电厂自动控制系统调节器应用概述

王逸波

摘 要：为了适应大型机组的发展需求，应对热工控制系统进行优化策略研究。简单说明了火电自动控制系统的概况，重点介绍了PID控制在电厂自动控制系统中调节器的应用现状。

关键词：电厂；自动控制系统；调节器；PID控制

中图分类号：TV736 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.098

火力发电在我国整个电能供给体系中占据着举足轻重的地位，因此，人们对火力发电机组的要求越来越高。PID控制在电厂自动控制系统中一直占据着主导地位，但随着我国电力系统的迅速发展，在PID控制中传统的中小型机组调峰方法已无法满足大型机组调峰的要求，必须寻求一种热工自动控制技术以提高控制器调节水平、机组效率，力争实现我国大型机组热工控制系统高效、快速的控制品质。

1 火电自动控制系统的基本概念

热工控制系统作为火力发电厂日常生产运营管理的核心部分，其自动控制系统影响着火电厂所有大型机械设备的安全运行。热工控制系统并不简单，它涉及的方面很多，其中，包括有机炉协调控制、锅炉燃料量、汽包水位和过热蒸汽温度等；热工自动控制系统与很多调节控制系统相互关联，对引风控制调节系统和送风控制调节系统都会造成影响。总而言之，热工自动控制系统比较复杂，要维持其可靠运行，就必须依靠一系列的操作，从而实现控制调节。要保证热工控制系统的安全、稳定运行，至少要做到以下2点：①要对设备进行定期检修，对每个设备都要有及时、严格的检测，在硬件水平上保证设备的正常运行；②热工技术人员要有比较专业的技术水平，能实时对所有设备的运行状态和运行环境监控和管理，可及时发现和处理故障。

2 PID控制

2.1 传统PID控制中的不足

在我国的工业中，有很多问题都需要用到建模来解决，PID控制具有结构简单、易于调整和不依赖对象的精确建模等特点，可解决很多工业建模难题，在自动控制过程领域得到了普遍运用。在世界范围内，美国和日本等国家有90%以上的控制回路都采用PID控制。PID控制发展至今，工程师已积累了大量PID控制参数的调节经验。然而，随着社会的进步，常规PID的控制精度已逐渐无法满足现代工业的要求，且对于时变对象和非线性系统，传统的PID控制更加难以满足其要求，主要体现在以下3点：①随着我国电力系统的发展，电厂机组的数量越来越多，控制回路更加复杂，操作性要求更高。在实际中，由于缺乏完善的PID控制方法，往往使PID调节器参数整定达不到理想值，进而影响了回路的控制效果，使产品的质量、原料、消耗和能耗都与预期值有差异，严重时会影响到设备的安全、稳定运行，引发重大的安全事故。②电力工业发展至今，系统之间的反馈越来越多，传统的PID控制器在反馈机制上已不能满足现代电力系统的要求，常规的PID控制器只借助系统输出等反馈信息实现控制，而被控对象很多都具有延迟的特性，这种反馈机制下的反馈量并不能及时反映对象模型和扰动变化，导致控制器输出跟不上对象模型的变化，控制效果并不理想。③传统的PID控制在参数整定方法方面的人为因素影响较大，整定过程中易导致参数整定不良，对参数整定操作人员有着较高的要求，且传统的PID控制对经验要求较高，不适合大规模推广使用。

2.2 智能PID控制

在实际生产应用中，传统PID控制的缺陷逐渐突显。为了解决这类问题，控制学家和工程设计人员不断改进PID控制方案，提出了智能PID控制方法，且取得了一定的成绩。近年来，对智能PID控制器的研究主要集中在3个方面：①常规PID控制结合模糊控制。两种控制方法各有特点，两者结合可改善常规PID控制在建立精确数学模型的场合表现乏力的现状，大大改善了控制器的性能。②常规PID控制结合神经网络。神经网络的控制特点为具有自适应学习能力、超强的容错性和并行分布性，将人工神经网络引入控制领域可实现控制器参数的自适应，大大提高了控制器的应变性和实效性。在未来，人工神经网络会更多地应用于智能PID控制过程。③在智能PID控制器中应用遗传算法。遗传算法作为人工智能的重要分支，是一种简便、有效的新型优化技术，高度并行处理能力强。利用遗传算法可使常规的PID控制器参数得到优化。

3 PID控制在火电系统中的作用

3.1 PID参数整定

在电厂的实际生产应用中，对PID参数的整定一直是一个难题，特别是不稳定、积分对象的PID自整定一直没有找到较好的突破口。在过去几十年的发展历史中，国内外对PID参数的整定方法都进行了大量的实验和研究，且取得的一些不错的成绩，期间也产生了很多应用广泛、行之有效的整定方法，比如Ziegler—Nicholsl法、衰减曲线整定法和无模型临界比例带法等。Ziegler—Nicholsl法通过提取被控对象的瞬态特性确定PID控制器的3个参数，它的一阶惯性加纯滞后环节的数学模型为：

式（1）中：G为系统的开环传递函数；?为容量滞后时间；s为变量；K为被控对象的开环增益；T为惯性时间常数；τ为纯滞后时间常数。

下文中的智能PID参数自整定即对参数“K”“T”“τ”的在线修正。

为了使PID控制器能满足时变对象和非线性系统的控制需求，工作人员一直在常规的PID控制的改进上寻找突破口。这些改进主要体现在2个方面：①对常规PID控制在控制结构上加以改进，以提高常规PID控制的调节能力。②将模糊控制、专家控制与神经网络控制等常规PID控制相结合，充分利用各自的优点，取长避短，形成优势互补，即实现智能PID控制。这种新型控制器不依赖系统的精确模型，具有较好的鲁棒性，从而引起了人们的广泛关注和极大的兴趣，并取得了较为广泛的运用。

目前，运用较多的智能PID算法有基于模型的PID参数自整定、基于规则的PID自整定、专家系统型PID控制器和基于蚁群算法的PID控制器等。智能PID参数自整定方法成为了近年来工业过程控制的研究热门，它的优势主要体现在参数自动整定和参数在线自校正两方面。传统的PID控制器在参数整定结束后，参数会形成固定值，而系统本身是变动的，固定的参数值设定很难使系统时刻处于最优状态；智能PID控制能在线获取被控系统的误差和变化、控制量和系统的输出量等信息，以及对PID的3个控制参数进行在线修正。

3.2 PID控制的重要性

大型机组（600 MW以上）比中小型机组对PID控制有着更高的要求，也更依赖PID控制实现机组的正常运转。大型机组中，自动控制系统更为复杂。在实际生产中，系统的时变性和非线性更高。如果调节器的参数设定不是最优值，则系统控制的效率会降低。智能PID参数的自整定可实现调节器3个特征参数值随被控对象所处环境的变化而实时变化，不但可实现系统的快速控制，使控制器的调节水平、系统的稳定性和机组效率升高，还可以节省大量的时间，为电厂创造更多的经济效益。

4 结束语

电厂自动控制系统是实现机组经济运行的关键，及时了解、分析机组设备的构成及其可能出现的问题，利用自动控制调节器及时对系统进行调整控制，优化机组运行和提高机组运行效率，是实现发电机组长久、安全、稳定生产运行的关键。目前，我国在该方面做得还不够完善，还需要进行更多的研究工作。

参考文献

[1]周灿文.电厂自动控制系统中调节器的应用技术[J].广东科技，2009（6）.

[2]黄永志.火电机组锅炉主汽温智能PID控制研究[J].郑州大学，2007（5）.

〔编辑：张思楠〕