电加热锅炉盘管出口温度的串级控制
第四章 盘管出口温度的串级控制的仿真分析
在电加热锅炉盘管出口温度的串级控制系统中，关键要解决其滞后的问题。在控制要求不太苛刻的情况下，本文分别采用单回路PID控制、串级PID控制以及串级结合Smith预估补偿的方法，进行研究与仿真，针对该系统选用可行的控制方案。
4.1盘管出口温度单回路 PID 控制
系统结构图和方框图如图4.1所示。本方案的控制量为盘管出水口水温T，而控制量是锅炉内胆的水温，将盘管出口铂电阻检测到的温度信号TT5作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制单相调压模块的输出电压，以控制单相电加热管的加热强度，同时用供水系统以固定的频率把锅炉内胆的热水恒速输送到盘管，再流回锅炉内胆。显然本方案系统中的滞后包括了内胆容量的滞后和盘管传输的滞后，且前者的滞后时间一般要远大于后者。为了获得满意的控制效果，系统的调节器应选择PID控制，并且PID调节器的比例度δ和积分时间常数TI应设的比较大。
[7]
给定值主调节器调压模块电加热管锅炉内胆盘管温度温度变送器
图4.1 盘管出口温度单回路 PID 控制系统
如图4.2所示，单回路PID对该系统的控制效果并不尽人意，虽无超调，但是调节时间长。为了改善系统品质，采用串级PID控制算法或其他算法。
10.90.80.70.6Ideal position signalPosition tracking yd,y0.50.40.30.20.10 0100020003000400050006000time(s)70008000900010000
图4.2 盘管出口温度单回路 PID 控制仿真
19
电加热锅炉盘管出口温度的串级控制
4.2盘管出口温度串级 PID 控制
串级控制系统是在单回路系统的基础上发展起来的。本文中的被控过程的滞后较大，采用单回路控制系统控制品质较差，满足不了工艺控制精度要求。
盘管出口温度串级 PID 控制系统是一个双回路系统，与上文中的单回路控制系统相比在结构上多了一个副回路。每个回路都有自己的控制器、测量变送器和对象，主回路的对象为盘管出口温度，副回路的对象为锅炉内胆温度。两个控制器采用串联控制方式，主控制器的输出作为副控制器的给定值，而由副控制器的输出来控制执行器的的动作。主回路是一个定制控制系统，副回路则是一个随动控制系统。如图4.3所示。
给定值主调节器副调节器调压模块电加热管锅炉内胆盘管温度温度变送器温度变送器
图4.3盘管出口温度串级 PID 控制系统
4.2．1串级PID系统的整定
串级系统的两个调节器串在一起，在一个系统中工作，互相之间有影响。在运行中，主回路和副回路的波动频率不同，副回路频率较高，主回路频率较低。当然这些频率主要取决于调节对象的动态特性，但也与主、副调节器的整定情况有关。在整定时应尽量加大副调节器的增益以提高副回路的频率，目的是使主、副回路的频率错开，最后相差三倍以上，以减少互相之间的影响。
在一般情况下，既然主、副回路的频率相差很多，互相之间的影响不大，这是就可以首先在主回路开路的情况下，按通常整定简单控制系统的方法整定副调节器；然后，在投入副调节器的情况下，再按通常方法把主调节器整定好。即按“先副后主”、“先比例后积分最后微分”的次序整定。
由于受到副参数选择的限制，主、副回路的频率比较接近时，它们之间的影响就比较大了。在这种情况下，就需要在主、副回路之间反复进行调试，才能达到最佳的整定。
调节器参数的整定方法很多，归纳起来分为两大类。一类是理论计算整定法，如根轨迹法、频率特性法等。它计算繁琐，工作量很大，所以目前在工程上较少采用。另一类是工程整定法。这种方法简单，计算简便，而且容易掌握。常用的工程整定法有临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法、经验试凑法等。
经验试凑法不需要进行实验和计算，而是根据运行经验和先验知识，确定一组调节参数，然后加入阶跃扰动，观察被控参数的响应曲线，并按照调节器各参数对调节过程的影响，逐次改变响应的整定参数值，一般先按比例度，再积分时间、微分时间的顺序逐一进行整定，直到获得满意的控制品质为止。本文中采用的就是经验试凑法。
主调节器采用PID控制，副调节器则采用P控制。
20
电加热锅炉盘管出口温度的串级控制
先整定副回路参数。可按单回路系统的整定。对于P调节器（积分时间为∞,微分时间为零）,将比例度放在较大经验数值上,然后逐步减小,观察副参数的过渡过程曲线。曲线无响应，将主参数的比例度放在较大经验数值上（积分时间为∞,微分时间为零）,然后逐步减小。主调节器kp=0.2，副回路kp =0.2时，如图4.4所示。
主回路中有只比例控制是远远不能满足控制要求的。需要加入积分控制，或者在此基础上还要加入微分控制。
10.90.80.70.6r,yzhu0.50.40.30.20.10020040060080010001200time(s)1400160018002000图4.4 串级PID参数整定1
为了消除系统对阶跃输入时的稳态误差，副控制器引入积分项，kp =0.2，ki=0.03，响应曲线如图4.5中所示。
10.90.80.70.6r,yzhu0.50.40.30.20.10020040060080010001200time(s)1400160018002000
图4.5 串级PID参数整定2
21
电加热锅炉盘管出口温度的串级控制
加入积分后系统的控制质量有了很大的改善，阶跃响应性能得到了明显的提高，稳定性也得到了提高。比例度过大或积分时间过长，都使过渡过程变化缓慢。为使曲线更加完美，主回路加入了微分控制。经过反复的试凑与观察，当主调节器参数为kp=0.1 ，ki=0.03，kd=0.001，副调节器参数为kp=0.2，时，达到了较满意的控制品质。
10.90.80.70.6r,yzhu0.50.40.30.20.10020040060080010001200time(s)1400160018002000
图4.6串级PID参数整定2
4.3串级控制结构结合Smith预估控制器的控制方案
本文将串级控制与Smith预估结合起来，与单纯的串级控制相比获得更高的稳态精度。 Smith控制的原理为:与PID控制器并接一个Smith预估器作为补偿环节，它能很好地对纯滞后系统进行有效控制。其特点是通过预估对象的动态特性，用一个预估模型来进行时间滞后的补偿，使被延迟了τ的被调量超前反馈到控制量，进而控制提前动作，从而减小超调量并加速调节过程。
N(s)R(S)U(s)??s[8]
Y(S)Gc(s)G0(s)eG0(s)(1?e??s)图4.7 Smith预估控制系统的结构图 采用电加热锅炉与盘管为研究对象，针对二者均具有大滞后的特点，采用串级控制结构结合Smith预估控制器的控制方案。内环采用Smith预估器，大幅度降低滞后对系统动态性能的影响，
22
电加热锅炉盘管出口温度的串级控制
外环采用PI控制实现系统无静差。
根据Smith预估控制原理，设被控对象的传递函数为：
??s（S）=G(S)e G （5.1） kP[6]
式(5.1)中：GP(S)为被控对象中不含纯滞后的部分，e??s为时延部分。GC(S)表示设计的控制器，则：
GC(s)GP(s)e??s G(s)?1?GC(s)GP(s)e??s且由于系统中含有纯滞后环节，使控制器设计变得复杂。
（5.2）
由于特征方程里含有e??s项，这对控制系统稳定性极不利，若τ足够大，系统就很难稳定。而Smith预估器的控制结构如图4.7所示。图中R(S)为给定输入，Y（S）为系统输出。Smith预估
1?e）控制的实质就是与实际对象并联一个模型G（，因此，控制器G（s）时不需要再ps）（考虑纯时延环节的影响。此时系统的闭环传递函数为：
??sG(s)?Gc(s)Gp(s)e??s1?Gc(s)Gp(s) （5.3）
由上式可见，e??s已不包含系统的特征方程里，因此系统性能完全不受纯时延环节的影响。 在串级控制系统中，主、副调节器所起的控制作用是不同的。副调节器起随动控制作用，它的设置是为了保证参数的控制质量，可在一定范围内变化，允许有余差。对此大时延温度系统的串级控制，副调节器只选用P调节器。
主回路设计：
主调节器是起定值控制作用的，是工艺操作的主要指标，允许波动的范围比较小，要求无余差。所以主回路采用PI控制。图中的Gc（s）是传统的PI算式。
?1 Kc?e(t)?Ti?式中：KC是比例系数，Ti是积分常数
?e(t)dt??0?t （5.4）
Smith预估加串级控制系统的整体框图如图4.8所示。
R(s) Y(s) Gc2(s) Gp2(s)Gp1(s)GC1(s)Gp1(s)(1-e-τs)图4.8 串级-Smith预估控制系统原理
23