1、1汽包水位简单自适应控制及参数整定摘 要：常规的串级调节系统难以满足用于调峰运行的燃气-蒸汽联合循环电厂锅炉汽包水位调节的要求，分析了采用定常控制参数的传统汽包水位 PID 调节器的缺点，介绍了基于水位偏差的汽包水位简单自适应控制系统的结构及其控制参数的整定方法。 关 键 词：燃气-蒸汽联合循环，汽包水位，PID 调节器，简单自适应控制，参数整定 中图分类号：TK174 文献标识码：A 文章编号： 东莞通明电厂装有二套燃气-蒸汽联合循环机组，总容量 2180MW，燃机为 GE 生产的 PG9171E，余热锅炉为杭州锅炉厂提供的三压、卧式、自然循环锅炉。电厂主要用于电网调峰，正常调度即要求每日朝
2、起晚停，实际运行时经常要求临时启停，并且在运行时经常要求调整负荷，传统的汽包水位三冲量调节系统对于处理这种启停频繁、负荷变化剧烈的控制对象，其效果难以达到要求。如何在现有控制系统的基础上，实现利用现代控制理论对传统的控制系统进行改进，以提高汽包水位调节系统的调节特性，成为现实的需要。 1 传统 PID 调节系统结构及存在问题 汽包水位反映了锅炉蒸发量和给水量之间的动态平衡关系，影响汽2包水位的主要因素是蒸汽流量和给水流量，因而大容量高压锅炉汽包水位调节系统一般采用三冲量串级调节，它由两个调节回路组成，包含两个调节器，水位调节器作为主调节器，是外回路；流量调节器为副调节器，置于内回路。 主、副调
3、节器均采用 PID 调节器，其 PID 参数（PID 为proportional-integral-derivative 的缩写，即比例-积分-微分） ，包括主调节器的控制参数比例系数 Kp1、积分系数 Ki1、微分系数 Kd1，以及副调节器的控制参数比例系数 Kp2、积分系数 Ki2、微分系数 Kd2，上述控制参数均为定常参数，在控制现场参数的整定一般是根据控制系统在某一工况、某一扰动量下取得最佳响应的定常参数，由于系统的非线性，当扰动量出现较大变化时此调节系统难以得到最佳响应。例如某一控制系统根据水位偏差在 50mm 的扰动下整定的 PID 参数，在出现水位偏差为100mm 的扰动时，控制
4、系统即难以得到最佳的控制效果，其超调量、过度过程时间比系统以 100mm 扰动时整定的参数得到的调节效果差。 另一方面，对于某一扰动量下控制系统的响应过程，随着偏差的变化，调节器的比例、微分、积分作用也在发生变化。在偏差较大时，比例、积分作用较大，微分作用较弱；偏差较小时，微分作用较强，比例、积分作用较弱。传统调节系统因为 PID 控制参数固定不变，不能反映这些变化，因而难以得到最佳的调节效果。 2 汽包水位 PID 调节系统控制参数的简单自适应控制 随着汽包水位偏差的变化，根据不同偏差下比例、积分、微分作用大小的不同，动态的改变 PID 参数，在水位偏差较小时，减小水位调节3器的比例和积分作
5、用；在水位偏差较大时，增大比例、积分作用，即能提高调节系统的性能，减小出现扰动时调节过程的超调量和过度过程时间 1。图 1 为根据此原理改进的通明电厂汽包水位 PID 参数自适应调节系统功能码方框图。 通明电厂 DCS 控制系统为 ABB Bailey 的 Symphony 控制系统，使用其控制软件 Composer 的相关功能码即可方便的实现基于水位偏差的水位调节器 PID 参数的自适应控制。 图中的相关控制变量： H0： 水位设定值； H1： 水位反馈； ： 水位偏差； Qs ：蒸汽流量反馈； Qw：给水流量反馈； G1： 调节装置的自动控制命令。 图中的相关功能码： (X) ：功能码 1
6、5，加法器，计算 H0、 H1 偏差，= H0- H1； F1(X) ：功能码 1，函数发生器，根据偏差 产生需要的比例系数；4ADAPT1： 功能码 24，适配器，将 F1(X)输出值赋值给水位调节器Kp1； F2(X) ：功能码 1，函数发生器，根据偏差 产生需要的微分系数；ADAPT2 ：功能码 24，适配器，将 F2(X)输出值赋值给水位调节器Ti1； APID1：功能码 156，PID 调节器，调节水位，对偏差 进行 PID 计算； APID2：功能码 156，PID 调节器，调节流量，对 APID1 输出进行 PID计算出 G1。 上述汽包水位调节系统的流量调节器采用常规的 PI
7、调节器，水位调节器采用基于水位偏差的 PI 参数（比例系数、积分系数）自适应控制的PI 调节器。 水位调节器 PID 自适应调节的控制过程是：函数发生器 F1(X)、F2(X)根据水位偏差 大小的变化，产生能达到最佳调节效果的动态的比例系数和积分系数，通过适配器 ADAPT1、ADAPT2 赋值给水位调节器 APID1 的Kp1、Ti1；调节器 ADAPT1 对水位偏差 使用动态的控制参数 Kp1、Ti1进行 PID 计算；调节器 ADAPT2 对 APID1 的输出及蒸汽流量反馈 Qs、给水流量反馈 Qw 进行 PID 计算，其输出 G1 用于控制给水调节装置调节汽包水位。 3 汽包水位 P
8、ID 自适应控制参数整定 3.1 定常控制参数 PID 调节器控制参数整定 5理论上可以通过分析系统的各个环节的数学模型确定系统的传递函数，从而确定 PID 控制器的控制参数。实际应用中，难以确定系统的传递函数，工程现场一般用经验法确定 PID 参数，常用的有临界比力度法和相似系统经验凑试法2。 3.2PID 调节器自适应控制参数整定 PID 调节器自适应控制参数的整定是基于上述定常常数的整定方法，其原理是水位偏差及其自适应控制参数间的函数关系是一条曲线，实际应用中用多段直线来近似代替（参见图 3） ，因而只需要确定多段直线的端点值即可确定水位偏差及其自适应控制参数间的函数关系。 本系统选取水
9、位偏差值10mm、50mm、100mm 几点作为端点，现场需要通过试验，依据从小到大的顺序确定这些端点的控制参数值。试验步骤如下： 第一步，整定定常参数流量调节器的控制参数值（常规 PID 控制值）: Kp2=0.15，Ti2=0.8，Td2=0。由于流量控制器 ADAPT2 是定常控制参数，将其值设定不变；ADAPT1 的微分系数作为定常参数，也保持 Td1=0； 第二步，加入水位偏差 10mm 的扰动（将水位设定值改变 10mm） ，用上述定常控制参数 PID 调节器控制参数的整定方法，试验确定偏差为10mm 时的水位调节器的最优响应控制参数 Ti1-1=0.2、Kp1-1=0.5(此步实
10、验时相当于定常参数，其他各端点值均与此点相同)。将对应值作为端点输入函数发生器(偏差为-10mm 的控制参数与此相同，同时输入函数发生器)； 第三步，加入水位偏差 50mm 的扰动（将水位设定值改变 50mm） ，试6验得到偏差为 50mm 时的最优响应控制参数：Ti1-2=0.45、Kp1-2=0.8，将对应值作为端点输入函数发生器(偏差为-50mm 的控制参数与此相同，同时输入函数发生器)； 第四步，加入水位偏差 100mm 的扰动（将水位设定值改变 100mm） ，试验达到偏差为 100mm 时的最优响应控制参数：Ti1-2=0.7、Kp1-2=1.2，将对应值作为端点输入函数发生器(偏
11、差为-100mm 的控制参数与此相同，同时输入函数发生器)。 此时即确定了水位偏差及其自适应控制参数间的函数关系曲线，见图 2。 图 3 为基于水位偏差的 PID 控制参数自适应调节系统在水位偏差为80mm 的扰动下的过度过程曲线图，图 4 为系统在负荷变化 6MW 时系统的响应曲线，结果表明系统有极佳的动态响应性能，过度过程短，并且超调量小（几乎为 0） 。 4 结束语 对于传统的 PID 串级调节系统，采用基于汽包水位偏差的 PID 参数自适应控制进行改进，编程简单，系统调试、参数整定方便，调节性能得到很大改善，其调节过程中的超调量小、过度过程时间短，满足了作为调峰作用、频繁启停、负荷变化大的燃气-蒸汽联合循环电厂锅炉水位调节的需要。 7参考文献： 1 吴振顺. 自适应控制理论与应用M. 哈尔滨大学工业出版社. 2005，2 2 范咏峰，李平. 浅析 PID 参数整定J. 中国仪器仪表. 2002，3：24-28 作者简介： 曹顺意（1967-） ，男，本科，电厂热控专工，从事电厂热工自动化设备技术管理工作。 蒋雄兵（1977-） ，男，大专，电厂运行值长，从事电厂运行管理工作。 8
