热工自动控制中积分饱和现象对自动调节过程的影响及其解决方法

热工自动控制中积分饱和现象对自动调节

过程的影响及其解决方法

Eff ect and Solution of Integ ral Saturated Phenomenon on Aut omatic

Control Progress in Thermal Process Cont rol

徐　博1, 董冠良1, 贾东鞠2

(1. 吉林省电力有限公司电力科学研究院, 吉林　长春　130021;

2. 长春第一热电有限责任公司, 吉林　长春　130052)

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调节的影响, 并结合分散控制系统DCS 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) 输出为跟踪值等几种相应的解决方案。

关键词:热工自动控制; 自动调节; 积分饱和

中图分类号:T P273; T K321　　　　文献标识码:B 　　　　文章编号:1009-5306(2008) 04-0005-04

　　火力发电厂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。随着分散控制系统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3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3种运算仍然是最主要最基本的调节规律。下面就相关具体情况加以探讨。

积分调节规律是指调节器输出 (t ) 与其偏差输入信号e (t ) 随时间的积累值成正比, 即:

(t ) =(1/T i ) e (t ) d t 其传递函数形式为:

W (s ) =1/(T i s ) 式中:T i 为积分时间。

积分调节器的阶跃响应如图1所示。从中可以看出, 当被调量出现偏差并呈阶跃形式变化时, 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。

1. 2　积分饱和的产生

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2所示。该系统是由测量变送器、调节器、执行机构连同被控对象组成的闭环反馈控制系统。

∫

1　积分饱和现象在自动调节过程的产生及

其影响

1. 1　基本自动调节原理

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。

收稿日期:2008-03-05

作者简介:徐　博(1982—) , 男, 助理工程师, 从事热工专业技术工作。

这段时间的调节过程称为积分饱和。

图1

　积分调节器的阶跃响应

图3　积分饱和曲线

1. 3　积分饱和对调节的影响

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

图2　单回路中自动调节原理图

的。这种情况如果发生在给水自动调节中, 由于给水阀门未能及时关闭, 同时运行值班员未做其他补救措施, 就可能造成汽包水位上升到比较危险的高度; 如发生在引风自调中, 送风调节机构未能及时根据实际运行工况做出相应反应, 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, 短时间危及整个机组。

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0～10m A 或4～20mA , 表示阀门行程或挡板开度从最小到最大, 即1%～100%。

在正常工况下, 整定好PID(P 是比例调节, I 是积分调节, D 是微分调节, 即通过比例、积分及微分进行调节) 参数的调节器输出在5%～95%范围内就可以满足调节要求, 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%, 对应执行机位置反馈也达到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, 即调节器的e (t ) 仍然大于0, 正向偏差的存在使积分调节规律作用下的 (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; (t ) 一直增加, 直到系统达到自平衡, 或由于运行值班员对系统采取其他措施, 使得被调对象的参数测量值等于或大于设定值。直到e (t ) 不再大于0, (t ) 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e (t ) 小于零, 在积分调节规律的作用下 (t ) 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 (t ) 减到小于100%后对执行机构的关向指令才开始有效。如图3所示, 调节系统经过t 2这段时间的延迟以后才又开始正常的调节过程。

暂且将由于积分调节作用造成的 (t ) 大于100%的上升和下降过程, 即如图3中表现为t 1+t 2

2　在DCS 中减小积分饱和对自动调节影响的几种方法

随着DCS 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。

大唐长春第二热电有限责任公司的3、4、5号机组的DCS 均采用新华公司的XDPS 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、主蒸汽及其他机炉热工参数的自动调节。通过实践总结出以下几种解决积分饱和对自动调节系统不良影响的可行方法。2. 1　常见解决方法

依靠运行值班员监视系统能够注意积分饱和情况发生并采取相应措施是最直接的方法。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分饱和现象发生时, 也就是闭环反馈自动调节系统中执行机构位置反馈达到最大, 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, 调节器就能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4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 中应用简图如图5

所示。

下面以依靠喷水减温控制的串级双冲量过热蒸汽温度调节系统为例加以说明。

在串级双冲量过热蒸汽温度控制系统中有2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) 、执行机构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蒸汽温度时, 汽温调节

图4

　人为消除积分饱和曲线

对象的滞后时间和时间常数较大。对于减温水流量的变化, 超前汽温的反应要比主蒸汽温度的反应快得多, 因此在减温水自发扰动后, 副调节器在主蒸汽温度还没有明显变化时, 及时动作则可以消除它的影响而使主蒸汽温度很少变化。当主蒸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, 使主蒸汽温度最终恢复到给定值。

当主蒸汽温度或超前汽温升高(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构的副调节器为正向作用。首先确定副调节器的作用方向, 在主调节器输入偏差增大(或减小) 时, 要求其输出信号减小(或增大) , 因此主调节器的作用方向定为反向作用。

因为副调节器输出 2(t ) 直接控制执行机构, 根据前面对单回路调节系统分析, 对 2(t ) 范围应限制在0～100%。

2. 3. 2　串级调节中积分饱和现象的产生

当主信号测量值持续降低, 低于设定值时, 主调节器输入偏差e 1(t ) 正向增大, 其在PID 调节规律的作用下使输出 1(t ) 增大; 副调节器输入偏差e 2(t ) 负向增大, 其在PID 调节规律的作用下使输出 2(t ) 减小, 带动执行机构关小减温器阀门。如果这一扰动是由减温水量扰动引起, 前面所说的调节过程将会使过热蒸汽温度恢复到给定值附近。

除了减温水量扰动, 引起过热蒸汽温度变化的扰动因素很多, 如蒸汽流量、过剩空气系数、火焰中心位置、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而不容易控制。

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 2(t ) 减到最小0, 相应执行机构位置反馈也下降至0, 仍未能使过热蒸汽温度回升, 于是 1(t ) 继续负向

图5　单回路在DCS 中应用简图

但是系统投入自动调节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 中实现的模拟量控制逻辑的组态设计修改都灵活方便, 因此考虑了对组态逻辑进行修改的几种方法。

2. 2　针对单回路调节的解决方法

对单回路调节逻辑中的PID 功能模块的输出 (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, 积分调节作用无法使已达上限的输出 (t ) 继续增大, 一旦输入信号e (t ) 小于零, 输出 (t ) 小于100%, 立即对执行机构发出关指令, 因此有效解决了积分饱和对调节规律的负面影响。

2. 3　针对串级调节的积分饱和现象产生分析及解决方法

2. 2中所采用的方法对于串级调节或其他复杂调节系统只能简单地限制PID 功能模块的输出 (t ) , 并不能真正解决问题。2. 3. 1　正常串级调节的调节原理

增大, 若此时减温器后超前信号变化较小, 就使得e 2(t ) 继续负向增大; 2(t ) 却不再变化, 只能依靠过热蒸汽系统调节对象的自平衡能力使过热蒸汽温度回升。当过热蒸汽温度开始回升时, 由于主信号测量值仍低于设定值, 所以e 1(t ) 仍小于零, 1(t ) 仍将变小, e 2(t ) 继续负向增大。当过热蒸汽温度回升到等于或稍大于设定值, e 2(t ) 不会立即为正, 必须经过一段时间, e 1(t ) 大于零使 1(t ) 变小, e 2(t ) 才会大于零, 比例-积分调节规律的作用才会使 2(t ) 增大, 带动执行机构使减温器阀门开大。过热蒸汽温度调节在DCS 实现的逻辑组态原理框图见图6

。

2. 3. 3　串级调节中积分饱和现象的解决

上述调节过程中那段调节反应时间的滞后也是与主、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 2(t ) 达到下限后, 限制e 2(t ) 的持续减小过程, 也就是限制此时 1(t ) , 而此时主信号测量值同设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 1(t ) 大于零。切换条件设计为 2(t ) =0, e 2(t )

上述对串级双冲量系统提出的积分饱和对调节过程负面影响的解决思路对其他较复杂的调节系统, 如带氧量修正的送风调节系统也同样有效。

3　结束语

随着计算机技术的日益普及和应用, 在DCS 中对热工自动控制策略进行修改和完善, 完成在常规仪表控制系统中很难实现的复杂控制已不再是件困难的事。本文阐述的积分饱和在热工自动调节系统的发生、影响及解决措施只是其中一种小小尝试。分散控制系统对控制策略的完善有着巨大的潜力, 等待人们去发现。

图6　过热蒸汽温度调节在DCS 实现的

逻辑组态原理框图

(编辑　田淑华)