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热网控制系统中换热器阀门的PID调节点击：1787 日期：[ 2014-04-26 21:14:00 ] |
| 热网控制系统中换热器阀门的PID调节 张振宇 李德 孟兆博 马超 哈尔滨电站设备成套设计研究所有限公司 随着城市集中供热的大力发展，热网控制系统不断的完善。但对各地的热网监测系统而言传统换热器入口阀门采用手动调节的方式，根据温度的变化调节换热器入口的阀门开度，温度高于设定温度时增大开度，反之减小开度，其调节速度虽然快，但稳定性极差，调节温度经常在目标温度上下波动。大量的热源被浪费，并且阀门的频繁开大关小对阀门的伤害也很大。PID调节则利用了比例、积分和微分的方法对被控对象进行调节。它动作快、无迟延，方向正确，能够根据偏差变化的趋势提前进行调节，而不是等到被调量出现明显偏差后才动作。使调节有了预见性和主动性。使阀门的开度有规律的均匀的变化，以达到调节的目标值。为节省物理设备提高经济效益提供了保障。 1·热网调节原理 在供热系统中，供暖热负荷的计算是以建筑物耗热量为依据的，而热量的计算又是以稳定传热概念为基础。实际上外围护结构层内、外各点温度并非常数，它与室外温度、湿度、风向、风速和太阳辐射强度等气候条件密切相关，其中起决定作用的是室外温度。因此根据室外温度变化，对供热系统进行相应的自动监控，可适应用户室内热负荷变化，保持室内要求的温度，避免热量浪费，使热能得到合理利用。 对于间接连接的供热系统，宜采用温度调节法，被调参数可以是供、回水温度或供、回水平均温度；主要调节参数是一次网循环流量和电动调节阀的开度。当供热系统在外界干扰下，被调参数的实际运行值与给定值不一致时，就需要通过对调节参数的调节，消除被调参数的偏差。 由于供热系统热惰性大，属于大滞后系统，对于调节规律的选择，适合于采样调节，即电动调节阀不连续调节，避免产生振荡，使被调参数出现上下反复波动现象，这样调节效果反而不好。采样调节就是对电动调节阀进行间歇性调节，可采取1～2 h调节一次的方法，视供热系统的规模大小而定。系统越大，调节间隔应愈长，这样可以充分反映延时的影响。每次调节，电动调节阀的开度变化也不能过大。 根据控制特性与工艺的要求，可选用PID控制算法。PID控制算法是一种较为理想的控制算法，它适用于控制通道时间常数较大或容量滞后较大，控制要求较高的场合，如温度控制。 2· PID调节的基本理论 2.1比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 2.2积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 2.3微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 PID控制算法包含比例(P)、积分(I)、微分(D)3种控制算法。它是线性控制器，其作用是按偏差的比例加积分加微分形成控制量，去控制被控制对象，使之输出趋于给定。只要偏差e(t)一出现，控制器便立即产生控制作用，使被控参数朝着减少偏差的方向变化，趋于给定值r(t)，其控制规律为：u(t)=Kpe(t)。在比例作用的基础上加入积分作用，可以有效消除比例作用产生的静差。比例积分的控制规律为：u(t)=Kp[e(t)＋e(t)dt]。在比例积分作用基础上加入微分作用，可以在扰动作用的瞬间，偏差出现较小，但开始剧烈变化的时刻，立即产生一个较大的作用，及时抑制偏差的继续增长。比例积分微分的控制规律为： u(t)=Kp[e(t)＋e(t)dt＋Td] 对于PID控制算法，在干扰信号输入后，首先是比例微分部分起作用，产生一个强烈的“超前”控制作用，然后微分作用逐渐减弱消失，积分作用不断增强，直至静差完全消失。采用PID控制算法，无论从静态还是从动态角度，控制品质都得到改善。 根据供热系统的特性，可以采用现场凑试法完成对控制参数的整定。在实际应用中，调节器的参数按先比例、后积分、最后微分的顺序。先令PID调节器的Ti=∞,Td=0，使其成为比例调节器。比例度按经验数据设置，整定纯比例控制系统的比例度，使系统达到4:1衰减振荡的过渡过程曲线。加入积分作用，在此之前，先将比例度加大为原来的1.4倍，将积分时间Ti由大到小调整，直到系统得到4:1衰减振荡的过渡过程曲线为止。最后加入微分作用，微分时间按Td=(－)Ti计算，此时要将比例度调到原来的数值，再将微分时间由小到大调整，直至过渡过程曲线达到满意为止。在此过程中应注意，若要改变Td、Ti，需要保持比值不变。 3· PID控制器的参数整定 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改；二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。3种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：①首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；②仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；③在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 4·结论 热网监控系统系统是一个集计算机、通讯、网络、多媒体、自动检测、自动监控、传感器及执行机构等技术为一体的多学科、综合性自动化系统。在热网中运用监测系统，对热网的安全经济运行起到极大的作用，并大大提高了供热蒸汽计量管理水平。 参考文献 [1]GE Fanuc自动化PLC编程手册[Z].大连:GE公司,2003. [2]GE Fanuc自动化网络及通讯用户手册[Z].大连:GE公司,2003. [3]王卫兵,高俊山,韩剑辉.可编程控制器原理及应用[M].机械工业出版社,1997. [4]王卫兵.PLC系统通信、扩展与网络互连技术[M].机械工业出版社,2004. [5]苗军.热力过程自动化[M].中国电力出版社,2002.编辑：巨川 |
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