串級增益自調度pid控制器的製作方法
2023-06-22 14:46:16
專利名稱：串級增益自調度pid控制器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及發電廠安全控制技術領域，尤其涉及一種串級增益自調度PID控制器。
背景技術：
在發電廠有許多複雜的生產過程，對此大多採用了廣義的串級控制迴路，而機組的運行工況及燃料供應等的變化，如負荷變化，煤質變化，就會造成生產控制對象的動態特性較大幅度的變化，使得控制對象顯現出參數的時變、非線性。現在發電廠大都採用的分散控制系統(DCS)進行全廠控制，DCS中主要採用常規的PID (比例-積分-微分)控制器進行閉環控制，這些PID控制是建立在對象動態特性不變或近似不變的基礎上的，當對象特性變化嚴重時，如不改變控制器參數，控制品質是無法保證的。過去PID控制器的參數整定 是由經驗取值預設，再依據試運行的響應波形做手動調整，這種做法往往經驗多於科學，既費時，又難以達到最佳的整定值，由於控制器微分作用不好調整往往把微分環節去掉，達不到微分預測控制的作用。而串級迴路PID控制參數的整定更是一件耗時、費力的工作。人們提出了千差萬別的PID控制器整定方法。雖然具有PID自整定功能的迴路控制器已有商業化產品，但是如何在DCS中實現複雜迴路PID參數的整定還是本領域中普遍面對的一個技術難題。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題在於提供一種能夠對串級內外迴路的P、I、D參數進行自動實時整定的串級增益自調度PID控制器。一種串級增益自調度PID控制器，包括PID增益自調度內控制迴路、PID增益自調度外控制迴路，以及分別連接所述PID增益自調度內控制迴路和所述PID增益自調度外控制迴路的檢測整定迴路；所述PID增益自調度內控制迴路包括內迴路PID增益自調度控制器和內迴路控制模式切換開關，所述內迴路控制模式切換開關的輸入端連接所述內迴路PID增益自調度控制器的輸出端，其控制端連接所述檢測整定迴路的輸出端；所述PID增益自調度外控制迴路包括外迴路PID增益自調度控制器和外迴路控制模式切換開關，所述外迴路控制模式切換開關的輸入端連接所述外迴路PID增益自調度控制器的輸出端，其控制端連接所述檢測整定迴路的輸出端；所述檢測整定迴路接收內迴路和外迴路的綜合測量信號，並將其分別與內、外迴路的設定值比較，根據比較結果輸出模式切換控制信號至所述內迴路控制模式切換開關和所述外迴路控制模式切換開關。與現有技術相比較，本實用新型的串級增益自調度PID控制器利用各DCS中固有的模塊，通過新增所述檢測整定迴路、所述內迴路控制模式切換開關和所述外迴路控制模式切換開關，並通過適當模塊的搭接，實現廣義串級迴路的繼電反饋控制，測取過程的臨界震蕩信息，可以不需建立受控系統數學模型，在閉環控制中就能自動的按所要求的穩定裕度整定出串級內、外迴路的P、I、D參數；並根據實測運行工況信號及偏差信號的變化，自動、實時地推理出內、外迴路最佳的P、I、D參數，最大限度的縮短控制系統的過渡時間，減小其動態偏差及靜態偏差，並使系統具有較好的魯棒性(Robust)。
圖I是本實用新型串級增益自調度PID控制器的結構簡圖；圖2是本實用新型串級增益自調度PID控制器中檢測整定迴路的結構示意圖；圖3是本實施例中檢測整定迴路中的兩位控制器的結構示意圖；圖4是本實用新型串級增益自調度PID控制器的詳細結構示意圖；圖5是本實用新型串級增益自調度PID控制器中各PID控制器的運算時序圖； 圖6是本實用新型串級增益自調度PID控制器調整給水控制參數的增益調度隸屬函數示意圖。
具體實施方式
請參閱圖1，圖I是本實用新型串級增益自調度PID控制器的結構簡圖。所述串級增益自調度PID控制器，包括PID增益自調度內控制迴路10、檢測整定迴路20和PID增益自調度外控制迴路30，所述檢測整定迴路20分別連接所述PID增益自調度內控制迴路10和所述PID增益自調度外控制迴路30 ；所述PID增益自調度內控制迴路10包括內迴路PID增益自調度控制器和內迴路控制模式切換開關15，所述內迴路控制模式切換開關15的輸入端連接所述內迴路PID增益自調度控制器的輸出端，其控制端連接所述檢測整定迴路20的輸出端；所述PID增益自調度外控制迴路30包括外迴路PID增益自調度控制器和外迴路控制模式切換開關35，所述外迴路控制模式切換開關35的輸入端連接所述外迴路PID增益自調度控制器的輸出端，其控制端連接所述檢測整定迴路20的輸出端；所述檢測整定迴路20接收對內迴路和外迴路的綜合測量信號，並將其分別與內、外迴路的設定值比較，根據比較結果輸出模式切換控制信號至所述內迴路控制模式切換開關15和所述外迴路控制模式切換開關35。本實用新型的串級增益自調度PID控制器中，所述檢測整定迴路20通過獲取所述內迴路和外迴路的綜合測量信號，並以此為依據進行PID控制器模式的切換，實現滯環繼電反饋控制，在需要檢測受控系統控制特性時，使控制系統產生小幅度的臨界振蕩。對原有的內迴路PID增益自調度控制器進行改進，增加所述內迴路控制模式切換開關15，使它增加滯環繼電反饋控制(即兩位控制)功能；對原有的外迴路PID增益自調度控制器進行改進，增加所述外迴路控制模式切換開關35，使它也增加滯環繼電型反饋控制(即兩位控制)功能。所述PID增益自調度內控制迴路和所述PID增益自調度外控制迴路可分別通過SPAM或Z-N等整定方法計算出所要求穩定裕度的比例(P)、積分(I)、微分(D)參數，或通過模型辨識方法計算出迴路控制對象的模型參數，用內模控制器的整定方法計算出滿足標稱性能及穩定性能要求的P、I、D等參數，各按輸入的多組P、I、D參數及其實測運行工況信號，自動調配P、I、D參數，經控制器控制非線性受控系統，以使系統在整個工作範圍內，獲得理想的動靜態控制品質。[0020]請參閱圖2，圖2是本實用新型串級增益自調度PID控制器中檢測整定迴路的結構示意圖。在本實施例中，所述檢測整定迴路20包括測量信號選擇切換開關21、設定信號選擇切換開關22和兩位控制器23 ；所述測量信號選擇切換開關21的兩個輸入端分別輸入所述內迴路的綜合測量信號和所述外迴路的綜合測量信號；所述設定信號選擇切換開關22的兩個輸入端分別輸入所述內迴路的設定值信號 和所述外迴路的設定值信號；所述兩位控制器23的兩個輸入端分別連接所述測量信號選擇切換開關和所述設定信號選擇切換開關的輸出端；所述兩位控制器23的輸出端連接至所述內迴路控制模式切換開關15和所述外迴路控制模式切換開關35的控制端B ；所述兩位控制器23分別將所述內迴路和外迴路的綜合測量信號與對應的設定值比較，根據比較結果輸出所述模式切換控制信號。在一個實施例中，所述兩位控制器23可以依據測量值與設定值的偏差變化情況，持續發出交替的高位或低位的輸出信號作為所述模式切換控制信號，實現繼電反饋控制功能。請進一步參閱圖3，圖3是本實施例中檢測整定迴路中的兩位控制器的結構示意圖。其中，所述兩位控制器23包括偏差報警模塊231、RS觸發器232和兩位輸出值切換開關233 ；所述偏差報警模塊231的輸入端分別連接所述測量信號選擇切換開關21和所述設定信號選擇切換開關22的輸出端，其兩個輸出端連接至所述RS觸發器232的輸入端；所述RS觸發器232的輸出端連接至所述兩位輸出值切換開關233的控制端；所述兩位輸出值切換開關233的兩個輸入端分別輸入高電位信號Oh和低電位信號01 ；所述偏差報警模塊231將所述內迴路、外迴路的綜合測量信號與設定值比較，在比較獲得的偏差值達到報警值時，對所述RS觸發器232發出報警信號；所述RS觸發器232根據所述報警信號對所述兩位輸出值切換開關輸出開關控制信號；所述兩位輸出值切換開關233在所述開關控制信號的控制下，選擇輸出所述高電位信號和低電位信號作為所述模式切換控制信號。在進行繼電反饋控制時，所述內迴路、外迴路的測量值與設定值送到所述偏差報警模塊231進行運算，一旦偏差值超過了預先設定的死區，所述偏差報警模塊231就發出高或低報警，通過所述RS觸發器232發出切換信號，切換信號控制所述兩位輸出值切換開關233輸出高位輸出或低位輸出。這樣一來，所述兩位控制器23就能依據測量值與設定值的偏差變化情況，持續發出交替的高位或低位輸出信號實現繼電反饋控制功能。請參閱圖4，圖4是本實用新型串級增益自調度PID控制器的詳細結構示意圖。所述PID增益自調度內控制迴路10還包括內迴路比例參數增益自調度計算模塊12、內迴路積分參數增益自調度計算模塊13和內迴路微分參數增益自調度計算模塊14 ;所述內迴路PID增益自調度控制器11的外置比例參數輸入端連接所述內迴路比例參數增益自調度計算模塊12 ;其外置積分參數輸入端連接所述內迴路積分參數增益自調度計算模塊13 ;其外置微分參數輸入端連接所述內迴路微分參數增益自調度計算模塊14。各個增益自調度計算模塊，依據當前運行的工況偏離各典型工況的程度，採用智能推理規則從輸入的多組P、I、D參數中，推算出當前工況下滿足控制穩定性要求P、I、D控制參數。推算出對應當前工況的P、I、D等參數分別送到各迴路控制器的控制參數外給定端。通過所述內迴路比例參數增益自調度計算模塊12、內迴路積分參數增益自調度計算模塊13和內迴路微分參數增益自調度計算模塊14，使PID增益自調度內控制迴路10具有P、
I、D參數增益自調度功能。在實際運行時，內迴路的綜合測量信號接到所述內迴路PID增益自調度控制器11的測量端PV，由外迴路送來的綜合控制信號連接到所述內迴路PID增益自調度控制器11的設定端SP。內迴路運行工況信號分別接到所述內迴路比例參數增益自調度計算模塊12、所述內迴路積分參數增益自調度計算模塊13和所述內迴路微分參數增益自調度計算模塊14 ； 所述內迴路PID增益自調度控制器11的輸出端(0T2)接到所述內迴路控制模式切換開關15的A端(PID)，所述檢測整定迴路20的兩位控制器23的輸出接到所述內迴路控制模式切換開關15的B端(ON-OFF)，所述內迴路控制模式切換開關15的輸出接到執行設備。進一步地，所述PID增益自調度外控制迴路30還可包括外迴路比例參數增益自調度計算模塊32、外迴路積分參數增益自調度計算模塊33和外迴路微分參數增益自調度計算模塊33 ;所述外迴路PID增益自調度控制器31的外置比例參數輸入端連接所述外迴路比例參數增益自調度計算模塊32 ;其外置積分參數輸入端連接所述外迴路積分參數增益自調度計算模塊33;其外置微分參數輸入端連接所述外迴路微分參數增益自調度計算模塊34。各個增益自調度計算模塊，依據當前運行的工況偏離各典型工況的程度，採用智能推理規則從輸入的多組P、I、D參數中，推算出當前工況下滿足控制穩定性要求P、I、D控制參數。推算出對應當前工況的P、I、D等參數分別送到各迴路控制器的控制參數外給定端。通過所述外迴路比例參數增益自調度計算模塊32、外迴路積分參數增益自調度計算模塊33和外迴路微分參數增益自調度計算模塊33，使所述PID增益自調度外控制迴路30具有P、I、D參數增益自調度功能。在實際運行時，外迴路的綜合測量信號接到所述外迴路PID增益自調度控制器31的測量端PV，由外迴路送來的綜合控制信號連接到所述外迴路PID增益自調度控制器31的設定端SP ;外迴路運行工況信號分別接到所述外迴路比例參數增益自調度計算模塊32、所述外迴路積分參數增益自調度計算模塊33和所述外迴路微分參數增益自調度計算模塊33。所述外迴路PID增益自調度控制器31的輸出端OTl接到所述外迴路控制模式切換開關35的A端(PID)，所述檢測整定迴路20中的兩位控制器23的輸出接到所述外迴路控制模式切換開關35的B端(ON-OFF)。進一步地，可設置所述外迴路控制模式切換開關35的輸出OTl連接所述設定信號選擇切換開關22的一個輸入端A，輸出外迴路的設定值；所述外迴路控制模式切換開關35的輸出OTl還連接至所述內迴路PID增益自調度控制器11的設定端SP，作為所述內迴路PID增益自調度控制器11的設定信號。[0042]下面說明採用本實用新型，進行PID參數整定的方法對於複雜工業受控系統，當某個典型工況需要檢測廣義串級受控系統控制特性時，執行以下操作I.所述檢測整定迴路20將內迴路的各PID控制器11切換到檢測模式下即通過適當調整偏差報警模塊的死區、兩位切換開關的高位輸出(Oh)及低位輸出值(01)，使所述檢測整定迴路20實現繼電反饋控制功能。2.獲取該PID控制器的開關控制狀態及控制系統的測量值。3.通過檢測到的內迴路的臨界振蕩的到達峰值的時間Tp及到達谷值的時間Tv ；上半波時間Tmax及下半波時間Tmin、臨界振蕩的峰值Vmax及谷值Vmin，就可以計算出控制系統臨界振蕩的周期時間T (T=TMX+TMIN)和臨界振蕩的幅值V (V=Vmax-Vmin)0測取出臨界振蕩周期T和幅值V，峰值時間Tp及谷值時間Tv。如圖5所示。4.將測得的臨界振蕩周期T和幅值V，與其相應的滯環繼電器型開關控制的滯環幅(H)和滯環寬度(e)等繼電反饋控制參數，就可以採用Z-N整定方法計算出該迴路的比例(P)、積分(I)、微分(D)數值；也可以設定所要求的相角穩定裕度(Qm)和幅值穩定裕度(Am)，採用SPAM整定方法計算出所要求穩定裕度的P、I、D參數；還可以通過模型辨識方法計算出迴路控制對象的模型參數，用內模控制器的整定方法計算出滿足標稱性能及穩定性能要求的P、I、D等參數。5.而後將計算出來的P、I、D等參數及本工況引導參數η的數值等分別填入各智能增益自調度計算模塊對應該工況的控制律中，從而形成完善的全工況的模糊P、I、D參數自調整控制律。並將內迴路切回到PID控制模式。同時，將所述外迴路PID增益自調度控制器31的所述外迴路控制模式切換開關35切換到檢測模式端，即採用滯環可調的繼電反饋控制功能。按Γ4的步驟檢測、計算出外迴路PID增益自調度控制器的比例(P)、積分(I)、微分(D)數值。然後將計算出的比例(P)、積分(I)、微分(D)數值及本工況引導參數η的數值等，填入到本工況對應的外迴路比例、積分、微分參數自調配模塊中。並將外迴路切回到PID控制模式。在各典型工況下，採用以上的步驟，通過啟動本實用新型串級增益自調度PID控制器的檢測模式，檢測、整定、計算、填入不同工況下比例(P)、積分(I)、微分(D)及其引導參數n的數數值，就能完善對應非線性系統的全工況智能P、I、D參數自調整控制率。將在各典型工況整定出的多組P、I、D參數設置在各個參數增益自調度計算裝置，輸入的多組P、I、D參數及典型工況引導參數為η，採用外給定方式接入各PID控制器，用以在工況變化時導致受控系統控制特性改變，自動適應地調配P、I、D參數，通過本實用新型串級增益自調度PID控制器控制非線性受控系統，以使系統在整個工作範圍內，獲得理想的動靜態控制品質。本實用新型中，各個參數增益自調度計算模塊採用Takagi-Sugeno-Kang型智能推理方法，控制律形成如下各個參數增益自調度計算模塊，依據當前運行的工況偏離各典型工況的程度，採用智能推理規則從輸入的多組P、I、D參數中，推算出當前工況下滿足控制穩定性要求Ρ、Ι、D控制參數。推算出對應當前工況的P、I、D等參數分別送到各迴路PID控制器的控制參數外給定端。[0054]設PID控制器的計算式如下
權利要求1.一種串級增益自調度PID控制器，其特徵在於，包括PID增益自調度內控制迴路、PID增益自調度外控制迴路，以及分別連接所述PID增益自調度內控制迴路和所述PID增益自調度外控制迴路的檢測整定迴路； 所述PID增益自調度內控制迴路包括內迴路PID增益自調度控制器和內迴路控制模式切換開關，所述內迴路控制模式切換開關的輸入端連接所述內迴路PID增益自調度控制器的輸出端，其控制端連接所述檢測整定迴路的輸出端； 所述PID增益自調度外控制迴路包括外迴路PID增益自調度控制器和外迴路控制模式切換開關，所述外迴路控制模式切換開關的輸入端連接所述外迴路PID增益自調度控制器的輸出端，其控制端連接所述檢測整定迴路的輸出端； 所述檢測整定迴路接收內迴路和外迴路的綜合測量信號，並將其分別與內、外迴路的設定值比較，根據比較結果輸出模式切換控制信號至所述內迴路控制模式切換開關和所述外迴路控制模式切換開關。
2.如權利要求I所述的串級增益自調度PID控制器，其特徵在於，所述檢測整定迴路包括測量信號選擇切換開關、設定信號選擇切換開關和兩位控制器； 所述測量信號選擇切換開關的兩個輸入端分別輸入所述內迴路的綜合測量信號和所述外迴路的綜合測量信號； 所述設定信號選擇切換開關的兩個輸入端分別輸入所述內迴路的設定值信號和所述外迴路的設定值信號； 所述兩位控制器的兩個輸入端分別連接所述測量信號選擇切換開關和所述設定信號選擇切換開關的輸出端；所述兩位控制器的輸出端連接至所述內迴路控制模式切換開關和所述外迴路控制模式切換開關的控制端； 所述兩位控制器分別將所述內迴路和外迴路的綜合測量信號與對應的設定值比較，根據比較結果輸出所述模式切換控制信號。
3.如權利要求2所述的串級增益自調度PID控制器，其特徵在於，所述外迴路控制模式切換開關的輸出端連接所述設定信號選擇切換開關的一個輸入端，輸出外迴路的設定值； 所述外迴路控制模式切換開關的輸出端還連接至所述內迴路PID增益自調度控制器的設定端。
4.如權利要求3所述的串級增益自調度PID控制器，其特徵在於，所述兩位控制器包括偏差報警模塊、RS觸發器和兩位輸出值切換開關； 所述偏差報警模塊的輸入端分別連接所述測量信號選擇切換開關和所述設定信號選擇切換開關的輸出端，其兩個輸出端連接至所述RS觸發器的輸入端； 所述RS觸發器的輸出端連接至所述兩位輸出值切換開關的控制端； 所述兩位輸出值切換開關的兩個輸入端分別輸入高電位信號和低電位信號； 所述偏差報警模塊將所述內迴路、外迴路的綜合測量信號與設定值比較，在比較獲得的偏差值達到報警值時，對所述RS觸發器發出報警信號；所述RS觸發器根據所述報警信號對所述兩位輸出值切換開關輸出開關控制信號；所述兩位輸出值切換開關在所述開關控制信號的控制下，選擇輸出所述高電位信號和低電位信號作為所述模式切換控制信號。
專利摘要本實用新型提供一種串級增益自調度PID控制器，通過新增檢測整定迴路、內迴路控制模式切換開關和外迴路控制模式切換開關，並通過適當模塊的搭接，實現廣義串級迴路的繼電反饋控制，測取過程的臨界震蕩信息，可以不需建立受控系統數學模型，在閉環控制中就能自動的按所要求的穩定裕度整定出串級內、外迴路的P、I、D參數；各內、外迴路PID增益自調度控制器按輸入的多組P、I、D參數及其實測運行工況信號，自動調配P、I、D參數，最大限度的縮短控制系統的過渡時間，減小其動態偏差及靜態偏差，並使系統具有較好的魯棒性(Robust)。經控制器控制非線性受控系統，以使系統在整個工作範圍內，獲得理想的動靜態控制品質。
文檔編號G05B11/42GK202661791SQ20122010300
公開日2013年1月9日 申請日期2012年3月16日 優先權日2012年3月16日
發明者李曉楓, 陳世和 申請人:廣東電網公司電力科學研究院