一种抗积分饱和串级PID控制算法

一种抗积分饱和串级PID控制算法

刘超

国家能源集团双辽发电有限公司吉林省双辽市136400

摘要：目前大型单元机组多采用直接喷水减温的方法来控制过热汽温。有的机组只采用一级喷水减温控制方式，有的机组采用两级喷水减温控制方式，即串级控制方式。由于大多数串级PID控制结构中主调节器没有抗积分饱和功能，如果过热蒸汽温度投入自动控制方式，容易导致过热蒸汽温度出现温度过高或是过低的问题，本文提出一种解决串级PID控制算法过积分饱和问题的方法，供业界人士参考。

关键词：串级PID控制算法；过热汽温；DCS系统；调节器

引言

现代锅炉的过热器是在高温、高压的条件下工作的，过热器出口的过热蒸汽温度是机组整个汽水行程中工质温度的最高点，也是金属管壁温度的最高点。过热器采用的是耐高温高压的合金钢材料，过热器正常运行时的温度已接近材料所允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高，容易损坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热应力和热膨胀，影响机组的安全运行。如果过热蒸汽温度过低，将会降低机组的热效率，不仅增加燃料消耗量，浪费能源，而且还将使汽轮机最后几级中蒸汽的湿度增加，加速汽轮机叶片的腐蚀。此外，过热蒸汽温度降低还会导致汽轮机高压部分级的焓降减少，引起各级反动度增大，轴向推力增大，会对汽轮机的安全运行带来不利影响。因此，锅炉过热蒸汽温度是影响机组生产过程安全性和经济性的重要参数。

1现有锅炉过热蒸汽温度控制方法

目前大型单元机组多采用直接喷水减温的方法来控制过热汽温。有的机组只采用一级喷水减温控制方式，这种方式比较简单，但由于在喷水减温作用下被控对象的迟延时间较大，造成机组负荷变动下蒸汽温度偏差较大，因此大多数机组不采用这种方式，而采用两级喷水减温控制方式。采用两级喷水减温的过热蒸汽温度控制系统，如果仅从锅炉出口蒸汽温度的控制效果来考虑，则一级喷水减温相当于粗调，二级喷水减温相当于细调。减温水扰动下的汽温特性属于对象控制通道的动态特性，该特性是过热汽温控制系统设计、分析和整定的依据。汽温对象控制通道存在的迟延和惯性比较大，单纯根据过热器温度偏差采用单回路调解方案来控制汽温是不能满足生产要求的，而应引入能够提前反应扰动的导前信号构成多回路系统，以提高汽温控制品质。现在采用最多的是串级蒸汽温度控制系统。串级过热蒸汽温度调节系统具有两个闭环控制回路：由被调对象的导前区、导前汽温（减温器后温度）变送器γB2、副调节器、执行器KZ和减温水调节阀组成内回路（或称副回路）；由被控对象的惰性区、过热器温度变送器γB1、主调节器和内回路组成外回路（或称主回路）。导前汽温能够快速反应扰动，尤其是减温水的自发性扰动，副调节器根据导前汽温的变化改变减温水量，对过热器温度起粗调作用。主调节器则通过对副回路的校正，对过热器温度起细调作用，当过热器温度偏离给定值时，主调输出校正信号，使副调不断调节减温水量，直到过热器温度恢复到给定值为止。稳态时，导前汽温可能稳定在与原来不同的数值上，但过热器温度一定等于给定值。串级过热蒸汽温度调节系统基本控制如图所示：

2现有锅炉过热蒸汽温度控制方法存在问题

影响过热汽温的因素很多，在有些工况下，过热器的热交换严重失衡，仅靠减温水已不能有效地调整过热汽温。这时，有可能出现减温水调节门已长时间全开但过热汽温仍高于设定值，或减温水调节门已长时间关闭但过热汽温仍低于设定值的现象。出现上述工况时，采用串级控制结构的过热汽温控制系统的主调节器会出现过积分饱和，时间越长积分饱和的程度越严重，直至受到调节器限幅的限制。当输入偏差信号翻转时，调节系统需要较长时间才能退出饱和区，不能立即进入正常调节状态。积分饱和的存在将严重影响调节系统的响应时间，降低调节品质。出现过积分饱和的原因是主调节器有积分作用，只要偏差存在调节器的输出就会不断增加（或减少），试图去克服偏差，但系统却已不具备这种能力。尤其是低负荷的时候这种现象更为明显；如果采用手动控制方式，则增加了运行人员的工作负担，同时也难免会出现调整不及时的情况，不利于机组的安全稳定和经济运行。本文就是探讨解决串级PID控制算法的过积分饱和问题，以保证过热蒸汽温度控制在合理范围内，保证机组安全稳定运行。

3现有串级过热蒸汽温度调节系统

串级过热蒸汽温度调节系统的主回路由机组负荷指令对应的函数转换、温度偏置、过热器出口温度、变参数PID控制器和副回路组成，完成过热蒸汽温度的细调功能。副回路（即执行级控制回路）由减温器后温度、主回路输出值、变参数PID控制器和减温水调节阀组成，完成过热器减温水流量的调节功能。系统在自动状态下，若过热蒸汽温度高于设定值时，串级PID控制算法输出的指令增大，减温水调节门开度增大，增加减温水流量。若过热蒸汽温度低于设定值时，串级PID控制算法输出的指令减小，减温水调节门开度减小，减少减温水流量。系统在手动状态下，运行操作人员手动控制减温水调节门开度，保持过热蒸汽温度在合理范围内。

4解决串级PID控制算法中出现的积分饱和问题方法

在现有串级过热蒸汽温度调节系统上，通过对主调节器偏差值和副调节器输出值进行判断，适当时候取消积分作用，使得串级过热蒸汽温度调节系统能够及时、准确地调节过热蒸汽温度。在发电机组DCS系统(分散控制系统,DistributedControlSystem)中进行控制逻辑的组态,用串级PID((比例、积分、微分控制算法(proportionintegralderivative)以及相应逻辑功能块实现控制功能。串级过热蒸汽温度调节系统中，主调节器偏差作用类型为0（即设定值减去测量值），副调节器偏差作用类型为1（即测量值减去设定值）。当过热器出口温度低于设定值，减温水调节门关闭时，即主调节器偏差大于0.1且副调节器输出值小于0时，取消主调节器的积分作用（即积分时间等于9999，积分时间越小，积分作用越强，积分时间越大，积分作用越弱），防止出现积分饱和，减温水调节门打开不及时，过热器出口温度超温；当过热器出口温度高于设定值，减温水调节门全开时，即调节器偏差小于-0.5且副调节器输出值大于100时，取消主调节器的积分作用（即积分时间等于9999），防止出现积分饱和，减温水调节门关闭不及时，过热器出口温度过低。以上逻辑如下图所示：

结语

本文提到的控制方法和逻辑，经过现场长期的实际试验，具有较强的适应性和可靠性，使得本方法特别适用于抗积分饱和串级PID控制算法中，文中提到的控制逻辑，均采用一般逻辑功能块进行组态，编写简单，可读性较强。在使用过程中可以结合设备实际情况自行决定主调节器偏差值和串级PID控制算法输出值。通过采用抗积分饱和串级PID控制算法，使得过热蒸汽温度自动控制可靠投入，大幅减少了运行人员劳动强度，提高了机组的经济性和安全性。

参考文献

[1]朱北恒.火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程.DL/T657-2006.

[2]张林明.火力发电厂分散控制系统验收测试规程.DL/T659-2006.