本發(fā)明涉及基于MATLAB建模仿真的熱控PID參數(shù)的設定調(diào)整技術(shù)。

背景技術(shù)：

火電廠的熱工控制技術(shù)隨著火電機組單機容量的增加和控制儀表的進步而達到嶄新的水平。在正常運行過程中，對運行參數(shù)控制的好壞，會直接影響到機組的經(jīng)濟指標以及設備壽命。因而，現(xiàn)代大容量單元機組的安全經(jīng)濟運行，必須要有與之相適應的自動控制系統(tǒng)來保證。在工業(yè)控制中，PID控制是最常用的方法，在工業(yè)控制中占主導地位。PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，適用性強，魯棒性較好，使用中需確定的參數(shù)較少，實際應用靈活，效果較好，廣泛的應用于火電廠的熱工控制。

但是在實際生產(chǎn)現(xiàn)場，由于受熱控PID參數(shù)整定方法的限制和困擾，控制器參數(shù)往往整定不良，使熱控PID控制器性能欠佳，對運行工況的適應性較差；常規(guī)方法需要進行多次擾動試驗，耗時較長并且會對機組產(chǎn)生不利影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，從而提供基于MATLAB建模仿真的熱控PID參數(shù)設定調(diào)整方法。

本發(fā)明所述的基于MATLAB建模仿真的熱控PID參數(shù)設定調(diào)整方法，該方法包括以下步驟：

步驟一、在MATLAB的SIMULINK下搭建熱控系統(tǒng)仿真平臺，即建立被控對象、熱控PID控制器和熱控測量裝置的模型，熱控PID控制器用于控制被控對象，熱控測量裝置將被控對象的熱控參數(shù)反饋給熱控PID控制器；

步驟二、基于MATLAB的工具箱PidTool對PID參數(shù)進行初步設定；

步驟三、在MATLAB的SIMULINK下采用初步設定的PID參數(shù)進行仿真；

步驟四、在MATLAB的SIMULINK下根據(jù)示波器功能塊的波形對PID參數(shù)進行校正；

步驟五、將校正后的PID參數(shù)輸入到實際系統(tǒng)的熱控PID控制器；

步驟六、判斷實際系統(tǒng)得到的實驗波形與MATLAB的示波器功能塊的波形是否一致，如果一致則結(jié)束該方法，如果不一致則根據(jù)實際系統(tǒng)得到的實驗波形對被控對象進行修正并返回步驟四。

優(yōu)選的是，被控對象的模型為拉普拉斯模型。

本發(fā)明的基于MATLAB建模仿真的熱控PID參數(shù)設定調(diào)整方法，該方法可以明顯減少傳統(tǒng)試驗法的次數(shù)，降低試驗調(diào)整參數(shù)的時間周期，減輕多次擾動試驗對系統(tǒng)的影響，提高了設計效率，并得到最佳的品質(zhì)指標。通過MATLAB的PidTool工具箱進行PID參數(shù)的初設計，并結(jié)合MATLAB的SIMULINK仿真進行修正校驗，通過在MATLAB環(huán)境下建模仿真，證明該方法設計的熱控PID參數(shù)具有良好響應特性。

本發(fā)明適用于設定調(diào)整熱控PID參數(shù)。

附圖說明

圖1是具體實施方式一所述的基于MATLAB建模仿真的熱控PID參數(shù)設定調(diào)整方法的流程圖；

圖2是具體實施方式一中的單閉環(huán)熱控系統(tǒng)框圖；

圖3是具體實施方式一中的在SIMULINK仿真環(huán)境下搭建系統(tǒng)的仿真框圖；

圖4是具體實施方式一中的被控對象的階躍響應曲線圖；

圖5是具體實施方式一中的PID的參數(shù)設計的界面圖；

圖6是具體實施方式一中的仿真環(huán)境的設置界面圖；

圖7是具體實施方式一中的仿真結(jié)果圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結(jié)合圖1至圖7具體說明本實施方式，本實施方式所述的基于MATLAB建模仿真的熱控PID參數(shù)設定調(diào)整方法，該方法包括以下步驟：

步驟一、在MATLAB的SIMULINK下搭建熱控系統(tǒng)仿真平臺，即建立被控對象、熱控PID控制器和熱控測量裝置的模型，熱控PID控制器用于控制被控對象，熱控測量裝置將被控對象的熱控參數(shù)反饋給熱控PID控制器；

步驟二、基于MATLAB的工具箱PidTool對PID參數(shù)進行初步設定；

根據(jù)實際需要參照其他機組的PID參數(shù)對MATLAB中的PID參數(shù)進行初步設定；

步驟三、在MATLAB的SIMULINK下采用初步設定的PID參數(shù)進行仿真；

步驟四、在MATLAB的SIMULINK下根據(jù)示波器功能塊的波形對PID參數(shù)進行校正；

根據(jù)實際需要根據(jù)示波器功能塊的波形對PID參數(shù)進行校正，使之能達到控制系統(tǒng)的控制目標。

步驟五、將校正后的PID參數(shù)輸入到實際系統(tǒng)的熱控PID控制器；

步驟六、判斷實際系統(tǒng)得到的實驗波形與MATLAB的示波器功能塊的波形是否一致，如果一致則結(jié)束該方法，如果不一致則根據(jù)實際系統(tǒng)得到的實驗波形對被控對象進行修正并返回步驟四。

根據(jù)實際系統(tǒng)得到的實驗波形對被控對象進行修正屬于現(xiàn)有成熟技術(shù)。

熱控PID調(diào)節(jié)器是一種應用廣泛、技術(shù)成熟的控制方法。PID控制的基本思想是將偏差的比例、積分和微分三參數(shù)通過線性組合構(gòu)成控制器，對被控對象進行控制，采用PID控制時，系統(tǒng)控制品質(zhì)的優(yōu)劣取決于上述三參數(shù)的設計。但在熱工控制領(lǐng)域中，對控制品質(zhì)的要求越來越高，且控制對象越來越復雜，對熱控PID參數(shù)設計的要求也越來越高。

在熱控自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方案已經(jīng)確定，熱控PID調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)都已選定并已安裝好以后，自動調(diào)節(jié)質(zhì)量將取決于熱控PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的設計。熱控PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務就是根據(jù)調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性設計最佳的調(diào)節(jié)器參數(shù)，以使系統(tǒng)響應特性具有滿足要求的最佳品質(zhì)指標。

熱控PID參數(shù)設計方法主要有：齊格勒-尼柯爾斯法則、廣義頻率法和工程整定方法。

齊格勒-尼柯爾斯法則的第一種方法針對控制對象中不包括主導共扼復數(shù)極點的情況，通過實驗求控制對象對單位階躍輸入信號的響應，得到一條S形曲線，再通過作圖法做出S形曲線的特征點，并應用經(jīng)驗公式得到所需的參數(shù)；第二種方法只采用比例控制作用使比例增益從0增加到臨界值。在臨界增益和相應的周期帶入經(jīng)驗公式求得參數(shù)。

廣義頻率特性法是通過調(diào)整PID調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)，使控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性變成具有規(guī)定相對穩(wěn)定度的衰減頻率特性，從而使閉環(huán)系統(tǒng)響應滿足規(guī)定衰減率的一種參數(shù)整定方法。

工程整定方法包含有：衰減曲線法；臨界比例帶法；動態(tài)參數(shù)法；經(jīng)驗法。實際應用中四種工程整定參數(shù)方法各有各的優(yōu)點，根據(jù)不同系統(tǒng)特點，選擇一種合適的整定方法。

MATLAB語言是當前國際上自動控制領(lǐng)域的首選語言，已經(jīng)成為控制理論與控制工程以及計算機仿真領(lǐng)域的有力工具，控制系統(tǒng)的建模、分析及應用都依靠MATLAB的強有力支持。

基于MATLAB的熱控PID參數(shù)設計方法可以很好地將理論計算與現(xiàn)場試驗調(diào)整結(jié)合到一起，設計出滿足要求的熱控PID參數(shù)。應用這種設計方法，可以在現(xiàn)場同時進行理論計算和試驗調(diào)整，通過實驗數(shù)據(jù)來修正MATLAB中的仿真模型，根據(jù)仿真模型設計熱控PID控制器參數(shù)，并通過仿真分析得到的結(jié)果指導現(xiàn)場試驗調(diào)整，極大地提高了熱控PID控制器參數(shù)設計的速度與精度。

圖2是單閉環(huán)熱控系統(tǒng)框圖。熱控系統(tǒng)仿真建模需要對被控對象、熱控PID控制器和熱控測量裝置分別建立仿真模型。

對于被控對象，由于電廠動力裝置及其內(nèi)部過程的復雜性，電廠熱工過程往往表現(xiàn)出非線性、慢時變、大遲延和不確定性，難以建立其精確的數(shù)學模型。因此首先根據(jù)物理原理建立被控對象的數(shù)學模型，再通過實際調(diào)試得到的試驗數(shù)據(jù)來修正建立的數(shù)學模型，使數(shù)學模型能夠精確的反應被控對象的物理響應特性。

對于熱控PID控制器和熱控測量裝置，同樣需要根據(jù)其物理特性建立其數(shù)學模型，并且根據(jù)實際數(shù)據(jù)修正數(shù)學模型，使數(shù)學模型能夠確保與DCS(Distributed Control System，分布式控制系統(tǒng))系統(tǒng)以及熱控測量裝置相應的各功能塊在輸入輸出特性上保持一致。

下面以單閉環(huán)PID參數(shù)設計為例，假設根據(jù)實驗數(shù)據(jù)修正后的被控對象的傳遞函數(shù)是，

$\frac{0.45}{1200s^3+700s^2+120s+1}---\left(1\right)$

其中，s表示拉普拉斯變換S域變換算子；

熱控系統(tǒng)的數(shù)學模型建立完成后，需要在MATLAB的仿真環(huán)境SIMULINK下建立起一套熱控系統(tǒng)的仿真平臺，并且在SIMULINK仿真環(huán)境中需要先對其中各個被調(diào)用功能塊進行響應特性試驗，在了解現(xiàn)場系統(tǒng)的基礎(chǔ)上分析熱力系統(tǒng)的擾動關(guān)系，建立正確的閉環(huán)仿真關(guān)系，同時對一些重要的擾動量也可以進行擾動試驗，找出擾動關(guān)系，完善系統(tǒng)模型。在SIMULINK仿真環(huán)境下搭建系統(tǒng)的仿真框圖，如圖3所示，1為示波器。圖4為對被控對象功能塊進行階躍響應特性試驗得到的階躍響應曲線圖。

MATLAB下的PID參數(shù)設計與優(yōu)化的方法有很多，可利用MATLAB的工具箱PidTool來進行PID參數(shù)得初設計。由于基于MATLAB的計算機仿真運算速度非?？?，相對于時間較長的熱工過程幾乎瞬間完成，因此可以快速的看到結(jié)果并修改設計，這為分析不同PID控制參數(shù)下系統(tǒng)的動態(tài)響應提供了極大方便，提高了參數(shù)設計的效率，縮短了系統(tǒng)完成周期；并且仿真結(jié)果形象直觀，通過示波器功能塊可以觀察到系統(tǒng)任何節(jié)點的響應特性和PID任一參數(shù)變化時對控制系統(tǒng)特性的影響。同時借助于MATLAB的強大功能，可以采用各種系統(tǒng)分析和設計方法，并且可以方便的對不同PID參數(shù)的控制效果進行充分的比較，得出符合要求的最優(yōu)參數(shù)。

在MATLAB下通過“tf”命令建立被控對象的拉普拉斯模型，然后調(diào)用MATLAB的工具箱PidTool，并通過滑動來確定所需要的響應時間，這樣熱控PID控制器的參數(shù)便跟著所定的響應時間變動。

根據(jù)響應曲線特性和實際需要對PID參數(shù)進行設計。利用PidTool來設計PID參數(shù)非常方便，只要在可視化界面里調(diào)整響應曲線就能得到相應的PID參數(shù)。通過PidTool的設計到控制系統(tǒng)為：

$C=Kp+Ki\×\frac{1}{s}---\left(2\right)$

其中Kp＝2.47，Ki＝0.0532；Kp為P的系數(shù)，Ki為I的系數(shù)。

然而MATLAB的工具箱PidTool設計的熱工PID參數(shù)由于算法限制只是在指標在一定的比例范圍內(nèi)一維的變化，只是對某項指標的最優(yōu)化，沒有考慮到現(xiàn)場實際對參數(shù)的需求。因此用MATLAB的工具箱PidTool初設計完成后需要在SIMULINK仿真平臺下對設計的熱控PID參數(shù)進行校正。

控制系統(tǒng)的參數(shù)校正在SIMULINK仿真環(huán)境中完成，將設計的PID參數(shù)輸入到實際系統(tǒng)的PID控制器中，即可在SIMULINK中進行系統(tǒng)仿真和PID參數(shù)的優(yōu)化工作。

首先進行仿真環(huán)境設置，如圖6，設置仿真的起止時間、解法器以及步長等參量。

然后進入仿真分析，通過不斷的調(diào)整得到符合現(xiàn)場需要的PID參數(shù)，本例中，通過PIDtool設計的熱控PID控制器得到的階躍響應峰值出現(xiàn)在200秒，我們通過校正得到新的控制系統(tǒng)為：

$C=Kp+Ki\×\frac{1}{s}---\left(3\right)$

其中Kp＝3.91,Ki＝0.0832。新的控制器得到的階躍響應峰值出現(xiàn)在150秒，提前了50秒。

MATLAB仿真結(jié)果形象直觀，通過示波器功能塊可以觀察到系統(tǒng)任何節(jié)點的響應特性和PID任一參數(shù)變化時對控制系統(tǒng)特性的影響。同時借助于MATLAB的強大功能，可以采用各種系統(tǒng)分析和設計方法，并且可以方便的對不同PID參數(shù)的控制效果進行充分的比較，得出符合要求的最優(yōu)參數(shù)。

根據(jù)上面建立的仿真平臺進行仿真分析校正PID參數(shù)后，得到的仿真結(jié)果如圖7所示，橫坐標為時間，單位為s，縱坐標為幅值，圖7說明基于MATLAB設計的熱控PID參數(shù)實現(xiàn)了設計目的，在PID控制其作用下具有良好響應特性。仿真結(jié)果說明，基于MATLAB建模仿真的熱控PID參數(shù)設定調(diào)整方法，可以避免常規(guī)方法下多次擾動試驗對機組運行的影響，提高了調(diào)節(jié)熱控系統(tǒng)PID參數(shù)設計與優(yōu)化的效率；并且這種方法可以對參數(shù)結(jié)果從原理上進行分析，使最后設計的參數(shù)可以得到最佳的品質(zhì)指標，具有極強的使用價值。

具體實施方式二：本實施方式是對具體實施方式一所述的基于MATLAB建模仿真的熱控PID參數(shù)設定調(diào)整方法作進一步說明，本實施方式中，被控對象的模型為拉普拉斯模型。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。

雖然在本文中參照了特定的實施方式來描述本發(fā)明，但是應該理解的是，這些實施例僅僅是本發(fā)明的原理和應用的示例。因此應該理解的是，可以對示例性的實施例進行許多修改，并且可以設計出其他的布置，只要不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應該理解的是，可以通過不同于原始權(quán)利要求所描述的方式來結(jié)合不同的從屬權(quán)利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是，結(jié)合單獨實施例所描述的特征可以使用在其他所述實施例中。