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1、DCS 系统中积分饱和现象对自动调节过程的影响及其解决方法【摘要】介绍了积分饱和现象在热工自动调节过程中的产生及其对自调影响，并 结合 DCS 分散控制系统中的单回路控制系统、串级双冲量控制（过热蒸汽温度调 节）系统及协调控制的汽机主控系统等实例，探讨了积分饱和现象可能发生的工 况，针对具体情况给出了限制单回路调节器输出、积分饱和现象发生时切换主调 节器（串级双冲量控制）输出为跟踪值、为CCS增指令发生增加DEH阀门开度限制 等几种相应的解决方案。【关键词】 积分调节 积分饱和（调节器的）偏差输入DCS分散控制系统 引言火力发电厂锅炉汽轮机机组在正常运行中有大量的热工参数需要调节与控制。从生产
2、的安全和经济效益考虑，这些参数需要控制在 合适的范围内。热工自动控制的任务就是自动地维持生产过程在规定 的工况下，即自动地维持各被调量为设定参数值或按一定规律变化。虽然随着DCS等计算机控制系统在火电厂日益广泛的应用，实现自动调节不再局限传统仪表通常采用的比例、比例-积分、比例-积分 -微分三种调节规律，而是可以根据实际被调对象的具体特点由各种常用运算组合调节规律，但是这三种运算仍然是最主要最基本的调节 规律。1. 积分饱和现象在自动调节过程产生及其对自调影响在热工自动调节系统中比例调节作用是最基本的调节作用，积分和微分作用作为辅助调节作用。比例调节作用贯彻在整个调节过程 中，积分作用则体现在
3、调节过程的后期，用以消除静态偏差，微分作 用则体现在调节过程的初期。积分调节规律是调节器输出控制作用y(t)与其偏差输入信号e(t) 随时间的积累值成正比，即卩(t)=( 1/Ti) J e(t)dt其传递函数形式：W(s)=1/ (Ti*s)式中 T 为积分时间。i积分调节器的阶跃响应如图一。由图可以看出，当被调量出现偏差并t0图一呈阶跃形式变化时，积分作用并不立即变化，而是由零开始线性增长。因此只要偏差信号存在，调节器的输出旨在消除对系统影响的控制作 用就一直增加，且增长的速度始终为初始速度。只有偏差为零时，积 分控制作用才停止变化。这表明系统达到再次稳定时，被调量的偏差 必然为零。因此积
4、分调节规律的另一特点就是消除稳态偏差，实现无 差调节，其控制作用体现在调节过程的后期。下面以单回路控制系统为例说明积分饱和的产生。系统原理方 框图如图二。该系统由一个测量变送器，调节器部分，一个执行部分， 连同被控对象组成的闭环反馈控制系统。调节机构是自动调节系统的重要环节，它是接受调节器的控制信 号去调节被调量的工具。常用的调节机构有调节阀门和挡板等，通常 由执行机带动。热工自调中电动执行机动作的位置反馈信号r(t)通常 为0-10mA或4-20mA.,表示阀门行程或挡板开度从最小到最大，即1-100%。d在正常工况下，整定好 PID 参数的调节器输出在 5%-95%范围内 就可以满足调节要
5、求，使被调参数在规定范围内按一定规律变化。对 应着执行机位置反馈r在5%-95%。有些非正常工况下调节器输出已达到了 100%，对应执行机位臵 反馈也达到 100%，此时对于这个负反馈的闭环调节单回路的调节对 象的参数值仍然小于设定值，也即调节器的偏差输入信号e(t)仍然大 于零，正向偏差的存在使积分调节规律作用下的调节器输出y(t)继续 增大，然而阀门行程或挡板开度已经最大，执行机位置反馈信号不会 再增加。调节器的输出卩(t)这一增加过程直到系统其自平衡能力，或由于运行值班员对系统做出其它措施，使得被调对象的参数测量值等 于或大于设定值。偏差输入信号e(t)不再大于零，调节器的输出卩(t)
6、不再增大。由于系统的惯性作用，被调参数很可能将继续增加，使偏差输入 信号e(t)小于零，在积分调节规律的作用下调节器的输出卩开始减 小。系统要求此时的执行机构向关阀门或挡板的方向动作，但是实际 上，直到调节器的输出卩(t)减到小于100%后对执行机构的关向指令 才开始有效。也即是如图三所示，调节系统经过 t2 这段时间的延迟 以后才又开始正常的调节过程。我们暂且将调节器由于积分作用规律造成的输出y(t)大于100% 的上升和下降过程，如图三中表现为t1+t2这段时间的调节过程称为 积分饱和。由于调节系统积分饱和造成的调节机构未能及时回关的这段时 间的延迟对系统影响可能是致命的。例如这种情况如果
7、发生在给水自 动调节中，就可能由于给水阀门未能及时关同时运行值班员未做其它 补救措施而造成汽包水位升到比较危险的高度。如发生在引风自调 中，同时送风调节机构未能及时根据实际运行工况作出相应反应，将 可能引起机组炉膛压力负向大幅度增大。如发生在协调系统的汽机主 控对DEH调门开度控制中，将可能引起机组负荷升高到超过规定值, 短时间危机整个机组。2.在DCS系统中减小积分饱和对自动调节影响的几种方法随着 DCS 分散控制系统在电厂应用的日益普遍，机组实现机炉 协调控制不再困难，而主要热工参数调节的自动投入率也随之大幅度 提高。也使得自动调节在机组运行中的地位前所未有的重要。我厂自 2000 年来陆
8、续实现了#6、#4、#7 机组的 DCS 改造。三 个机组的分散控制系统均采用新华公司的 XDPS( XINHUADistributive Processing System )分散控制系统。实现了机炉协调 控制、燃料、送引风、汽包水位、磨煤机负荷、主蒸汽及其它机炉热 工参数的自动调节。 XDPS 系统以 WINDOWS 为平台由图形组态软件 Netwin 可以实现操作器和调节器的功能，系统中的伺服放大部分由 机柜内的 LC-S 卡件硬回路实现。虽然由于积分饱和造成调节不理想的情况不属于正常调节，不是 经常发生的，但在 DCS 改造后机组实际运行中，在许多重要的调节 系统中我们发现过这种调节工
9、况。通过实践我们总结出解决积分饱和 对自动调节系统不良影响的几种可行的方法。3.1 单回路调节最直接的方法依靠运行值班员监视系统能够注意对这种情况发 生，并采取相应措施。不仅对单回路，对各种复杂的自调回路均有效。在机组的运行过程中如果运行值班员能够在自动调节系统的积 饱和现象发生时(也就是闭环反馈自动调节系统中执行机构位臵反馈 达到最大，被调参数已经大于设定值，调节器输出仍然不对执行机构 发出关指令时)及时切除系统自动。调节器在手动时跟踪软手操的输 出，即马上小于或等于 100%，结束积分饱和的过程，如图四所示。 然后再将系统投入自动，就进入正常调节过程。单回路在DCS系统 中应用简图如图五。
10、卩(t)r(t)手动状态e(t)t1图四系统切换为手动时参数测量值图五但是系统投入自调的目的之一就是减轻运行人员的工作量，这种依 靠运行人员参与调节的解决办法不是最终方法，必须完善调节系统的 控制逻辑，而在DCS分散控制系统中实现的模拟量控制控制逻辑的组 态设计修改都灵活方便，于是我们考虑了对组态逻辑进行修改的几种 方法。一种是对单回路调节逻辑中的PID功能模块的输出卩(t)加以限制，输出上限设定为100%，下限设定为0%。这样尽管调节器的偏差输入信号e(t)大于零，积分规律作用无法使已达上限的输出卩(t)继续增大，一旦输入信号e（t）小于零，输出卩（t）小于100%,立即对执行机构发出关指令
11、。有效解决了积分饱和对调节规律负面的影响。3.2 串级调节对于单回路有效的对PID功能模块的输出卩（t）加以限制的方法 对于串级调节或其它复杂调节系统简单地限制 PID 功能模块的输出 卩（t）并不能解决问题。下面以依靠喷水减温控制的串级双冲量过热汽温系统为例作以 说明。在串级双冲量过热汽温系统中有两个闭合回路：由对象超前区、超前信号（减温器后蒸汽温度）热电偶、副调 节器（比例-积分）、执行机和调节阀门组成的内回路（或称副回路）；由对象惰性区、主信号（过热汽温度）热电偶、主调节器（比 例-积分-微分）和副回路组成的外回路（或称主回路）。采用喷水减温调节过热汽温时，汽温调节对象的滞后时间和时间
12、常数较大。对于减温水流量的变化，超前汽温的反应要比主汽温的反 应快得多，因此在减温水自发扰动后，由于副调节器在主蒸汽还没有 明显变化时及时动作能及时消除它的影响而使主汽温很少变化。当主 汽温度偏离给定值时，则由主调节器发出信号校正副调节器的给定 值，通过副调节器控制执行机去操纵减温水调节阀门，使主汽温度最 后恢复到给定值。当主汽温或超前汽温升高（或降低）时，要求减温水调节阀门开 大（或关小），使汽温恢复到给定值，即在信号关系上形成负反馈的 闭环系统。这就要求直接控制执行机的副调节器为正向作用。副调节器的作用方向首先确定，在主调节器输入偏差增大(或减小)时，要求主调节器的输出信号减小(或增大)因
13、此主调节器的作用为反向作 用。系统切换为手动时系统切换为手动时图六为过热汽温度调节在DCS系统实现的逻辑组态原理框图因为副调节器输出卩(t)直接控制执行机构，根据前面对单回路2调节系统分析，对副调节器输出卩(t)范围应限制在0-100%。2以下分析系统发生积分饱和时主调节器的情况。当主信号测量值持续降低，低于设定值，主调节器输入偏差e (t)1正向增大，主调节器在PID调节规律的作用下使输出卩(t)增大，副1调节器输入偏差e (t)负向增大，副调节器在PI调节规律的作用下使2输出卩(t)减小，带动执行机构关小减温器阀门。如果这一扰动是由2减温水量扰动引起，前面所说的调节过程将会使过热蒸汽温度恢
14、复到 给定值附近。但除了减温水量扰动，引起过热汽温度变化的扰动因素很多，不 容易控制。如蒸汽流量、过剩空气系数、火焰中心位臵、煤种的改变、 燃烧工况、烟气温度和流速、炉膛受热面结焦和过热器积灰的变化等， 都会使过热蒸汽温度发生变化。前面所说的扰动如果由于这些因素的影响使过热蒸汽温度仍然 向减小方向变化，副调节器输出卩(t)减到最小0%,相应执行机构位2臵反馈也下降至 0%,仍未能使过热蒸汽温度回升。于是主调节器输 出卩(t)继续负向增大，若此时减温器后超前信号变化较小，就使得1副调节器输入偏差e (t)继续负向增大的过程。副调节器输出卩(t)22 却不再变化,只能依靠过热蒸汽系统调节对象的自平
15、衡能力使过热蒸 汽温度回升。过热蒸汽温度这一回升过程的开始,由于主信号测量值 仍低于设定值，所以主调节器输入偏差e (t)仍小于零，主调节器输1出卩(t)仍将变小，副调节器输入偏差e (t)继续负向增大。当过热12蒸汽温度回升到等于或稍大于设定值，副调节器输入偏差e (t)不会2立即为正，必须经过一段时间，主调节器由于输入偏差e (t)大于零1使输出卩(t)变小，副调节器输入偏差e (t)才会大于零，比例-积分12调节规律的作用才会使副调节器输出卩(t)增大，带动执行机构使减2温器阀门开大。上述调节过程中那段调节反应时间的滞后也是由于与主、副调节 器都相关的积分调节饱和引起的。要解决这一问题,必须在副调节器 输出卩(t)达到下限后，限制副调节器输入偏差e (t)的持续减小过22程。也就是限制此时主调节器输出卩(t),而此时主信号测量值同设1定值的偏差是客观存在,所以考虑此时让主调节器输出切换为跟踪值(即乘上系数后的超前信号的测量值)直到主调节器输入偏差 e(t)1大于零。切换条件设计为卩(t)=0与e (t)0与e (t)0。系统组态221 经过这一改进后可以消除由于积分调节饱和引起的调节过程的滞后。 通过机组实际运行时对调节系统的观察，发现修改后调节效果比较 好，可以消除由于积分调节饱和引起的调节过
