摘要：针对火力发电机组锅炉主汽温的非线性、多变量、多扰动、大滞后等特性，将基本pid控制器、微分先行pid控制器和模糊pid控制器应用于锅炉主汽温控制系统，并分别在仿真平台matlab的仿真环境simu-link下进行了仿真。仿真结果表明，微分先行pid控制器缩短了滞后时间。
引言
火力发电在我国电力工业中占有重要地位，火力发电机组是火力发电系统的核心设备。随着火力发电机组越来越向大容量、高参数、率的方向发展，生产系统日益复杂，系统的藕合性、时变性、非线性等特点显得更加突出，对机组主汽温系统控制品质的要求越来越严格。
主蒸汽温度是火力发电机组的重要参数，对主汽温的控制必须注意5个问题。
a．汽温过高会使锅炉受热面及蒸汽管壁金属材料的蠕变速度加快，影响使用寿命。例如，12crmov钢在585℃环境下保证应用强度的时间约为10×104h，而在595℃时达到3×104h就可能会丧失其应用强度，而且如果受热面严重超温，将会由于管道材料强度的急剧下降而导致爆管。
b．汽温过低会使机组循环热效率降低，煤耗增大。根据理论估算可知：汽温降低10℃，会使煤耗平均增加0.2％。此外，汽温过低，汽轮机转子所受的轴向推力增大，对机组安全运行十分不利。
c．汽温变化过大，除使管材及有关部件产生疲劳外，还将引起汽轮机转子与汽缸的胀差发生变化，甚至产生剧烈振动，危及机组安全运行。
d．影响汽温变化的因素很多，例如，蒸汽负荷、减温水量、燃料成分、烟气侧的过量空气系数和火焰中心位置等。
e．汽温对象在各种扰动作用下（如负荷、工况变化等）反映出非线性、时变性等特点，使其控制的难度加大。
针对主汽温控制的复杂性和重要性，必须正确选择主汽温的控制手段或控制策略，以保证主蒸汽的品质和生产过程的安全性、经济性。
一、控制策略选择
主蒸汽温度控制系统是一个纯滞后系统，被认为是一个较难控制的复杂对象。若直接采用基本pid控制，难以满足对系统的控制要求。而采用改进的pid控制策略，一般可以获得较为满意的控制效果。改进pid控制是指史密斯补偿控制和微分先行pid控制。史密斯补偿控制从根本上采取措施消除或部分消除滞后对控制系统控制品质的影响，以改善系统的控制品质。该控制策略和基本pid控制策略相比，具有控制品质高、鲁棒性好等优点，适用于控制精度要求较高的场合。缺点是需要对系统模型进行计算机辨识，其识别过程复杂，实时性较差，可靠性较低，故在实际生产过程中应用较少。
微分先行pid控制是将微分作用提前，即包含了一个先行的微分环节。微分环节的输出信号包含了被控参数及其变化速度值，将其作为测量值输入到比例积分控制器中，可使系统克服超调的作用加强，从而补偿过程滞后，达到改善系统控制品质的目的。采用pi的微分先行控制方案，可较好地抑制滞后系统的超调量，控制性能良好，且不需要进行模型识别，所以微分先行pid控制具有结构简单、可靠性高、易于工业实现等诸多优点。与史密斯补偿控制相比，具有相当大的优越性。
随着微处理器技术的发展，特别是现代控制理论和智能控制理论研究和应用，为控制复杂无规则系统开辟了新途径。模糊pid控制器是近年发展起来的一种新型控制器，其优点是不要求掌握被控对象的数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量大小。尽管与基本pid控制策略相比具有一定的优越性，但由于其控制过程过于复杂，运算量过于庞大，实时性也较差，所以在实际工业应用中，具有一定的局限性。
总之，在锅炉主汽温这样的纯滞后控制系统中，采用微分先行pid控制，能有效地克服超调现象，缩短调节时间，而且其算法简单，实现起来简单方便，是比较理想的控制方案。
二、主汽温数学描述
串级系统主汽温控制系统模型由系统输入、pid控制器、导前区、惰性区、系统输出等组成，如图1所示。
图中，扰动1为减温水的自发扰动，扰动2为燃烧率的改变。导前区的系统传递函数为。
惰性区的系统传递函数为
三、微分先行pid控制器设计
3.1基本pid控制器
基本pid控制的原理方框图如图2所示。
pid控制规律为
其中，u（t）为调节器的输出信号；e（t）为调节器输入的偏差信号；kp为比例系数；τ1为积分时间常数；二为微分时间常数。
利用matlab中的simulink平台，可以组建串级主汽温基本pid控制系统方框图。在simulink界面中可以用鼠标双击模型，在对话框中填入各个模型的参数。在这里设定比例系数kp=0.42，积分系数k1=0.0092，微分系数kd=34；减温水自发扰动的响应时间为100s，燃烧率改变的响应时间为500s；滞后时间为20s；仿真时间为1500s。如图3所示。
3.2微分先行pid控制器
微分先行pid控制的特点是只对输出量c（t）进行微分，而对给定值r（t）不作微分。在微分先行控制方案中，微分环节的输出信号包含了被控参数及其变化速度值。将其作为测量值输入到比例积分控制器中，可使系统克服超调的作用加强，从而补偿过程滞后，达到改善系统控制品质的目的[6]，其结构如图4所示。若用相应的符号表示，则如图5所示。图5中gc（s）表示比例积分控制器，τds＋1表示先行的微分环节，g（s）表示被控对象传递函数中不含时间滞后的部分，e-τs“表示被控对象传递函数中的时间滞后部分。则系统的传递函数可表示为
若系统采用常规pid控制，则系统传递函数可写为
显然，采用p1的微分先行控制比采用常规pid控制相比系统传递函数少了一个零点。因此，尽管2种方式都采用了比例、积分和微分环节，但采用p1的微分先行控制方案可较好地抑制系统的超调量，控制性能良好。
利用matlab中的simulink平台，设定与基本pid控制相同的参数，建立的串级主汽温微分先行pid控制系统方框图如图6所示。
3.3仿真比较
为了便于进行比较，把基本pid控制和微分先行pid控制模型放在同一方框图内进行仿真，仿真结果如图7所示。
图中，横坐标为仿真时间，单位为秒；纵坐标为输出相对值，无量纲。曲线1为基本pid控制的主汽温动态响应过程，曲线2为微分先行pid控制的主汽温动态响应过程。对比2条曲线可知，虽然采用的参数*相同，但微分先行pid控制的响应波动幅度较小，超调量较小，且在扰动情况下能及时恢复到稳定状态，说明其调节品质明显优于基本pid控制，可以实现对滞后系统较好的控制效果。同样，微分先行pid的控制特性与文献的模糊pid控制特性相比较，也具有几乎*一样的控制效果。因此，微分先行pid的控制器具有良好的控制品质。
四、微分先行pid控制器的plc实现
4.1plc的工作原理及结构
plc采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括5个阶段：内部处理、与编程器的通信处理、输入扫描、执行用户程序、输出处理，其工作过程如图8所示。图8中当plc方式开关置于run（运行）时，执行所有阶段；当开关方式置于stop（停止）时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如对plc连机或离线编程。
plc基本硬件结构与一般计算机几乎一样，主要由中央处理单元（cpu）、存储器（rom/ram）、输入／输出单元（i/o）、电源以及外部设备（如编程器）等几大部分组成。其基本结构如图9所示。
plc的软件含系统软件和用户程序。系统软件由plc制造商固化在机内，用以控制可编程控制器本身运作；用户程序由可编程控制器的使用者编制并输入，用于控制外部对象运行。plc有5种编程语言，即顺序功能图、梯形图、功能块图、指令表和结构文本。其中，较为常用的是梯形图、指令表和顺序功能流程图。而梯形图编程语言更为直观易懂，简单方便，符合广大电气工程技术人员的使用习惯，因此大多数厂家plc的编程语言都采用梯形图语言。
这里，采用s7－200作为主控模块，em231作为输入模块，em232作为输出模块，则各控制参数地址分配如表1所示。
4.2初始化pid参数
利用前面设定的kp＝0.42,k1＝0.0092,kd＝34这组参数，先确定采样周期t，再计算出τ1和τd，然后进行pid各参数在s7－200plc程序上的嵌入。西门子pic提供有专门的pid控制模块，可以直接应用。下面进行相应的参数计算。
对温度控制系统，一般采样周期t＝10~20s,这里取t=10s。则根据pid算法的表达式：
可知：kp＝0.42，k1＝kpt/τ1＝0.0092，kd＝kpτd/t＝34。计算可得：τ1＝456s＝7.6min，τd＝809s=13.5min。
计算出相应参数之后，即可进行初始化pid参数，过程如下：
取设定值为满值的80%，存入vd204中；kp＝0.42，存入vd212中；t＝10s,存入vd216中；τ1＝7.6min，存入vd220中；τd＝13.5min，存入vd224中；定时中断时间t1＝100ms，存入smb34中。
4.3主汽温微分先行pid控制器的程序实现
采用s7－200的3个pid回路实现对主汽温的串级微分先行控制。其中，回路1实现比例积分运算，回路2实现超前微分运算，回路3实现比例运算。回路1和回路2成了主汽温串级控制的主回路，回路3构成了主汽温串级控制的副回路。在调用pid回路之前，都要先进行数据的归一化处理。调用之后，还要进行逆归一化处理。其程序结构流程图如图10和图11所示。
由于副回路只采用比例控制，其结构比较简单，在这里不再叙述。
五、结语
针对火力发电机组锅炉主汽温控制对象的非线性、多变量、多扰动、大滞后等特性，将基本pid控制器、微分先行pid控制器和模糊pid控制器应用于锅炉主汽温控制系统，并分别进行了仿真研究。结果表明，微分先行pid控制器缩短了滞后时间，减小了超调量，其控制性能和动态特性与模糊pid控制器相一致。与基本pid控制器相比，具有更好的控制性能和动态特性。此外，微分先行pid控制器与模糊pid控制器相比，具有更简单的硬件结构和更高的可靠性。同时，给出了基于pi无的程序设计。因此，基于plc硬件设施的微分先行pid控制策略，对实现火力发电机组主蒸汽温度的高品质控制有着重要的实用价值。