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1热工自动化概述
热工自动化概述
North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 第一章 热工自动化概述 §1.1 热工自动化概况 §1.2 常见的热工自动化系统 §1.3 热工控制系统的组成 §1.4 常规PID调节器 常规PID调节器 §1.5 热工控制系统的运行评价 §1.6 SAMA图 SAMA图 1 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 §1-1 热工自动化概况 2 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 一、自动化领域发生了革命性的变化 ? 芯片技术：促进了自动化技术由“模拟”向“数字” 芯片技术：促进了自动化技术由“模拟” 数字” 时代 的飞跃； ?网络信息技术：分布式工业自动控制系统（DCS: 网络信息技术：分布式工业自动控制系统（DCS: Distributed Control System）为实现先 System） 进的工业自动化系统提供了强有力的硬 件、软件平台。 软件平台。 3 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 ?自动控制理论：自动化技术由基于微分方程、传递函 自动控制理论： 数的古典理论阶段进入基于状态空间 法和最优化方法的现代理论阶段，进 而，逐步发展到基于专家系统、模糊 控制和人工神经网络的智能时代。 ? 信息处理技术：数据高速传输、数据压缩存储、数据 信息处理技术： 融合、数据挖掘等技术的发展，为实 现基于信息集成的生产过程的控制与 管理现代化奠定了基础。 4 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 二、电力的发展趋势 1. 国民经济的飞速增长，增加了对能源的需求量， 国民经济的飞速增长，增加了对能源的需求量， 电力工业逐渐发展为大电网、 大机组、 高参数、 电力工业逐渐发展为大电网、 大机组、 高参数、 高度自 动化。 动化。 2. 由于高参数、大容量机组发展迅速，装机数量日 益增多，因此对机组自动化的要求也日益提高，以“4C” 益增多，因此对机组自动化的要求也日益提高，以“4C” （计算机、控制、通信、CRT）技术为基础的现代火电机 （计算机、控制、通信、CRT）技术为基础的现代火电机 组热工自动化技术也相应得到了迅速发展。其中，具有 代表性的是80年代微机分散控制系统（DCS）的问世和日 代表性的是80年代微机分散控制系统（DCS）的问世和日 益完善，并广泛应用于大机组的自动控制。 5 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 3. “厂网分开，竞价上网”的电力改革基本完成， 厂网分开，竞价上网” 形成了“五大发电集团” 形成了“五大发电集团”：中国电力投资集团公司、中 国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国国电集团公 司、中国华电集团公司；“两大电网” 司、中国华电集团公司；“两大电网”：国家电网公司、 中国南方电网有限责任公司。 4. “七五”、“八五”期间，我国电力工业所建主 七五” 八五” 力机组大多还是300MW机组，但也开始建设600MW级机组。 力机组大多还是300MW机组，但也开始建设600MW级机组。 5. “九五”期间，我国电力建设的机组主力将逐步 九五” 转为以600MW机组为主。 转为以600MW机组为主。 6 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 四、大型火电机组的特点 1. 监视点多（600MW机组I／O点多达3000～5000个， 监视点多（600MW机组I 点多达3000～5000个 随着发电机随着发电机 - 变压器组和厂用电源等电气部分监视纳人 DCS之后， DCS之后，I／O点已超过7000个）; 点已超过7000个 2. 参数变化速度快和控制对象数量大（600W机组超 参数变化速度快和控制对象数量大（600W 过1300个）; 1300个 3. 各个控制对象特性时变、 时滞、 相互间关联耦合、 各个控制对象特性时变、 时滞、 相互间关联耦合、 环境强干扰； 4. 由高度计算机化的单元机组集控取代传统的机、 由高度计算机化的单元机组集控取代传统的机、 炉 、 电分别人工监控。 自动化系统的功能也已从单台辅 电分别人工监控 。 机和局部热力系统发展到整个单元机组的检测与控制。 机和局部热力系统发展到整个单元机组的检测与控制。 7 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 5. 随着整个单元机组自动化的不断完善以及电网 发展的需要， 发展的需要 ， 火电厂热工自动化的功能必然会和调度 自动化系统（ 自动化系统（automatic dispatch system，ADS）相协调 system，ADS） 而实现电网的自动发电控制（AGC） 而实现电网的自动发电控制（AGC）。 6.厂级实时监控信息系统（Supervisory Information 厂级实时监控信息系统（ System in Plant Level，简称SIS），是集过程实时监测、 Level，简称SIS） 是集过程实时监测、 优化控制及生产过程管理为一体的厂级自动化信息系 统,实现机组的安全经济运行的有效手段。 实现机组的安全经济运行的有效手段。 8 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 五、热工自动化的意义 热工自动化的意义 1. 在机组正常运行过程中，自动化系统能根 在机组正常运行过程中， 据机组运行要求，自动将运行参数维持在要求值， 据机组运行要求，自动将运行参数维持在要求值， 以期取得较高的效率（如热效率） 以期取得较高的效率（如热效率）和较低的消耗 如煤耗、厂用电率等） （如煤耗、厂用电率等）。 9 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 2. 在机组运行工况出现异常，如参数越限、 在机组运行工况出现异常，如参数越限、辅 机跳闸时，自动化设备除及时报警外，还能迅速、 机跳闸时，自动化设备除及时报警外，还能迅速、及 时地按预定的规律进行处理。这样，既能保证机组设 时地按预定的规律进行处理。这样，既能保证机组设 备的安全，又能保证机组尽快恢复正常运行， 备的安全，又能保证机组尽快恢复正常运行，减少机 组的停运次数。 组的停运次数。 例如， 例如 ， RUN BACK （ 自动快速减负荷 ） 、 RUN BACK（ 自动快速减负荷） UP（强增负荷） UP（强增负荷），RUN DOWN（强减负荷）、FAST DOWN（强减负荷） CUT BACK（FCB，负荷快速切回或称快速甩负荷） BACK（FCB，负荷快速切回或称快速甩负荷） 等功能。 等功能。 10 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 3. 当机组从运行异常发展到可能危及设备安全或人 身安全时，自动化设备能适时采取果断措施进行处理， 身安全时，自动化设备能适时采取果断措施进行处理， 以保证设备及人身的安全。如锅炉主燃料跳闸（ 以保证设备及人身的安全。如锅炉主燃料跳闸（master fuel trip，MFT）、汽轮机监测系统（TSI）和汽轮机紧 trip，MFT） 汽轮机监测系统（TSI） 急跳闸系统（ETS） 急跳闸系统（ETS）等。 4. 在机组启停过程中，自动化设备又能根据机组启 在机组启停过程中， 动时的热状态进行相应的控制， 动时的热状态进行相应的控制，以避免机组产生不允许 的热应力而影响机组的运行寿命，即延长机组的服役期。 的热应力而影响机组的运行寿命，即延长机组的服役期。 如汽轮机的计算机应力估算和寿命管理系统， 如汽轮机的计算机应力估算和寿命管理系统，汽轮机自 启停系统(turbine 启停系统(turbine automatic system，TAS)。 system，TAS)。 11 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 5. 随着电网的发展 ， 对自动发电控制（ automatic 随着电网的发展， 对自动发电控制 （ generation control， AGC ） 的要求日趋严格 。 AGC 是现 control ， AGC） 的要求日趋严格。 AGC是现 代电网控制中心的一项基本和重要的功能， 代电网控制中心的一项基本和重要的功能，是电网现代 化管理的需要，也是电网商业化运营的需要。 化管理的需要，也是电网商业化运营的需要。而要实现 AGC，单元机组必须有较高的自动化水平， AGC，单元机组必须有较高的自动化水平，单元机组协 调控制系统必须能投入稳定运行。 调控制系统必须能投入稳定运行。 自动化技术对于提高机组的安全经济运行水平是行 之有效的，大型火电机组离开了高度的自动化， 之有效的，大型火电机组离开了高度的自动化，就不可 能做到安全经济运行。 能做到安全经济运行。 12 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 §1-2 常见的热工自动化 常见的热工自动化 系统 13 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 1. 自动发电控制系统 （automatic generation control System，AGC） System，AGC） 由于调速器为有差调节， 由于调速器为有差调节 ， 因此对于变化幅度 较大、 周期较长的变动负荷分量， 较大 、 周期较长的变动负荷分量 ， 需要通过改变 汽轮发电机组的同步器来实现， 汽轮发电机组的同步器来实现 ，即通过平移调速 系统的调节静态特性， 系统的调节静态特性，从而改变汽轮发电机组的 出力来达到调频的目的，称为二次调整。 出力来达到调频的目的，称为二次调整。 当二次调整由由电网调度中心的能量管理系 统来实现遥控自动控制时， 统来实现遥控自动控制时 ， 则称为自动发电控制 （AGC）。 AGC） 14 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 2. 厂级实时监控信息系统 （Supervisory Information System in Plant Level， Level， 简称SIS） 简称SIS） SIS是发电厂的生产过程自动化和电力市场交易 SIS是发电厂的生产过程自动化和电力市场交易 信息网络化的中间环节，是发电企业实现发电生产到 市场交易的中间控制层，是实现生产过程控制和生产 信息管理一体化的核心，是承上启下实现信息网络的 控制枢纽。 ? 实现全厂生产过程监控 ? 实时处理全厂经济信息和成本核算 ? 竞价上网处理系统 ? 实现机组之间的经济负荷分配 ? 机组运行经济评估及运行操作指导 15 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 3. 单元机组协调控制系统 （coordination control system，CCS） system，CCS） 协调控制是基于机、炉的动态特性，应用多变量控制 理论形成若干不同形式的控制策略，在机、炉控制系统基 础上组织的高一级机、炉主控系统。它是单元机组自动控 制的核心内容。 4. 锅炉炉膛安全监控系统 （furnace safeguard supervisory system，FSSS）或称燃 system，FSSS） 烧器管理系统（ 烧器管理系统（burner management system，BMS） system，BMS） 炉膛安全监视系统包括炉膛火焰监视，炉膛压力监视， 炉膛吹扫，自动点火，燃烧器自动切换，紧急情况下的主 燃料跳闸等。 16 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 5. 顺序控制系统 （sequence control system，SCS） system，SCS） 按照生产过程工艺要求预先拟定的顺序，有计 划、有步骤、自动地对生产过程进行一系列操作的 系统，称之为顺序控制系统。 顺序控制也称程序控制，在发电厂中主要用于 主机或辅机的自动启停程序控制，以及辅助系统的 程序控制。如汽轮机的自动启停程序控制、磨煤机 自动启停程序控制、定期排污和定期吹灰的程序控 制等。 17 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 6. 数据采集系统 （data acquisition system，DAS） system，DAS） 又称为计算机监控系统，其基本功能是对机 组整个生产过程参数进行在线检测，经处理运算 后以CRT画面形式提供给运行人员。该系统可进行 后以CRT画面形式提供给运行人员。该系统可进行 自动报警，制表打印，性能指标计算，事件顺序 记录，历史数据存储以及操作指导等。 18 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 7. 汽轮机数字电液控制系统 （digital electric hydraulic system，DEH） system，DEH） 汽轮机数字电液控制系统是汽轮发电机组的重 要组成部分， 除完成汽轮机转速、 要组成部分 ， 除完成汽轮机转速 、 功率及机前压力 的控制外， 的控制外 ， 还可实现机组启停过程及故障时的控制 和保护。 和保护。 8.给水泵汽轮机电液控制系统 （machine electric hydraulic system，MEH） system，MEH） 19 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 9. 旁路控制系统 （bypass control system，BPS） system，BPS） 大型中间再热式机组一般都设置旁路热力系统， 大型中间再热式机组一般都设置旁路热力系统， 其目的是在机组启、停过程中协调机、炉的动作， 其目的是在机组启、停过程中协调机、炉的动作，回 收工质，保护再热器等。 收工质，保护再热器等。完备的旁路控制系统是充分 发挥旁路系统功能的前提。 发挥旁路系统功能的前提。 10. 汽轮机自启动系统（TAS） 10. 汽轮机自启动系统（TAS） 20 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 11. 汽轮机监视仪表（ TSI） 11. 汽轮机监视仪表 （ TSI ） 和汽轮机紧急跳闸 系统（ETS） 系统（ETS） 汽轮发电机属高速运转的大型机械设备，对其运 行参数的要求十分严格。大轴的振动、位移、热膨胀 等参数直接影响到汽机的安全运行，必须精确测量并 加以监视。以微处理器为核心的汽轮机监控系统，可 有效地解决参数检测与处理方面的困难。 12. 12.辅助系统的计算机程控系统 21 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 §1-3 热工控制系统的 组成 22 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 一、自动控制系统的组成 用自动化装置代替上述人工操作来 完成控制任务，就形成了自动控制系统。 图 汽包水位自动控制系统示意图 23 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 图 汽包水位自动控制原理框图 24 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 1、变送器 用来测量被调量，并把被调量转换为与之成比例 的某种便于传递和综合的信号。 2、执 行 器 根据调节器送来的控制指令去推动调节机构，改 变调节量。 3、调 节 器 接受被调量信号和给定值比较后的偏差信号，输 出一定规律的控制指令给执行器。 4、控制对象 被控制的热工生产过程或设备。 25 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 5、有关变量 给定值： 给定值：被调量的给定值或与该给定值对应的电信号。 被 调 量：表征热工过程是否符合规定工况的物理量。 扰 动： 生产过程中引起被调量偏离给定值的各种因素。 调 节 量：由控制作用来改变并去控制被调量变化的物 理量。 调节机构：接受控制作用去改变调节量变化的具体设备。 调节机构： 26 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 二、自动控制系统的分类 1．按控制方式分类 闭环控制系统（也称反馈控制系统 闭环控制系统（也称反馈控制系统） 反馈控制系统） 被控量信号反馈到控制设备的输入端，成为控制 设备生产控制作用的依据。有闭合回路，只要被控量 与给定量之间有偏差，控制设备就要对控制对象施加 作用，直到被控量符合要求为止。 特点：基于偏差，消除偏差，可克服各种扰动对 被控量的影响，有较高精度，但控制不及时。 27 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 开环控制系统（也称前馈控制系统 开环控制系统（也称前馈控制系统） 前馈控制系统） 控制设备和控制对象在信号关系上没有形成闭 合回路的控制系统，其被控量没有反馈到控制设备 的输入端。 特点：按扰动进行控制，结构简单，精度差， 只能克服单一扰动。 复合控制系统： 复合控制系统：它是开环控制和闭环控制组合 的一种控制系统。 28 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 2．按闭合回路的数目分类 单回路控制系统： 单回路控制系统：只有一个被控量信号反馈到控制 器的输入端。形成一个闭合回路。 29 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 多回路控制系统： 多回路控制系统：具有一个以上的闭合回 路，控制器(调节器) 路，控制器(调节器)除接受被控量反馈信号外， 还有另外的输出信号直接或间接地反馈到控制 器的输入端。 30 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 3．按给定值分类 定值控制系统：给定值保持不变，从而被控量也相 定值控制系统：给定值保持不变，从而被控量也相 应保持不变，主要矛盾是克服扰动对被控量的影响， 最终使被控量与给定值相等。 主要的热工控制系统，如：给水控制系统、再热汽 温控制系统等。 31 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 随动控制系统：给定值按预先不能确定的一些随机 随动控制系统： 因素而变化。因而被调量也跟随给定值而随机变化。 如：单元机组负荷控制系统；军事上的火炮跟踪 系统；导弹预测拦截系统。 程序控制系统： 程序控制系统：给定值按已知的时间函数变化。控 制的任务是使被控量尽快与给定值相等。 例如：汽轮机自动启停系统TAS：汽轮机启动过 例如：汽轮机自动启停系统TAS：汽轮机启动过 程中，要求汽轮机的转速按一定程序升降等；炉膛吹 灰系统等。 32 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 三、热工对象的动态特性 （1）有自平衡能力 K W (s) = e ?τs (1 + Ts ) n （2）无自平衡能力 W (s) = ε s(1 + Ts ) 33 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 热工对象具有以下特点： 热工对象具有以下特点： （1）被调量的变化大多是不振荡的。 （2）被调量在干扰发生的开始阶段有迟延和惯性。 （3）在响应曲线的最后阶段，被调量可能达到一个 新的平衡状态（对象有自平衡能力），也可能不断变化 而无法进入平衡状态（对象无自平衡能力）。 （4）描述对象动态特性的特征参数有：放大系数 、 时间常数、迟延时间。 34 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 §1-4 常规PID调节器 常规PID PID调节器 35 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 一、常规PID控制规律 常规PID PID控制规律 接受被调量信号和给定值比较后的偏差信号，按 比例-积分-微分控制规律输出控制指令给执行器。 比例-积分-微分控制规律输出控制指令给执行器。 36 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 37 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 1、比例调节规律 指调节器输出的控制作用u 指调节器输出的控制作用u（t）与其偏差输入信号 e(t)之间成比例关系，即 u (t ) = K p e(t ) 比例增益 工程中，常用比例带δ 工程中，常用比例带δ来描述其控制作用的强弱，即 1 δ= Kp 物理意义：在调节机构的位移改变时，被调量应有的 改变量。 38 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 比例调节器的阶跃响应曲线如下: 比例调节器的阶跃响应曲线如下: δ对控制过程的影响 39 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 比例调节规律的特点： 比例调节规律的特点： （1）动作快，调节及时、迅速； （2）对干扰有 很强的抑制作用；（2 很强的抑制作用；（2）调节过程结束，被调量偏差 仍存在，存在静态偏差，称为有差调节。 结论： 结论： 比例带大，则调节阀动作幅度小，被调量变化平 稳，超调量小，但残差较大，静态偏差随比例带的加 大而加大； 减小比例带导致系统激烈振荡甚至不稳定，比例 带设置必须有一定的稳定裕度。 40 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 2、积分调节规律 积分调节规律是调节器输出控制作用u 积分调节规律是调节器输出控制作用u（t）与其 偏差输入信号e 偏差输入信号e（t）随时间的积累值成正比，即 1 u (t ) = u (0) + ∫ e(t )dt Ti 积分时间积分作用曲线 特点： 特点： 只要偏差存在，积分控制 作用一直增加；消除稳态偏差， 实现无差调节，其控制作用体 现在调节过程的后期。 41 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 积分调节器的积分时间对控制过程的影响 非周期过程 衰减振荡过程 等幅振荡过程 Ti对控制过程的影响 42 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 结论： 结论： 积分时间越小，积分速度越快，调节阀动作愈快， 容易引起和加剧振荡。 积分调节作用是随时间而逐渐增强的，与比例调节 作用相比过于迟缓，恶化了动态品质，使过渡过程的振 荡加剧，甚至造成系统的不稳定。 43 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 3、微分调节规律 微分调节规律是调节器输出的控制作用与其偏差输 入信号的变化速度成正比。对于定值控制系统， 入信号的变化速度成正比。对于定值控制系统， 偏差信 号的变化速度就是被调量的变化速度， 号的变化速度就是被调量的变化速度，即 de(t ) dc(t ) u (t ) = u (0) + T d = u (0) + T d dt dt 微分时间 加入微分调节作用实现超前调节 加入微分调节作用实现超前调节，有利于克服动态 超前调节，有利于克服动态 偏差，将大大改善调节过程。微分调节作用的大小仅与 偏差信号的变化速度有关，而与偏差值大小无关。 44 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 实际的微分调节规律具有惯性， 实际的微分调节规律具有惯性，传递函数为下式： W D? s) = ( KD ?T d s 1 + Tds KD 　 D (s ) W 1 + Tds 微分增益 实际微分调节的阶跃响应 45 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 结论： 结论： 微分作用的引入使系统控制过程的稳定性和准确 性都得以提高，可适当减小静态偏差， 性都得以提高，可适当减小静态偏差，但它不能像积 分作用那样消除稳态偏差。 分作用那样消除稳态偏差。 调节过程开始时，被调量偏差小， 调节过程开始时，被调量偏差小，但其变化速度 却较大，可使执行机构产生较大的位移。 却较大，可使执行机构产生较大的位移。 但当调节过程结束， 但当调节过程结束，执行机构位置最后总是回复 到原来的数值。 到原来的数值。 46 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 综上所述: 综上所述: 比例调节作用是最基本的调节作用，使“长劲” 比例调节作用是最基本的调节作用，使“长劲”， 比例作用贯彻于整个调节过程之中； 积分和微分作用为辅助调节作用。积分作用则体 现在调节过节过程的后期，用以消除静态偏差，使 现在调节过节过程的后期，用以消除静态偏差，使 “后劲”； 微分作用则体现在调节过程的初期，使“前劲” 微分作用则体现在调节过程的初期，使“前劲” 。 47 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 4. PID(比例-积分-微分)控制特点 PID(比例 积分-微分) 比例(1) 缺点 不适用于有大时间滞后的控制对象，参数变化 较大甚至结构也变化的控制对象，以及系统复杂、 环境复杂、控制性能要求高的场合。 (2) 优点: 优点: ● PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在 PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在 和将来的主要信息，而且其配置几乎最优。 48 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 比例(P)代表了当前的信息，起纠正偏差的作 比例(P)代表了当前的信息，起纠正偏差的作 用，使过程反应迅速。 微分(D)在信号变化时有超前控制作用，代表 微分(D)在信号变化时有超前控制作用，代表 了将来的信息。在过程开始时强迫过程进行，过程 结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性， 加快系统的过渡过程。 积分(I)代表了过去积累的信息，它能消除静 积分(I)代表了过去积累的信息，它能消除静 差，改善系统静态特性。 此三作用配合得当，可使动态过程快速、平稳、 准确，收到良好的效果。 49 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 ●PID控制适应性好，有较强鲁棒性。 PID控制适应性好，有较强鲁棒性。 ● PID算法简单明了，形成了完整的设计和参数调整 PID算法简单明了，形成了完整的设计和参数调整 方法, 方法,很容易为工程技术人员所掌握。 ●许多工业控制回路比较简单，控制的快速性和精 度要求不是很高，特别是对于那些l 阶的系统，PID控 度要求不是很高，特别是对于那些l～2阶的系统，PID控 制已能得到满意的结果。 ●PID控制根据不同的要求，针对自身的缺陷进行了 PID控制根据不同的要求，针对自身的缺陷进行了 不少改进，形成了一系列改进的PID算法。 不少改进，形成了一系列改进的PID算法。 例如，为克服微分带来的高频干扰的滤波PID控制， 例如，为克服微分带来的高频干扰的滤波PID控制， 为克服大偏差时出现饱和超调的PID积分分离控制，为补 为克服大偏差时出现饱和超调的PID积分分离控制，为补 偿控制对象非线性因素的可变增益PID控制等等。这些改 偿控制对象非线性因素的可变增益PID控制等等。这些改 进算法，在一些应用场合得到了很好的效果。 50 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 5、PID参数对调节过程的影响分析 PID参数对调节过程的影响分析 整定参数 比例带 ↓ 性能指标 衰减率 超调量 静态偏差 振荡频率 ↓ ↑ ↓ ↑ 积分时间 ↓ ↓ ↑ — ↑ 微分时间 ↓ ↑ ↓ — ↓ 设定值扰动下整定参数对调节过程的影响 51 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 二、数字PID控制算法的改进 数字PID PID控制算法的改进 1. 积分项的改进 在实际使用中，这种基本的 PID控制算法往往还存 PID控制算法往往还存 在着一些缺陷。其中对控制系统影响比较大的一个问题 就是积分器的饱和问题。 (1) 积分器的饱和现象 积分运算是通过对系统偏差的不断累加而实现的， 积分器的积分值代表着系统偏差的面积。由于计算机输 出接口（D 出接口（D／A转换器）的字长是有限的，当系统在刚启 动的一段时间内，系统的偏差较大，积分器经过若干个 采样周期的积分运算以后，其积分结果就会超过计算机 输出接口所能表示的最大值，从而使调节器从线性工作 区进入饱和区。 52 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 进入饱和区以后，调节器便失去了调节能力， 系统在调节器饱和输出值的作用下，以最大的加速 度运动，一直到系统出现较大幅度的，并且持续时 间较长的超调以后，在较大的负偏差的作用下，才 能将积分器从饱和区拉到线性区，这就是积分饱和 问题。 被控对象的惯性越大，这种积分饱和现象就越 严重。 克服积分饱和现象的方法主要有积分分离 克服积分饱和现象的方法主要有积分分离与变 积分分离与 速积分两种控制方法 速积分两种控制方法 53 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 (2) 积分分离PID控制算法 积分分离PID PID控制算法 为使数字调节器尽可能工作在线性区，可以采用 积分分离的方法，即在系统的给定值附近画出一条带 域，其宽度为2ε， 域，其宽度为2ε，ε＞0，为积分器投入或切除的切 换点，如下图所示。 图. 积分分离PID切换原理图 积分分离PID PID切换原理图 54 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 在系统启动的初期，系统的偏差较大时，暂时切 除积分作用（将积分系数置0 除积分作用（将积分系数置0）；当系统的输出接近 给定值（进入到带域之内）时，再将积分器投入，即 ? K p e(k ) + K d [ e(k ) ? e(k ? 1) ] ? k u (k ) = ? ? K p e(k ) + Ki ∑ e( j ) +K d [ e(k ) ? e(k ? 1)] j= j =0 ? e( k ) ≥ ε e( k ) < ε ε为积分器分离值，为积分分离PID调节器的一 为积分器分离值，为积分分离PID调节器的一 个设计参数，算法程序将系统的偏差e（k）的绝对 值与ε进行比较，然后，作出使用PID调节器还是使 值与ε进行比较，然后，作出使用PID调节器还是使 用PD调节器的决策。 PD调节器的决策。 55 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 (3)变速积分PID控制算法 (3)变速积分PID控制算法 变速积分PID 在一般PID控制算法中，由于积分系数是一个常数， 在一般PID控制算法中，由于积分系数是一个常数， 所以，在整个控制过程中，积分增量不变。而系统对积 分项的要求是，系统偏差大时积分作用减弱以至全无， 而在小偏差时则应加强，否则，积分系数取大了会产生 超调，甚至积分饱和，取小了又迟迟不能消除静差。因 此，根据系统的偏差大小改变积分的速度，这对于提高 调节品质是有益的。 变速积分PID的基本思想是设法改变积分项的累加速 变速积分PID的基本思想是设法改变积分项的累加速 度，使其与偏差的大小相对应：偏差越大，积分越慢， 反之则越快。 56 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 2. 微分项的改进 在数字PID算式中，其位置式的微分项 在数字PID算式中，其位置式的微分项 ud ( k ) = K pTd T [e(k ) ? e(k ? 1)] 特别是增量式的微分项中的二阶差分项， ?u d ( k ) = K pTd T {[e(k ) ? e(k ? 1)] ? [e(k ? 1) ? e(k ? 2)]} 对数据误差和干扰特别敏感，因此在数字PID中，干扰 对数据误差和干扰特别敏感，因此在数字PID中，干扰 主要是通过微分项起作用的。 但是由于微分作用在PID调节中往往是必要的（它 但是由于微分作用在PID调节中往往是必要的（它 可以近似补偿对象的一个极点，扩大稳定域，改善动态 性能），因此不能简单地将微分项弃去，应设法减小数 据误差和干扰在微分项中的影响。下面介绍两种方法： 四点中值差分法和不完全微分PID控制算法。 四点中值差分法和不完全微分PID控制算法。 57 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 (1) 四点中值差分法 取得略小于理想情况， 另一方面，在组成差分时，不直接应用前后两次偏差， 而是用平均差作基准，再用加权求和构成近似微分项。 如下图所示。 Td 本这种方法中．一方面将 T 图.插值法示意图 58 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 在图上取相邻几个采样周期的四个点e(k)至e(k-3)，设 (k)至 (k-3)，设 1 3 e(k ) + e(k ? 1) + e(k ? 2) + e(k ? 3) e ( k ) = ∑ e( k ? j ) = 4 j =0 4 e(k ) ? e (k ) e(k ? 1) ? e (k ) e (k ) ? e(k ? 2) e (k ) ? e(k ? 3) + + + ?e(k ) 1.5T 0.5T 0.5T 1.5T = T 4 1 = [e(k ) + 3e(k ? 1) ? 3e(k ? 2) ? e(k ? 3)] 6T 特点：在算式中增加的计算量是最少的，但要求存 特点： 储器存储e 储器存储e变量的几个过去的数值。 59 North China Electric Power University 第一章 热工自动化概述 (2) 不完全微分PID控制算法 不完全微分PID控制算法 微分的引入改善了系统的动态性能，但也容易引入 高频干扰。如果在控制算法中加入低通滤波，则性能可 得到显著地改善。不完全微分PID的结构如下图所示。 得到显著地改善。不完全微分PID的结构如下图所示。 不仅可以抑制干扰，还可克服完全微分的大幅度冲 击的缺点（与实际PID控制效果相同）。 击的缺点（与实际PID控制效果相同）。 60 North China Electric Power U