热工过程PID控制系统性能评估、振荡诊断及优化方法研究

摘要

在热工过程中，PID控制器应用广泛，其控制性能优劣直接影响调节品质以及机组运行的稳定性。PID控制器是按一定的性能基准来设计的，随着运行时间的推移，其控制性能会下降，达不到预期的性能目标，导致实际性能与预期要求有较大的差距。而工业过程中有许多的控制回路处于振荡状态中，性能普遍较差，这其中有不少的控制回路振荡是由控制阀门粘滞特性引起。若仅对PID控制器参数进行整定，就会出现误操作的现象。因此，在对控制回路进行性能评价及优化时，对控制阀门粘滞特性进行诊断和补偿，很有实际意义。 本论文把PID控制系统的性能评估、控制回路振荡检测、控制阀门粘滞特性诊断，以及控制系统优化相结合，进行了以下研究： 1．提出了PID控制系统的性能评价综合指标。对PID控制系统抗扰性能、设定值随动性能和控制系统响应快慢三方面进行研究。首先，对复杂的被控对象模型进行简化，通过3σ准则对控制系统进行稳态判断；然后基于ITAE方法获得理想闭环特性形式下的性能评估模型，通过计算控制回路的实际ITAE值与理论值的偏离程度判断控制回路的性能；再结合闲置指数，对控制回路响应快慢进行判断，然而单一的性能指标并不能全面的评价控制回路性能，因此，将ITAE与闲置指数相结合，给出PID控制系统的综合性能指标，为进一步研究控制系统优化做铺垫。 2．综合考虑控制回路振荡检测和阀粘滞检测方法。首先，提出了基于时域法和面积法的回路振荡检测及振荡程度判断方法，给出控制回路振荡强弱区间；其次，以Kano二参数模型为粘滞模型，在Simulink中搭建仿真回路，计算控制器输出和过程输出的互相关函数，通过分析该互相关函数的奇偶性，对粘滞特性进行定性判断。为弥补定性检测法的不足以及研究粘滞特性下的控制回路补偿方法，提出了定量计算粘滞参数，判断粘滞强弱的方法，并结合控制器输出和阀门输出偏差以及粘滞区间占比来划分粘滞强弱区间。当粘滞较小时，可通过调整控制器参数进行优化，无需进行阀门维护；而当阀粘滞特性较大时，需要采取相应的阀门补偿措施。 3．研究并提出PID控制系统性能优化的解决方案。利用控制阀门粘滞补偿信号和基准控制器参数模型对控制系统进行优化。首先，在阀粘滞参数定量计算的基础上，通过加入短脉冲补偿信号，对粘滞特性进行补偿，并给出了脉冲补偿信号参数的选取建议。此外，根据综合性能评价指数给出理想闭环传递函数的过程时间常数τc，给出了抗扰性能和随动性能下的基准控制器的参数模型。

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