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1、控制系统的工程整定方法,在自动控制系统方案确定，控制器和控制机构已经选定并安装好以后，控制质量将主要取决于控制器的参数选择，控制器的参数确定即为控制系统的整定。控制系统整定的任务就是根据控制对象的特性及控制系统的结构选择最佳的控制器参数及其他仪表参数，使控制过程具有最佳的品质指标。,一、PID控制器参数的工程整定 在火电机组的控制工程中，常用控制规律是PID，因此，本节主要介绍PID控制器的整定。PID控制器是一类通用的自动控制装置，它适用于各种生产和受控对象的控制。PID控制器的三个参数比例系数Kp(或比例带， =1/Kp )、积分时间Ti、微分时间Td都是可以调整的，即可以“整定”的。由于
2、受控过程的动态特性是各不相同的，只有将PID控制器的参数整定到与受控过程的动态特性相匹配时，才能满足生产过程对控制系统所要求的性能指标。,PID控制器的参数整定方法有凭操作人员经验的人工整定，有根据仿真模拟试验得到的最佳整定参数来整定，有根据理论计算来整定，还有根据试验和理论计算相结合的自整定，以及根据试验和经验公式相结合的工程整定等。本节将介绍常用的三种工程整定法衰减曲线法、Z-N法(Ziegler-Nichols于1942年提出)及实际经验法。 (一)衰减曲线法 衰减曲线法是一种根据受控过程在只有比例控制作用下的具有一定衰减率驴的、由衰减振荡曲线的参数夙和振荡周期Ts来确定各类控制器整定参
3、数的方法。其中,式中 p衰减振荡曲线的最大超调量；p第二个波峰(见图119)；s比例控制作用的比例带。 (1)先把控制器参数设置Ti=，Td=0， 放在较大值，这时控制器只有比例控制作用，比例系数Kp=1/ 。 (2)逐渐减小值作阶跃响应试验，直至出现衰=0.75(即p/ p=14)的衰减振荡过程。 (3)记下比例带s和振荡周期Ts。 最后，控制器的整定参数就可按表11来确定。,(二)Z-N法 Z-N法是一种根据受控过程(或称受控对象)的阶跃响应特性结合经验公式来计算控制器整定参数的方法。它又分成受控过程为无自平衡能力型和有自平衡能力型两种情况。,1受控过程为无自平衡能力型图1-20中，为迟延
4、时间，=tan为飞升速度。利用和通过表1-2的整定计算公式， 就可以得控制器得整定参数、Ti和Td。,2受控过程为有自平衡能力型 有自平衡能力的受控过程如图1-21所示。 图121中，为延迟时间，T为常数，K为比例系数。利用 、T和K的值及 T的比值就可以由表13和表14的整定公式确定控制器的整定参数 、Ti和Td。 (1)当T0.2时，见表13。 (2)当0.2 T1.5时，见表14。,(三)实际经验法 上述两种工程整定方法最大的优点是简单方便，因此，很适合于生产现场。但是，无论是衰减曲线法还是Z-N法，所确定的控制器整定参数都是初步的，还需在现场调试中予以修正。 而在火电机组热工控制工程中
5、，通过长期实践，人们总结了一套参数整定的经验，称之为经验法。经验法可以说是根据经验进行参数试凑的方法，它首先根据经验设置一组控制器参数，然后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察控制过程；如果过渡过程不令人满意，则修改控制器参数，再作阶跃扰动试验，观察控制过程；反复上述试验，直到控制过程满意为止。,经验法整定参数的具体步骤可以归纳如下： (1)将控制器的积分时间Ti放到最大，微分时间Td置于最小，据经验设置比例系数Kp值。将系统投入闭环运行，稳定后作阶跃扰动试验，观察控制过程，若过渡过程有所希望的衰减率(=0.750.9)则可，否则改变比例系数Kp值，重复上述试验。 (2)将控制
6、器的积分时间Ti由最大调整到某一值，由于积分作用的引入使系统的稳定性下降，这时应将比例系数Kp值适当减小，一般为纯比例作用的11.2倍。作阶跃扰动试验，观察控制过程，修改积分时间重复试验，直到满意为止。,(3)-保持积分时间不变，改变比例系数，看控制过程有无改善，若有改善则继续修改比例系数，如无改善则反方向修改比例系数直到满意为止。保持比例系数不变修改积分时间，同样反复凑试直到满意为止。如此反复凑试，直到有一组合适的比例系数和积分时间。 (4)对于采用PID的控制器，在进行完上述调整试验后，将微分时间Td由小到大地调整，观察每次试验过程，直到满意为止。,二、热工控制系统的其他整定 除了PID参
7、数整定以外，在实际热工控制系统中，其他环节的正确整定也是同样重要的，如果这些环节整定不正确，将会前功尽弃。这些环节主要有以下几个方面：,1跟踪 控制系统投入自动时，首先应避免出现扰动，也就是常说的要“无扰切换”。要做到这一点，必须实现跟踪功能，即在系统处于手动状态时，控制器的输出应自动跟踪操作器的输出，否则当系统投入自动时将引起系统扰动。把操作器人为地切到手动或工况不允许系统在自动状态而把控制器强制切到手动时，都必须实现自动跟踪。 对一般系统来说，控制器的输出跟踪操作器的输出。系统由自动切到手动除人为因素外，主要有：一是被控量的测量值与设定值偏差越限；二是控制器指令与位置反馈偏差越限；三是某一
8、设备或系统不具备投自动的条件。对于偏差上下限的确定，煤粉炉一般取10，循环流化床锅炉取稍大一些。,2死区 人为增加的死区：一是测量值与设定值之间的偏差死区；二是控制指令与位置反馈之间的偏差死区。从控制的角度看，增加死区对控制不利，实时性差，但从保护执行机构的寿命来说仍有必要，而且系统投入自动后取得很好的效果。当- 时，F(x)才有输出。死区的大小要视不同系统而定，如在CCS控制中，汽轮机既控制负荷又控制压力时，若控制压力死区取得太小会导致负荷不稳，太大就不起作用。死区在工程上实现的手段可以利用死区函数，也可以在偏差模块(DEV)中填人。,3阻尼 阻尼实际上就是一个一阶暌性环节。惯性环节具有“通
9、低频，阻高频”的特陛，现场有用的信号一般变化平稳，强电、强磁和市电产生的干扰信号杂乱无章，一般频率较高。当被控参数波动较大时，阻尼可以较好地滤除干扰。惯性时间常数T取得要适中，一般T=24s。 工程中给水、风量、炉膛负压等波动较大，尤其是流化床锅炉的一、二次风量，即使在负荷稳定时，波动1000020000m3h(标准状态下)也是经常出现的，如果不加阻尼作用，执行机构动作太频繁，燃烧工况不稳，所以，增加阻尼作用是符合实际要求的。,4标幺转换 热工参数包括温度、压力、流量、液位、成分等，它们的单位和量程范围不同，而DCS接受和处理的信号是统一的。如主蒸汽温度0600对应420mA，主蒸汽压力016
10、MPa对应4 20mA。转换时需对过程变量PV和设定值SP乘以系数k，一般取k=100变送器量程。,k的大小直接影响系统的稳定性，太小，控制作用太慢；太大，稳定性降低，乃至系统发散振荡。,以炉膛负压为例，若变送器量程范围为-3000+3000Pa，k=0.0167。,给水流量的工程量程为01200t/h，将该参数乘以什么数值后，量程变为0100%。若给水流量分别为500、800、1100 t/h时，其百分数值是多少？解：=1001200=0.083（ ）; 5000.083=41.5%； 8000.083=66.4%； 11000.083=91.3%,5正反作用 控制器的正反作用必须在系统投入
11、自动之前设定。正作用时，输入到控制器的偏差ESPPV；反作用时，EPVSP。工程上确定正反作用的方法很简单，以热井水位控制为例，补水控制阀在流入侧，热井水位高，则关门，水位低，则开门，所以控制器应设定为正作用。若补水控制阀在流出侧(仅为假设)，热井水位高，则开门，水位低，则关门，所以控制器应设定为反作用。,6限幅 限幅指的是对控制指令的限制，新机组在投运前很少对控制参数进行理论整定，都是参照同类型机组运行的经验，结合运行人员手动操作时摸索出的阀门特性，预置一组P、I、D参数，然后给系统加24的扰动，观察被控参数的变化趋势，对控制参数实施优化。如果不对控制指令进行限制，当控制参数作用太强时，系统会出现等幅振荡或发散振荡，执行机构大开大关，影响系统的稳定性。限幅的实施可在PID模块或MA模块上实现。如投自动前的控制指令在70，限幅范围设定为6080。一旦控制参数优化好后，再全部放开。,8静态配合 静态配合是协调机组在不同工况下相关系统和主要控制量的关系。实际上，静态配合可以看成是对系统的粗调”；而控制器的控制作用仅为细调” ，是在某一工况下，当系统波动时进行的控制。不能过分地强调控制器的动态控制作用，而忽视了系统与系统之间、系统内部各环节之间的静态配合。,
