c(t），将偏差的比例(P）、积分(I）和微分(D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行

34、控制，故称PID控制器，其控制规律为： (4-1)式中：Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。或写成传递函数的形式： (4-2)简单的说，PID控制器各校正环节的作用如下： l）比例环节：比例系数增大可以加快响应速度，减小系统稳态误差，提高控制精度。但过大会产生较大超调，导致系统不稳定；取得过小，可减少系统的超调量，使系统的稳定裕度增大，但会降低系统的调节精度。 2）积分环节：积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大积分作用越弱，反之则越强。积分环节用于消除系统的静态误差。加大积分系数，有利于减小系统静差，但过强的积分作用会使系统的超调量加剧，甚至引起振荡；减小积分系数

35、虽然有利于系统的稳定，避免系统产生振荡，减小系统的超调量，但对消除系统的静差是不利的。 3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势，微分环节的作用在于改善系统的动态特性，其主要是在响应过程中抑制偏差向任何地方的变化，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的调节速度，减少调节时间。但风过大，则会使响应过程提早制动，从而延长调节时间12。4.1.3 PID控制器的分类 随着计算机技术的发展，在实际应用中，大多采用数字 PID 控制器。数字 PID 控制算法通常分为位置式和增量式两种： （1）位置式PID控制算法 位置式PID控制系统如下图所示：图4.2 位置式PI

36、D控制系统 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此连续 PID 控制算法不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟PID控制算法，以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以矩阵法数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，即： (4-3) 式中：T为采样周期，k为采样序号，e(k)和e(k-l)分别为第k和第(k-1)时刻所得的偏差信号。可得位置式PID控制算法表达式为： (4-4)由于控制器的输出u(k)直接去控制执行机构(如阀门)，u(k)的值和执行机构的位置（如阀门开度）是一一对应的 所以通常式(4.3)或(4.4)称为位置式 PID 控制算法。这种

37、算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，计算机运算的工作量大。而且，因为计算机的输出对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化，会引起执行机构的位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式PID算法。（2） 增量式PID控制算法 所谓增量式PID是指数字控制器的输出是控制器的增量u( k)。当执行机构需要的是控制量的增量（例如驱动步进电机）时，应采用增量式PID控制。 增量式PID控制系统如下图所示：图4.3 增量式 PID 控制系统 根据递推原理可得： (4-

38、5) 写成增量的形式为： (4-6)采用增量式算法时，计算机输出的控制增量u( k)对应的是本次执行机构位置（例如闸板开度）的增量。对应闸板实际位置的控制量，目前采用较多的是利用算法u(k) = u(k 1)+u(k)通过软件来完成。增量式PID控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少优点：由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断方法去掉;手动或自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此时，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值;算式中不需要累加。控制增量u( k)却仅与最近k次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效

39、果。但增量式PID也有其不足之处，如积分截断效应大，有静态误差，溢出的影响大29。为了提高控制的稳定性，PID控制器不一定在每个采样时刻都实施控制，采用的方法是当误差在某一个范围内时，PID控制器不输出控制量，而保持上一次的控制量的方法，即当e 0且e0 e时，u (t) = u(t1)。这样，既提高了控制的稳定性，又避免了系统可能发生的振荡。4.2 常用PID参数整定方法 PID控制器中，Kp，Ki，Kd三个参数的不同组合，直接决定控制器的控制效果。为了得到更好的控制效果，使被控对象工作在较好的状态，必须对其参数进行有效的整定。下面归纳介绍了两类较为经典的、常用的参数整定方法。 (1）Z-N

40、经验公式法从对象的开环响应曲线来看，大多数工业过程都能用一阶惯性环节加纯滞后模型来近似描述。其传递函数为: (4-7) 其中k，T分别为对象模型的开环增益、纯滞后时间常数和惯性时间常数。对于典型PID控制器的传递函数如（4-8）式，得到Ziegier-Nichols经验公式（简记Z-N经验公式）为： (4-8) （2）Z-N临界比例度法1942年，Ziegler和Nichols提出了临界比例度法，这是一种非常著名的控制器参数整定方法，曾在工程上得到广泛的应用。同Z一N经验法不同，该法不依赖于对象的数学模型参数，而是总结了前人理论和实践的经验，通过实验由经验公式得到控制器的最优整定参数。它用来确

41、定被控对象的动态特性的参数有两个，临界增益Ku和临界振荡周期Tu。临界比例度法是在闭环的情况下，将PID控制器的积分和微分作用先去掉，仅留下比例作用，然后在系统中加入一个扰动，如果系统响应是衰减的，则需要增大控制器的比例增益Kp，重做实验，如果系统响应的振荡幅度不断增大，则需要减小Kp。实验的最终目的，是要使闭环系统做临界等幅周期振荡，此时的比例增益玛，就被称为临界增益，记为Ku；而此时系统的振荡周期被称为临界振荡周期，一记为Tu。临界比例度法就是利用Ku和Tu，由经验公式求出P、PI和PID这三种控制器的参数整定值。表4-1就是Z-N临界比例度法参数整定经验公式。表4-1 Z-N临界比例度法

42、参数整定公式Kp0.5Ku0.45Ku0.83Ku0.6Ku0.5Ku0.125Ku4.3 串级PID控制4.3.1串级PID控制原理随着生产过程向着大型、连续和强化的方向发展，对操作的要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制的精度和功能提出新的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统，也称多回路系统。串级控制就是其中之一。串级控制是改善控制系统品质的有效方法之一，在工业过程控制中应用很广泛。串级控制系统如图4.4所示。串级系统在结构上形成两个闭环。串级系统的计算顺序是先主环后副环。副环在控制过程中起着“粗调”作用，主环用来完成“

43、细调”的任务，以最终保证被调量满足工艺要求。串级控制系统具有较好的控制性能，原因主要是：对二次干扰有很强的克服能力；改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率；对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。4.3.2串级控制系统的参数整定 串级控制系统从主回路来看是一个定值控制系统，对主变量有较高的质量要求，其控制质量指标与单回路定值控制系统是一样的。从副回路看，是一个随动控制系统，对副变量的控制质量一般要求不高，只要能快速准确地跟随主控制器的输出变化就行。因此串级控制系统两个回路参数的整定根据各自的作用和对主、副变量的要求确定主、副控制器的参数。在工程实践中，串级控制系统的主要整定方法有：逐步逼近

44、法、两步整定法。图4.4串级PID控制系统框图 逐步逼近法的具体步骤：首先整定副回路，此时断开主回路，按单回路控制系统整定方法确定副回路参数，记第一次整定值WC21；然后整定主回路，此时，主副回路都闭合，把刚整定好的副回路作为主回路中的一个环节，仍按单回路控制整定方法，确定主控制器的整定参数，记为WC11；再次整定副回路，此时，主回路闭合，主副控制器整定参数为WC11及WC22。至此，完成一个逼近循环。若控制质量达到要求，主副控制器的整定参数分别取WC11和WC22。若控制质量仍不能达要求，继续整定求取WC12，循环进行直至达到要求。 两步整定法具体步骤：先整定副回路，此时，主、副回路均闭合，

45、主、副控制器都置于纯比例作用的条件下，先将主控制器的比例带放在100%处，按单回路控制系统整定副回路，逐渐降低副控制器的比例带，得到副变量在4：1递减比下的副控制器的比例带d2s和副变量振荡周期T2s；然后整定主回路，主、副回路仍闭合，将副控制器的比例带置于d2s值上，将副回路看作是主回路的一个环节，用同样的方法整定主控制器，即逐渐降低主控制器的比例带，得到主变量4：1递减比下的主控制器比例带d1s和主变量振荡周期T1s；按上面得到的值，结合控制器的选型，利用Z一N临界比例度法参数整定计算公式（表4-1），分别计算主、副控制器的整定参数值：比例带d、积分时间Ti、微分时间Td；先副后主，先比例

46、次积分后微分的顺序，将计算出的参数值设置到相应的控制器上。4.4 PID控制的特点及智能整定PID参数4.4.1 PID控制的优缺点 PID控制系统在工业生产中广泛应用。根据前文分析PID控制的特点，使它在过程控制中有很多优点，主要表现在以下三个方面：（1）PID控制的原理简单，参数物理意义明确，理论分析体系完整且应用经验丰富，使用起来比较方便；（2）PID控制对于大多数过程都具有良好的控制效果和鲁棒性；（3）在过程控制中的适应性强，在多种生产部门都得到应用，在生产过程控制发展历程中，尽管控制器的实现几经换代，但基本的控制功能仍然是PID控制。但传统的PID控制也存在许多不足之处，在实际应用中

47、，最突出的一点就是有关PID参数的问题，主要表现在以下两个大的方面：（1）传统PID控制无自整定能力，这主要表现在两个方面： PID控制器的参数整定必须相对于某一模型已知、系统参数已知的系统； PID控制器参数一旦整定完毕，便只能固定地适用于一种工况。但事实上大多数的生产过程都具有非线性，且其特性随时间的变化而变化，显然固定的一组参数是不能满足这种变化的。（2）传统的PID控制器的参数只能整定为满足生产过程控制目标某一个方面的要求。在设计控制系统的过程中人们主要关心的问题是“设定值踉踪特性和“干扰抑制特性”。而传统的PID控制器，只能通过整定一组PID参数来满足一个方面的要求。因此常常采用折中

48、的办法整定控制器参数，这样得到的控制效果显然不是最佳的。 但是，PID三大参数选择的好坏，直接影响到控制效果的好坏：合理的参数会使控制效果优良，不合理的选择会使系统的动静态性能变差，有时甚至使系统闭环不稳定。所以，探求一种精确的整定方法有着重要的理论意义和工程应用意义。在实际生产过程中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行环境的适应性较差。针对上述问题，长期以来，人们一直在寻求PID控制器参数的自整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。微处理机技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，以及近年来各种先进算法的不断涌现，为控制复杂系统开辟了新途径

49、24。智能整定 PID 参数 随着智能控制理论和技术的发展，人们将智能控制方法和常规PID控制方法融合在一起，形成了许多形式的智能PID控制器。如基于神经网络的PID控制器、模糊PID控制器、专家PID控制器、基于遗传算法的PID控制器等，它们吸收了智能控制与常规PID控制两者的优点： 首先，它具备自学习、自适应、自组织的能力，能够自动辨识被控过程参数、自动整定控制参数、能够适应被控过程参数的变化；其次，它又具有常规 PID 控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。正是这两大优势，使得智能 PID 控制成为众多过程控制的一种较理想的控制装置。 由于模糊理论的飞速发展

50、，模糊PID控制器更是这个研究领域的热点。这类控制器将数字PID整定方法与模糊控制系统技术融合起来，从模仿人的参数整定的推理决策入手，将操作者的整定技巧、经验归纳为一系列整定规则，通过对系统过渡过程模式的识别，并将整定规则运用于不同的模式，对PID参数进行整定。经过近几年的发展，出现了多种形式模糊PID控制器，如增益调整型、直接控制量型等；对于PID参数的模糊整定规律也有了一定的经验。这些方法既可用于在线，又可用于离线整定。基于控制器自身控制行为的参数整定法是一种根据自身的控制行为来调整控制参数的方法。系统的控制行为表现为偏差e和偏差变化率ec。PID控制是由比例作用、积分作用、微分作用三部分

51、组合而成的，其中积分作用是对象过去受控效果的总和，比例作用是过去控制效果的现时表现，而微分作用是对未来控制作用的需求，因此PID控制律是根据对象对控制作用的历史效果、现时表现及未来需求的综合来确定控制律，并不是靠对象的具体数学模型来决定的。常规PID控制器是 P，I，D三种作用的线性组合（Kp，Ki，Kd为常值)，理论和实践证明，即使是整定得很好的PID 参数值，系统响应的快速性与超调量之间也存在矛盾，二者不可能同时达到最优，且系统在跟踪设定值与抑制扰动方面对控制参数的要求也是矛盾的；如果我们根据控制行为的反映偏差e、偏差变化率ec、偏差和e的大小来动态的改变Kp，Ki，Kd，也就是将PID控

52、制规律变为比例、积分、微分作用的非线性组合形式，则实现了PID控制器整定的智能性，控制器也根据e、ec、e自动地校正Kp，Ki，Kd，从而获得了良好的控制效果29。第五章 三冲量串级PID控制的MATLAB 仿真5.1 仿真的目的和意义“仿真”一词译自英文Simulation，另一个曾经用过的译名是“模拟”。从字面上解释“仿真”和“模拟”都是表示“模拟仿真世界”的意思。虽然人们很早就采用了模型来分析与研究真实世界的方法亦即“仿真”或“模拟”的方法，但严格讲，只有在20 世纪40 年代末计算机（模拟计算机及数字计算机）的问世，才为建立模型及对模型进行试验提供了强有力的支持，仿真技术也才获得了迅速

53、的发展并逐步成为一门独立的学科。 仿真是以相对性原理、控制论、信息技术及相关领域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对真实系统进行试验研究的一门综合技术。它利用物理或数学方法来建立模型，类比模拟现实过程或者建立假象系统，以寻求过成都到规律，研究系统的动态特性，从而达到认识和改造实际系统的目的。 在实际中，控制系统及设备在投运使用之前其控制器的最佳参数是不知道的，若直接在线调整控制器参数，效率太低，更主要的是会影响产品质量。为此，要用仿真的方法整定出它们的最佳参数，然后再应用到实际设备及控制器上，再经过对参数进行微调，从而得到实际控制的最佳参数。这样既方便快捷，又能保

54、证产品质量3。5.2 仿真软件功能概述目前正被广泛使用的仿真软件是美国Cleve Mole博士等人组建的MathWorks软件公司开发的MATLAB编程语言。最初的正式版本在1984年推出，后经不断扩展，增添了实用工具箱、图形图像处理、多媒体功能，以及为MATLAB带来崭新局面的控制系统模型图形输入与仿真工具(Simulink)。由于MATLAB提供矩阵运算、数据处理、图形绘制、图像处理等强大功能，它己成为国际上最为流行的软件之一，广泛地应用于自动控制、信号分析、时序分析与建模优化设计等领域。Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的仿真软件包，它支持连续、离散或两者混合的线性

55、、非线性系统，也支持具有多采样速率系统。Simulink中主要包含有Continuous(连续模块)，Discrete(离散模块)，Function &Tables(函数和平台模块)，Math(数学模块)，Nonlinear(非线性模块)，Signals &Systems(信号和系统模块)，Sinks(接收器模块)，Sources(输入源模块)和Extra（其它环节)等子模型库。每个子模型库中都相应包含了丰富的功能模块，此外还可以根据需要，用户可以定制和封装自己的模块19。Simulink用于动态系统建模与仿真的交互式系统，允许用户在屏幕上绘制框图来模拟一个系统，并能够动态地控制该系统，在系统模型构造过程中，通过图形用户接口(GUI)可以利用Simuli