一种串级控制系统抗积分饱和控制方法与流程

本发明属于火力发电厂自动控制技术领域，涉及一种串级控制系统抗积分饱和控制方法。

背景技术：

在发电机组分离器过热度、汽包水位、蒸汽温度、除氧器水位和燃料量等控制中常采取串级控制方式，该方式能够很好地消除控制对象的延迟和惯性，但会出现积分饱和现象。如果不能及时消除串级控制系统的积分饱和，则会导致系统失调，甚至危急机组安全。

当串级控制系统出现积分饱和现象时，系统存在单方向的偏差，pid控制器的输出由于积分作用不断累加而增大，从而使u(t)达到极限值，此时既使pid控制器输出继续增大，u(t)也不会再增大，即u(t)进入饱和区，一旦出现反向偏差，u(t)逐渐退出饱和区。

典型串级控制回路仿真逻辑如图1所示，主控制器pid1的输出值(ao3)同时作为副控制器pid2的设定值；pid2的输出值(ao4)作为控制指令；随机函数的输出ao01作为pid2的过程变量。当pid2输出值达到高限或低限(指令最大值或最小值)时，pid1接收pid2发出的闭锁增(bi)或闭锁减(bd)信号，以闭锁pid1输出的增加或减少，从而使pid1抗积分饱和。由于当前各种dcs系统对控制器均采用达到限值消除积分的方法防止积分饱和，即当控制器输出达到限值时取消积分作用，将pid控制器改为pd调节。从而，如果pid2的被调量产生抖动变化，则会使pid2输出在限值处波动，无法闭锁pid1的输出，且pid1的闭锁增、减信号随其同步变化，从而造成主控制器输出值爬坡式上升(下降)，造成控制系统积分饱和。

串级控制回路积分饱和仿真曲线如图2所示，初始状态系统保持平衡；t0时刻，改变pid1设定值，则ao03和ao04增大；t1时刻，ao04增值最高限，并闭锁pid2和pid1的输出，此时ao03应不再增加，但由于pid2的被调量波动(随机函数输出)，ao04在pid2的作用下在最高限处同步变化，无法闭锁pid1的输出，从而引起ao03在pid1的积分作用下持续上升，产生积分饱和现象。

由上述分析可知，当pid2输出达到限值时，在pid1控制器抗饱和方式下，pid2积分作用已经消除，但其pd作用仍能对被调量的变化进行响应，使其无法闭锁pid1的输出，从而产生串级控制回路的积分饱和现象。

目前各主要dcs系统串级回路抗积分饱和方式有以下几种：

(1)当副调节器到达限值时对上游主调节器发出相应的闭锁增(bi)/闭锁减(bd)信号，新华公司的xdps/oce系列系统、国电智深depf系统、浙江中控ecs系统、上自仪supermax系统及西安热工研究院有限公司的fcs165系统均采用此种方式，具体逻辑如图1所示。

(2)当副调节器达到限值时改变主调节器限值，从而将主调节器输出对应方向单向锁死，从而避免主调节器进入过饱和区间，foxboroi/a系统、和利时macs系列系统均采用此种方式，具体逻辑如图3所示。

(3)爱默生公司ovation系统、abbsymphony系统、西门子t3000系统采用的方式与新华系统类似，也是下游副调节器对上游主调节器发出闭锁信号，同时针对副调节器受限处震荡情况，可以将副调节器的抗积分饱和类型改为常规饱和恢复限制类型。在这种限制方式下，只有当过程变量和设定值的偏差改变了方向，控制器的输出才离开饱和值，因此不会发生因副调节器限值区域震荡造成的积分饱和现象。但采用此种方式时，有可能引起过程变量对其设定值的较大的超调。

由上述可以看出，大部分dcs系统均采用副调节器受限时闭锁主调节器的方式抗积分饱和，未对副调节器限值区域震荡造成的主调节器积分饱和现象采取相应办法，这在实际工程应用中易引起系统失调。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种串级控制系统抗积分饱和控制方法，本发明既可有效避免串级控制系统主调节器pid1的积分饱和，又能保证主调节器pid2的快速调节。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种串级控制系统抗积分饱和控制方法，包括以下步骤：

步骤1，改变副调节器pid2跟踪方式

当副调节器pid2输出达到限值时，将副调节器pid2置于跟踪状态，闭锁其输出；当副调节器pid2输入偏差反向后，取消对副调节器pid2输出的闭锁；

步骤2，修改主调节器pid1闭锁条件

当副调节器pid2输出达到限值时，置位rs触发器，单向闭锁主调节器pid1输出，以确保当副调节器pid2输出抖动变化时，始终闭锁主调节器pid1输出；当副调节器pid2输入偏差反向时，复位rs触发器，取消主调节器pid1闭锁信号。

本发明进一步的改进在于：

所述步骤1的具体方法如下：

当pid2输出达到高限，且增闭锁li信号为1时闭锁pid1增输出，同时通过rs2触发器将pid2置于跟踪状态，跟踪当前输出，如果此时被调量出现抖动变化，pid2仍处于跟踪状态，其输出为li信号；当pid2被调量产生变化导致输入偏差反向时，复位rs2触发器，pid2回到调节状态，pid1开始调节。

所述步骤2的具体方法如下：

当pid2的输出为高限时，li信号置位rs2触发器，闭锁pid1增输出；当pid2被调量抖动变化时，由于pid1的输出被单向闭锁，则pid1的输出不会出现爬升现象；当pid2被调量大于pid1输出值时，复位rs2触发器，pid1闭锁增信号为0，pid1至调节状态，从而防止pid1进入积分过饱和区。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明针对串级控制系统积分饱和问题，从改变副调节器pid2跟踪方式、修改主调节器pid1闭锁条件等方面考虑，既可有效避免串级控制系统主调节器pid1的积分饱和，又能保证主调节器pid2的快速调节。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1典型串级控制回路仿真逻辑图；

图2串级控制回路积分饱和仿真曲线；

图3变限值方式串级回路抗积分饱和逻辑图；

图4改变副调节器pid2跟踪方式逻辑图；

图5修改主调节器pid1闭锁条件逻辑图；

图6串级回路抗积分饱和控制仿真试验曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图2-6，本发明实施例公开了一种串级控制系统抗积分饱和控制方法，包括以下步骤：

步骤1，改变副调节器pid2跟踪方式。

当副调节器pid2输出达到限值时，将副调节器pid2置于跟踪状态，闭锁其输出；当副调节器pid2输入偏差反向后，取消对副调节器pid2输出的闭锁。

如图4所示，当pid2输出达到高限，且增闭锁li信号为1时闭锁pid1增输出，同时通过rs2触发器将pid2置于跟踪状态，跟踪当前输出，如果此时被调量出现抖动变化，pid2仍处于跟踪状态，其输出为li信号；当pid2被调量产生变化导致输入偏差反向时，复位rs2触发器，pid2回到调节状态，pid1开始调节。该方式通过闭锁pid2的输出抑制pid1的积分饱和。但是，当pid2输出达到高限，且闭锁pid1增输出时，pid2无法及时响应被调量的变化，因此pid2具有一定的迟滞及惯性时，会造成调节迟缓、超调或欠调，不利于系统的稳定。

步骤2，修改主调节器pid1闭锁条件。

当副调节器pid2输出达到限值时，置位rs触发器，单向闭锁主调节器pid1输出，以确保当副调节器pid2输出抖动变化时，始终闭锁主调节器pid1输出；当副调节器pid2输入偏差反向时，复位rs触发器，取消主调节器pid1闭锁信号。

如图5所示，pid2的输出为高限时，li信号置位rs2触发器，闭锁pid1增输出。当pid2被调量抖动变化时，由于pid1的输出被单向闭锁，则pid1的输出不会出现爬升现象；当pid2被调量大于pid1输出值时，复位rs2触发器，pid1闭锁增信号为0，pid1至调节状态，从而防止pid1进入积分过饱和区。

如图6所示，初始状态，系统保持平衡；t0时刻改变pid1的设定值后ao03和ao04增大；t1时刻，ao04增至最高限，并闭锁pid2和pid1输出，此时ao03不再增加；t1至t2时刻，当pid2被调量抖动变化时(随机函数输出波形)，pid2在高限处同步调节，而pid1仍处于增闭锁状态，ao03仍不再增加；t2至t3时刻，当pid2被调量的增加使偏差输入减少时，pid2为调节状态，pid1仍为增闭锁状态；t3时刻，pid2被调量大于ao03，pid1解除增闭锁，开始调节；t4时刻，pid2输出高限，pid1增闭锁。该控制方式既可有效避免串级控制系统pid1的积分饱和，又能保证pid2的快速调节。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。