文档介绍：《过程控制与自动化仪表》
课程设计报告
院系电子与电气工程学院
专业自动化
班级
学号
姓名
2013 年 6 月
基于自校正PID算法的火电机组高加水位控制系统设计一、设计目的
熟悉自校正PID控制原理
了解自校正PID算法对控制效果的影响
学会如何用MATLAB编程实现对控制系统进行仿真研究
二、高加水位自动控制系统的背景
在在火力发电厂中,高加系统作为主要的辅助设备,对锅炉给水进行加热通过省煤器直至供给汽包,给水温度的恒定,直接关系到锅炉的热效率。每一次高加系统的解列,在
不增加煤量的情况下,导致降低负荷30MW/h左右,同时造成给水温度骤降、引起汽包水位下降锅炉气压不稳定,严重威胁锅炉的安全稳定运行。因此,为了保持高加水位在正常范围内调节,保证高加系统稳定的投入运行,是机组安全稳定运行的前提条件。
在当今的条件下用常规仪表可搭接成典型的单级单回路调节系统,各环节全由硬件硬接线完成,它存在的缺点是连接起来很复杂、故障点比较多、调节的品质不高、自动投入率比较低。基地式高加水位调节仪的优点是测量和调节单元合二为一,删减了多余的连接部件和电缆,且不存在电磁干扰的问题;缺点是它比较容易进入不正常的状态,它的气路复杂、漏点故障点多。
它对气源的要求非常高,灰尘和油污会使调节部件的节流孔堵塞而使调节失灵,气源带水会使调节部件腐蚀失灵,在冬天甚至会发生结冰冻裂的现象。
高加水位控制系统被控对象动态模型:
三、自校正PID控制设计方案
在生产过程自动控制的历史发展中,PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。由于PID控制具有原理简单、使用方便、适应性强、鲁棒性强等特点,所以在电力生产过程中得到了广泛的应用。大型火力发电厂在我国电力工业中占有主要地位,大型火力发电机组具有效率高、自动化水平高等特点。
随着社会的进步和生产技术水平的提高,人们对自动控制技术所提出的要求也越来越高,自校正PID控制应运而生。
下面在介绍常规PID控制与自适应PID控制的基础上,通过比较提出自校正PID控制方案。
理想连续PID控制作用的控制规律可用下式来描述:
式中:e(t)为输入偏差;u(t)为控制过程输出;Kp为比例增益;Ti为积分时间;Td为微分时间。在火力发电厂中
为了能使计算机对上式进行计算,,每经过一个采样周期进行一次数据采样、控制运算和数据输出。离散PID控制算法可由连续理想PID控制算法直接经离散化导出。
控制器离散时间传递函数为:
上式可表示为:
其中;。
PID控制原理
自校正PID控制是自校正控制思想与常规PID控制相结合的产物,吸收了2者的优点,不仅需要调整的参数少,而且能够根据对象特性的变化在线修改这些参数,从而增强了控制器的自适应能力。
自校正PID控制器的设计思路是:
以式为控制器基本形式,引入递推算法估计对象参数,并将估计结果按极点配置法进行控制器参数的设计。
设被控对象为:(1)
其中:u(k)为输入,y(k)为输出,e(k)为外部扰动,为纯延时,且
对系统采用PID控制,为了消除常值干扰,控制器必须有积分作用。此时,对应的PID控制器可表示为:
(2)
且
将(2)式代入(1)式得闭环系统输出为:
令闭环多项式为期望传递函数分母多项式,即
(3)
(3)中F、G的参数可利用MATLAB函数diophantine进行求解;当、参数未知时,需要采用自校正控制算法。
图中,y(k)为输出,u(k)为控制量,r(k)为给定值,v(k)为干扰。图中的“被控对象”为考虑了采样器和零阶保持器在内的离散化了的离散时间系统,虚线框内各部分实际上均为计算机的程序。“参数估计器”根据输入、输出得到对象模型未知参数的估计值,“控制器参数计算”根据计算控制器参数。“控制器”再用新的控制参数计算控制量。
3、火电机组高加水位控制系统自校正PID控制设计方案
在控制方案上,一般采用常规的PID控制。国内不少电厂采用这种控制方案后,往往会出现当高加水位投入自动运行时,使高加水位产生大幅度的波动而无法长期投入自动运行的情况。
从控制的角度来看,整个被控对象有较大的滞后,常规的PID控制规律较难取得理想的品质,原因是对大滞后对象,PID调节器的参数必须整定得很慢,才能够确保整个闭环系统是稳定的。
针对这一情况,提出自校正PID控制设计方案。
高加水位自动控制系统的组成:
过程变量:高加实际水位,调