实例阐述自动控制与PID参数调整

何思敏

摘 要： 随着控制技术的日新月异，DCS的广泛应用，火电厂的自动化程度也得以稳定提升。如何整定PID参数，优化自动控制，减轻运行人员的工作负担，成为电厂热控维护人员基本技能之一。本文通过实例，分析自动控制回路的构建与参数调整，实现自动控制的目的。

关键词： 热工自动化；自动控制；PID参数整定

如图1所示流程，送风机根据负荷吹入适量的空气进入炉膛配合煤粉燃烧，产生的烟气经引风机抽出，再经过增压风机升压后，进入脱硫吸收塔发生化学反应，脱硫后的干净烟气经烟囱排放到大气。以增压风机的自动控制为例，被调量为增压风机入口压力，执行机构为增压风机动叶，当由于发电负荷变化导致送风机、引风机控制变化时，增压风机动叶也需要自动调节，使入口压力维持在设定值附近范围，维持工况稳定。

一、正作用与反作用

增压风机启动后，由增压风机动叶开大或关小，来控制增压风机的入口压力，根据增压风机对入口压力的影响，可知这是一个反作用的自动控制回路，即当动叶开度变大时，入口压力往负的方向变化，当动叶开度变小时，入口压力往正的方向变化，和引风机对炉膛负压的控制作用方向一致。

二、比例与积分调节

在手动调节方式下，运行人员在监控画面操作0%-100%之间的指令，经DCS转化成4-20毫安电流信号，输出到动叶电动执行机构开大或关小动叶，完成人工控制增压风机的入口壓力的调节。在自动调节方式下， PID功能块指令输出计算公式如下：

由于被调量为增压风机入口压力，单位为Pa，量程为-1500～1500（可理解为0-3000的范围），而PID的输出为到动叶0～100%的指令，此时需要将被调量与执行机构的单位进行联系。对入口压力进行百分比的转换，将100除以3000，得出转换系数为0.033，则当增压风机入口压力变化时，偏差=（入口压力设定值-入口压力实际值）*0.033，得出入口压力的变化百分数，完成由单位“Pa”到“%”的转化，与动叶的开度0-100%建立了关系。

在实际手动调节增压风机入口压力过程中得知，动叶在当前开度基础上增加1.3%的开度，入口压力即往负的方向变化100Pa左右，例如当前稳定工况下，入口压力为-100Pa，动叶开度为62%，当动叶开大到63.3%时，入口压力从-100Pa变化到-200Pa左右，由此可以推算出，当在自动调节状态下，当入口压力由于工况变化从-100Pa变化到-200Pa时，为了使入口压力恢复到设定值-100Pa左右，此时动叶必须在当前开度基础上减少1.3%的开度，即动叶指令变量为-1.3%，才能实现调节目的。由偏差=（入口压力设定值-入口压力实际值）*0.033=【（-100）-（-200）】*0.033=3.3%，为了使动叶的指令变化1.3%，可大约求出PID比例系数P=1.3%÷3.3%=0.39。

实际投入自动调节中，由于比例作用无法消除静态偏差，如果为了消除静态偏差，需要增加积分作用。了解到DCS系统的积分时间是趋向0时积分作用越强，越往正数方向积分作用逐渐减弱，根据经验初设积分时间为120，观察积分作用对压力调节的影响，判断是应该增加还是减小积分时间。如果需要快速消除偏差，则可修改为100或90等，加强积分作用，如果对系统造成扰动，则应增大积分时间。理论上积分作用越强会降低系统的稳定程度，在实际调节中应把握平衡。应用比例与积分作用的自动调节效果如图2所示，入口压力能维持在设定值附近。

三、前馈输入

以上方式为比例与积分作用控制，根据控制策略的改变，也可增加前馈作用。由于增压风机动叶与引风机动叶存在关系，当引风机动叶开度增大时，增压风机动叶也随之增大，使负荷相应匹配。在600MW燃煤机组运行中，采集发电机实际升降负荷数据，当不同负荷状态最终稳定时，引风机动叶开度、增压风机开度有如下对应关系，通过分段函数添加PID的前馈输入，使引风机动叶开度变化时，增压风机动叶能相应变化，完成调节。注意的是，由于添加了前馈作用，需要相对调整PID的参数，以使调节过程平稳。

四、自动退出的保护条件

为了维护工况稳定，当自动调节无法保证生产安全时，需要及时退出自动，提醒运行人员手动控制，常规退出自动条件如下：

1、增压风机入口压力显示坏点（表示被调量无法监视，更无法作为自动调节依据）；

2、增压风机入口压力与设定值偏差过大，延时3秒（表示在设定时间内，被调量偏离设定值太大，自动无法调节，偏差与延时时间可根据实际情况设置）；

3、增压风机动叶指令与位置反馈偏差大，延时5秒（表示在设定时间内，动叶开度没有达到指令要求，自动无法调节。需要注意的是，指令变化的速率和动叶电动执行机构实际动作的速率，实际情况存在工况突变造成指令在没有速率限制的情况下变化太大，但电动执行机构需要一定的速率才能开大或关小到相应位置，此时如果延时设置不当，即可能造成自动调节退出，反而未必能保证工况的安全）。

在此例自动控制回路中，考虑到压力单位小，干扰因素多，波动大，为了消除偏差，被调量精确控制在一个具体的设定值是不太现实的，往往容易因为动叶的频繁动作而造成工况的不稳定，所以“精准”控制不是必须的，另外，动叶电动执行机构也存在1.2%的死区，即指令变量超过1.2%电动执行机构才会动作，这也是为了避免电机频繁动作而发热烧坏电机设置的保护。由上所述，这里需要为设定值与被调量的偏差设置死区，例如入口压力维持在-100Pa左右对炉膛负压、对机组工况都是最稳定时，可适当将死区设置为±60，即-160Pa～-40Pa范围内不计算误差，超出这个范围才开始调节，避免了动叶频繁动作。

综上所述，如何在“快、稳、准”之间寻找平衡点，是在PID自动调节中需要注意的。只有把握控制策略、被调量、调节机构、对工况稳定的影响因素，才能最终得到优良的调节效果，达到自动控制的目的。

参考文献

[1]《自动调节系统解析与PID整定》.

[2]《火电厂热工自动控制技术及应用》.