CN103294030A - 一种dcs控制方法及smith控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种DCS控制方法及SMITH控制器，SMITH控制器由被调量实际值模块、减法模块、PID控制器、执行器M/A站、执行器输出模块、过程量模块、设定值模块、乘法器、比例系数修整函数器、多阶惯性时间常函数器、纯延迟时间函数器和一阶惯性环节构成。控制过程包括：⑴进行阶跃响应试验，确定被控对象的传递函数模型；⑵利用传递函数模型及对应的参数模块和函数器，进行DCS组态；⑶计算机组负荷工况下的参数；⑷向组态图函数器输入参数；⑸将组态安装在应用系统的DCS控制器。本发明利用传递函数模型计算控制器的修正参数进行DCS组态，减少和消除了发电厂控制过程的滞后问题，提高了生产运行控制的稳定性。

Description

一种DCS控制方法及SMITH控制器
技术领域
本发明属于电力生产过程控制技术领域，涉及一种DCS控制方法及SMITH控制器。
背景技术
火力发电厂生产运行的控制过程中存在许多调节滞后问题，由于调节存在纯滞后使得被控制量不能够及时反映系统所承受的扰动，即使测量信号到达控制器，调节机构接受信号后发出的动作指令，也需要经过纯滞后时间τ后才能波及到被控制量。纯滞后问题导致控制过程产生明显的超调量和延长过渡过程时间，使过渡过程变坏，影响系统的稳定性。预估器是常用的补偿控制器，能够较好地解决纯滞后对被控系统的影响，其中SMITH预估控制是一种结构简单有效的控制方法，理论上能够克服系统大滞后、大惯性，广泛应用于工业控制过程。该方法基本设计核心是将被控对象的动态特性分解为一个纯迟延环节和一个惯性环节，将2个环节串联构成一个SMITH的预估模型，并利用控制结构将纯延迟环节进行分离。
火力发电厂的控制大多采用分散控制系统（DCS）实现，在很多DCS系统中没有纯延迟环节，因此常规SMITH控制的结构在DCS中无法实现。SMITH控制器对预估模型的要求很高，即                                                一定要非常接近实际被控对象的传递函数，而很多火电厂控制对象的模型都是时变的，与机组负荷相关，如果模型失配较大，SMITH预估控制效果会变得非常差，因此SMITH控制难以在DCS上推广应用。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种DCS控制方法，利用被控对象的传递函数模型进行DCS组态，减少和消除发电厂控制过程的滞后问题，提高生产运行控制的稳定性。本发明的另一目的是提供一种DCS控制的SMITH控制器。
本发明DCS控制方法，控制步骤如下：
⑴进行阶跃响应试验，对被控对象以一阶惯性环节加纯迟延结构进行模型辨识，确定被控对象的传递函数模型：
Figure 782564DEST_PATH_IMAGE005
；
式中：
为控制器传递函数；T为被控对象惯性时间常数，T=t3-t2；s 为微分控制算子；
Figure 955236DEST_PATH_IMAGE008
为纯延迟环节部分，其中：τ为被控对象纯延迟时间常数，τ=t2-t1；k为被控对象比例系数，
Figure 264995DEST_PATH_IMAGE009
，其中：Δu为执行机构阶跃幅度；Δy为被调量最终稳态变化量；t1为执行机构阶跃动作时间点；t2为被调量发生响应时间点；t3为被调量响应达到0.632Δy的时间点；
⑵利用步骤⑴被控对象的传递函数模型及对应的参数模块和函数器，进行DCS组态；
⑶利用被控对象的传递函数,分别计算出100%、75%、50%机组负荷工况下的参数。参数包括：被控对象比例系数k, 被控对象惯性时间常数T和被控对象纯延迟时间常数τ；
⑷向组态图函数器输入步骤⑶计算出的参数；
⑸将组态安装在所应用系统的DCS控制器。
对负荷为两点之间的数值采用内插法求得。应用系统为发电厂主蒸汽温度、再生蒸汽温度和主蒸汽压力。
本发明DCS控制的SMITH控制器，包括被调量实际值模块、1号减法模块7、2号减法模块、PID控制器、执行器M/A站0、执行器输出模块、过程量模块和设定值模块。被调量实际值模块和设定值模块与一号减法器电连接，1号减法模块、2号减法模块、PID控制器、执行器M/A站和执行器输出模块依次电连接。控制器还设有比例系数修整函数器、乘法器、3号减法模块、多阶惯性时间常函数器、纯延迟时间函数器、1号一阶惯性环节、2号一阶惯性环节、3号一阶惯性环节、4号一阶惯性环节、5号一阶惯性环节和6号一阶惯性环节。过程量模块分别与比例系数修整函数器、多阶惯性时间常函数器和纯延迟时间函数器电连接。比例系数修整函数器通过乘法器、3号减法模块与1减法模块电连接。多阶惯性时间常函数器分别与1号一阶惯性环节、2号一阶惯性环节、3号一阶惯性环节、4号一阶惯性环节和5号一阶惯性环节连接。1号一阶惯性环节、2号一阶惯性环节、3号一阶惯性环节、4号一阶惯性环节和5号一阶惯性环节相互连通，纯延迟时间函数器通过6号一阶惯性环节与执行器输出模块连接。 5号一阶惯性环节与1号一阶惯性环节相互连通，1号一阶惯性环节与乘法器相互连通。
本发明DCS控制的SMITH控制器在系统的反馈回路中引入补偿装置，将控制通道传递函数中的纯滞后部分与其他部分分离。通过本控制方法预先估计出系统在给定信号下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使被延迟了的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而减少超调量并加速调节过程，消除纯滞后对系统的不利影响，使系统品质与被控过程无纯滞后时相同，缩短了控制过渡过程时间，优化了控制器的使用性能。
本发明DCS控制方法，通过阶跃相应试验对被控对象以一阶惯性环节加纯迟延结构进行模型辨识，确定被控对象的传递函数模型，利用传递函数模型计算出控制的修正参数，进行DCS组态，减少和消除了发电厂控制过程的滞后问题，提高生产运行控制的稳定性。DCS控制的SMITH控制器在常规PID控制器的基础上增加了一阶惯性环节和多阶惯性环节，实现了PID控制与smith控制的相结合。
附图说明
图1为本发明DCS控制方法的流程示意图；
图2为本发明SMITH控制器结构图；
图3为阶跃响应法辨识图；
图4为本发明SMITH控制器的组态图。
其中：
1—设定值加法器、2—PID控制器、3—修正值加法器、4—多阶惯性环节、5—一阶惯性环节、6—被调量实际值模块、7—1号减法模块、8—2号减法模块、9—1号一阶惯性环节、10—执行器M/A站、11—执行器输出模块、12—过程量模块、13—比例系数修整函数器、14—乘法器、15—3号减法模块、16—多阶惯性时间常函数器、17—设定值模块、18—纯延迟时间函数器、19—1号一阶惯性环节、20—2号一阶惯性环节、21—3号一阶惯性环节、22—4号一阶惯性环节、23—5号一阶惯性环节。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明DCS控制的SMITH控制器，如图4所示，包括被调量实际值模块6、1号减法模块7、2号减法模块8、PID控制器2、执行器M/A站10、执行器输出模块11、过程量模块12、设定值模块17、比例系数修整函数器13、乘法器14、3号减法模块15、多阶惯性时间常函数器16、纯延迟时间函数器18、1号一阶惯性环节19、2号一阶惯性环节20、3号一阶惯性环节21、4号一阶惯性环节22、5号一阶惯性环节23和6号一阶惯性环节9。被调量实际值模块和设定值模块与一号减法器电连接，1号减法模块、2号减法模块、PID控制器、执行器M/A站和执行器输出模块依次电连接。过程量模块12分别与比例系数修整函数器、多阶惯性时间常函数器和纯延迟时间函数器电连接。比例系数修整函数器通过乘法器14、3号减法模块15与1减法模块电连接。多阶惯性时间常函数器16分别与1号一阶惯性环节、2号一阶惯性环节、3号一阶惯性环节、4号一阶惯性环节和5号一阶惯性环节连接，1号一阶惯性环节、2号一阶惯性环节、3号一阶惯性环节、4号一阶惯性环节和5号一阶惯性环节相互连通。纯延迟时间函数器18通过6号一阶惯性环节9与执行器输出模块11连接。 5号一阶惯性环节与1号一阶惯性环节相互连通，1号一阶惯性环节与乘法器14相互连通。
SMITH控制器原理结构如图2所示，包括设定值加法器1、PID控制器2、修正值加法器3、多阶惯性环节4、一阶惯性环节5。设定值模块通过设定值加法器1、PID控制器2连接到执行机构。PID控制器的输出通过一阶惯性环节、多阶惯性环节和修正值加法器反馈到设定值加法器。一阶惯性环节的输出一路直接通过修正值加法器反馈到设定值加法器。通过一阶惯性环节5和多阶惯性环节4调整机组负荷修正值，被控设备的实际测量值通过修正值加法器3反馈到设定值加法器。
本发明DCS控制过程如图1所示，控制步骤为：
⑴如图3所示，进行阶跃响应试验，对被控对象以一阶惯性环节加纯迟延结构进行模型辨识，确定被控对象的传递函数模型：
Figure DEST_PATH_IMAGE011AA
；
式中：
Figure 771937DEST_PATH_IMAGE006
为控制器传递函数；T为被控对象惯性时间常数，T=t3-t2；s 为微分控制算子；
Figure 763027DEST_PATH_IMAGE012
为纯延迟环节部分，其中：τ为被控对象纯延迟时间常数，τ=t2-t1；k为被控对象比例系数，
Figure 602807DEST_PATH_IMAGE009
。如图3所示，Δu为执行机构阶跃幅度；Δy为被调量最终稳态变化量；t1为执行机构阶跃动作时间点；t2为被调量发生响应时间点；t3为被调量响应达到0.632Δy的时间点。
⑵利用步骤⑴被控对象的传递函数模型及对应的参数模块和函数器，进行DCS组态，组态图见图4；
⑶分别在100%、75%、50%机组负荷工况下，进行被控对象的阶跃响应辨识，得到的传递函数模型分别记为
Figure 21150DEST_PATH_IMAGE014
（100%负荷）；
Figure 313591DEST_PATH_IMAGE016
（75%负荷）；
Figure 108372DEST_PATH_IMAGE018
（50%负荷）。利用被控对象的传递函数,分别计算出机组负荷x 为100%、75%、50%工况条件下的参数，参数包括：被控对象比例系数k, 被控对象惯性时间常数T和被控对象纯延迟时间常数τ。
⑷向组态图函数器输入步骤⑶计算出的参数，100%、75%、50%机组负荷工况下的参数见表1。对负荷为两点之间的数值采用内插法求得。
⑸将组态安装在所应用系统的DCS控制器。应用系统为发电厂主蒸汽温度。
Figure 802658DEST_PATH_IMAGE019
表1中：k1=1.21、T1=210、τ1=150；k2=1.04、T2=224、τ2=163；K3=1.11、T3=141、τ3=171。

Claims (4)

1.一种DCS控制方法，控制步骤如下：
⑴进行阶跃响应试验，对被控对象用一阶惯性环节加纯迟延结构进行模型辨识，确定被控对象的传递函数模型：                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
；
式中：
Figure 555087DEST_PATH_IMAGE003
为控制器传递函数；T为被控对象惯性时间常数，T=t3-t2；s 为微分控制算子；
Figure 507999DEST_PATH_IMAGE005
为纯延迟环节部分，其中：τ为被控对象纯延迟时间常数，τ=t2-t1；k为被控对象比例系数，
Figure 616639DEST_PATH_IMAGE006
，其中：Δu为执行机构阶跃幅度；Δy为被调量最终稳态变化量；t1为执行机构阶跃动作时间点；t2为被调量发生响应时间点；t3为被调量响应达到0.632Δy的时间点；
⑵利用步骤⑴被控对象的传递函数模型及对应的参数模块和函数器，进行DCS组态；
⑶利用被控对象的传递函数,分别计算100%、75%、50%机组负荷工况下的参数，参数包括：被控对象比例系数k, 被控对象惯性时间常数T和被控对象纯延迟时间常数τ；
⑷向组态图函数器输入步骤⑶计算出的参数;
⑸将组态安装在所应用系统的DCS控制器。
2.根据权利要求1所述的DCS控制方法，其特征是：所述应用系统为发电厂主蒸汽温度、再生蒸汽温度和主蒸汽压力。
3.根据权利要求1所述的DCS控制方法，其特征是：对负荷为两点之间的数值采用内插法求得。
4.一种DCS控制的SMITH控制器，包括被调量实际值模块（6）、1号减法模块（7）、2号减法模块（8）、PID控制器（2）、执行器M/A站（10）、执行器输出模块（11）、过程量模块（12）和设定值模块（17）；被调量实际值模块和设定值模块与一号减法器电连接，1号减法模块、2号减法模块、PID控制器、执行器M/A站和执行器输出模块依次电连接，其特征是：所述控制器还设有比例系数修整函数器（13）、乘法器（14）、3号减法模块（15）、多阶惯性时间常函数器（16）、纯延迟时间函数器（18）、1号一阶惯性环节（19）、2号一阶惯性环节（20）、3号一阶惯性环节（21）、4号一阶惯性环节（22）、5号一阶惯性环节（23）和6号一阶惯性环节（24）；所述过程量模块（12）分别与比例系数修整函数器、多阶惯性时间常函数器和纯延迟时间函数器电连接；所述比例系数修整函数器通过乘法器（14）、3号减法模块（15）与1减法模块电连接；所述多阶惯性时间常函数器（16）分别与1号一阶惯性环节、2号一阶惯性环节、3号一阶惯性环节、4号一阶惯性环节和5号一阶惯性环节电连接，1号一阶惯性环节、2号一阶惯性环节、3号一阶惯性环节、4号一阶惯性环节和5号一阶惯性环节相互连通；所述纯延迟时间函数器（18）通过6号一阶惯性环节（24）与执行器输出模块（11）连接； 5号一阶惯性环节与1号一阶惯性环节相互连通，1号一阶惯性环节与乘法器（14）相互连通。
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