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基于PLC的火力发电机组主汽温微分先行控制器

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资料介绍

针对火力发电机组锅炉主汽温的非线性、多变量、多扰动、大滞后等特性,将基本PID控制器、微分先行PID控制器和模糊PID控制器应用于锅炉主汽温控制系统,并分别在仿真平台Matlab的仿真环境Simu-link下进行了仿真.仿真结果表明,微分先行PID控制器缩短了滞后时间,减小了超调量,其控制性能和动态特性与模糊PID控制器相一致.与基本PID控制器相比,具有更好的控制性能和动态特性;与模糊PID控制器相比,具有更简单控制结构和更高的可靠性.同时,实现了主汽温微分先行PID控制器基于PLC的程序设计.

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V01．29 No．2

Feb．2009

第29卷第2期

2009年2月

电力自动化设备

Power Automation

Electric

Equipment

①

基于PLC的火力发电机组主汽温微分先行控制器

侯树文，王永梅，肖慧文，徐芳茹

(华北水利水电学院动力系，河南郑州450011)

摘要：针对火力发电机组锅炉主汽温的非线性、多变量、多扰动、大滞后等特性，将基本PID控制器、微分先

行PID控制器和模糊PID控制器应用于锅炉主汽温控制系统，并分别在仿真平台Matlab的仿真环境Simu—

link下进行了仿真。仿真结果表明，微分先行PID控制器缩短了滞后时间，减小了超调量，其控制性能和动

态特性与模糊PID控制器相一致。与基本PID控制器相比，具有更好的控制性能和动态特性；与模糊PID

控制器相比，具有更简单控制结构和更高的可靠性。同时，实现了主汽温微分先行PID控制器基于PLC的

程序设计。

关键词：主汽温；微分先行控制嚣；PID控制器；模糊；PLC；火力发电；锅炉

311

中图分类号：TM

文献标识码：B

文章编号：1006—6047(2009)02—0140—05

1控制策略选择

0引言

火力发电在我国电力-T业中占有重要地位，火

力发电机组是火力发电系统的核心设备u]。随着火

力发电机组越来越向大容量、高参数、高效率的方向

发展，生产系统日益复杂，系统的耦合性、时变性、非

线性等特点显得更加突出，对机组主汽温系统控制

品质的要求越来越严格L2j。

主蒸汽温度控制系统是一个纯滞后系统，被认

为是一个较难控制的复杂对象。若直接采用基本

PID控制，难以满足对系统的控制要求。而采用改

进的PID控制策略，一般可以获得较为满意的控制

效果[5]。改进PID控制是指史密斯补偿控制和微分

先行PID控制。史密斯补偿控制从根本上采取措施

消除或部分消除滞后对控制系统控制品质的影响，

以改善系统的控制品质。该控制策略和基本PID控

制策略相比，具有控制品质高、鲁棒性好等优点，适

用于控制精度要求较高的场合。缺点是需要对系统

模型进行计算机辨识，其识别过程复杂，实时性较

差，可靠性较低，故在实际生产过程中应用较少。

微分先行PID控制是将微分作用提前，即包含

了一个先行的微分环节。微分环节的输出信号包含

了被控参数及其变化速度值，将其作为测量值输入

到比例积分控制器中，可使系统克服超调的作用加

强，从而补偿过程滞后，达到改善系统控制品质的目

的。采用PI的微分先行控制方案，可较好地抑制滞

后系统的超调量，控制性能良好，且不需要进行模型

识别，所以微分先行PID控制具有结构简单、可靠性

高、易于工业实现等诸多优点。与史密斯补偿控制

相比，具有相当大的优越性L6J。

主蒸汽温度是火力发电机组的重要参数，对主

汽温的控制必须注意5个问题oq]。

巩汽温过高会使锅炉受热面及蒸汽管壁金属材

CrMoV

料的蠕变速度加快，影响使用寿命。例如，12

钢在585 oc环境下保证应用强度的时间约为lO×

104h，而在595 oC时达到3× 104h就可能会丧失其应

用强度，而且如果受热面严重超温，将会由于管道材

料强度的急剧下降而导致爆管。

b．汽温过低会使机组循环热效率降低，煤耗增

oC，会使煤耗

大。根据理论估算可知：汽温降低10

平均增加0．2％。此外，汽温过低，汽轮机转子所受

的轴向推力增大，对机组安全运行十分不利。

c．汽温变化过大，除使管材及有关部件产生疲

劳外，还将引起汽轮机转子与汽缸的胀差发生变化，

甚至产生剧烈振动，危及机组安全运行。

d．影响汽温变化的因素很多，例如，蒸汽负荷、

减温水量、燃料成分、烟气侧的过量空气系数和火焰

中心位置等。

随着微处理器技术的发展。特别是现代控制理

论和智能控制理论研究和应用，为控制复杂无规则

系统开辟了新途径。模糊PID控制器是近年发展起

来的一种新型控制器，其优点是不要求掌握被控对

象的精确数学模型，而根据人工控制规则组织控制

决策表。然后由该表决定控制量大4,E7’8]。尽管与基

本PID控制策略相比具有一定的优越性，但由于其

控制过程过于复杂，运算量过于庞大，实时性也较

差，所以在实际工业应用中，具有一定的局限性。

总之，在锅炉主汽温这样的纯滞后控制系统中，

e．汽温对象在各种扰动作用下(如负荷、工况变

化等)反映出非线性、时变性等特点，使其控制的难

度加大。

针对主汽温控制的复杂性和重要性，必须正确

选择主汽温的控制手段或控制策略，以保证主蒸汽

的品质和生产过程的安全性、经济性。

收稿日期：2007一ll一12；修回日期：2008一06—09

万方数据

第2期

侯树文．等：基于Pl，(、的火力发电机绢主汽温徽分先行榨制器

采用微分先行PID控制，能有效地克服超调现象。缩

短调节时间，而且其算法简单，实现起来简单方便，

是比较理想的控制方案。

控制器、导前区、惰性区、系统输出等组成‘9。10]，如图

1所示。

图中，扰动1为减温水的自发扰动，扰动2为燃

5十u· 666／

5十o· 666。7

2嚣燃躲洲^PID解撇茎o(驾蒸123

串级系统主汽温控制系统模型由系统输入、

扰动l

～。事ji爵

’j厂

一 —话硅西

。j扰动2

图1串级主蒸汽温度控制系统模型框图

Model

system

main—steam

control

Fig．1

temperature

惰性区的系统传递函数为

比)一Kr[础)+批础地+ro掣]

∞，=杰× 志× 鬻酱

或写成传递函数的形式：

3微分先行PID控制器设计

G(s)2警等2KP(1+去+rDs)

其中，扰(￡)为调节器的输出信号；e(f)为调节器

输入的偏差信号；K，为比例系数为积分时间常

数；却为微分时间常数。

3．1基本PID控制器

基本PID控制的原理方框图如图2所示唧。

利用Matlab中的Simulink平台，可以组建串级

主汽温基本PID控制系统方框图。在Simulink界面

中可以用鼠标双击模型，在对话框中填人各个模型的

参数13。1引。在这里设定比例系数KP=0．42，积分系

数Kl—O．009 2，微分系数KD=34；减温水自发扰动的

000

图2基本PID控制原理方框图

of normal P1D control

Fig．2 Principle

响应时间为l

后时间为20

s，燃烧率改变的响应时间为500 s；滞

500

PID控制规律为

s；仿真时间为1

s。如图3所示。

阶

图3主汽温基本PlD控制系统模型框图

Model of normal main—steam

PID control

system

Fig．3

temperature

3．2微分先行PID控制器

微分先行PID控制的特点是只对输出量f(f)进

行微分，而对给定值r(￡)不作微分。在微分先行控

制方案中，微分环节的输出信号包含了被控参数及

其变化速度值。将其作为测星值输入到比例积分控

制器中，可使系统克服超调的作用加强，从而补偿过

程滞后，达到改善系统控制品质的目的E6j，其结构如

图4所示。若用相应的符号表示，则如图5所示。

图5中Gc(s)表示比例积分控制器，rn5+1表示先

行的微分环节，G(s)表示被控对象传递函数中不含

时间滞后的部分，e15表示被控对象传递甬数中的时

间滞后部分。则系统的传递函数可表示为

图4微分先行PlD控制原理方框图

of differential

Fig．4 Principle

PID controller

preceding

图5微分先行PlD控制

Differential

Plt)controller

preceding

Fig．5

万方数据

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