本發(fā)明涉及基于MATLAB建模仿真的熱控PID參數(shù)的設(shè)定調(diào)整技術(shù)。

背景技術(shù)：

火電廠(chǎng)的熱工控制技術(shù)隨著火電機(jī)組單機(jī)容量的增加和控制儀表的進(jìn)步而達(dá)到嶄新的水平。在正常運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)運(yùn)行參數(shù)控制的好壞，會(huì)直接影響到機(jī)組的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及設(shè)備壽命。因而，現(xiàn)代大容量單元機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須要有與之相適應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)保證。在工業(yè)控制中，PID控制是最常用的方法，在工業(yè)控制中占主導(dǎo)地位。PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)，魯棒性較好，使用中需確定的參數(shù)較少，實(shí)際應(yīng)用靈活，效果較好，廣泛的應(yīng)用于火電廠(chǎng)的熱工控制。

但是在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，由于受熱控PID參數(shù)整定方法的限制和困擾，控制器參數(shù)往往整定不良，使熱控PID控制器性能欠佳，對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性較差；常規(guī)方法需要進(jìn)行多次擾動(dòng)試驗(yàn)，耗時(shí)較長(zhǎng)并且會(huì)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生不利影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，從而提供基于MATLAB建模仿真的熱控PID參數(shù)設(shè)定調(diào)整方法。

本發(fā)明所述的基于MATLAB建模仿真的熱控PID參數(shù)設(shè)定調(diào)整方法，該方法包括以下步驟：

步驟一、在MATLAB的SIMULINK下搭建熱控系統(tǒng)仿真平臺(tái)，即建立被控對(duì)象、熱控PID控制器和熱控測(cè)量裝置的模型，熱控PID控制器用于控制被控對(duì)象，熱控測(cè)量裝置將被控對(duì)象的熱控參數(shù)反饋給熱控PID控制器；

步驟二、基于MATLAB的工具箱PidTool對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)定；

步驟三、在MATLAB的SIMULINK下采用初步設(shè)定的PID參數(shù)進(jìn)行仿真；

步驟四、在MATLAB的SIMULINK下根據(jù)示波器功能塊的波形對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行校正；

步驟五、將校正后的PID參數(shù)輸入到實(shí)際系統(tǒng)的熱控PID控制器；

步驟六、判斷實(shí)際系統(tǒng)得到的實(shí)驗(yàn)波形與MATLAB的示波器功能塊的波形是否一致，如果一致則結(jié)束該方法，如果不一致則根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)得到的實(shí)驗(yàn)波形對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行修正并返回步驟四。

優(yōu)選的是，被控對(duì)象的模型為拉普拉斯模型。

本發(fā)明的基于MATLAB建模仿真的熱控PID參數(shù)設(shè)定調(diào)整方法，該方法可以明顯減少傳統(tǒng)試驗(yàn)法的次數(shù)，降低試驗(yàn)調(diào)整參數(shù)的時(shí)間周期，減輕多次擾動(dòng)試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的影響，提高了設(shè)計(jì)效率，并得到最佳的品質(zhì)指標(biāo)。通過(guò)MATLAB的PidTool工具箱進(jìn)行PID參數(shù)的初設(shè)計(jì)，并結(jié)合MATLAB的SIMULINK仿真進(jìn)行修正校驗(yàn)，通過(guò)在MATLAB環(huán)境下建模仿真，證明該方法設(shè)計(jì)的熱控PID參數(shù)具有良好響應(yīng)特性。

本發(fā)明適用于設(shè)定調(diào)整熱控PID參數(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1是具體實(shí)施方式一所述的基于MATLAB建模仿真的熱控PID參數(shù)設(shè)定調(diào)整方法的流程圖；

圖2是具體實(shí)施方式一中的單閉環(huán)熱控系統(tǒng)框圖；

圖3是具體實(shí)施方式一中的在SIMULINK仿真環(huán)境下搭建系統(tǒng)的仿真框圖；

圖4是具體實(shí)施方式一中的被控對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)圖；

圖5是具體實(shí)施方式一中的PID的參數(shù)設(shè)計(jì)的界面圖；

圖6是具體實(shí)施方式一中的仿真環(huán)境的設(shè)置界面圖；

圖7是具體實(shí)施方式一中的仿真結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1至圖7具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的基于MATLAB建模仿真的熱控PID參數(shù)設(shè)定調(diào)整方法，該方法包括以下步驟：

步驟一、在MATLAB的SIMULINK下搭建熱控系統(tǒng)仿真平臺(tái)，即建立被控對(duì)象、熱控PID控制器和熱控測(cè)量裝置的模型，熱控PID控制器用于控制被控對(duì)象，熱控測(cè)量裝置將被控對(duì)象的熱控參數(shù)反饋給熱控PID控制器；

步驟二、基于MATLAB的工具箱PidTool對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)定；

根據(jù)實(shí)際需要參照其他機(jī)組的PID參數(shù)對(duì)MATLAB中的PID參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)定；

步驟三、在MATLAB的SIMULINK下采用初步設(shè)定的PID參數(shù)進(jìn)行仿真；

步驟四、在MATLAB的SIMULINK下根據(jù)示波器功能塊的波形對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行校正；

根據(jù)實(shí)際需要根據(jù)示波器功能塊的波形對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行校正，使之能達(dá)到控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)。

步驟五、將校正后的PID參數(shù)輸入到實(shí)際系統(tǒng)的熱控PID控制器；

步驟六、判斷實(shí)際系統(tǒng)得到的實(shí)驗(yàn)波形與MATLAB的示波器功能塊的波形是否一致，如果一致則結(jié)束該方法，如果不一致則根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)得到的實(shí)驗(yàn)波形對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行修正并返回步驟四。

根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)得到的實(shí)驗(yàn)波形對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行修正屬于現(xiàn)有成熟技術(shù)。

熱控PID調(diào)節(jié)器是一種應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的控制方法。PID控制的基本思想是將偏差的比例、積分和微分三參數(shù)通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制器，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，采用PID控制時(shí)，系統(tǒng)控制品質(zhì)的優(yōu)劣取決于上述三參數(shù)的設(shè)計(jì)。但在熱工控制領(lǐng)域中，對(duì)控制品質(zhì)的要求越來(lái)越高，且控制對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)熱控PID參數(shù)設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高。

在熱控自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方案已經(jīng)確定，熱控PID調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)都已選定并已安裝好以后，自動(dòng)調(diào)節(jié)質(zhì)量將取決于熱控PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)。熱控PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務(wù)就是根據(jù)調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)最佳的調(diào)節(jié)器參數(shù)，以使系統(tǒng)響應(yīng)特性具有滿(mǎn)足要求的最佳品質(zhì)指標(biāo)。

熱控PID參數(shù)設(shè)計(jì)方法主要有：齊格勒-尼柯?tīng)査狗▌t、廣義頻率法和工程整定方法。

齊格勒-尼柯?tīng)査狗▌t的第一種方法針對(duì)控制對(duì)象中不包括主導(dǎo)共扼復(fù)數(shù)極點(diǎn)的情況，通過(guò)實(shí)驗(yàn)求控制對(duì)象對(duì)單位階躍輸入信號(hào)的響應(yīng)，得到一條S形曲線(xiàn)，再通過(guò)作圖法做出S形曲線(xiàn)的特征點(diǎn)，并應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式得到所需的參數(shù)；第二種方法只采用比例控制作用使比例增益從0增加到臨界值。在臨界增益和相應(yīng)的周期帶入經(jīng)驗(yàn)公式求得參數(shù)。

廣義頻率特性法是通過(guò)調(diào)整PID調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)，使控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性變成具有規(guī)定相對(duì)穩(wěn)定度的衰減頻率特性，從而使閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)定衰減率的一種參數(shù)整定方法。

工程整定方法包含有：衰減曲線(xiàn)法；臨界比例帶法；動(dòng)態(tài)參數(shù)法；經(jīng)驗(yàn)法。實(shí)際應(yīng)用中四種工程整定參數(shù)方法各有各的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)不同系統(tǒng)特點(diǎn)，選擇一種合適的整定方法。

MATLAB語(yǔ)言是當(dāng)前國(guó)際上自動(dòng)控制領(lǐng)域的首選語(yǔ)言，已經(jīng)成為控制理論與控制工程以及計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域的有力工具，控制系統(tǒng)的建模、分析及應(yīng)用都依靠MATLAB的強(qiáng)有力支持。

基于MATLAB的熱控PID參數(shù)設(shè)計(jì)方法可以很好地將理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)整結(jié)合到一起，設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足要求的熱控PID參數(shù)。應(yīng)用這種設(shè)計(jì)方法，可以在現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行理論計(jì)算和試驗(yàn)調(diào)整，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)修正MATLAB中的仿真模型，根據(jù)仿真模型設(shè)計(jì)熱控PID控制器參數(shù)，并通過(guò)仿真分析得到的結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)整，極大地提高了熱控PID控制器參數(shù)設(shè)計(jì)的速度與精度。

圖2是單閉環(huán)熱控系統(tǒng)框圖。熱控系統(tǒng)仿真建模需要對(duì)被控對(duì)象、熱控PID控制器和熱控測(cè)量裝置分別建立仿真模型。

對(duì)于被控對(duì)象，由于電廠(chǎng)動(dòng)力裝置及其內(nèi)部過(guò)程的復(fù)雜性，電廠(chǎng)熱工過(guò)程往往表現(xiàn)出非線(xiàn)性、慢時(shí)變、大遲延和不確定性，難以建立其精確的數(shù)學(xué)模型。因此首先根據(jù)物理原理建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，再通過(guò)實(shí)際調(diào)試得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)修正建立的數(shù)學(xué)模型，使數(shù)學(xué)模型能夠精確的反應(yīng)被控對(duì)象的物理響應(yīng)特性。

對(duì)于熱控PID控制器和熱控測(cè)量裝置，同樣需要根據(jù)其物理特性建立其數(shù)學(xué)模型，并且根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)修正數(shù)學(xué)模型，使數(shù)學(xué)模型能夠確保與DCS(Distributed Control System，分布式控制系統(tǒng))系統(tǒng)以及熱控測(cè)量裝置相應(yīng)的各功能塊在輸入輸出特性上保持一致。

下面以單閉環(huán)PID參數(shù)設(shè)計(jì)為例，假設(shè)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正后的被控對(duì)象的傳遞函數(shù)是，

$\frac{0.45}{1200s^3+700s^2+120s+1}---\left(1\right)$

其中，s表示拉普拉斯變換S域變換算子；

熱控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立完成后，需要在MATLAB的仿真環(huán)境SIMULINK下建立起一套熱控系統(tǒng)的仿真平臺(tái)，并且在SIMULINK仿真環(huán)境中需要先對(duì)其中各個(gè)被調(diào)用功能塊進(jìn)行響應(yīng)特性試驗(yàn)，在了解現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上分析熱力系統(tǒng)的擾動(dòng)關(guān)系，建立正確的閉環(huán)仿真關(guān)系，同時(shí)對(duì)一些重要的擾動(dòng)量也可以進(jìn)行擾動(dòng)試驗(yàn)，找出擾動(dòng)關(guān)系，完善系統(tǒng)模型。在SIMULINK仿真環(huán)境下搭建系統(tǒng)的仿真框圖，如圖3所示，1為示波器。圖4為對(duì)被控對(duì)象功能塊進(jìn)行階躍響應(yīng)特性試驗(yàn)得到的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)圖。

MATLAB下的PID參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的方法有很多，可利用MATLAB的工具箱PidTool來(lái)進(jìn)行PID參數(shù)得初設(shè)計(jì)。由于基于MATLAB的計(jì)算機(jī)仿真運(yùn)算速度非?？欤鄬?duì)于時(shí)間較長(zhǎng)的熱工過(guò)程幾乎瞬間完成，因此可以快速的看到結(jié)果并修改設(shè)計(jì)，這為分析不同PID控制參數(shù)下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)提供了極大方便，提高了參數(shù)設(shè)計(jì)的效率，縮短了系統(tǒng)完成周期；并且仿真結(jié)果形象直觀(guān)，通過(guò)示波器功能塊可以觀(guān)察到系統(tǒng)任何節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)特性和PID任一參數(shù)變化時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)特性的影響。同時(shí)借助于MATLAB的強(qiáng)大功能，可以采用各種系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方法，并且可以方便的對(duì)不同PID參數(shù)的控制效果進(jìn)行充分的比較，得出符合要求的最優(yōu)參數(shù)。

在MATLAB下通過(guò)“tf”命令建立被控對(duì)象的拉普拉斯模型，然后調(diào)用MATLAB的工具箱PidTool，并通過(guò)滑動(dòng)來(lái)確定所需要的響應(yīng)時(shí)間，這樣熱控PID控制器的參數(shù)便跟著所定的響應(yīng)時(shí)間變動(dòng)。

根據(jù)響應(yīng)曲線(xiàn)特性和實(shí)際需要對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用PidTool來(lái)設(shè)計(jì)PID參數(shù)非常方便，只要在可視化界面里調(diào)整響應(yīng)曲線(xiàn)就能得到相應(yīng)的PID參數(shù)。通過(guò)PidTool的設(shè)計(jì)到控制系統(tǒng)為：

$C=Kp+Ki\×\frac{1}{s}---\left(2\right)$

其中Kp＝2.47，Ki＝0.0532；Kp為P的系數(shù)，Ki為I的系數(shù)。

然而MATLAB的工具箱PidTool設(shè)計(jì)的熱工PID參數(shù)由于算法限制只是在指標(biāo)在一定的比例范圍內(nèi)一維的變化，只是對(duì)某項(xiàng)指標(biāo)的最優(yōu)化，沒(méi)有考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)參數(shù)的需求。因此用MATLAB的工具箱PidTool初設(shè)計(jì)完成后需要在SIMULINK仿真平臺(tái)下對(duì)設(shè)計(jì)的熱控PID參數(shù)進(jìn)行校正。

控制系統(tǒng)的參數(shù)校正在SIMULINK仿真環(huán)境中完成，將設(shè)計(jì)的PID參數(shù)輸入到實(shí)際系統(tǒng)的PID控制器中，即可在SIMULINK中進(jìn)行系統(tǒng)仿真和PID參數(shù)的優(yōu)化工作。

首先進(jìn)行仿真環(huán)境設(shè)置，如圖6，設(shè)置仿真的起止時(shí)間、解法器以及步長(zhǎng)等參量。

然后進(jìn)入仿真分析，通過(guò)不斷的調(diào)整得到符合現(xiàn)場(chǎng)需要的PID參數(shù)，本例中，通過(guò)PIDtool設(shè)計(jì)的熱控PID控制器得到的階躍響應(yīng)峰值出現(xiàn)在200秒，我們通過(guò)校正得到新的控制系統(tǒng)為：

$C=Kp+Ki\×\frac{1}{s}---\left(3\right)$

其中Kp＝3.91,Ki＝0.0832。新的控制器得到的階躍響應(yīng)峰值出現(xiàn)在150秒，提前了50秒。

MATLAB仿真結(jié)果形象直觀(guān)，通過(guò)示波器功能塊可以觀(guān)察到系統(tǒng)任何節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)特性和PID任一參數(shù)變化時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)特性的影響。同時(shí)借助于MATLAB的強(qiáng)大功能，可以采用各種系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方法，并且可以方便的對(duì)不同PID參數(shù)的控制效果進(jìn)行充分的比較，得出符合要求的最優(yōu)參數(shù)。

根據(jù)上面建立的仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真分析校正PID參數(shù)后，得到的仿真結(jié)果如圖7所示，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為s，縱坐標(biāo)為幅值，圖7說(shuō)明基于MATLAB設(shè)計(jì)的熱控PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的，在PID控制其作用下具有良好響應(yīng)特性。仿真結(jié)果說(shuō)明，基于MATLAB建模仿真的熱控PID參數(shù)設(shè)定調(diào)整方法，可以避免常規(guī)方法下多次擾動(dòng)試驗(yàn)對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響，提高了調(diào)節(jié)熱控系統(tǒng)PID參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的效率；并且這種方法可以對(duì)參數(shù)結(jié)果從原理上進(jìn)行分析，使最后設(shè)計(jì)的參數(shù)可以得到最佳的品質(zhì)指標(biāo)，具有極強(qiáng)的使用價(jià)值。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式一所述的基于MATLAB建模仿真的熱控PID參數(shù)設(shè)定調(diào)整方法作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，被控對(duì)象的模型為拉普拉斯模型。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無(wú)論從哪一點(diǎn)來(lái)看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說(shuō)明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。

雖然在本文中參照了特定的實(shí)施方式來(lái)描述本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是，這些實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的原理和應(yīng)用的示例。因此應(yīng)該理解的是，可以對(duì)示例性的實(shí)施例進(jìn)行許多修改，并且可以設(shè)計(jì)出其他的布置，只要不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)該理解的是，可以通過(guò)不同于原始權(quán)利要求所描述的方式來(lái)結(jié)合不同的從屬權(quán)利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是，結(jié)合單獨(dú)實(shí)施例所描述的特征可以使用在其他所述實(shí)施例中。