CN103197536A - 模型驱动pid控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了模型驱动PID控制方法及控制装置。所述控制方法包括：获取被控对象的状态值；将所述状态值和所述被控对象的理想值之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号；根据所述缩放信号和作为正反馈的反馈信号生成输入信号；根据所述输入信号和作为负反馈的补偿信号生成控制信号；根据所述控制信号控制所述被控对象。所述模型驱动PID控制装置包括：获取单元，缩放单元，反馈单元，补偿单元，控制单元。本发明提供的模型驱动PID控制方法及控制装置，不但可以缩短被控对象调整所需要的时间，而且可以消除调整过程中被控对象的震荡，使被控对象更加稳定。

Description

模型驱动PID控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及自动控制领域，尤其涉及模型驱动比例-积分-微分（PID）控制方法及控制装置。

背景技术

PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。该控制器把收集到的被控对象的状态值和一个参考值进行比较，得出一个差值，然后根据该差值计算控制信号，以控制信号控制被控对象所在的系统，从而使被控对象在控制信号的作用下达到或者保持在参考值。以使用PID控制器为核心的控制方法在工业自动控制领域中由于有着广泛的应用。

发明人对现有技术进行研究发现，当使用现有的PID控制器控制具有大时延、大惯性特征的被控对象时，如果被控对象接收到一个阶跃扰动，即便采用效果最好的1/4衰减法作为整定方法设置PID参数，被控对象的状态值也需要经过四个半波的震荡才能与理想值相吻合。由于被控对象发生震荡，会影响被控对象所在系统的稳定性，所以使用现有PID控制方法对具有大时延、大惯性特征的被控对象进行控制时存在被控对象不稳定的问题。

发明内容

本发明实施例提供了模型驱动PID控制方法及控制装置，以解决现有PID控制方式在对具有大时延、大惯性特征的被控对象进行控制时被控对象不稳定的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种模型驱动PID控制方法，该方法包括：获取被控对象的状态值；将所述状态值和所述被控对象的理想值之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号；根据所述缩放信号和作为正反馈的反馈信号生成输入信号，所述反馈信号由反馈装置以所述输入信号为输入生成，所述反馈装置的控制模型是所述被控对象的理想模型；根据所述输入信号和作为负反馈的补偿信号生成控制信号，所述补偿信号由补偿装置以所述状态值为输入生成，所述补偿装置用于对所述被控对象进行补偿，经过所述补偿装置补偿后的所述被控对象的控制模型与所述理想模型之间成比例关系；根据所述控制信号控制所述被控对象。

结合一方面，在第一种可能的实现方式中，所述获取被控对象的状态值具体为：获取被控锅炉的主蒸汽压力；所述将所述状态值和所述被控对象的理想值之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号具体为：将所述主蒸汽压力和预设压力之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号为输入；所述根据所述控制信号控制所述被控对象具体为：根据所述控制信号控制被控锅炉的燃料量，从而控制所述主蒸汽压力。

结合一方面，在第二种可能的实现方式中，所述获取被控对象的状态值具体为：获取被控锅炉的主蒸汽温度；所述将所述状态值和所述被控对象的理想值之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号具体为：将所述主蒸汽温度和预设温度之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号为输入；所述根据所述控制信号控制所述被控对象具体为：根据所述控制信号控制被控锅炉的减温水量，从而控制所述主蒸汽温度。

结合一方面、一方面的第一种可能的实现方式、第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述比例系数为K_c；所述反馈装置的控制模型具体为：其中S为所述反馈装置的输入信号，L_c，T_i为所述反馈装置的参数；所述补偿装置的控制模型具体为：K_f(1+T_fS)，其中S为所述补偿装置的输入信号，K_f，T_f为所述补偿装置的参数；所述比例系数K_c、所述反馈装置的参数L_c，T_i，及补偿装置的参数K_f，T_f都根据所述被控对象的动态特征试验数据进行参数计算生成。

结合一方面、一方面的第一种可能的实现方式、第二种可能的实现方式、第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，在所述获取被控对象的状态值之后还包括：根据所述状态值判断所述被控对象是否在可控制范围内；所述将所述状态值和所述被控对象的理想值之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号具体为：当所述被控对象在可控制范围内时，将所述状态值和所述被控对象的理想值之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号。

结合一方面、一方面的第一种可能的实现方式、第二种可能的实现方式、第三种可能的实现方式、第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，在根据所述控制信号控制所述被控对象之前还包括：分析所述控制信号的变化趋势；当调门全开且所述控制信号有减小趋势时对所述控制信号进行闭减生成闭锁信号，或者，当调门全关且所述控制信号有增大趋势时对所述控制信号进行闭增生成闭锁信号。所述根据所述控制信号控制所述被控对象具体为：根据所述闭锁信号控制所述被控对象。

另一方面，本发明实施例还提供了一种模型驱动PID控制装置，该装置包括：获取单元，用于获取被控对象的状态值；缩放单元，用于将所述获取单元获取到的所述状态值和所述理想值之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号；反馈单元，用于根据所述缩放单元生成的缩放信号和作为正反馈的反馈信号生成输入信号，所述反馈信号由反馈装置以所述输入信号为输入生成，所述反馈装置的控制模型是所述被控对象的理想模型；补偿单元，用于根据所述反馈单元生成的输入信号和作为负反馈的补偿信号生成的控制信号，所述补偿信号由补偿装置以所述控制信号为输入生成，所述补偿装置用于对所述被控对象进行补偿，经过所述补偿装置补偿后的所述被控对象的控制模型与所述理想模型之间成比例关系；控制单元，用于根据所述补偿单元生成的所述控制信号控制所述被控对象。

结合另一方面，在第一种可能的实现方式中，所述获取单元，具体用于获取被控锅炉的主蒸汽压力；所述缩放单元，具体用于将所述获取单元获取的所述主蒸汽压力和预设的主蒸汽压力之间的偏差按照预，定比例系数进行缩放生成缩放信号为输入；所述控制单元，具体用于根据所述控制信号控制被控锅炉的燃料量，从而控制所述主蒸汽压力。

结合另一方面，在第二种可能的实现方式中，所述获取单元，具体用于获取被控锅炉的主蒸汽温度；所述缩放单元，具体用于将所述获取单元获取的所述主蒸汽温度和预设的主蒸汽温度之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号为输入；所述控制单元，具体用于根据所述控制信号控制被控锅炉的减温水量，从而控制所述主蒸汽温度。

结合另一方面、另一方面的第一种可能的实现方式、第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述缩放单元的比例系数为K_c；所述反馈单元的反馈装置的控制模型具体为：

其中S为所述反馈装置的输入信号，L_c，T_i为所述反馈装置的参数；所述补偿单元的补偿装置的控制模型具体为：K_f(1+T_fS)，其中S为所述补偿装置的输入信号，K_f，T_f为所述补偿装置的参数；所述比例系数K_c，所述反馈装置的参数L_c，T_i，及补偿装置的参数K_f，T_f都根据所述被控对象的动态特征试验数据进行参数计算生成。

结合另一方面、另一方面的第一种可能的实现方式、第二种可能的实现方式、第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述判断单元，用于根据所述状态值判断所述被控对象是否在可控制范围内；所述缩放单元，具体用于当经过所述判断单元的判断，所述被控对象在可控制范围内时，将所述获取单元获取到的所述状态值和所述理想值之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号。

结合另一方面、另一方面的第一种可能的实现方式、第二种可能的实现方式、第三种可能的实现方式、第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述控制装置还包括：分析单元，用于分析所述补偿单元生成的所述控制信号的变化趋势；闭锁单元，用于当调门全开且经过所述分析单元的判断，所述控制信号有减小趋势时，对所述控制信号进行闭减生成闭锁信号；或者，当调门全关且经过所述分析单元的判断，所述控制信号有增大趋势时，对所述控制信号进行闭增生成闭锁信号。所述控制单元，具体用于根据所述闭锁单元生成的所述闭锁信号控制所述被控对象。

与现有技术相比，本实发明提供的模型驱动PID控制方法及控制装置，可不但可以缩短被控对象调整所需要的时间，而且可以消除调整过程中被控对象的震荡，使被控对象更加稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1A为本发明模型驱动PID控制方法一个实施例的流程图；

图1B为使用本发明模型驱动PID与使用传统PID进行控制的被控对象状态值曲线对比图；

图1C为使用本发明模型驱动PID与使用传统PID进行控制时控制信号曲线对比图；

图2A为本发明模型驱动PID控制装置一个实施例的框图；

图2B为本发明模型驱动PID的控制策略图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1A，为本发明模型驱动PID控制方法一个实施例的流程图。

步骤101，获取被控对象的状态值。

采用自动控制方法对被控对象进行控制，主要根据被控对象的状态值与作为被控对象的理想值之间的偏差进行调整。因此，在对被控对象进行控制时，首先要获取作为状态值被控对象的状态值，根据被控对象的状态值对被控对象进行控制，例如，对电站锅炉的主蒸汽压力进行控制时要首先使用传感器等设备获取该主蒸汽压力的具体值，然后根据该主蒸汽压力的具体值进一步进行控制。同样的，对电站锅炉的主蒸汽温度进行控制时要首先使用传感器等设备获取该主蒸汽温度的具体值，然后再根据获取到的该主蒸汽温度的具体值进一步进行控制。

步骤102，将所述状态值和所述被控对象的理想值之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号。

由于所述状态值和所述被控对象的理想值之间的偏差可能会很大或很小，为了提高控制的精度，通常情况下会将偏差值进行比例缩放后再进行进一步的处理，按照比例系数对偏差值进行缩放可以将加快被控对象的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，提高控制品质。对偏差进行比例系数进行缩放的比例系数K_c可以根据不同被控对象的实际控制需要进行调整。

为了更好的对被控对象进行控制，在将被控对象的状态值和所述被控对象的理想值之间的偏差值按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号之前，还可以判断所述状态值是否超出预定调整范围，当所述状态值在预定范围内时，再按上述方法生成缩放信号，当所述状态值超出预定范围时，则启动其他控制方式对被控对象进行控制或者发出警告。

例如，由于电站锅炉采用的屏式过热器具有温度升降快的特点，且与汽温变化的关系不确定，为了保证安全，在锅炉壁温不超温的前提下才能提高汽温。采用本发明提供的方法，在壁温测点的最大值超过二级报警时，就依据该壁温的变化速率，采用其他方法对设定点进行自动干预；当壁温测点的最大值超过一级报警时，直接将减温水调门从当前位全开，不再使用模型驱动PID进行调节。

当对电站锅炉的主蒸汽压力进行控制时，将通过传感器等获取到的实际主蒸汽压力和预设的主蒸汽压力之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号；当对电站锅炉的主蒸汽温度进行控制时，将通过传感器等获取到的实际主蒸汽温度和预设的主蒸汽温度之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号。

步骤103，根据所述缩放信号和作为正反馈的反馈信号生成输入信号，所述反馈信号由反馈装置以所述输入信号为输入生成，所述反馈装置的控制模型是所述被控对象的理想模型。

根据被控对象的输入输出特征，每一个被控对象输入与输出之间的关系都可以用一个控制模型P(S)来表示，P(S)所反映的就是被控对象零状态条件下输入信号的拉普拉斯变换与输出信号的拉普拉斯变换之间的线性映射关系，S代表输入信号。因此在选择控制方法时可以用P(S)来表示被控对象，同样的，也可以用控制模型来标识控制装置及控制装置中各个单元的作用。

由于在实际情况中被控对象的P(S)通常较为复杂，为方便对被控对象进行研究及选择控制策略，通常会选择一个与P(S)近似并且相对简单的数学模型G(S)作为被控对象的理想模型。以被控对象的理想模型G(S)的为控制模型反馈装置，根据所述缩放信号和作为正反馈的反馈信号生成第一输入信号，同时，所述反馈信号由反馈装置以所述输入信号为输入生成。

例如，当被控对象为具有大时延、大惯性特征的对象时，无论该被控对象的实际P(S)为何，都可以以一阶惯性串联纯迟延模型作为被控对象的理想模型，该理想模型可以用控制模型

来表示，其中S为输入信号，L_c，T_i为反馈装置的参数。同样的，还可以根据被控对象建立其他的理想模型。

步骤104，根据所述输入信号和作为负反馈的补偿信号生成控制信号，所述补偿信号由补偿装置以所述状态值为输入生成，所述补偿装置用于对所述被控对象进行补偿，经过所述补偿装置补偿后的所述被控对象的控制模型与所述理想模型之间成比例关系。

由于G(S)与P(S)只是近似，而并非完全一致，所以根据G(S)只能进行近似控制，控制的品质较低。

发明人通过研究发现，通过对所述反馈装置的第一输入信号进行补偿可以将整个控制策略转换成一个纯比例调节。即，根据所述反馈装置设置一个补偿装置，通过根据实际被控对象合理选择反馈装置及补偿装置的参数，可将受控对象补偿成“K乘以理想模型”，通过补偿装置的补偿，使经过补偿的被控对象的控制模型P′(S)和理想模型G(S)形成比例关系，最终将整个控制策略转换成一个纯比例调节器。由于补偿装置可以根据状态值变化的速率，提前给出一个相应的调节动作，以负反馈方式对反馈装置的输出进行补偿，从而可以克服仅仅依靠反馈装置进行控制存在时变性和不确定性，实现预测控制，这样不但缩短了调节时间并且实现了预测控制，而且可以克服被控对象因积分时间过长而使控制信号相对滞后的缺陷，进而消除被控对象不稳定的缺陷。

在被控对象的理想模型为

时，可以根据被控对象的理想模型选择比例-微分（PD）控制装置作为反馈装置，与所述理想模型相对应，PD反馈装置的控制模型可以为K_f(1+T_fS)，其中S为输入信号，K_f，T_f为补偿装置的参数。当被控对象的理想模型为其他时，也可以相应选择反馈装置。

在此需要说明的是此控制方法中的反馈装置的参数和补偿装置的参数及放大系数需要根据被控对象的实际情况进行设定。可以对被控对象进行动态特性试验，根据动态特性试验的试验数据，计算出适用于特定被控对象的K_c，L_c，T_i，K_f，T_f参数。

步骤105，根据所述控制信号控制所述被控对象。

当所述控制信号确定后，根据所述控制信号对影响被控对象的输入进行调整，使被控对象达到或者稳定在理想值。

具体来说，可以使用所述控制信号控制被控系统的调门，通过控制调门的大小来控制被控对象。例如，当对电站锅炉的主蒸汽压力进行控制时，可以根据所述控制信号控制被控锅炉的燃料量调门，通过控制所述燃料量调门控制投入锅炉中的燃料量，实现对所述主蒸汽压力的控制，从而使所述主蒸汽压力稳定在预定的值。当对电站锅炉的主蒸汽温度进行控制时，可以根据所述控制信号控制被控锅炉的减温水量调门，通过控制所述减温水量调门控制锅炉的减温水量，实现对所述主蒸汽温度的控制，从而使所述主蒸汽温度稳定在预定的值。

为更好的控制被控对象，防止积分饱和情况的出现，所述模型驱动PID控制方法还可以包括：对控制信号的变化趋势进行分析；在调门全开或全关的情况下，根据分析结果对控制信号进行闭锁（BLOCK）生成闭锁信号，然后根据闭锁信号控制所述被控对象。具体来说：在调门全开，且所述控制信号有减小趋势时，使用闭锁装置对所述控制信号进行闭减(BD,BLOCK DECRESE)生成闭锁信号，然后根据所述闭锁信号控制所述被控对象；在调门全开，且所述控制信号有增大趋势时，直接根据所述控制信号控制所述被控对象；在调门全关，且所述控制信号有增大趋势时，闭锁装置对所述控制信号进行闭增(BI,BLOCK INCREAS)生成闭锁信号，然后根据所述闭锁信号控制所述被控对象；在调门全关，且所述控制信号有减小趋势时，直接根据所述控制信号控制所述被控对象。

图1B为通过计算机仿真得到的使用模型驱动PID与使用传统PID进行控制的被控对象的状态值对比曲线，其中有四个半波震荡的为传统PID控制的控制效果，从图中可以看出，采用现有PID需要经过四个半波的震荡才能使被控对稳定在理想值，而采用本发明模型驱动PID控制方法不但缩短了调整所需要的时间，而且可以消除被控对象的震荡，使被控对象更加稳定；图1C为通过计算机仿真得到的使用模型驱动PID与使用传统PID进行控制的控制信号对比曲线，同样也可以看出采用模型驱动PID控制方法不但缩短了调整所需要的时间，而且可以消除被控对象的震荡，使被控对象更加稳定。

以电站锅炉主控制为例，现有锅炉主控是由间接能量平衡+传统PID组成，靠传统PID的调节构成主蒸汽压力的闭环回路，因此可以用本实施例所述模型驱动PID置换现有技术中的传统PID控制装置。主蒸汽温调节是串级控制调节方案，因此可以用本实施例所述模型驱动PID控制装置置换主调节器，其它逻辑保持不动。

技术人员可以根据通过动态特性试验获得被控对象从接收到扰动从而引起变化到再次进入稳定状态的时间，获取放大系数、时间常数及延迟时间等试验数据，然后根据动态特性曲线求取模型控制单元的参数和补偿反馈单元的参数及比例控制单元的放大系数等参数。根据求取到的参数对各个单元的参数进行设置。

本实施例所述的模型驱动PID控制装置可以对电站锅炉主蒸汽压力进行控制。模型驱动PID控制装置的参数可以通过行燃料量扰动试验动态特性试验获取到的锅炉主蒸汽压力从接收到扰动到进入稳定状态所需的时间，并根据试验数据求取。

具体来说，燃料量扰动下主蒸汽压力动态特性试验如下：（1）保持负荷稳定，且保持负荷计划最大进行试验；（2）燃料主控切为手动控制，其它自动均正常投入；（3）通过运行人员的操作，使锅炉主控在一分钟内减少1.5%；（4）主蒸汽压力从下降开始到进入稳定状态为止记录该段时间（一般为10分钟左右）；（5）主蒸汽压力如果超过安全临界值，则中止试验；（6）主蒸汽压力稳定后，再将锅炉主控调回原值。（7）主蒸汽压力从上升下降开始到进入稳定状态为止记录该段时间。（8）保持负荷稳定，且在负荷计划最小值状态下循环（2）—（7）步骤进行试验；（9）投入燃料主控自动，试验结束。

根据动态特性试验的试验数据，采用以下计算过程可以计算出缩放单元，反馈单元，补偿单元的需要设定的参数K_c、T_i、L_c、K_f、T_f,具体计算方法如下：

对于受控对象P(S)，其通用公式可表达成

根据对象动态试验的数据，按照两点法和切线法可求得由不同受控对象的对象特征决定的系数p₀、p₁、p₂，

依据模型驱动的原理，PD反馈环节参数K_f,T_f的选取，要使补偿后的受控对象成为“K乘内模”的形式，即

设F(S)=K_f(1+T_fS)=f₀+f₁S,依据传递函数的等效变化，可得

G(S)按照稳定和没有超调的设计思路，可描述为：

$G\left(S\right)=\frac{1}{(f_0+p_0)[1+\mathrm{\σS}+{\mathrm{\β}}_2{\left(\mathrm{\σS}\right)}^2+{\mathrm{\β}}_3{\left(\mathrm{\σS}\right)}^3+...]},$

其中σ为回路响应时间，β₂和β₃为决定曲线形状的因子，在没有超调的应用取β₂=0.38，β₃=0.08，

由公式 $G\left(S\right)=\frac{P\left(S\right)}{1+P\left(S\right)F\left(S\right)}$ 及公式 $G\left(S\right)=\frac{1}{(f_0+p_0)[1+\mathrm{\σS}+{\mathrm{\β}}_2{\left(\mathrm{\σS}\right)}^2+{\mathrm{\β}}_3{\left(\mathrm{\σS}\right)}^3+...]}$ 可得:

（f₀+p₀）[1+σS+β₂(σS)²+β₃(σS)³+...]=f₀+p₀+(f₁+p₁)S+p₂S²+p₃S³+...，

进而可得：（f₀+p₀）σ＝f₁+p₁，（f₀+p₀）β₂σ₂＝p₂，（f₀+p₀）β₃σ₃＝p₃，

再进一步可得：σ＝β₂p₃/β₃p₂，f₀＝[p₂/(β₂σ₂)]-p₀，f₁＝（f₀+p₀）σ-p₁，

由上述三个公式可得K_f=f₀，

公式 $G\left(S\right)=K\frac{e^{-\mathrm{LcS}}}{1+T_{i}S}$ 的展开式为：

$G\left(S\right)=\frac{K}{1+(T+L)S+(\mathrm{TL}+\frac{L^2}{2})S^2+(\frac{{\mathrm{TL}}^2}{2}+\frac{L^3}{6})S^3+...},$

由公式 $G\left(S\right)=\frac{1}{(f_0+p_0)[1+\mathrm{\σS}+{\mathrm{\β}}_2{\left(\mathrm{\σS}\right)}^2+{\mathrm{\β}}_3{\left(\mathrm{\σS}\right)}^3+...]}$

及公式 $G\left(S\right)=\frac{K}{1+(T+L)S+(\mathrm{TL}+\frac{L^2}{2})S^2+(\frac{{\mathrm{TL}}^2}{2}+\frac{L^3}{6})S^3+...}$ 可得，

$K=\frac{1}{f_0+p_0},$ $\frac{\mathrm{\σ}}{1+\mathrm{\χ}}$ L=χT；

由于在稳定和不超调的系统中χ和β₂存在如下关系：

${\mathrm{\β}}_2=\frac{\mathrm{\χ}+\frac{{\mathrm{\χ}}^2}{2}}{{(1+\mathrm{\χ})}^2},$

因此，χ=1.0412，

与现有技术中内模控制的参数设置方法相同，

T_i=T,L_c=L。

本实施例所述的模型驱动PID控制装置也可以对电站锅炉主蒸汽温度进行控制。模型驱动PID控制装置参数可以通过进行减温水流量扰动动态特性试验获取到的锅炉主蒸汽温度从接收到扰动到进入稳定状态所需的时间，并根据试验数据求取。

具体来说，减温水流量扰动下主蒸汽温度动态特性试验如下：（1）保持负荷稳定，且保持负荷计划最大值状态；（2）减温水调门切为手动控制，其它自动均正常投入；（3）通过运行人员将减温水调门在30秒开大10%；（4）记录左侧二级减温前温度、左侧一级减温后温度从上升开始到稳定的时间及对应值。（5）左侧二级减温前温度、左侧一级减温后温度、主蒸汽温度如果超过安全临界值，则中止试验；（6）通过运行人员将减温水调门在30秒减小10%，恢复到原来状态；（7）记录左侧二级减温前温度、左侧一级减温后温度从下降开始到稳定的时间及对应值。（8）保持负荷稳定，且在负荷计划最小值状态下循环（2）—（7）步骤进行试验；（9）投入该调门自动，试验结束。

对主蒸汽温度进行控制时，参数K_c,T_i,L_c,K_f,T_f,具体计算方法与前述对主蒸汽压力进行控制时的参数计算方法相同，在此不再赘述。

通过计算在一定时间段内主蒸汽温度的实际温度与理想温度标准差，并与传统PID进行控制时的标准差进行比较，可以发现使用模型驱动PID进行控制的蒸汽温度稳定性的明显提高。按照压力影响温度的比例为0.6℃/0.1MPa进行折算，可得出由压力改善带来的温度改善效果。同样的，使用模型驱动PID进行控制的蒸汽压力的稳定性与使用传统PID控制时相比也有明显提高。电站锅炉蒸汽温度和蒸汽压力的稳定性提高可以为电站带来很大的资源节约。例如，在某600MW机组中，如果使用模型驱动PID替代传统PID，应用与主蒸汽压力、主蒸汽温度的控制回路中，主蒸汽温度稳定性共计提高了4.615℃，可使发电煤耗降低0.462G/kWh，减温水量减少10T/h使煤耗降低0.017G/kWh，故可得出如下结论：通过使用模型驱动PID控制方法取代现有的控制方法，可以使发电煤耗降低0.479G/kWh；按机组年度发电量36.18亿度计算，年节约标煤1733吨。

从上述实施例可以看出，本实施提供的模型驱动PID控制方法，不但可以缩短被控对象调整所需要的时间，而且可以消除调整过程中被控对象的震荡，使被控对象更加稳定，增加被控对象所在系统的稳定性。

与本发明模型驱动PID控制方法相对应，本发明还提供了模型驱动PID控制装置。

参见图2A，为本发明模型驱动PID控制装置一个实施例框图。

所述模型驱动PID控制装置包括：获取单元201，缩放单元202，反馈单元203，补偿单元204，控制单元205。

其中，所述获取单元201，用于获取被控对象的状态值。

在对被控对象进行控制时，首先要获取被控对象的状态值，根据被控对象的状态值对被控对象进行控制，所模型驱动PID控制装置用于控制某特定对象，所述获取单元201就用于获取该特定对象的状态值。

例如，当所述模型驱动PID控制装置用于控制主蒸汽压力时，所述获取单元，具体用于获取被控锅炉的主蒸汽压力；当所述模型驱动PID控制装置用于控制主蒸汽温度时，所述获取单元，具体用于获取被控锅炉的主蒸汽温度。实际控制中，所述获取单元具体可以使用传感器等装置获取被控对象的状态值，对电站锅炉的主蒸汽压力进行控制时要首先使用传感器等设备获取该主蒸汽压力的具体值，然后根据该主蒸汽压力的具体值进一步进行控制，同样的，对电站锅炉的主蒸汽温度进行控制时要首先使用传感器等设备获取该主蒸汽温度的具体值，然后再根据获取到的该主蒸汽温度的具体值进一步进行控制。

所述缩放单元202，用于将所述获取单元201获取到的所述状态值和所述理想值之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号。

图2B为模型驱动PID的控制策略图，其中P(S)表示被控对象，如图2B所示，所述缩放单元可以包括一个减法器和一个PID控制的比例单元P，减法器用于计算被控对象的理想值和被控对象的状态值之间的偏差值，P用于根据比例系数对偏差值进行缩放，技术人员可以根据被控对象的动态特性试验的结果计算出P的比例系数，P的比例系数用K_c来表示。

模型驱动PID控制装置还可以包括判断单元，所述判断单元用于根据所述状态值判断所述被控对象是否在可控制范围内；所述缩放单元202，可以用于当经过所述判断单元的判断，所述被控对象在可控制范围内时，将所述获取单元获取到的所述状态值和所述理想值之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号，当所述状态值超出预定范围时，启动其他调节方式或者发出警告。

所述反馈单元203，用于根据所述缩放单元202生成的缩放信号和作为正反馈的反馈信号生成输入信号，所述反馈信号由反馈装置以所述输入信号为输入生成，所述反馈装置的控制模型是所述被控对象的理想模型。

如图2B所示，所述反馈单元203可以包括一个加法器和一个以被控对象的理想模型为控制模型的反馈装置，所述反馈装置的控制模型可以为：

其中S为装置的输入信号，L_c，T_i为反馈装置的参数。

所述补偿单元204，用于根据所述反馈单元203生成的输入信号和作为负反馈的补偿信号生成的控制信号，所述补偿信号由补偿装置以所述控制信号为输入生成，所述补偿装置用于对所述被控对象进行补偿，经过所述补偿装置补偿后的所述被控对象的控制模型与所述理想模型之间成比例关系。

如图2B所示，所述补偿单元204可以包括一个减法器和一个补偿装置，所述补偿装置依据所述反馈装置进行设置，所述反馈装置和所述补偿装置相结合，并按照被控系统动态特性试验的结果计算出的参数进行参数设置后，构成比例调节装置。当所述反馈装置的控制模型为

时，所述补偿装置的控制模型为：K_f(1+T_fS)，其中S为装置的输入信号，K_f，T_f为补偿装置的参数。

所述控制单元205，用于根据所述补偿单元生成的所述控制信号控制所述被控对象。

当所述模型驱动PID控制装置用于控制主蒸汽压力时，所述控制单元205，具体用于根据所述控制信号控制被控锅炉的燃料量，从而控制所述主蒸汽压力。

当所述模型驱动PID控制装置用于控制主蒸汽温度时，所述控制单元205，具体用于根据所述控制信号控制被控锅炉的减温水量，从而控制所述主蒸汽温度。

为更好的控制被控对象，防止积分饱和情况的出现，所述模型驱动PID控制装置还可以包括，分析单元及闭锁单元，所述分析单元，用于对所述补偿单元204生成的所述控制信号的变化趋势进行分析，所述闭锁单元，用于在调门全开或全关的情况下，根据判断结果对所述控制信号进行闭锁生成闭锁信号，所述控制单元205根据所述闭锁信号控制所述被控对象，具体来说：在调门全开，且所述控制信号有减小趋势时，闭锁单元对所述控制信号进行闭减生成闭锁信号，然后将闭锁信号发送给所述控制单元；当所述控制信号有增大趋势时，不对所述控制信号进行处理，直接将控制信号发送给所述控制单元；在调门全关时，且所述补偿单元生成的所述控制信号有增大趋势时，闭锁单元对所述控制信号进行闭增生成闭锁信号，然后将闭锁信号发送给控制单元；当所述控制信号有减小趋势时，不对所述控制信号进行处理，直接将控制信号发送给所述控制单元。

从上述实施例可以看出，本实发明提供的模型驱动PID控制装置，不但可以缩短被控对象调整所需要的时间，而且可以消除调整过程中被控对象的震荡，使被控对象更加稳定，增加被控对象所在系统的稳定性。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

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保护范围之内。

Claims (12)

1.一种模型驱动比例-积分-微分PID控制方法，其特征在于，所述方法包括：

获取被控对象的状态值；

将所述状态值和所述被控对象的理想值之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号；

根据所述缩放信号和作为正反馈的反馈信号生成输入信号，所述反馈信号由反馈装置以所述输入信号为输入生成，所述反馈装置的控制模型是所述被控对象的理想模型；

根据所述输入信号和作为负反馈的补偿信号生成控制信号，所述补偿信号由补偿装置以所述状态值为输入生成，所述补偿装置用于对所述被控对象进行补偿，经过所述补偿装置补偿后的所述被控对象的控制模型与所述理想模型之间成比例关系；

根据所述控制信号控制所述被控对象。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述获取被控对象的状态值具体为：获取被控锅炉的主蒸汽压力；

所述将所述状态值和所述被控对象的理想值之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号具体为：将所述主蒸汽压力和预设压力之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号；

所述根据所述控制信号控制所述被控对象具体为：根据所述控制信号控制被控锅炉的燃料量，从而控制所述主蒸汽压力。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述获取被控对象的状态值具体为：获取被控锅炉的主蒸汽温度；

所述将所述状态值和所述被控对象的理想值之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号具体为：将所述主蒸汽温度和预设温度之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号；

所述根据所述控制信号控制所述被控对象具体为：根据所述控制信号控制被控锅炉的减温水量，从而控制所述主蒸汽温度。

4.如权利要求1至3任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，

所述比例系数为Kc；

所述反馈装置的控制模型具体为：

其中S为所述反馈装置的输入信号，L_c，T_i为所述反馈装置的参数；

所述补偿装置的控制模型具体为：K_f(1+T_fS)，其中S为所述补偿装置的输入信号，K_f，T_f为所述补偿装置的参数。

5.如权利要求1至4任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，在所述获取被控对象的状态值之后还包括：

根据所述状态值判断所述被控对象是否在可控制范围内；

所述将所述状态值和所述被控对象的理想值之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号具体为：

当所述被控对象在可控制范围内时，将所述状态值和所述被控对象的理想值之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号。

6.如权利要求1至5任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，在根据所述控制信号控制所述被控对象之前还包括：

分析所述控制信号的变化趋势；

当调门全开且所述控制信号有减小趋势时对所述控制信号进行闭减生成闭锁信号，或者，当调门全关且所述控制信号有增大趋势时对所述控制信号进行闭增生成闭锁信号；

所述根据所述控制信号控制所述被控对象具体为：根据所述闭锁信号控制所述被控对象。

7.一种模型驱动PID控制装置，其特征在于，所述控制装置包括：

获取单元，用于获取被控对象的状态值；

缩放单元，用于将所述获取单元获取到的所述状态值和所述理想值之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号；

反馈单元，用于根据所述缩放单元生成的缩放信号和作为正反馈的反馈信号生成输入信号，所述反馈信号由反馈装置以所述输入信号为输入生成，所述反馈装置的控制模型是所述被控对象的理想模型；

补偿单元，用于根据所述反馈单元生成的输入信号和作为负反馈的补偿信号生成的控制信号，所述补偿信号由补偿装置以所述控制信号为输入生成，所述补偿装置用于对所述被控对象进行补偿，经过所述补偿装置补偿后的所述被控对象的控制模型与所述理想模型之间成比例关系；

控制单元，用于根据所述补偿单元生成的所述控制信号控制所述被控对象。

8.如权利要求7所述的PID控制装置，其特征在于，

所述获取单元，具体用于获取被控锅炉的主蒸汽压力；

所述缩放单元，具体用于将所述获取单元获取的所述主蒸汽压力和预设的主蒸汽压力之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号为输入；

所述控制单元，具体用于根据所述控制信号控制被控锅炉的燃料量，从而控制所述主蒸汽压力。

9.如权利要求7所述的PID控制装置，其特征在于，

所述获取单元，具体用于获取被控锅炉的主蒸汽温度；

所述缩放单元，具体用于将所述获取单元获取的所述主蒸汽温度和预设的主蒸汽温度之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号为输入；

所述控制单元，具体用于根据所述控制信号控制被控锅炉的减温水量，从而控制所述主蒸汽温度。

10.如权利要求7至9任意一项权利要求所述的PID控制装置，其特征在于，

所述缩放单元的比例系数为Kc；

所述反馈单元的反馈装置的控制模型具体为：

其中S为所述反馈装置的输入信号，L_c，T_i为所述反馈装置的参数；

所述补偿单元的补偿装置的控制模型具体为：K_f(1+T_fS)，其中S为所述补偿装置的输入信号，K_f，T_f为所述补偿装置的参数。

11.如权利要求7至10任意一项权利要求所述的PID控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括：

判断单元，用于根据所述状态值判断所述被控对象是否在可控制范围内；

所述缩放单元，具体用于当经过所述判断单元的判断，所述被控对象在可控制范围内时，将所述获取单元获取到的所述状态值和所述理想值之间的偏差按照预定比例系数进行缩放生成缩放信号。

12.如权利要求7至11任意一项权利要求所述的PID控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括：

分析单元，用于分析所述补偿单元生成的所述控制信号的变化趋势；

闭锁单元，用于当调门全开且经过所述分析单元的判断，所述控制信号有减小趋势时，对所述控制信号进行闭减生成闭锁信号；或者，当调门全关且经过所述分析单元的判断，所述控制信号有增大趋势时，对所述控制信号进行闭增生成闭锁信号；

所述控制单元，具体用于根据所述闭锁单元生成的所述闭锁信号控制所述被控对象。

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