CN102540878A - 串级增益自调度pid控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种串级增益自调度PID控制器，通过新增检测整定回路、内回路控制模式切换开关和外回路控制模式切换开关，并通过适当模块的搭接，实现广义串级回路的继电反馈控制，测取过程的临界震荡信息，可以不需建立受控系统数学模型，在闭环控制中就能自动的按所要求的稳定裕度整定出串级内、外回路的P、I、D参数；各内、外回路PID增益自调度控制器按输入的多组P、I、D参数及其实测运行工况信号，自动调配P、I、D参数，最大限度的缩短控制系统的过渡时间，减小其动态偏差及静态偏差，并使系统具有较好的鲁棒性(Robust)。经控制器控制非线性受控系统，以使系统在整个工作范围内，获得理想的动静态控制品质。

Description

串级增益自调度PID控制器

技术领域

本发明涉及发电厂安全控制技术领域，尤其涉及一种串级增益自调度PID控制器。

背景技术

在发电厂有许多复杂的生产过程，对此大多采用了广义的串级控制回路，而机组的运行工况及燃料供应等的变化，如负荷变化，煤质变化，就会造成生产控制对象的动态特性较大幅度的变化，使得控制对象显现出参数的时变、非线性。现在发电厂大都采用的分散控制系统(DCS)进行全厂控制，DCS中主要采用常规的PID(比例-积分-微分)控制器进行闭环控制，这些PID控制是建立在对象动态特性不变或近似不变的基础上的，当对象特性变化严重时，如不改变控制器参数，控制品质是无法保证的。过去PID控制器的参数整定是由经验取值预设，再依据试运行的响应波形做手动调整，这种做法往往经验多于科学，既费时，又难以达到最佳的整定值，由于控制器微分作用不好调整往往把微分环节去掉，达不到微分预测控制的作用。而串级回路PID控制参数的整定更是一件耗时、费力的工作。

人们提出了千差万别的PID控制器整定方法。虽然具有PID自整定功能的回路控制器已有商业化产品，但是如何在DCS中实现复杂回路PID参数的整定还是本领域中普遍面对的一个技术难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种能够对串级内外回路的P、I、D参数进行自动实时整定的串级增益自调度PID控制器。

一种串级增益自调度PID控制器，包括：PID增益自调度内控制回路、PID增益自调度外控制回路，以及分别连接所述PID增益自调度内控制回路和所述PID增益自调度外控制回路的检测整定回路；所述PID增益自调度内控制回路包括内回路PID增益自调度控制器和内回路控制模式切换开关，所述内回路控制模式切换开关的输入端连接所述内回路PID增益自调度控制器的输出端，其控制端连接所述检测整定回路的输出端；所述PID增益自调度外控制回路包括外回路PID增益自调度控制器和外回路控制模式切换开关，所述外回路控制模式切换开关的输入端连接所述外回路PID增益自调度控制器的输出端，其控制端连接所述检测整定回路的输出端；所述检测整定回路接收内回路和外回路的综合测量信号，并将其分别与内、外回路的设定值比较，根据比较结果输出模式切换控制信号至所述内回路控制模式切换开关和所述外回路控制模式切换开关。

与现有技术相比较，本发明的串级增益自调度PID控制器利用各DCS中固有的模块，通过新增所述检测整定回路、所述内回路控制模式切换开关和所述外回路控制模式切换开关，并通过适当模块的搭接，实现广义串级回路的继电反馈控制，测取过程的临界震荡信息，可以不需建立受控系统数学模型，在闭环控制中就能自动的按所要求的稳定裕度整定出串级内、外回路的P、I、D参数；并根据实测运行工况信号及偏差信号的变化，自动、实时地推理出内、外回路最佳的P、I、D参数，最大限度的缩短控制系统的过渡时间，减小其动态偏差及静态偏差，并使系统具有较好的鲁棒性(Robust)。

附图说明

图1是本发明串级增益自调度PID控制器的结构简图；

图2是本发明串级增益自调度PID控制器中检测整定回路的结构示意图；

图3是本实施例中检测整定回路中的两位控制器的结构示意图；

图4是本发明串级增益自调度PID控制器的详细结构示意图；

图5是本发明串级增益自调度PID控制器中各PID控制器的运算时序图；

图6是本发明串级增益自调度PID控制器调整给水控制参数的增益调度隶属函数示意图。

具体实施方式

请参阅图1，图1是本发明串级增益自调度PID控制器的结构简图。

所述串级增益自调度PID控制器，包括：PID增益自调度内控制回路10、检测整定回路20和PID增益自调度外控制回路30，所述检测整定回路20分别连接所述PID增益自调度内控制回路10和所述PID增益自调度外控制回路30；

所述PID增益自调度内控制回路10包括内回路PID增益自调度控制器和内回路控制模式切换开关15，所述内回路控制模式切换开关15的输入端连接所述内回路PID增益自调度控制器的输出端，其控制端连接所述检测整定回路20的输出端；

所述PID增益自调度外控制回路30包括外回路PID增益自调度控制器和外回路控制模式切换开关35，所述外回路控制模式切换开关35的输入端连接所述外回路PID增益自调度控制器的输出端，其控制端连接所述检测整定回路20的输出端；

所述检测整定回路20接收对内回路和外回路的综合测量信号，并将其分别与内、外回路的设定值比较，根据比较结果输出模式切换控制信号至所述内回路控制模式切换开关15和所述外回路控制模式切换开关35。

本发明的串级增益自调度PID控制器中，所述检测整定回路20通过获取所述内回路和外回路的综合测量信号，并以此为依据进行PID控制器模式的切换，实现滞环继电反馈控制，在需要检测受控系统控制特性时，使控制系统产生小幅度的临界振荡。对原有的内回路PID增益自调度控制器进行改进，增加所述内回路控制模式切换开关15，使它增加滞环继电反馈控制(即两位控制)功能；对原有的外回路PID增益自调度控制器进行改进，增加所述外回路控制模式切换开关35，使它也增加滞环继电型反馈控制(即两位控制)功能。

所述PID增益自调度内控制回路和所述PID增益自调度外控制回路可分别通过SPAM或Z-N等整定方法计算出所要求稳定裕度的比例(P)、积分(I)、微分(D)参数，或通过模型辨识方法计算出回路控制对象的模型参数，用内模控制器的整定方法计算出满足标称性能及稳定性能要求的P、I、D等参数，各按输入的多组P、I、D参数及其实测运行工况信号，自动调配P、I、D参数，经控制器控制非线性受控系统，以使系统在整个工作范围内，获得理想的动静态控制品质。

请参阅图2，图2是本发明串级增益自调度PID控制器中检测整定回路的结构示意图。

在本实施例中，所述检测整定回路20包括：测量信号选择切换开关21、设定信号选择切换开关22和两位控制器23；

所述测量信号选择切换开关21的两个输入端分别输入所述内回路的综合测量信号和所述外回路的综合测量信号；

所述设定信号选择切换开关22的两个输入端分别输入所述内回路的设定值信号和所述外回路的设定值信号；

所述两位控制器23的两个输入端分别连接所述测量信号选择切换开关和所述设定信号选择切换开关的输出端；所述两位控制器23的输出端连接至所述内回路控制模式切换开关15和所述外回路控制模式切换开关35的控制端B；

所述两位控制器23分别将所述内回路和外回路的综合测量信号与对应的设定值比较，根据比较结果输出所述模式切换控制信号。在一个实施例中，所述两位控制器23可以依据测量值与设定值的偏差变化情况，持续发出交替的高位或低位的输出信号作为所述模式切换控制信号，实现继电反馈控制功能。

请进一步参阅图3，图3是本实施例中检测整定回路中的两位控制器的结构示意图。

其中，所述两位控制器23包括：偏差报警模块231、RS触发器232和两位输出值切换开关233；

所述偏差报警模块231的输入端分别连接所述测量信号选择切换开关21和所述设定信号选择切换开关22的输出端，其两个输出端连接至所述RS触发器232的输入端；

所述RS触发器232的输出端连接至所述两位输出值切换开关233的控制端；

所述两位输出值切换开关233的两个输入端分别输入高电位信号Oh和低电位信号Ol；

所述偏差报警模块231将所述内回路、外回路的综合测量信号与设定值比较，在比较获得的偏差值达到报警值时，对所述RS触发器232发出报警信号；所述RS触发器232根据所述报警信号对所述两位输出值切换开关输出开关控制信号；所述两位输出值切换开关233在所述开关控制信号的控制下，选择输出所述高电位信号和低电位信号作为所述模式切换控制信号。

在进行继电反馈控制时，所述内回路、外回路的测量值与设定值送到所述偏差报警模块231进行运算，一旦偏差值超过了预先设定的死区，所述偏差报警模块231就发出高或低报警，通过所述RS触发器232发出切换信号，切换信号控制所述两位输出值切换开关233输出高位输出或低位输出。这样一来，所述两位控制器23就能依据测量值与设定值的偏差变化情况，持续发出交替的高位或低位输出信号实现继电反馈控制功能。

请参阅图4，图4是本发明串级增益自调度PID控制器的详细结构示意图。

所述PID增益自调度内控制回路10还包括：内回路比例参数增益自调度计算模块12、内回路积分参数增益自调度计算模块13和内回路微分参数增益自调度计算模块14；所述内回路PID增益自调度控制器11的外置比例参数输入端连接所述内回路比例参数增益自调度计算模块12；其外置积分参数输入端连接所述内回路积分参数增益自调度计算模块13；其外置微分参数输入端连接所述内回路微分参数增益自调度计算模块14。

各个增益自调度计算模块，依据当前运行的工况偏离各典型工况的程度，采用智能推理规则从输入的多组P、I、D参数中，推算出当前工况下满足控制稳定性要求P、I、D控制参数。推算出对应当前工况的P、I、D等参数分别送到各回路控制器的控制参数外给定端。通过所述内回路比例参数增益自调度计算模块12、内回路积分参数增益自调度计算模块13和内回路微分参数增益自调度计算模块14，使PID增益自调度内控制回路10具有P、I、D参数增益自调度功能。

在实际运行时，内回路的综合测量信号接到所述内回路PID增益自调度控制器11的测量端PV，由外回路送来的综合控制信号连接到所述内回路PID增益自调度控制器11的设定端SP。内回路运行工况信号分别接到所述内回路比例参数增益自调度计算模块12、所述内回路积分参数增益自调度计算模块13和所述内回路微分参数增益自调度计算模块14；

所述内回路PID增益自调度控制器11的输出端(OT2)接到所述内回路控制模式切换开关15的A端(PID)，所述检测整定回路20的两位控制器23的输出接到所述内回路控制模式切换开关15的B端(ON-OFF)，所述内回路控制模式切换开关15的输出接到执行设备。

进一步地，所述PID增益自调度外控制回路30还可包括：外回路比例参数增益自调度计算模块32、外回路积分参数增益自调度计算模块33和外回路微分参数增益自调度计算模块33；所述外回路PID增益自调度控制器31的外置比例参数输入端连接所述外回路比例参数增益自调度计算模块32；其外置积分参数输入端连接所述外回路积分参数增益自调度计算模块33；其外置微分参数输入端连接所述外回路微分参数增益自调度计算模块34。

各个增益自调度计算模块，依据当前运行的工况偏离各典型工况的程度，采用智能推理规则从输入的多组P、I、D参数中，推算出当前工况下满足控制稳定性要求P、I、D控制参数。推算出对应当前工况的P、I、D等参数分别送到各回路控制器的控制参数外给定端。通过所述外回路比例参数增益自调度计算模块32、外回路积分参数增益自调度计算模块33和外回路微分参数增益自调度计算模块33，使所述PID增益自调度外控制回路30具有P、I、D参数增益自调度功能。

在实际运行时，外回路的综合测量信号接到所述外回路PID增益自调度控制器31的测量端PV，由外回路送来的综合控制信号连接到所述外回路PID增益自调度控制器31的设定端SP；外回路运行工况信号分别接到所述外回路比例参数增益自调度计算模块32、所述外回路积分参数增益自调度计算模块33和所述外回路微分参数增益自调度计算模块33。所述外回路PID增益自调度控制器31的输出端OT1接到所述外回路控制模式切换开关35的A端(PID)，所述检测整定回路20中的两位控制器23的输出接到所述外回路控制模式切换开关35的B端(ON-OFF)。

进一步地，可设置所述外回路控制模式切换开关35的输出OT1连接所述设定信号选择切换开关22的一个输入端A，输出外回路的设定值；所述外回路控制模式切换开关35的输出OT1还连接至所述内回路PID增益自调度控制器11的设定端SP，作为所述内回路PID增益自调度控制器11的设定信号。

下面说明采用本发明，进行PID参数整定的方法：

对于复杂工业受控系统，当某个典型工况需要检测广义串级受控系统控制特性时，执行以下操作：

1.所述检测整定回路20将内回路的各PID控制器11切换到检测模式下：即通过适当调整偏差报警模块的死区、两位切换开关的高位输出(O_h)及低位输出值(O₁)，使所述检测整定回路20实现继电反馈控制功能。

2.获取该PID控制器的开关控制状态及控制系统的测量值。

3.通过检测到的内回路的临界振荡的到达峰值的时间Tp及到达谷值的时间Tv；上半波时间T_MAX及下半波时间T_MIN、临界振荡的峰值V_MAX及谷值V_MIN，就可以计算出控制系统临界振荡的周期时间T(T＝T_MAX+T_MIN)和临界振荡的幅值V(V＝V_MAX-V_MIN)。测取出临界振荡周期T和幅值V，峰值时间Tp及谷值时间Tv。如图5所示。

4.将测得的临界振荡周期T和幅值V，与其相应的滞环继电器型开关控制的滞环幅(H)和滞环宽度(e)等继电反馈控制参数，就可以采用Z-N整定方法计算出该回路的比例(P)、积分(I)、微分(D)数值；也可以设定所要求的相角稳定裕度(Q_m)和幅值稳定裕度(A_m)，采用SPAM整定方法计算出所要求稳定裕度的P、I、D参数；还可以通过模型辨识方法计算出回路控制对象的模型参数，用内模控制器的整定方法计算出满足标称性能及稳定性能要求的P、I、D等参数。

5.而后将计算出来的P、I、D等参数及本工况引导参数η的数值等分别填入各智能增益自调度计算模块对应该工况的控制律中，从而形成完善的全工况的模糊P、I、D参数自调整控制律。并将内回路切回到PID控制模式。

同时，将所述外回路PID增益自调度控制器31的所述外回路控制模式切换开关35切换到检测模式端，即采用滞环可调的继电反馈控制功能。按1～4的步骤检测、计算出外回路PID增益自调度控制器的比例(P)、积分(I)、微分(D)数值。然后将计算出的比例(P)、积分(I)、微分(D)数值及本工况引导参数η的数值等，填入到本工况对应的外回路比例、积分、微分参数自调配模块中。并将外回路切回到PID控制模式。

在各典型工况下，采用以上的步骤，通过启动本发明串级增益自调度PID控制器的检测模式，检测、整定、计算、填入不同工况下比例(P)、积分(I)、微分(D)及其引导参数η的数数值，就能完善对应非线性系统的全工况智能P、I、D参数自调整控制率。

将在各典型工况整定出的多组P、I、D参数设置在各个参数增益自调度计算装置，输入的多组P、I、D参数及典型工况引导参数为η，采用外给定方式接入各PID控制器，用以在工况变化时导致受控系统控制特性改变，自动适应地调配P、I、D参数，通过本发明串级增益自调度PID控制器控制非线性受控系统，以使系统在整个工作范围内，获得理想的动静态控制品质。

本发明中，各个参数增益自调度计算模块采用Takagi-Sugeno-Kang型智能推理方法，控制律形成如下：

各个参数增益自调度计算模块，依据当前运行的工况偏离各典型工况的程度，采用智能推理规则从输入的多组P、I、D参数中，推算出当前工况下满足控制稳定性要求P、I、D控制参数。推算出对应当前工况的P、I、D等参数分别送到各回路PID控制器的控制参数外给定端。

设PID控制器的计算式如下：

${U\left(s\right)}_r=(K_{\mathrm{pr}}+\frac{1}{{\mathrm{sT}}_{\mathrm{ir}}}+\frac{T_{\mathrm{dr}}s}{1+\mathrm{\η}{T}_{\mathrm{dr}}s})E\left(s\right)+\mathrm{FF}$

式中：U(s)控制器输出，K_pr为比例，T_ir为积分时间，T_dr为微分时间，FF前馈信号。

控制域的引导参数为η，当控制域在R区时，由引导参数为η决定的PID控制律如下所示：

${\mathrm{IF\ηisS}-\mathrm{FLOW}}_r\mathrm{THEN}{U}_r\left(t\right)=[K_{\mathrm{pr}}+\frac{1}{{\mathrm{sT}}_{\mathrm{ir}}}+\frac{T_{\mathrm{dr}}s}{1+\mathrm{\η}{T}_{\mathrm{dr}}s}]E\left(s\right)+\mathrm{FF}$

控制参数在控制点η的P、I、D参数有其隶属函数μ_A ^k(α)决定，不失去一般性在任意控制点η的控制参数由相邻控制域的两组P、I、D参数决定，假设该点在控制域k及k-1的交集上，则该点的P、I、D参数由如下算式得出：

K_pr＝(1-μ_A ^k(α))K_p ^k-1+μ_A ^k(α)K_p ^k

T_ir＝(1-μ_A ^k(α))T_i ^k-1+μ_A ^k(α)T_i ^k

T_dr＝(1-μ_A ^k(α))T_d ^k-1+μ_A ^k(α)T_d ^k

依据当前运行的工况，推算出满足稳定裕度要求、对应当前工况的P、I、D控制参数。推算出对应当前工况的比例P、积分I、微分D参数送到各回路的PID控制器的控制参数外给定端。

本发明利用各DCS中固有的模块，通过新增模块，以及适当的模块搭接，实现了各回路的继电反馈控制、串级增益自调度控制，并广泛应用于各种广义串级控制回路包括：各种锅炉的汽温串级控制回路、脱硫控制中的吸收塔浆液pH值比值串级控制回路、各种锅炉的给水前馈-串级三冲量控制回路等等。

下面以具体工程应用实例说明本发明串级增益自调度PID控制器的运作：

在2×50MW生物质发电工程给水三冲量控制中采用本发明串级增益自调度PID控制器的应用。

由于生物质燃烧极不稳定，造成蒸汽流量变化很大，虚假水位严重，控制系统存在严重的非线性，给水位控制带来很大困难，通过在给水三冲量控制中采用串级增益自调度PID控制器，较好克服了生物质燃烧热负荷冲击对水位的影响，较好地控制水位稳定。

给水三冲量控制有主、副两个PID控制器。主控制器PID1为水位控制器，它根据水位偏差控制给水流量等于给定值；副控制器PID2为给水流量控制器，它根据给水流量偏差控制给水流量；蒸汽流量信号作为前馈信号用来维持负荷变动时的物质平衡，由此构成的是一个前馈-串级三冲量控制系统。

分别在高、中、低三个负荷段，采用继电器反馈整定方法，测取了给水三冲量三个负荷段调节对象的特性参数，外回路是一个快速的控制对象，只用PI控制采用Z-N整定法就可以了，内回路是一个有积分特性的复杂控制对象，需用PID控制采用SPAM整定法来计算参数。不同负荷段整定出的控制参数见下表。

表1给水三冲量控制器不同负荷下的整定参数

则，在各参数增益自调度模块采用如下推理规则进行增益调度计算。

给水控制参数的增益调度规则如下：

IFηis S-FLOW_r THEN $U_r\left(t\right)=[K_{\mathrm{pr}}+\frac{1}{{\mathrm{sT}}_{\mathrm{ir}}}+\frac{T_{\mathrm{dr}}s}{1+\mathrm{\η}{T}_{\mathrm{dr}}s}]E\left(s\right)+\mathrm{FF}$

其中引导参数η为主蒸汽量S-FLOW，如此得到给水控制参数的增益调度隶属函数如图6所示。

在内外增益调度回路中填入在不同负荷下用整定法计算出的PID参数，就形成给水三冲量增益自调度PID控制系统。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种串级增益自调度PID控制器，其特征在于，包括：PID增益自调度内控制回路、PID增益自调度外控制回路，以及分别连接所述PID增益自调度内控制回路和所述PID增益自调度外控制回路的检测整定回路；

所述PID增益自调度内控制回路包括内回路PID增益自调度控制器和内回路控制模式切换开关，所述内回路控制模式切换开关的输入端连接所述内回路PID增益自调度控制器的输出端，其控制端连接所述检测整定回路的输出端；

所述PID增益自调度外控制回路包括外回路PID增益自调度控制器和外回路控制模式切换开关，所述外回路控制模式切换开关的输入端连接所述外回路PID增益自调度控制器的输出端，其控制端连接所述检测整定回路的输出端；

所述检测整定回路接收内回路和外回路的综合测量信号，并将其分别与内、外回路的设定值比较，根据比较结果输出模式切换控制信号至所述内回路控制模式切换开关和所述外回路控制模式切换开关。

2.如权利要求1所述的串级增益自调度PID控制器，其特征在于，所述PID增益自调度内控制回路还包括：内回路比例参数增益自调度计算模块、内回路积分参数增益自调度计算模块和内回路微分参数增益自调度计算模块；

所述内回路PID增益自调度控制器的外置比例参数输入端连接所述内回路比例参数增益自调度计算模块；其外置积分参数输入端连接所述内回路积分参数增益自调度计算模块；其外置微分参数输入端连接所述内回路微分参数增益自调度计算模块。

3.如权利要求1所述的串级增益自调度PID控制器，其特征在于，所述PID增益自调度外控制回路还包括：外回路比例参数增益自调度计算模块、外回路积分参数增益自调度计算模块和外回路微分参数增益自调度计算模块；

所述外回路PID增益自调度控制器的外置比例参数输入端连接所述外回路比例参数增益自调度计算模块；其外置积分参数输入端连接所述外回路积分参数增益自调度计算模块；其外置微分参数输入端连接所述外回路微分参数增益自调度计算模块。

4.如权利要求1至3任一项所述的串级增益自调度PID控制器，其特征在于，所述检测整定回路包括：测量信号选择切换开关、设定信号选择切换开关和两位控制器；

所述测量信号选择切换开关的两个输入端分别输入所述内回路的综合测量信号和所述外回路的综合测量信号；

所述设定信号选择切换开关的两个输入端分别输入所述内回路的设定值信号和所述外回路的设定值信号；

所述两位控制器的两个输入端分别连接所述测量信号选择切换开关和所述设定信号选择切换开关的输出端；所述两位控制器的输出端连接至所述内回路控制模式切换开关和所述外回路控制模式切换开关的控制端；

所述两位控制器分别将所述内回路和外回路的综合测量信号与对应的设定值比较，根据比较结果输出所述模式切换控制信号。

5.如权利要求4所述的串级增益自调度PID控制器，其特征在于，所述外回路控制模式切换开关的输出端连接所述设定信号选择切换开关的一个输入端，输出外回路的设定值；

所述外回路控制模式切换开关的输出端还连接至所述内回路PID增益自调度控制器的设定端。

6.如权利要求4所述的串级增益自调度PID控制器，其特征在于，所述两位控制器包括：偏差报警模块、RS触发器和两位输出值切换开关；

所述偏差报警模块的输入端分别连接所述测量信号选择切换开关和所述设定信号选择切换开关的输出端，其两个输出端连接至所述RS触发器的输入端；

所述RS触发器的输出端连接至所述两位输出值切换开关的控制端；

所述两位输出值切换开关的两个输入端分别输入高电位信号和低电位信号；

所述偏差报警模块将所述内回路、外回路的综合测量信号与设定值比较，在比较获得的偏差值达到报警值时，对所述RS触发器发出报警信号；所述RS触发器根据所述报警信号对所述两位输出值切换开关输出开关控制信号；所述两位输出值切换开关在所述开关控制信号的控制下，选择输出所述高电位信号和低电位信号作为所述模式切换控制信号。

7.如权利要求1至3任一项所述的串级增益自调度PID控制器，其特征在于，所述PID增益自调度外控制回路还包括：各个上述参数增益自调度计算模块的输入端连接内、外回路的运行工况信号，依据当前运行的工况偏离各典型工况的程度，采用智能推理规则，从输入的多组P、I、D参数中推算出当前工况下满足控制稳定性要求P、I、D控制参数，推算出对应当前工况的P、I、D控制参数分别送到所述内、外回路PID增益自调度控制器的控制参数外给定端。

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