電廠熱工過程控制中智能PID控制器的應(yīng)用探討

李 偉

(晉控電力塔山發(fā)電山西有限公司，大同 037000)

0 引 言

從電廠熱工過程控制的實踐操作來看，一般PID控制器無法應(yīng)對電廠復(fù)雜的動力結(jié)構(gòu)，建構(gòu)出精準而完善的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)對各個動力系統(tǒng)的有效控制，因此在實際應(yīng)用中具有很大的局限性，無法適應(yīng)當前日趨復(fù)雜的電廠內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此必須對一般PID控制器進行優(yōu)化，從而拓寬該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

一般PID控制器本身的參數(shù)整定方法具有局限性，因此無法適應(yīng)多元化的動力工況，為解決這一問題，必須對PID控制器的性能進行研究[1]。對PID控制器的研究歷時已久，很多研究人員在對一般PID控制器的性能進行優(yōu)化時，逐漸產(chǎn)生規(guī)則整定法、閉環(huán)搜索法、間接自整定等一些多樣化的參數(shù)整定方法，但是這些方法普遍都需要遵循較多的運行規(guī)則，同時還要對多樣化的特征參數(shù)進行辨識，因此只適用于一些工況比較簡單的電廠，無法應(yīng)用于復(fù)雜的工況過程控制，而部分研究人員通過改進PID算法的方式對PID控制器進行優(yōu)化，并產(chǎn)生選擇性控制算法、非線性控制算法、自適應(yīng)性控制算法等先進算法，并且綜合應(yīng)用智能控制技術(shù)，對學(xué)習(xí)算法、直覺推理規(guī)則、啟發(fā)式直觀判斷、專家經(jīng)驗等方法進行有效利用，從而形成智能PID控制器，使電廠熱工過程控制水平有顯著提升[1]。

1 PID控制原理算法

PID三個字母是比例，積分，微分的英文首字母縮寫。可見這三個功能在系統(tǒng)中都起作用，只是負責(zé)的功能不同。

PID控制應(yīng)該算是應(yīng)用非常廣泛的控制算法了。小到控制一個元件的溫度，大到控制無人機的飛行姿態(tài)和飛行速度等等，都可以使用PID控制[2]。

總的來說，當?shù)玫较到y(tǒng)的輸出后，將輸出經(jīng)過比例，積分，微分3種運算方式，疊加到輸入中，從而控制系統(tǒng)的行為，下面用一個簡單的實例來說明。

1.1 比例控制算法

先說PID中最簡單的比例控制，拋開其他兩個不談。還是用一個經(jīng)典的例子，假設(shè)有一個水缸，最終的控制目的是要保證水缸里的水位永遠的維持在1米的高度。假設(shè)初試時刻，水缸里的水位是0.2米，那么當前時刻的水位和目標水位之間是存在一個誤差的error，且error為0.8。這個時候，假設(shè)旁邊站著一個人，這個人通過往缸里加水的方式來控制水位。如果單純的用比例控制算法，就是指加入的水量u和誤差error是成正比的。即u=kp*error，假設(shè)kp取0.5，那么t=1時(表示第1次加水，也就是第一次對系統(tǒng)施加控制)，那么u=0.5*0.8=0.4，所以這一次加入的水量會使水位在0.2的基礎(chǔ)上上升0.4，達到0.6。接著，t=2時刻(第2次施加控制)，當前水位是0.6，所以error是0.4。u=0.5*0.4=0.2，會使水位再次上升0.2，達到0.8，如此這么循環(huán)下去，就是比例控制算法的運行方法，可以看到，最終水位會達到我們需要的1米。但是，單單的比例控制存在著一些不足，其中一點就是穩(wěn)態(tài)誤差！

像上述的例子，根據(jù)kp取值不同，系統(tǒng)最后都會達到1米，不會有穩(wěn)態(tài)誤差。但是，考慮另外一種情況，假設(shè)這個水缸在加水的過程中，存在漏水的情況，假設(shè)每次加水的過程，都會漏掉0.1米高度的水。仍然假設(shè)kp取0.5，那么會存在著某種情況，假設(shè)經(jīng)過幾次加水，水缸中的水位到0.8時，水位將不會再變換！！！因為，水位為0.8，則誤差error=0.2.所以每次往水缸中加水的量為u=0.5*0.2=0.1.同時，每次加水缸里又會流出去0.1米的水！！！加入的水和流出的水相抵消，水位將不再變化！也就是說，如果目標是1米，但是最后系統(tǒng)達到0.8米的水位就不在變化了，且系統(tǒng)已經(jīng)達到穩(wěn)定。由此產(chǎn)生的誤差就是穩(wěn)態(tài)誤差了。(在實際情況中，這種類似水缸漏水的情況往往更加常見，比如控制汽車運動，摩擦阻力就相當于是“漏水”，控制機械臂、無人機的飛行，各類阻力和消耗都可以理解為本例中的“漏水”)，所以，單獨的比例控制，在很多時候并不能滿足要求。

1.2 積分控制算法

1.3 微分控制算法

換一個另外的例子，考慮剎車情況。平穩(wěn)的駕駛車輛，當發(fā)現(xiàn)前面有紅燈時，為了使得行車平穩(wěn)，基本上提前幾十米就放松油門并踩剎車了。當車輛離停車線非常近的時候，則使勁踩剎車，使車輛停下來。整個過程可以看做一個加入微分的控制策略。

微分，說白了在離散情況下，就是error的差值，就是t時刻和t-1時刻error的差，即u=kd*(error(t)-error(t-1))，其中的kd是一個系數(shù)項。可以看到，在剎車過程中，因為error是越來越小的，所以這個微分控制項一定是負數(shù)，在控制中加入一個負數(shù)項，他存在的作用就是為了防止汽車由于剎車不及時而闖過了線。從常識上可以理解，越是靠近停車線，越是應(yīng)該注意踩剎車，不能讓車過線，所以這個微分項的作用，就可以理解為剎車，當車離停車線很近并且車速還很快時，這個微分項的絕對值(實際上是一個負數(shù))就會很大，從而表示應(yīng)該用力踩剎車才能讓車停下來[2]。

切換到上面給水缸加水的例子，就是當發(fā)現(xiàn)水缸里的水快要接近1的時候，加入微分項，可以防止給水缸里的水加到超過1米的高度，說白了就是減少控制過程中的震蕩。

講到這里，PID的原理和方法就說完了，剩下的就是實踐了。在真正的工程實踐中，最難的是如果確定三個項的系數(shù)，這就需要大量的實驗以及經(jīng)驗來決定了。通過不斷的嘗試和正確的思考，就能選取合適的系數(shù)，實現(xiàn)優(yōu)良的控制器。

2 電廠熱工過程控制中智能PID控制器的應(yīng)用

電廠熱工過程中的溫度不比壓力、流量、液位被控變量的控制，因為溫度傳遞存在滯后性。其中就涉及到滯后時間這個對象特性，一般有純滯后、容量滯后。前者一般指工藝段物料傳輸需要時間引起的，后者一般指被控對象的熱交換、物料連續(xù)經(jīng)過多個容器才能建立一個穩(wěn)定信號需要時間引起的。明了點就是溫度的真實值一下子反應(yīng)不出來要等下才能顯示真實值[3]。

在溫度閉環(huán)控制中，為了解決這個問題就要用PID溫度控制器。關(guān)鍵用的還是PID中的D(微分控制)，微分控制的作用就是超前控制。假設(shè)現(xiàn)在有個物料溫度需要控制，想控制在35℃(35℃就是目標值)。PID控制有P、PI、PD、PID等控制，又考慮到被控變量是溫度，因此需要選用PID控制。

溫度傳感器檢測到溫度，此時得到的溫度值會跟目標值(35°)比較得到偏差，然后控制器判斷快速做出處理判斷發(fā)出信號執(zhí)行器調(diào)節(jié)溫度[3]，此時會得到一個新的動態(tài)溫度穩(wěn)態(tài)值，溫度傳感器又會把此值信號傳送給控制器跟目標值比較得到一個余差，那么需要I積分控制介入，溫度控制器處理判斷后再次發(fā)出信號執(zhí)行器調(diào)節(jié)溫度，達到新動態(tài)穩(wěn)定后，把新的穩(wěn)態(tài)值傳輸給控制器跟目標值比較后還是控制不理想需要D微分控制的介入。因此PID參數(shù)整定是一個枯燥無味的過程，有時想提高控制質(zhì)量找到理想的PID三個控制參數(shù)值花費不少功夫。

要實現(xiàn)溫度控制動態(tài)穩(wěn)定在35°附近，需要進行PID參數(shù)整定。先比例后積分，最后用微分。溫度控制儀可以自動整定PID，也可以手動整定PID。

3 結(jié)束語

總體說來，PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。但是，PID也不是全能的。很重要的一點是因為,PID控制器主要適用于基本上線性，且動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，但是對復(fù)雜非線性系統(tǒng)和復(fù)雜信號追蹤，還是有局限性的。