基于自校正PID算法火电机组高加水位控制系统设计

基于PID参数自整定的液位控制系统设计及其实现作者：常建东虎恩典赵文贤张东来源：《现代电子技术》2016年第05期摘 要： 针对现有液位调控系统中双回路PID 参数调节困难的问题，通过将继电反馈作为支撑PID 参数自整定方法，设计了一套基于MCGS 和PLC 的液位调控系统用串级PID 参数自整定控制策略。

通过分析储油罐阶跃响应得到传递函数，在此基础上对控制对象进行离散化并建立了PID参数自整定控制系统，在MCGS平台成功实验了实时监控。

比较自整定前后的控制性能，得到PID参数自整定具有较快的响应速度，较小的超调量、更快达到稳态、更强的抗干扰能力等优点，可以实现对储油罐系统液位的最佳控制。

仿真结果表明PID参数自整定控制技术能够有效地调节储油罐系统的液位控制，极大地保证输油系统的安全。

关键词：液位；串级控制； PID参数；自整定中图分类号： TN876⁃34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2016）05⁃0152⁃030 引言在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑水处理等行业广泛应用[1⁃3]。

通过液位的检测来控制容器中的原料的数量，以便调节容器内物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当[4⁃5]。

目前液位的控制多采用人工整定PID控制策略，其存在操作繁琐、整定结果误差较大，难以适应运行环境的变化等缺陷[6]，严重的情况下会造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。

关于液位的控制系统设计许多学者开展了这方面的工作。

林屹设计了一种模糊自校正PID 控制器，并成功应用在双容水箱液位控制问题上[7]。

李晓理采用多模型控制思想设计控制律设计了水箱液位的跟踪模型，避免液位达到上限[8]。

丁芳在常规PID控制算法的基础上，根据专家以及工作者的经验，设计以一种智能PID 的液位控制方法[9]。

赵丹丹采用PLC为主控制器，变频器为执行器，MCGS监控软件为人机交互界面，设计了一套液位在线自调整控制系统[5]。

火电厂高低加水位自动调节系统控制策略1、高加低加水位自动调节系统基本控制策略一般来说，火电厂高加和低加系统都采用单回路调节，通常选用单回路PID调节器。

在不考虑系统耦合的情况下，它们是火电厂最简单的自动调节系统了。

调节原理框图如1所示。

图1 单回路调节原理框图20世纪90年代以前，国内的调节系统都采用单元组合式仪表，也就是说有比例调节器，有积分调节器。

如果使用无差调节的话，需要使用两个调节器：比例和积分调节器。

这种情况下，尽可能使用少的调节功能就比较重要。

一方面节省了费用，另一方面节省了宝贵的空间-当时几乎所有控制测量设备都很庞大，控制间一般都比较拥挤。

所以这个时候，高低加调节系统都采用纯比例调节。

也有的电厂感觉高加系统更加重要，就把高加系统也加上了积分调节器。

20世纪90年代左右，国内引进了组件式控制系统，叫MZ-Ⅲ型组件控制系统。

目前许多教科书在讲述自动调节系统的时候，还大量用MZ-Ⅲ作为基础来讲述控制策略。

这个系统的调节器功能多了，既有单独的比例、积分、微分调节器，又有组合了比例积分、比例微分、比例积分微分的调节器，可以不用过多考虑空间限制了。

可是该组件故障率较高，即使是多功能调节器，也是把比例、积分、微分三种功能叠加到一个调节器内部，所以故障率还是有的，购买成本还是偏高的。

所以当时也有纯比例调节系统的存在。

后来，国内电厂掀起大规模的DCS改造和应用风潮。

对于DCS来说，增加一个积分运算功能不涉及到任何费用，并且DCS内每个调节器一般都要加上比例积分作用，就看用户愿不愿意使用了。

那么在使用积分不会带来费用和空间问题的情况下，纯比例作用渐渐要绝迹了。

但是对于积分作用的应用，理论上还有必要搞清楚一个概念：自平衡能力。

2、自平衡能力还是前面说的那个水池。

上面一个进水管，下面一个出水管(见图2)，如果进水管流量增大一些，水池水位会增高，导致出水口压力增大，出水阀前后差压增大，出水流量也增大，一直增大到进出水流量相等，水位在新的高度不再变化。

基于极点配置算法的火电机组高加水位控制系统的仿真研究摘要火电机组的高加水位控制是保证机组运行安全和稳定的重要措施之一、本文基于极点配置算法，对火电机组的高加水位控制系统进行了仿真研究。

首先，介绍了火电机组高加水位控制系统的工作原理和目标。

然后，详细介绍了极点配置算法的理论基础和应用。

接着，建立了火电机组高加水位控制系统的数学模型，并通过仿真实验验证了极点配置算法的有效性。

最后，对实验结果进行了分析和讨论，得出了一些结论。

关键词：火电机组、高加水位控制、极点配置算法、仿真研究1.引言火电机组是我国电力系统中最重要的发电方式之一，其高加水位控制是保证机组运行安全和稳定的关键环节。

高加水位控制系统的主要任务是根据负荷需求和发电机的运行状态，自动调节机组的水位，使机组能够稳定运行。

因此，研究和优化高加水位控制系统对于提高火电机组的运行效率和安全性具有重要意义。

2.火电机组高加水位控制系统的工作原理3.极点配置算法的理论基础和应用极点配置算法是一种经典的控制算法，其基本思想是通过调节系统的极点位置，来改变系统的动态响应特性。

具体来说，极点配置算法通过对系统开环传递函数进行单极点或多极点的裕度设计，使系统的闭环传递函数满足指定的要求。

极点配置算法在控制系统设计中有着广泛的应用，能够实现对系统的快速响应、稳定性和抗干扰能力等方面的优化。

4.火电机组高加水位控制系统的数学模型火电机组高加水位控制系统的数学模型可以用以下传递函数表示：G(s)=K/(Ts+1)其中，G(s)为系统的传递函数，K为传递函数的增益，T为传递函数的时间常数，s为Laplace变换中的复变量。

根据系统的实际情况，可以选择合适的参数来描述机组的动态特性。

5.仿真实验和结果分析本文使用MATLAB/Simulink软件对火电机组高加水位控制系统进行了仿真实验。

实验中，选择了适当的系统参数来建立数学模型，并将极点配置算法应用于系统控制中。

通过仿真实验，得到了系统在不同工况下的动态响应曲线。

基于PID控制的火电厂锅炉燃烧控制系统设计和优化近年来，随着能源需求的增加，火电厂作为传统能源的主要供应者，其运行效率和能源消耗问题也越来越引起人们的重视。

然而，火电厂锅炉燃烧控制系统作为影响火电厂运行效率和能源消耗的关键因素，其控制精度和稳定性问题也一直是值得关注和解决的难题。

本文将着重讨论基于PID控制的火电厂锅炉燃烧控制系统设计和优化问题。

一、 PID控制的基本原理PID控制是一种通过比较设定值和实际值来调节输出变量，以达到控制误差最小、调节时间最短、稳定性最好的控制方式。

PID的全称是“Proportional-Integral-Derivative”，即比例、积分和微分控制。

PID控制器通过对系统误差的反馈控制作用，可以实现对系统稳态误差、系统瞬时响应和稳定性的控制。

比例控制通过反馈控制器输出信号的幅值和误差信号的幅值成比例的关系，来控制系统的稳定性和响应速度；积分控制通过去除系统误差的恒定偏置，来控制系统稳态误差；微分控制通过提高系统对瞬时干扰的抵抗力，来控制系统的瞬时响应。

PID控制器将上述三种控制模式集成在一个系统中，可以根据具体的参数进行调整。

</p>二、火电厂锅炉燃烧控制系统的基本要求火电厂锅炉燃烧控制系统作为现代火电厂的关键装置，其设计和优化一旦失误，将直接影响火电厂运行的效率和成本。

因此，我们需要对火电厂锅炉燃烧控制系统的基本要求进行了解和掌握：1. 温度控制：火电厂锅炉燃烧控制系统需要实现对锅炉内部温度的控制，以确保锅炉的安全运行和燃烧效率的提高。

2. 水位控制：火电厂锅炉燃烧控制系统需要实现对锅炉内部水位的控制，以确保锅炉的安全运行和燃烧效率的提高。

3. 火焰控制：火电厂锅炉燃烧控制系统需要实现对锅炉内部火焰的控制，以确保锅炉的安全运行和燃烧效率的提高。

以上基本要求也是PID控制在设计和优化火电厂锅炉燃烧控制系统所要考虑的因素。

三、 PID控制在火电厂锅炉燃烧控制系统中的应用针对火电厂锅炉燃烧控制系统的基本要求，PID控制器可以实现如下的应用：1.温度控制：PID控制器可以通过对锅炉内部传感器信号的反馈，实现锅炉内部温度的控制。

精选文档过程控制系统课程设计基于PID的上水箱液位控制系统设计一、课程设计任务书1.设计内容针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池，实现对高液位池液位高度的自动控制。

具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器，实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。

2.设计要求1、以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。

2、PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超调量20%，稳态误差≤±0.1；调节时间ts≤120s；3、组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；4、选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数；5、通过S7-200PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试；6、分析系统基本控制特性，并得出相应的结论；7、设计完成后，提交打印设计报告。

3.参考资料1.邵裕森,戴先中主编.过程控制工程(第2版).北京:机械工业出版社.20032.崔亚嵩主编.过程控制实验指导书（校内）3.廖常初主编.PLC编程及应用(第2版).北京:机械工业出版社.20074.吴作明主编.工业组态软件与PLC应用技术.北京:北京航空航天大学出版社.20074.设计进度（2010年12月27日至2011年1月9日）时间设计内容2010年12月27日布置设计任务、查阅资料、进行硬件系统设计2010年12月28日～2010年12月29日编制PLC控制程序，并上机调试；2010年12月30日～2010年12月31日利用MCGS组态软件建立该系统的工程文件2011年1月2日～2011年1月4日进行MCGS与PLC的连接与调试进行PID参数整定2011年1月5日～2011年1月6日系统运行调试，实现单容水箱液体定值控制2011年1月7日～2011年1月9日写设计报告书5.设计时间及地点设计时间：周一～周五，上午：8：00～11：00下午：1：00～4：00设计地点：新实验楼，过程控制实验室（310）电气工程学院机房（320）二、评语及成绩课程设计成绩：指导教师：过程控制系统课程设计报告班级：姓名：学号：指导教师：撰写日期：目录第一章绪论 (1)第二章系统组态设计 (3)2.1 MCGS组态软件概述 (3)2.2 新建工程 (4)2.3 设备配置 (5)2.4新建画面 (5)2.5 定义数据对象 (9)2.6设备连接 (12)2.7 控制面板的设计 (14)第三章 PLC设计 (18)3.1 PLC概述 (18)3.2系统设计PLC程序 (20)第四章课设总结 (25)参考文献 (26)附录 (27)第一章绪论可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

《过程控制与自动化仪表》课程设计报告自动化 班级学号姓名2013年6月院系电子与电气工程学院专业一、设计目的二、高加水位自动控制系统的背景在 在火力发电厂中， 高加系统作为主要的辅助设备， 对锅 炉给水进行加热通过省煤器直至供给汽包，给水温度的恒 定，直接关系到锅炉的热效率。

每一次高加系统的解列，在 不增加煤量的情况下，导致降低负荷 30MW/h 左右，同时造 成给水温度骤降、引起汽包水位下降锅炉气压不稳定，严重 威胁锅炉的安全稳定运行。

因此，为了保持高加水位在正常 范围内调节，保证高加系统稳定的投入运行，是机组安全稳 定运行的前提条件。

在当今的条件下用常规仪表可搭接成典型的单级单回路调节系统，各环节全由硬件硬接线完成，它存在的缺点是 连接起来很复杂、故障点比较多、调节的品质不高、自动投 入率比较低。

基地式高加水位调节仪的优点是测量和调节单 元合二为一，删减了多余的连接部件和电缆，且不存在电磁 干扰的问题；缺点是它比较容易进入不正常的状态，它的气 路复杂、漏点故障点多。

它对气源的要求非常高，灰尘和油 污会使调节部件的节流孔堵塞而使调节失灵，气源带水会使基于自校正PID 算法的火电机组高加水位控制系统设计1. 熟悉自校正 PID 控制原理2. 了解自校正 PID 算法对控制效果的影响3. 学会如何用 MATLAB 编程实现对控制系统进行仿真研究调节部件腐蚀失灵，在冬天甚至会发生结冰冻裂的现象。

高加水位控制系统被控对象动态模型:Ste P Response图2.1被控对象动态模型阶跃响应曲线三、自校正PID控制设计方案在生产过程自动控制的历史发展中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。

由于PID控制具有原理简单、使用方便、适应性强、鲁棒性强等特点，所以在电力生产过程中得到了广泛的应用。

大型火力发电厂在我国电力工业中占有主要地位，大型火力发电机组具有效率高、自动化水平高等特点。

随着社会的进步和生产技术水平的提高，人们对自动控制技术所提出的要求也越来越高，自校正PID控制应运而生。

基于plc的热电厂锅炉水位自动控制系统一、研究背景、现状和意义电厂热工过成采用自动化技术已有较长的历史，1766年波尔佐诺夫发明的锅炉给水调节装置、1764年瓦特发明的蒸汽机离心摆调速装置，是热能动力设备最早的自动控制装置，也是整个自动化领域的早期成果。

随着时代科学技术的发展，火力发电机组已由过去的中低压、中小容量发展到现在的高参数、大容量的单元机组，其生产过程的操作由运行人员手动控制到陆续采用各种自动控制装置，实现生产过程的自动控制，使火力发电厂的自动控制水平日益提高和发展【1】。

热工自动化控制技术是理论与技术相结合的一门学科，它的发展可分为理论与技术两个方面。

从理论上大致分为以下三个发展阶段：（1）20世纪50年代以前，一般以简单控制系统为主，机组容量小，自动化水平低。

理论基础是经典控制理论，它是用传递函数对被控对象进行数学描述，以根轨迹和频率法作为分析和综合系统的基本方法。

（2）20世纪60年代，生产设备走向大型化，生产系统日趋复杂，机组的运行与操作要求更为严格。

原来的简单控制已不能满足生产要求，理论上以状态空间分析方法为基础，出现了现代控制理论。

现代控制理论以线性系统为前提进行研究，这是控制理论质的飞跃。

但实际生产过程应用中，效果并不是十分理想。

（3）由于被控对象机理复杂，难以建立精确的数学模型，第三代控制理论的出现以满足生产要求。

以专家系统、神经网络控制和模糊控制为主，同时还有以专家系统、神经网络进行生产过程设备故障分析和性能分析。

从技术装备发展上来分，有以下三个阶段：（1）20世纪30 ~40年代，火力发电机组容量较小，热工生产过程主要是凭生产实践经验来控制，局限于一般的控制元件及机电式控制仪器，采用比较笨重的机电式仪表实现机、炉、电各自独立的分散的局部自动控制。

机、炉、电各控制系统之间没有或是很少有联系。

（2）20世纪50~60年代，出现了电动单元组合仪表和巡回检测装置，因而实现了机、炉作为一个单元整体来进行集中控制，仪表盘装在一起监视，从而使机、炉启停运行更为协调，对提高设备效率和强化生产过程有所促进，适应了工业生产设备日益大型化与连续化发展的需要。

基于自整定PID控制器的温度控制系统研究自整定PID控制器在温度控制系统中的研究1.引言温度控制是工业过程中的一个重要环节，对于材料的加热和冷却、压力控制、化学反应等都需要进行严格的温度控制。

PID控制器作为一种经典的控制器，广泛应用于各种工业过程中。

然而，传统PID控制器需要进行手动调整参数，且对系统的参数变化敏感，导致控制效果不稳定。

因此，研究基于自整定PID控制器的温度控制系统成为一个重要的课题。

2.自整定PID控制器的原理自整定PID控制器是基于模型参考自整定的原理进行设计的。

首先，通过系统传递函数的参数估计方法建立系统模型；然后，将模型的输出输入关系进行离散化，得到离散模型；最后，根据离散模型的参数进行PID控制参数的在线调整，实现自整定。

自整定PID控制器通过在线调整PID参数，可以适应系统变化，提高控制系统的鲁棒性和稳定性。

3.基于自整定PID控制器的温度控制系统设计温度控制系统一般由温度传感器、执行机构和控制器组成。

基于自整定PID控制器的温度控制系统设计需要注意以下几点。

3.1温度传感器的选择温度传感器是温度控制系统中的重要组成部分，需要选择合适的传感器。

常见的温度传感器有热电偶、热敏电阻和红外线温度传感器等。

选择合适的温度传感器可以提高温度控制系统的测量精度。

3.2自整定PID控制器参数的选择自整定PID控制器的参数选择对于温度控制系统的性能有很大影响。

传统PID控制器需要进行手动调整，而自整定PID控制器可以通过在线调整参数响应系统的变化。

选择合适的自整定PID控制器参数可以提高温度控制系统的控制精度和稳定性。

3.3控制策略的选择在温度控制系统中，可以选择不同的控制策略。

常见的控制策略有比例控制、积分控制和微分控制等。

根据具体的温度控制要求，选择合适的控制策略可以实现更好的控制效果。

4.基于自整定PID控制器的温度控制系统实验与结果分析通过对基于自整定PID控制器的温度控制系统进行实验，可以验证该控制方法的有效性和性能。

本科毕业设计论文题目液位PID控制系统设计专业名称学生姓名指导教师毕业时间一、题目液位PID控制系统设计二、指导思想和目的要求通过毕业设计，使学生对所学自动控制原理、现代控制原理、控制系统仿真、电子技术等的基本理论和基本知识加深理解和应用；培养学生设计计算、数据处理、文件编辑、文字表达、文献查阅、计算机应用、工具书使用等基本事件能力以及外文资料的阅读和翻译技能；掌握液位PID控制系统设计的方法和步骤，培养创新意识，增强动手能力，为今后的工作打下一定的理论和实践基础。

要求认真复习有关基础理论和技术知识，认真对待每一个设计环节，全身心投入，认真查阅资料，仔细分析被控对象的工作原理、特性和控制要求，按计划完成毕业设计各阶段的任务，重视理论联系实际，写好毕业论文。

二、主要技术指标设计系统满足以下要求：调节时间：4 st s ≤超调量：%5%σ≤四、进度和要求1、搜集中、英文资料，完成相关英文文献的翻译工作，明确本课题的国内外研究现状及研究意义；（第1、2周）2、完成总体设计方案的论证并撰写开题报告；（第3、4周）3、理论推导被控对象的数学模型；（第5、6周）4、分析未校正单容、双容水箱液位控制系统的性能；（第7、8周）5、选用PID控制方案设计满足性能指标要求的控制系统；（第9、10周）6、应用Matlab对设计方案进行仿真验证；（第11周）7、整理资料撰写毕业论文；（1）初稿；（第12、13周）（2）二稿；（第14周）8、准备答辩和答辩。

（第15周）五、主要参考书及参考资料[1]周胜凯，李颖，水箱液位控制系统设计[M]，2012、06[2]陈帆、王勇，PID控制单容水箱液位及其相关阶跃响应曲线[M],2013、6[3]卢京朝，自动控制原理》, 西北工业大学出版社，2009[4]涂植英，过程控制系统》, 北京：机械工业出版社，1983[5]胡寿松，《自动控制原理》，科学2008，6出版社，2008，6[6]薛定宇，陈阳泉，《系统仿真技术与应用》，清华大学出版社，2004.4[7]王正林，《MATLAB/Simulink与控制系统仿真》，电子工业出版社，2009.7[8]徐兵，《过程控制》，机械工业出版社，2004.9[9]张显库，贾欣乐．基于闭环增益成型的鲁棒PID算法及在液位控制中的应用．中国造船[J]．V01．41第三期(总第150期)，2000[10]薛毅，数学建模基础，北京：工业大学出版社，2004学生指导教师系主任摘要随着现代科技的发展电子信息时代的进步。