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1、太原科技大学毕业设计（论文）锅炉再热器温度控制系统设计摘要 PID控制器由于具有结构简单、实现容易，鲁棒性较强的优点，因此被广泛应用于锅炉再热器温度控制中。目前，锅炉再热汽温控制中，再热蒸汽出口温度控制要求高、可控性差，工艺上对再热汽温控制的质量有非常严格的要求。再热汽温的相对稳定在锅炉安全性和经济性运行中有着重要的作用。由于再热器具有大惯性、非线性、时变、多变量和有自平衡能力等特点，如何运用PID提高再热汽温的控制效果，是本文的重要研究课题。 本文在较为全面地对PID控制器参数整定方法的现状分析研究的基础上通过推导非线性鲁棒控制器与二自由度PI/PID控制器的等价形式，提出了二自由度PI/P
2、ID参数整定规则预期动态法(DDE)；并通过对某一电厂锅炉再热器的具体分析和研究，通过MATLAB仿真与传统的PID做对比来说明这一方法的可行性，已便于提高锅炉实现安全、经济、可靠、优化和环保的要求，具有广阔的应用前景。 关键词：PID，锅炉再热器，二自由度PID，ATLAB，控制效果。Boiler Reheater Temperature Control System Design AbstractBecause the PID controller has the advantages of simple structure, easy realization, good robustne
3、ss advantages, it is widely used in Boiler Reheater Temperature control. At present, the boiler reheat steam temperature control in reheat steam outlet temperature, high control requirements, poor controllability, technology of reheat steam temperature control quality has very strict requirements. T
4、he reheat steam temperature is relatively stable in boiler safety and economic operation has an important role in. As a result of reheater has great inertia, nonlinear, time-varying, multivariate and self balance ability and so on, how to use PID to improve the reheat steam temperature control effec
5、t, is the important research subject.In this paper, a more comprehensive parameters of PID controller tuning method based on the analysis of the current situation through the derivation of nonlinear robust controller with two degrees of freedom PI/PID controller equivalent form, put forward two degr
6、ees of freedom PI/PID parameter tuning rule - expected dynamic method ( DDE ); and the adoption of a power plant boiler reheater specific analysis and research, through the MATLAB simulation and traditional PID compared to illustrate this method is feasible, has to improve the boiler to realize safe
7、ty, economy, reliability, optimization and environmental protection requirements, has a broad application prospect.Key words: PID，Boiler reheater，Two degree of freedom PID，MATLAB， Control effect。1 引言锅炉再热汽温系统是一个典型的非线性、时变、多变量系统,它的状态参数与运行工况密切相关。汽温控制的好坏直接影响其热效率的高低。然而,生产过程中往往存在较多的干扰因素,蒸汽负荷、烟气流量及温度、炉内燃烧工况
8、、送引风情况、二次风和三次风的调整、给水流量压力及温度、受热面积灰及制粉系统启停等均对再热汽温有较大的影响。同时锅炉再热器的设计和汽温调控还存在一些问题，若考虑更广泛的调峰和使用更高级的再热器，会暴露很多问题，综合以往的有关再热器的实验研究，归纳超来：一是管壁超温爆管问题；二是温度调节特性差、调温幅度小的问题。尽管国内许多控制专家就再热汽温可控性差的问题，做了很多研究，也提出了不少新的、先进的控制方案，但因工程实现存在困难，真正应用甚少，故锅炉再热汽温实时控制问题也一直未能得到彻底的解决。因此,迫切需要设计出具有较好鲁棒性的控制系统,并能够较快投入自动。PID控制器本身是一种基于对“过去”、“
9、现在”和“未来”信息估计的简单但却有效的控制算法。由于其算法简单、鲁棒性能好、可靠性高等优点，PID控制策略被广泛应用于锅炉再热器控制中。2 文献综述2.1 PID控制国内外研究进展1942年，Ziegler和Nichols首先提出了PID控制器参数整定的经典Ziegler-Nichols法；此后在Z-N法的基础上，1952年，Chien，Hrones，Reswick等人提出了Chien-Hrones-Reswick整定算法 ；1955年，Cohen，Coon等人提出了Cohen-Coon 法 ；这些方法都是通过一些简单的实验来获得被控对象的几个特征参数从而得到控制器的整定公式，因此虽然PID
10、控制器在现代工业过程控制中占据重要地位，但在早期其整定方法研究并没有引起足够的重视。直到90年代以后，关于PID控制的研究才逐渐提升，这是因为在今天已有条件通过先进设计方法获得所需要模型知识，而理论上日趋完善的现代控制理论在现代工业控制中的应用比较有限，使得人们重新将目光转向在工程控制中占主导地位的PID控制；另外工业过程的发展对控制系统提出更高的要求，从而引发了研究人员对传统控制策略进一步的改进和探讨。其中，较为著名的有瑞典学者strm和Hagglund于1988和1995分别出版理论专著PID控制器: 理论、设计与整定的第1版和第2版之后,并在2001年的一篇论文里详细分析了PID控制器所
11、面临的问题与挑战,并对PID控制器的发展做出预测。Kiam 提到PID控制器的成功可以通过近期的IFAC会议看出，有近90篇关于PID的论文在会议上被发表。 ODwyer 对自1942年以来发表的PID整定规则进行了系统的整理和分类。其中PI控制器结构有7种，理想PID控制结构及其变形有18种之多，经典PID结构及其变形有4种，Non-interacting PID控制结构及其变形有19种以及其他近年来出现过的PID控制结构有5种，整定规则的适用对象共计18种形式。总结近年来PID 控制的发展趋势,可以将PID控制的发展分为两个大方向：传统PID控制技术的继续发展和各种新型控制技术与PID控制
12、的结合。2.2 传统PID控制传统PID控制可以分为基于模型的方法和基于规则的方法。在基于模型的整定方法中，可以通过暂态响应实验、参数估计及频率响应实验来获得过程模型；在基于规则的自整定方法中，不用获得过程实验模型，整定基于类似有经验的操作者手动整定的规则。目前关于传统PID控制算法的研究方向主要集中于以下几种：继电反馈整定方法：1984年，strm与其同事创新性地提出利用继电闭环实验，对被控对象进行频域响应分析，达到设计PID控制器目的的实验方法。该方法通过继电控制使过程产生极限环振荡，得到过程频率响应临界点的信息，通过振荡曲线获得动态过程数学模型的特征参数Tu和Ku，再利用Z-N整定公式计
13、算PID参数。继电反馈的整定方法优点是不依赖于数学模型，整定简单，速度快。这种方法多用于一些复杂难以识别的控制对象中。Hang等在2002年的一篇论文里综述了继电反馈自整定技术的发展。基于幅值相角裕度(GPM)的整定方法：1991年strm在考虑控制系统鲁棒性的情况下，提出了基于给定幅值裕量和相位裕量的PID控制器参数整定方法；该方法不需要建立被控对象的数学模型，只需获取对象特征参数，即可整定PID参数，这种方法使系统具有良好的控制性能和鲁棒性能。柴天佑等给出一种新的基于给定相角裕度和幅值裕度的PID参数自整定SPAM法。Ho et al. , Fung et al. , Wang et al
14、. , Wang和Shao 以及Kaya.都针对稳定对象的传递函数提出了基于GPM的PID整定方法，另外，Wang et al. 针对积分对象提出一种用户自定义幅值相位裕度的PID参数整定方法，随后，Wang和Ca将此种方法应用于不稳定对象。基于Smith预估器的PID控制：由于纯延迟环节的存在，PID控制器对于大时滞过程无能为力，加入Smith预估器的PID控制可以有效地补偿纯延迟环节主导的过程的死区时间，从而提高系统的稳定性。很多人利用Smith结构对大时滞对象，高阶对象，含积分环节的对象设计了PID控制器。基于IMC的PID控制器：Garcia和Morari受模型算法控制和动态矩阵控制的
15、启发，提出了内模控制(IMC)方法。基于IMC的PID控制器仅有一个整定参数，参数调整与系统动态品质和鲁棒性的关系比较明确。当系统不存在模型误差时，内模控制系统可得到快速平稳的动态响应。当存在建模误差或干扰时，滤波器发挥作用，抑制干扰或模型失配引起的实际输出与模型输出之差。这样，系统的设定值响应和干扰响应被分离开来，使系统既有较好的设定值响应性能，又有较好的抗干扰性能和鲁棒性能。M. Shamsuzzoha和Moonyong Lee将改进的IMC-PID应用于大时滞系统 。2.3 智能PID控制对于非线性系统、高阶系统、时变系统、以及没有精确数学模型的系统，传统的PID控制器往往难以控制。近年
16、来随着智能控制的迅速发展，智能控制与常规PID控制相结合，形成所谓智能PID控制。它不依赖于数学模型，算法简单，明显地提高了系统的控制品质，引起了国内外学者的广泛关注。主要智能整定方法有模糊PID控制器参数整定方法，神经网络PID控制参数整定方法以及基于遗传算法的PID 控制参数优化方法。模糊PID控制是一种非线性PID控制，发挥了模糊控制鲁棒性强，动态性能好的优点，同时保留了常规PID控制器稳态精度高的特点。但是这种方法要求对被控过程和控制规律有全面的先验知识方法的指导原则，其性能的优劣取决于开发者对控制回路参数整定的经验，以及对反馈控制理论的理解程度。采用了基于Fuzzy规则的变参数PID控制方法这种方法规则简单，效果好，证明了模糊规则整定参数的可行性。针对非线性系统提出模糊自适应控制，取得了较好的控制效果给予遗传算法的PID控制器参数优化方
