圖3 汽定水＋液位前饋比值控制方案框圖

其中系數(shù)K為汽水損失率(給水流量與蒸汽流量的比值)，范圍為1.1～1.2。PID參數(shù)為P＝300％、I＝0.4、D＝0。這組PID參數(shù)可以使閥位波動(dòng)幅度不大而回路有較快的跟蹤效果。液位前饋系數(shù)與鍋爐額定負(fù)荷密切相關(guān)，一般是額定負(fù)荷越大前饋系數(shù)也越大。本項(xiàng)目廢熱鍋爐的額定負(fù)荷為35t／h。前饋系數(shù)按表一給定，見(jiàn)附表:
附表 前饋系數(shù)表
 

投運(yùn)時(shí)首先投運(yùn)給水流量單回路，調(diào)節(jié)平穩(wěn)后，再切換為蒸汽流量比值控制，液位前饋同時(shí)起作用。以汽定水＋液位前饋比值控制方案調(diào)試投運(yùn)簡(jiǎn)單方便，投運(yùn)后經(jīng)負(fù)荷擾動(dòng)(產(chǎn)汽量變化)、液位擾動(dòng)(排污量變化)實(shí)驗(yàn)，抗擾動(dòng)性能良好，投運(yùn)以來(lái)運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到工藝要求。圖4為2.5h實(shí)時(shí)液位記錄曲線，其中記錄了負(fù)荷擾動(dòng)情況。液位波動(dòng)范圍＜±3％。

4 永宏P(guān)LC PID控制系統(tǒng)分析
4.1 帶PID控制功能的FATEK可編程控制器
PID控制及其控制器或智能PID控制器(儀表)已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，作為國(guó)產(chǎn)PLC企業(yè)，永宏電機(jī)股份公司一直致力于PLC的研究開(kāi)發(fā)工作，帶PID控制功能的FATEK可編程控制器(PLC)就是利用其閉環(huán)控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)鍋爐汽包液位的PID控制，在異常情況下，如液位偏離正常值較大時(shí)，通過(guò)PLC控制系統(tǒng)控制，可以快速恢復(fù)水位，保證鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)水位控制和主蒸汽溫度控制發(fā)生矛盾時(shí)，可根據(jù)矛盾的主要方面進(jìn)行兩者的協(xié)調(diào)控制。它包含給水流量控制回路和汽包水位控制回路兩個(gè)控制回路，實(shí)質(zhì)上是蒸汽流量前饋與水位－流量串級(jí)系統(tǒng)組成的復(fù)合控制系統(tǒng)。當(dāng)蒸汽流量變化時(shí)，鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的給水流量控制回路可迅速改變進(jìn)水量以完成粗調(diào)，然后再由汽包水位調(diào)節(jié)器完成水位的細(xì)調(diào)。圖5是有永宏P(guān)LC組成的控制系統(tǒng)示意圖。

圖5 永宏P(guān)LC控制系統(tǒng)示意圖

4.2 汽包水位PID控制設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)
(1) 減少干擾對(duì)主回路的影響，可由副回路控制器予以校正。
(2) 由于副回路的存在減少了相位滯后，從而改善了主回路的響應(yīng)速度。
(3) 對(duì)控制閥特性的變化具有較好的魯棒性。
(4) 副回路可以按照主回路的需求對(duì)對(duì)象實(shí)施精確控制。
實(shí)際PLC的控制程序采用主副回路進(jìn)行串級(jí)控制，即主回路的輸出做為副回路的設(shè)定值，經(jīng)副回路輸出作用于被控對(duì)象。也可以不用副回路只用主回路形成單回路調(diào)解，或手動(dòng)操作完成。一般常見(jiàn)的過(guò)程控制應(yīng)用， 開(kāi)環(huán)回路控制就可以滿足大部份的應(yīng)用要求，但隨著使用時(shí)間、組件特性變化或受控負(fù)載或外界工作環(huán)境的變化，開(kāi)環(huán)回路控制因?yàn)闆](méi)有真實(shí)將受控程序的實(shí)際量反饋到控制器，因此控制結(jié)果可能與實(shí)際期望的結(jié)果會(huì)有些落差，閉環(huán)回路PID過(guò)程控制是用來(lái)克服并解決上述缺點(diǎn)的極佳選擇。FBS-PLC提供軟件數(shù)字化的PID數(shù)學(xué)表達(dá)式，對(duì)于一般反應(yīng)的閉環(huán)回路過(guò)程控制就可應(yīng)付，但對(duì)于工業(yè)鍋爐這樣的需要有快速反應(yīng)的閉環(huán)回路控制要使用本功能需要事先評(píng)估是否可行。典型的閉環(huán)回路程控示意圖如圖6所示。
圖6 典型閉環(huán)回路程控示意圖

根據(jù)應(yīng)用要求，用戶將PID 控制器設(shè)定成比例+積分+微分控制器，其控制器的數(shù)字化數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

Mn:“n”時(shí)的控制輸出量
D4005:增益常數(shù)，默認(rèn)值為1000;可設(shè)定范圍為1～ 5000
Pb:比例帶(范圍:1～5000，單位為0.1%; Kc(增益)=D4005/Pb)
En:“n”時(shí)的誤差=設(shè)定值(SP)-“n”時(shí)的過(guò)程變數(shù)值(PVn)
Ki:積分常數(shù)( 范圍:0～9999，相當(dāng)于0.00～99.99 Repeats/Minute)
Td:微積分時(shí)間常數(shù)(范圍:0～9999，相當(dāng)于0.00～99.99Minute)
PVn:“n”時(shí)的過(guò)程變數(shù)值
PVn-1:“n”時(shí)的上一次過(guò)程變數(shù)值
Ts:PID運(yùn)算的間隔時(shí)間(范圍:1～3000，單位:0.01S)
Bias:偏置輸出量(范圍:0～16383)
加上微分項(xiàng)的控制器，目的在于消除程控系統(tǒng)的過(guò)度反應(yīng)，進(jìn)而使程控系統(tǒng)能夠平穩(wěn)緩和達(dá)到穩(wěn)定。雖然微分項(xiàng)有上述優(yōu)點(diǎn)，但因其對(duì)輸出量的貢獻(xiàn)相當(dāng)靈敏，大部分的應(yīng)用不必使用微分項(xiàng)而將Td設(shè)定為0。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類:一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、