積分飽和現(xiàn)象對自動調(diào)節(jié)過程的影響及解決方法

1、DCS系統(tǒng)中積分飽和現(xiàn)象對自動調(diào)節(jié)過程的影響及其解決方法【摘要】介紹了積分飽和現(xiàn)象在熱工自動調(diào)節(jié)過程中的產(chǎn)生及其對自調(diào)影響，并結(jié)合DCS分散控制系統(tǒng)中的單回路控制系統(tǒng)、串級雙沖量控制（過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)）系統(tǒng)及協(xié)調(diào)控制的汽機主控系統(tǒng)等實例，探討了積分飽和現(xiàn)象可能發(fā)生的工況，針對具體情況給出了限制單回路調(diào)節(jié)器輸出、積分飽和現(xiàn)象發(fā)生時切換主調(diào)節(jié)器(串級雙沖量控制)輸出為跟蹤值、為CCS增指令發(fā)生增加DEH閥門開度限制等幾種相應(yīng)的解決方案。【關(guān)鍵詞】 積分調(diào)節(jié) 積分飽和 (調(diào)節(jié)器的)偏差輸入 DCS分散控制系統(tǒng)引言火力發(fā)電廠鍋爐汽輪機機組在正常運行中有大量的熱工參數(shù)需要調(diào)節(jié)與控制。從生產(chǎn)的安全和經(jīng)濟效

2、益考慮，這些參數(shù)需要控制在合適的范圍內(nèi)。熱工自動控制的任務(wù)就是自動地維持生產(chǎn)過程在規(guī)定的工況下，即自動地維持各被調(diào)量為設(shè)定參數(shù)值或按一定規(guī)律變化。雖然隨著DCS等計算機控制系統(tǒng)在火電廠日益廣泛的應(yīng)用，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)不再局限傳統(tǒng)儀表通常采用的比例、比例-積分、比例-積分-微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律，而是可以根據(jù)實際被調(diào)對象的具體特點由各種常用運算組合調(diào)節(jié)規(guī)律，但是這三種運算仍然是最主要最基本的調(diào)節(jié)規(guī)律。1. 積分飽和現(xiàn)象在自動調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生及其對自調(diào)影響在熱工自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中比例調(diào)節(jié)作用是最基本的調(diào)節(jié)作用，積分和微分作用作為輔助調(diào)節(jié)作用。比例調(diào)節(jié)作用貫徹在整個調(diào)節(jié)過程中，積分作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的后期，用以消除

3、靜態(tài)偏差，微分作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的初期。積分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出控制作用(t)與其偏差輸入信號e(t)隨時間的積累值成正比，即 (t)=( 1/Ti)e(t)dt其傳遞函數(shù)形式： W(s)=1/ (Ti*s)式中Ti為積分時間。積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)如圖一。由圖可以看出，當(dāng)被調(diào)量出現(xiàn)偏差并e(t)EE(t)t0tEtTi -t0t0 圖一呈階躍形式變化時，積分作用并不立即變化，而是由零開始線性增長。因此只要偏差信號存在，調(diào)節(jié)器的輸出旨在消除對系統(tǒng)影響的控制作用就一直增加，且增長的速度始終為初始速度。只有偏差為零時，積分控制作用才停止變化。這表明系統(tǒng)達(dá)到再次穩(wěn)定時，被調(diào)量的偏差必然為零。因此積分

4、調(diào)節(jié)規(guī)律的另一特點就是消除穩(wěn)態(tài)偏差，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，其控制作用體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的后期。下面以單回路控制系統(tǒng)為例說明積分飽和的產(chǎn)生。系統(tǒng)原理方框圖如圖二。該系統(tǒng)由一個測量變送器，調(diào)節(jié)器部分，一個執(zhí)行部分，連同被控對象組成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。調(diào)節(jié)機構(gòu)是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，它是接受調(diào)節(jié)器的控制信號去調(diào)節(jié)被調(diào)量的工具。常用的調(diào)節(jié)機構(gòu)有調(diào)節(jié)閥門和擋板等，通常由執(zhí)行機帶動。熱工自調(diào)中電動執(zhí)行機動作的位置反饋信號r(t)通常為0-10mA或4-20mA.,表示閥門行程或擋板開度從最小到最大，即1-100%。de(t)(t)r執(zhí)行機構(gòu)+調(diào)節(jié)器對 象-變送器 圖二在正常工況下，整定好PID參數(shù)的調(diào)節(jié)器輸出在5%

5、-95%范圍內(nèi)就可以滿足調(diào)節(jié)要求，使被調(diào)參數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)按一定規(guī)律變化。對應(yīng)著執(zhí)行機位置反饋r在5%-95%。有些非正常工況下調(diào)節(jié)器輸出已達(dá)到了100%，對應(yīng)執(zhí)行機位置反饋也達(dá)到100%，此時對于這個負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)單回路的調(diào)節(jié)對象的參數(shù)值仍然小于設(shè)定值，也即調(diào)節(jié)器的偏差輸入信號e(t)仍然大于零，正向偏差的存在使積分調(diào)節(jié)規(guī)律作用下的調(diào)節(jié)器輸出(t)繼續(xù)增大，然而閥門行程或擋板開度已經(jīng)最大，執(zhí)行機位置反饋信號不會再增加。調(diào)節(jié)器的輸出(t)這一增加過程直到系統(tǒng)其自平衡能力，或f(t)(t)r(t)te(t)t2t1 圖三由于運行值班員對系統(tǒng)做出其它措施，使得被調(diào)對象的參數(shù)測量值等于或大于設(shè)定值。

6、偏差輸入信號e(t)不再大于零，調(diào)節(jié)器的輸出(t)不再增大。由于系統(tǒng)的慣性作用，被調(diào)參數(shù)很可能將繼續(xù)增加，使偏差輸入信號e(t)小于零，在積分調(diào)節(jié)規(guī)律的作用下調(diào)節(jié)器的輸出(t)開始減小。系統(tǒng)要求此時的執(zhí)行機構(gòu)向關(guān)閥門或擋板的方向動作，但是實際上，直到調(diào)節(jié)器的輸出(t)減到小于100%后對執(zhí)行機構(gòu)的關(guān)向指令才開始有效。也即是如圖三所示，調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)過t2這段時間的延遲以后才又開始正常的調(diào)節(jié)過程。我們暫且將調(diào)節(jié)器由于積分作用規(guī)律造成的輸出(t)大于100% 的上升和下降過程，如圖三中表現(xiàn)為t1+t2這段時間的調(diào)節(jié)過程稱為積分飽和。由于調(diào)節(jié)系統(tǒng)積分飽和造成的調(diào)節(jié)機構(gòu)未能及時回關(guān)的這段時間的延遲對系統(tǒng)影

7、響可能是致命的。例如這種情況如果發(fā)生在給水自動調(diào)節(jié)中，就可能由于給水閥門未能及時關(guān)同時運行值班員未做其它補救措施而造成汽包水位升到比較危險的高度。如發(fā)生在引風(fēng)自調(diào)中，同時送風(fēng)調(diào)節(jié)機構(gòu)未能及時根據(jù)實際運行工況作出相應(yīng)反應(yīng)，將可能引起機組爐膛壓力負(fù)向大幅度增大。如發(fā)生在協(xié)調(diào)系統(tǒng)的汽機主控對DEH調(diào)門開度控制中，將可能引起機組負(fù)荷升高到超過規(guī)定值，短時間危機整個機組。2. 在DCS系統(tǒng)中減小積分飽和對自動調(diào)節(jié)影響的幾種方法隨著DCS分散控制系統(tǒng)在電廠應(yīng)用的日益普遍，機組實現(xiàn)機爐協(xié)調(diào)控制不再困難，而主要熱工參數(shù)調(diào)節(jié)的自動投入率也隨之大幅度提高。也使得自動調(diào)節(jié)在機組運行中的地位前所未有的重要。我廠自20

8、00年來陸續(xù)實現(xiàn)了#6、#4、#7機組的DCS改造。三個機組的分散控制系統(tǒng)均采用新華公司的XDPS（XINHUA Distributive Processing System）分散控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了機爐協(xié)調(diào)控制、燃料、送引風(fēng)、汽包水位、磨煤機負(fù)荷、主蒸汽及其它機爐熱工參數(shù)的自動調(diào)節(jié)。XDPS系統(tǒng)以WINDOWS為平臺由圖形組態(tài)軟件Netwin可以實現(xiàn)操作器和調(diào)節(jié)器的功能，系統(tǒng)中的伺服放大部分由機柜內(nèi)的LC-S卡件硬回路實現(xiàn)。雖然由于積分飽和造成調(diào)節(jié)不理想的情況不屬于正常調(diào)節(jié)，不是經(jīng)常發(fā)生的，但在DCS改造后機組實際運行中，在許多重要的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中我們發(fā)現(xiàn)過這種調(diào)節(jié)工況。通過實踐我們總結(jié)出解決積分飽

9、和對自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)不良影響的幾種可行的方法。3.1單回路調(diào)節(jié)最直接的方法依靠運行值班員監(jiān)視系統(tǒng)能夠注意對這種情況發(fā)生，并采取相應(yīng)措施。不僅對單回路，對各種復(fù)雜的自調(diào)回路均有效。在機組的運行過程中如果運行值班員能夠在自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的積飽和現(xiàn)象發(fā)生時（也就是閉環(huán)反饋自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中執(zhí)行機構(gòu)位置反饋達(dá)到最大，被調(diào)參數(shù)已經(jīng)大于設(shè)定值，調(diào)節(jié)器輸出仍然不對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出關(guān)指令時）及時切除系統(tǒng)自動。調(diào)節(jié)器在手動時跟蹤軟手操的輸出，即馬上小于或等于100%，結(jié)束積分飽和的過程，如圖四所示。然后再將系統(tǒng)投入自動，就進入正常調(diào)節(jié)過程。單回路在DCS系統(tǒng)中應(yīng)用簡圖如圖五。f(t)r(t)(t)e(t)手動狀態(tài)t1 圖四但是

10、系統(tǒng)投入自調(diào)的目的之一就是減輕運行人員的工作量，這種依靠運行人員參與調(diào)節(jié)的解決辦法不是最終方法，必須完善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制邏輯，而在DCS分散控制系統(tǒng)中實現(xiàn)的模擬量控制控制邏輯的組態(tài)設(shè)計修改都靈活方便，于是我們考慮了對組態(tài)邏輯進行修改的幾種方法。參數(shù)設(shè)定值參數(shù)測量值+-系統(tǒng)切換為手動時PIDTRACK軟手操DCS系統(tǒng)伺服放大板執(zhí)行機構(gòu) 圖五一種是對單回路調(diào)節(jié)邏輯中的PID功能模塊的輸出(t)加以限制，輸出上限設(shè)定為100%，下限設(shè)定為0%。這樣盡管調(diào)節(jié)器的偏差輸入信號e(t)大于零，積分規(guī)律作用無法使已達(dá)上限的輸出(t)繼續(xù)增大，一旦輸入信號e(t)小于零，輸出(t)小于100%，立即對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)

11、出關(guān)指令。有效解決了積分飽和對調(diào)節(jié)規(guī)律負(fù)面的影響。3.2串級調(diào)節(jié)對于單回路有效的對PID功能模塊的輸出(t)加以限制的方法對于串級調(diào)節(jié)或其它復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡單地限制PID功能模塊的輸出(t)并不能解決問題。下面以依靠噴水減溫控制的串級雙沖量過熱汽溫系統(tǒng)為例作以說明。在串級雙沖量過熱汽溫系統(tǒng)中有兩個閉合回路：由對象超前區(qū)、超前信號（減溫器后蒸汽溫度）熱電偶、副調(diào)節(jié)器（比例-積分）、執(zhí)行機和調(diào)節(jié)閥門組成的內(nèi)回路（或稱副回路）；由對象惰性區(qū)、主信號（過熱汽溫度）熱電偶、主調(diào)節(jié)器（比例-積分-微分）和副回路組成的外回路（或稱主回路）。采用噴水減溫調(diào)節(jié)過熱汽溫時，汽溫調(diào)節(jié)對象的滯后時間和時間常數(shù)較大。對于

12、減溫水流量的變化，超前汽溫的反應(yīng)要比主汽溫的反應(yīng)快得多，因此在減溫水自發(fā)擾動后，由于副調(diào)節(jié)器在主蒸汽還沒有明顯變化時及時動作能及時消除它的影響而使主汽溫很少變化。當(dāng)主汽溫度偏離給定值時，則由主調(diào)節(jié)器發(fā)出信號校正副調(diào)節(jié)器的給定值，通過副調(diào)節(jié)器控制執(zhí)行機去操縱減溫水調(diào)節(jié)閥門，使主汽溫度最后恢復(fù)到給定值。當(dāng)主汽溫或超前汽溫升高（或降低）時，要求減溫水調(diào)節(jié)閥門開大（或關(guān)?。?，使汽溫恢復(fù)到給定值，即在信號關(guān)系上形成負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。這就要求直接控制執(zhí)行機的副調(diào)節(jié)器為正向作用。副調(diào)節(jié)器的作用方向首先確定，在主調(diào)節(jié)器輸入偏差增大（或減小）時，要求主調(diào)節(jié)器的輸出信號減?。ɑ蛟龃螅┮虼酥髡{(diào)節(jié)器的作用為反向作用。

13、主信號設(shè)定值主信號測量值系統(tǒng)切換為手動時+-PID主調(diào)節(jié)器TRACK超前信號測量值F(x)+- PI副調(diào)節(jié)器系統(tǒng)切換為手動時TRACK軟手操DCS系統(tǒng)伺服放大板執(zhí)行機構(gòu) 圖六圖六為過熱汽溫度調(diào)節(jié)在DCS系統(tǒng)實現(xiàn)的邏輯組態(tài)原理框圖因為副調(diào)節(jié)器輸出2(t)直接控制執(zhí)行機構(gòu)，根據(jù)前面對單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析，對副調(diào)節(jié)器輸出2(t)范圍應(yīng)限制在0-100%。以下分析系統(tǒng)發(fā)生積分飽和時主調(diào)節(jié)器的情況。當(dāng)主信號測量值持續(xù)降低，低于設(shè)定值，主調(diào)節(jié)器輸入偏差e1(t)正向增大，主調(diào)節(jié)器在PID調(diào)節(jié)規(guī)律的作用下使輸出1(t)增大，副調(diào)節(jié)器輸入偏差e2(t)負(fù)向增大，副調(diào)節(jié)器在PI調(diào)節(jié)規(guī)律的作用下使輸出2(t)減小，

14、帶動執(zhí)行機構(gòu)關(guān)小減溫器閥門。如果這一擾動是由減溫水量擾動引起，前面所說的調(diào)節(jié)過程將會使過熱蒸汽溫度恢復(fù)到給定值附近。但除了減溫水量擾動，引起過熱汽溫度變化的擾動因素很多，不容易控制。如蒸汽流量、過剩空氣系數(shù)、火焰中心位置、煤種的改變、燃燒工況、煙氣溫度和流速、爐膛受熱面結(jié)焦和過熱器積灰的變化等，都會使過熱蒸汽溫度發(fā)生變化。前面所說的擾動如果由于這些因素的影響使過熱蒸汽溫度仍然向減小方向變化，副調(diào)節(jié)器輸出2(t)減到最小0%，相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)位置反饋也下降至0%，仍未能使過熱蒸汽溫度回升。于是主調(diào)節(jié)器輸出1(t)繼續(xù)負(fù)向增大，若此時減溫器后超前信號變化較小，就使得副調(diào)節(jié)器輸入偏差e2(t)繼續(xù)負(fù)向增

15、大的過程。副調(diào)節(jié)器輸出2(t)卻不再變化，只能依靠過熱蒸汽系統(tǒng)調(diào)節(jié)對象的自平衡能力使過熱蒸汽溫度回升。過熱蒸汽溫度這一回升過程的開始，由于主信號測量值仍低于設(shè)定值，所以主調(diào)節(jié)器輸入偏差e1(t)仍小于零，主調(diào)節(jié)器輸出1(t)仍將變小，副調(diào)節(jié)器輸入偏差e2(t)繼續(xù)負(fù)向增大。當(dāng)過熱蒸汽溫度回升到等于或稍大于設(shè)定值，副調(diào)節(jié)器輸入偏差e2(t)不會立即為正，必須經(jīng)過一段時間，主調(diào)節(jié)器由于輸入偏差e1(t)大于零使輸出1(t)變小，副調(diào)節(jié)器輸入偏差e2(t)才會大于零，比例-積分調(diào)節(jié)規(guī)律的作用才會使副調(diào)節(jié)器輸出2(t)增大，帶動執(zhí)行機構(gòu)使減溫器閥門開大。上述調(diào)節(jié)過程中那段調(diào)節(jié)反應(yīng)時間的滯后也是由于與主

16、、副調(diào)節(jié)器都相關(guān)的積分調(diào)節(jié)飽和引起的。要解決這一問題，必須在副調(diào)節(jié)器輸出2(t)達(dá)到下限后，限制副調(diào)節(jié)器輸入偏差e2(t)的持續(xù)減小過程。也就是限制此時主調(diào)節(jié)器輸出1(t)，而此時主信號測量值同設(shè)定值的偏差是客觀存在，所以考慮此時讓主調(diào)節(jié)器輸出切換為跟蹤值（即乘上系數(shù)后的超前信號的測量值）直到主調(diào)節(jié)器輸入偏差e1(t)大于零。切換條件設(shè)計為2(t)=0與e2(t)<0與e1(t)<0。系統(tǒng)組態(tài)經(jīng)過這一改進后可以消除由于積分調(diào)節(jié)飽和引起的調(diào)節(jié)過程的滯后。通過機組實際運行時對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的觀察，發(fā)現(xiàn)修改后調(diào)節(jié)效果比較好，可以消除由于積分調(diào)節(jié)飽和引起的調(diào)節(jié)過程的滯后過程。對維持過熱蒸汽溫度的

17、經(jīng)濟安全運行有利。上述對串級雙沖量系統(tǒng)提出的積分調(diào)飽和對調(diào)節(jié)過程負(fù)面影響的解決思路對其它較復(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)如帶氧量修正的送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)也同樣有效。3.3協(xié)調(diào)控制中的汽機主控系統(tǒng)前面分析了單回路、串級回路等復(fù)雜控制回路等模擬量控制系統(tǒng)中積分飽和現(xiàn)象的發(fā)生及解決方法，在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中我們也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，不同于嚴(yán)格意義上的積分調(diào)節(jié)規(guī)律，但從廣義上看這些問題具有共性，解決問題的具體方法雖然不同，思路卻相同。協(xié)調(diào)投入時DEH作為汽機主控系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。通過DEH的計算出的流量指令fdem根據(jù)閥門流量開度特性輸出開度指令的帶動汽機各調(diào)門，調(diào)節(jié)汽輪機的進汽量，以滿足機組對負(fù)荷要求。DEH系統(tǒng)邏輯根據(jù)來自汽機

18、主控系統(tǒng)CCS增減信號修正流量信號REFMW1，經(jīng)過一系列運算后形成DEH的流量指令fdem。汽機主控系統(tǒng)邏輯組態(tài)原理簡圖如圖七。我廠4機組（110MW機組）DCS改造后投運初期發(fā)現(xiàn)在投入?yún)f(xié)調(diào)，汽機基本自動方式時，有時會出現(xiàn)負(fù)荷在100-110MW左右， CCS增減信號發(fā)生對機組功率調(diào)節(jié)長時間不起作用的情況。通過對歷史趨勢的分析發(fā)現(xiàn)，這種情況是由于鍋爐主汽壓較低，功率回路REFMW1（DEH來負(fù)荷參考）壓力回路REFMW1TREFDMD（DEH來負(fù)荷參考）F(x)汽機主控指令DEH非遙控H/LPt鍋爐基本TTRACK（跟蹤）TMWCCS減CCS增+- 圖七高調(diào)門閥門開度已經(jīng)達(dá)到最大，實際負(fù)荷仍不能達(dá)到負(fù)荷給定值。當(dāng)閥門已開展后，CCS增量信號仍繼續(xù)向高調(diào)門指令信號REFMW1中疊加。如圖十所示指令信號就產(chǎn)生了一段空積分行程,在這一空行程中調(diào)門開度將維持不變，機組實際負(fù)荷也將維持不變。鍋爐主汽壓偏低使DEH調(diào)門開度最大，汽機主控系統(tǒng)CCS增信號發(fā)生卻無法滿足升高機組負(fù)荷的要求，并且在機組負(fù)荷由于鍋爐主汽壓等其它原因而升高并超出給定負(fù)荷后， CCS減信號雖發(fā)生卻未能及時關(guān)調(diào)門，使負(fù)荷升高甚至超過正常值。于是由于CCS增減信號的無效累加引起的類似積分飽和作用造成機組負(fù)荷短時間內(nèi)失控。情