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摘要：热工控制系统的功能直接影响了机组运行的经济性和安全性，尤其是负荷变动比较平频繁的机组，在一定的控制系统结构下，是控制器参数的设置決定了自动控制系统的性能，而目前国内很多热工自动自动控制的系统都使用PID控制器。本文以三级减温控制系统作为例子，充分利用曲线法来获取对象的动态特性，在矩阵实验室里构建一个控制系统的仿真模型，成功地离线优化调节系统的PID控制参数。因为本次仿真过程高效直观，也可以作为其他控制系统的PID控制参数优化的参考数据。
关键字：热工自动控制系统；仿真技术；PID参数；矩阵实验室
矩阵实验室是一个强大、科学的数字计算工具，在动态系统仿真、自动控制、数字信号处理、数理统计等领域广泛使用。宝鸡第二发电有限责任公司将矩阵实验室仿真应用在三级减温PID控制参数的优化方面，并且取得了很好的效果。PID全称为比例-积分-微分控制器，是自动控制系统中最经典、使用最广泛的一种控制器。
1.被控对象建模
1.1构成对象特性的要素
三级减温控制系统的两个减温器在入口处，减温器两侧有两个调门，它们共同作用，控制主蒸汽的温度，控制系统方案选择串级的控制方式。主气温控制有2个特性：减温器后温度对主汽温度的特性、减温水阀阀位对减温器后温度的特性[1]。
1.2阶跃响应曲线法
利用阶跃响应曲线法来获取三级减温控制系统的对象特性。在对象特性的实验中，获取的对象特性有没有代表性直观重要，直接关系到实验最终参数是否可靠，因此要科学、合理地判断、分析实验进行过程中热力系统所处的工况。在250兆瓦、系统在稳定的工况下，开始三级喷水调门10%的扰动试验。
这项实验要求煤、风、水系统以及气压、负荷必须保持稳定，实验过程为：开启减温水阀10%，然后等待相应的侧主汽温度逐步下降，并达到稳定的状态；关闭减温水阀10%，然后等待相应的侧主汽温度逐步上升，并达到稳定的状态。记录实验期间的减后温度、减温水阀位和主汽温度等的历史数据以及趋势图，通过一定的计算得出对象特性。
1.3获取对象数学模型
导入以上对象特性的实验数据，并设置仿真步长，比较仿真输出后的减后温度、主汽温度的趋势和实际特性实验的趋势之间的异同，不断调整参数，直到实际对象特性的曲线与主汽温度和减后温度的两条仿真曲线拟合为止，建立对象模型的任务才算完成。
2.控制系统建模
在矩阵实验室仿真环境里，根据分布式控制系统的控制方案和具有气温系统特性的数学模型，搭建一个完整的气温控制系统模型。但要注意，在第一次使用矩阵实验室时，要先进行“响应特性试验”，对象是矩阵实验室中每个被调用的功能模块，只有在确保矩阵实验室和分布式控制系统相对应的各功能模块中，输入输出的特性保持一致，才能保证仿真结果对实际的系统具有指导上的意义，特性如果不一致，可以根据分布式控制系统的特性，在矩阵实验室中自定义功能块，使二者保持一致[2]。其次，要先了解现场的系统，然后分析热力系统的扰动关系，建立一个正确的闭环仿真平台，与此同时，还要对一些重要的扰动量进行试验，找出它们的扰动关系，尽量完善系统模型。
3.系统仿真和参数优化
在完成控制系统的建模以后，输入依据响应曲线计算出来的PID 参数以及其他模块的参数，就可以在矩阵实验室里进行系统的仿真，离线优化PID控制参数。矩阵实验室的仿真速度极快，几乎可以瞬间完成，并且仿真的结果直观形象。如果想观察系统每个节点的响应特性以及PID任何一个参数变化的时候，对控制系统的特性造成的影响，可以通过Scope功能模块观察。这有利于分析不同的PID控制参数下控制系统的动态反映，大大提高了整定PID参数的效率、缩短了系统优化的周期，同时利用计算机辅助软件，可以使用各式各样的设计方法和系统分析方法，如：最优控制器设计法、极点配置和观测器设计法、频域分析法、根轨迹分析法、时域分析法等，充分比较各种不同的PID参数组合，选出最佳的参数。一般来说，仿真计算出的PID参数都可以直接在分布式控制系统中设置，并且可以取得很好的控制效果[3]。
4.参数优化后的效果
气温控制系统在5摄氏度扰动下，主气温度调节缩减了80%，调节时间是500秒；将仿真计算出的控制系统PID参数在分布式控制系统中设置好后，进行5摄氏度的扰动，缩减率是76%，调节时间是480秒。仿真调节的效果和主气温度实际调节的效果几乎相同证明了建立的模型不仅反映了控制对象的特性，还反映的很准确，控制系统的参数离线优化顺利。
整定计算控制系统的最佳参数是一个综合型的问题。首要的任务是找出最主要的扰动关系，在热工自动控制系统中，有的系统，外扰是主要的扰动关系，如机组主汽压力的控制系统，而有的系统是的主要扰动关系是内扰，还有的控制系统，给定值的扰动才算是主要的扰动关系，如机组功率控制系统，所以在整定参数时，必须要考虑到这些因素，对于不同的扰动，系统的传递函数都有不同的极点和零点分布[4]。对于前馈反馈的控制系统，虽然系统的稳定性不受到前馈通道的影响，但是它让控制系统又添加了新的零极点，极大程度上影响了控制的品质，所以在整定参数时，要将反馈控制和前馈控制作为一个整体，综合考虑。控制系统的性能指标是指比较和衡量控制系统工作性能的一系列准则，选取的性能指标函数要具有快速性、准确性、稳定性三方面要求，其中，稳定性是前提，系统稳定才可以实际使用[5]。
结束语：
总而言之，将实际的系统和矩阵实验室的仿真技术结合起来的优化PID参数的方法，可以避免常规状态中多次的扰动实验影响了机组的运行，大大提高了优化控制系统PID参数的效率，加强了热工自动控制系统的可靠性，保障系统安全经济地运行，使用价值很强，值得被广泛使用。
参考文献：
[1]雷光辉.王炳谦.陈建国.热工自动控制系统实验装置[J].实验技术与管理， 1998，15（6）：35-36.
[2]刘武林.张建玲.热工自动控制系统故障诊断装置的研究[J].中国电力，2003，36（10）：69-70.
[3]胡琼.李艳.控制系统数字仿真实验教学设计[J].实验室科学， 2013，16（5）：101-102.
[4]孙海峰.仿真技术在热工自动控制系统PID参数优化中的应用[J].试验研究， 2006，34（4）：30-31.
[5]赵岩.杨光智.用于温度控制系统的计算机数字仿真[J].信息技术， 2006，29（5）：138-139.
关键字：热工自动控制系统；仿真技术；PID参数；矩阵实验室
矩阵实验室是一个强大、科学的数字计算工具，在动态系统仿真、自动控制、数字信号处理、数理统计等领域广泛使用。宝鸡第二发电有限责任公司将矩阵实验室仿真应用在三级减温PID控制参数的优化方面，并且取得了很好的效果。PID全称为比例-积分-微分控制器，是自动控制系统中最经典、使用最广泛的一种控制器。
1.被控对象建模
1.1构成对象特性的要素
三级减温控制系统的两个减温器在入口处，减温器两侧有两个调门，它们共同作用，控制主蒸汽的温度，控制系统方案选择串级的控制方式。主气温控制有2个特性：减温器后温度对主汽温度的特性、减温水阀阀位对减温器后温度的特性[1]。
1.2阶跃响应曲线法
利用阶跃响应曲线法来获取三级减温控制系统的对象特性。在对象特性的实验中，获取的对象特性有没有代表性直观重要，直接关系到实验最终参数是否可靠，因此要科学、合理地判断、分析实验进行过程中热力系统所处的工况。在250兆瓦、系统在稳定的工况下，开始三级喷水调门10%的扰动试验。
这项实验要求煤、风、水系统以及气压、负荷必须保持稳定，实验过程为：开启减温水阀10%，然后等待相应的侧主汽温度逐步下降，并达到稳定的状态；关闭减温水阀10%，然后等待相应的侧主汽温度逐步上升，并达到稳定的状态。记录实验期间的减后温度、减温水阀位和主汽温度等的历史数据以及趋势图，通过一定的计算得出对象特性。
1.3获取对象数学模型
导入以上对象特性的实验数据，并设置仿真步长，比较仿真输出后的减后温度、主汽温度的趋势和实际特性实验的趋势之间的异同，不断调整参数，直到实际对象特性的曲线与主汽温度和减后温度的两条仿真曲线拟合为止，建立对象模型的任务才算完成。
2.控制系统建模
在矩阵实验室仿真环境里，根据分布式控制系统的控制方案和具有气温系统特性的数学模型，搭建一个完整的气温控制系统模型。但要注意，在第一次使用矩阵实验室时，要先进行“响应特性试验”，对象是矩阵实验室中每个被调用的功能模块，只有在确保矩阵实验室和分布式控制系统相对应的各功能模块中，输入输出的特性保持一致，才能保证仿真结果对实际的系统具有指导上的意义，特性如果不一致，可以根据分布式控制系统的特性，在矩阵实验室中自定义功能块，使二者保持一致[2]。其次，要先了解现场的系统，然后分析热力系统的扰动关系，建立一个正确的闭环仿真平台，与此同时，还要对一些重要的扰动量进行试验，找出它们的扰动关系，尽量完善系统模型。
3.系统仿真和参数优化
在完成控制系统的建模以后，输入依据响应曲线计算出来的PID 参数以及其他模块的参数，就可以在矩阵实验室里进行系统的仿真，离线优化PID控制参数。矩阵实验室的仿真速度极快，几乎可以瞬间完成，并且仿真的结果直观形象。如果想观察系统每个节点的响应特性以及PID任何一个参数变化的时候，对控制系统的特性造成的影响，可以通过Scope功能模块观察。这有利于分析不同的PID控制参数下控制系统的动态反映，大大提高了整定PID参数的效率、缩短了系统优化的周期，同时利用计算机辅助软件，可以使用各式各样的设计方法和系统分析方法，如：最优控制器设计法、极点配置和观测器设计法、频域分析法、根轨迹分析法、时域分析法等，充分比较各种不同的PID参数组合，选出最佳的参数。一般来说，仿真计算出的PID参数都可以直接在分布式控制系统中设置，并且可以取得很好的控制效果[3]。
4.参数优化后的效果
气温控制系统在5摄氏度扰动下，主气温度调节缩减了80%，调节时间是500秒；将仿真计算出的控制系统PID参数在分布式控制系统中设置好后，进行5摄氏度的扰动，缩减率是76%，调节时间是480秒。仿真调节的效果和主气温度实际调节的效果几乎相同证明了建立的模型不仅反映了控制对象的特性，还反映的很准确，控制系统的参数离线优化顺利。
整定计算控制系统的最佳参数是一个综合型的问题。首要的任务是找出最主要的扰动关系，在热工自动控制系统中，有的系统，外扰是主要的扰动关系，如机组主汽压力的控制系统，而有的系统是的主要扰动关系是内扰，还有的控制系统，给定值的扰动才算是主要的扰动关系，如机组功率控制系统，所以在整定参数时，必须要考虑到这些因素，对于不同的扰动，系统的传递函数都有不同的极点和零点分布[4]。对于前馈反馈的控制系统，虽然系统的稳定性不受到前馈通道的影响，但是它让控制系统又添加了新的零极点，极大程度上影响了控制的品质，所以在整定参数时，要将反馈控制和前馈控制作为一个整体，综合考虑。控制系统的性能指标是指比较和衡量控制系统工作性能的一系列准则，选取的性能指标函数要具有快速性、准确性、稳定性三方面要求，其中，稳定性是前提，系统稳定才可以实际使用[5]。
结束语：
总而言之，将实际的系统和矩阵实验室的仿真技术结合起来的优化PID参数的方法，可以避免常规状态中多次的扰动实验影响了机组的运行，大大提高了优化控制系统PID参数的效率，加强了热工自动控制系统的可靠性，保障系统安全经济地运行，使用价值很强，值得被广泛使用。
参考文献：
[1]雷光辉.王炳谦.陈建国.热工自动控制系统实验装置[J].实验技术与管理， 1998，15（6）：35-36.
[2]刘武林.张建玲.热工自动控制系统故障诊断装置的研究[J].中国电力，2003，36（10）：69-70.
[3]胡琼.李艳.控制系统数字仿真实验教学设计[J].实验室科学， 2013，16（5）：101-102.
[4]孙海峰.仿真技术在热工自动控制系统PID参数优化中的应用[J].试验研究， 2006，34（4）：30-31.
[5]赵岩.杨光智.用于温度控制系统的计算机数字仿真[J].信息技术， 2006，29（5）：138-139.