1、DCS 系统中积分饱和现象 对自动调节过程的影响及其解决方法【摘要】介绍了积分饱和现象在热工自动调节过程中的产生及其对自调影响，并结合 DCS 分散控制系统中的单回路控制系统、串 级双冲量控制（过热蒸汽温度调节）系统及协调控制的汽机主控系统等实例，探讨了积分饱和现象可能发生的工况，针对具体情况给出了限制单回路调节器输出、积分饱和现象发生时切换主调节器(串级双冲量控制) 输出为跟踪值、为 CCS 增指令 发生增加 DEH 阀门开度限制等几种相应的解决方案。【关键词】 积分调节 积分饱和 (调节器的)偏差输入 DCS 分散控制系统引言火力发电厂锅炉汽轮机机组在正常运行中有大量的热工参数需要调节与控
2、制。从生产的安全和经济效益考虑，这些参数需要控制在合适的范围内。热工自动控制的任务就是自动地维持生产过程在规定的工况下，即自动地维持各被调量为设定参数值或按一定规律变化。虽然随着 DCS 等计算机控制系 统在火电厂日益广泛的应用，实现自动调节不再局限传统仪表通常采用的比例、比例- 积分、比例-积分-微分三种调节规律，而是可以根据实际被 调对象的具体特点由各种常用运算组合调节规律，但是这三种运算仍然是最主要最基本的调节规律。1. 积分饱和现象在自动调节过程产生及其对自调影响在热工自动调节系统中比例调节作用是最基本的调节作用，积分和微分作用作为辅助调节作用。比例调节作用贯彻在整个调节过程中，积分作
3、用则体现在调节过程的后期，用以消除静态偏差，微分作用则体现在调节过程的初期。积分调节规律是调节器输出控制作用 (t)与其偏差输入信号 e(t)随时间的积累值成正比，即(t)=( 1/Ti)e(t)dt其传递函数形式：W(s)=1/ (Ti*s)式中 Ti为积分时间。积分调节器的阶跃响应如图一。由图可以看出，当被调量出现偏差并图一呈阶跃形式变化时，积分作用并不立即变化，而是由零开始线性增长。因此只要偏差信号存在，调节器的输出旨在消除对系统影响的控制作用就一直增加，且增长的速度始终为初始速度。只有偏差为零时，积分控制作用才停止变化。这表明系统达到再次稳定时，被调量的偏差必然为零。因此积分调节规律的
4、另一特点就是消除稳态偏差，实现无差调节，其控制作用体现在调节过程的后期。下面以单回路控制系统为例说明积分饱和的产生。系统原理方框图如图二。 该系统由一个测量变送器，调节器部分，一个执行部分，连同被控对象组成的闭环反馈控制系统。e(t)Ett0(t)Ett0ETi -t0调节机构是自动调节系统的重要环节，它是接受调节器的控制信号去调节被调量的工具。常用的调节机构有调节阀门和挡板等，通常由执行机带动。热工自调中电动执行机动作的位置反馈信号 r(t)通常为 0-10mA 或 4-20mA.,表示阀门行程或挡板开度从最小到最大，即 1-100%。图二在正常工况下，整定好 PID 参数的调节器输 出在
5、5%-95%范围内就可以满足调节要求，使被调参数在规定范围内按一定规律变化。对应着执行机位置反馈 r 在 5%-95%。有些非正常工况下调节器输出已达到了 100%，对应执行机位置反馈也达到 100%，此时对于这个负反馈的闭环调节单 回路的调节对象的参数值仍然小于设定值，也即调节器的偏差输入信号 e(t)仍然大于零，正向偏差的存在使积分调节规律作用下的调节器输出 (t)继续增大，然而阀门行程或挡板开度已经最大，执行机位置反馈信号不会再增加。调节 器的输出 (t)这一增加过程直到系统其自平衡能力，或执行机构e(t) 对 象d调节器变送器+-e(t)t(t)r(t)f(t)rt2t1(t)图三由于
6、运行值班员对系统做出其它措施，使得被调对象的参数测量值等于或大于设定值。偏差输入信号 e(t)不再大于零，调节器的输出 (t)不再增大。由于系统的惯性作用，被调参数很可能将继续增加，使偏差输入信号 e(t)小于零，在积 分调节规律的作用下调节器的输出 (t)开始减小。系统要求此时的执行机构向关阀门或挡板的方向动作，但是实际上，直到调节 器的输出 (t)减到小于 100%后 对执行机构的关向指令才开始有效。也即是如图三所示，调节系统经过 t2 这段时间的延迟以后才又开始正常的调节过程。我们暂且将调节器由于积分作用规律造成的输出 (t)大于 100% 的上升和下降过程，如图三中表现为 t1+t2
7、这 段时间的调节过程称为积分饱和。由于调节系统积分饱和造成的调节机构未能及时回关的这段时间的延迟对系统影响可能是致命的。例如这种情况如果发生在给水自动调节中，就可能由于给水阀门未能及时关同时运行值班员未做其它补救措施而造成汽包水位升到比较危险的高度。如发生在引风自调中，同时送风调节机构未能及时根据实际运行工况作出相应反应，将可能引起机组炉膛压力负向大幅度增大。如发生在协调系统的汽机主控对 DEH 调门 开度控制中，将可能引起机组负荷升高到超过规定值，短时间危机整个机组。2. 在 DCS 系统中减小积分饱和对自动调节 影响的几种方法随着 DCS 分散控制系 统在电厂应用的日益普遍，机组实现机炉协
8、调控制不再困难，而主要热工参数调节的自动投入率也随之大幅度提高。也使得自动调节在机组运行中的地位前所未有的重要。我厂自 2000 年来陆续实现了#6、#4、#7 机组的 DCS 改造。三个机组的分散控制系统均采用新华公司的 XDPS（XINHUA Distributive Processing System）分散控制系统。实现了机炉 协调控制、燃料、送引风、汽包水位、磨煤机 负荷、主蒸汽及其它机炉热工参数的自动调节。XDPS 系统以 WINDOWS 为平台由图形组态软件 Netwin 可以实现操作器和调节器的功能，系统中的伺服放大部分由机柜内的 LC-S 卡件硬回路实现。虽然由于积分饱和造成调
9、节不理想的情况不属于正常调节，不是经常发生的，但在 DCS 改造后机组实际运行中，在许多重要的调节系统中我们发现过这种调节工况。通过实践我们总结出解决积分饱和对自动调节系统不良影响的几种可行的方法。3.1 单回路调节最直接的方法依靠运行值班员监视系统能够注意对这种情况发生，并采取相应措施。不仅对单回路， 对各种复 杂的自调回路均有效。在机组的运行过程中如果运行值班员能够在自动调节系统的积饱和现象发生时（也就是闭环反馈自动调节系统中执行机构位置反馈达到最大，被调参数已经大于设定值，调节器输出仍然不对执行机构发出关指令时）及时切除系统自动。调节器在手动时跟踪软手操的输出，即马上小于或等于 100%
10、，结束积分饱和的 过程，如图四所示。然后再将系统投入自动，就进入正常调节过程。单回路在 DCS 系统中应用简图如图五。图四但是系统投入自调的目的之一就是减轻运行人员的工作量，这种依靠运行人员参与调节的解决办法不是最终方法，必须完善调节系统的控制逻辑，而在 DCS 分散控制系统中实现的模拟量控制控制逻辑的组态设计修改都灵活方便，于是我们考虑了对组态逻辑进行修改的几种方法。e(t)手动状态(t)r(t)f(t)t1PID-+TRACK软手操DCS 系统伺服放大板系统切换为手动时参数设定值参数测量值图五一种是对单回路调节逻辑中的 PID 功能模块 的输出 (t)加以限制，输出上限设定为 100%，下
11、限设定为 0%。这样尽管调节器的偏差输入信号 e(t)大于零， 积分 规律作用无法使已达上限的输出 (t)继续增大，一旦输入信号 e(t)小于零，输出 (t)小于 100%，立即对执行机构发出关指令。有效解决了积分饱和对调节规律负面的影响。3.2 串级调节对于单回路有效的对 PID 功能模块的输出 (t)加以限制的方法对于串级调节或其它复杂调节系统简单地限制 PID 功能模块的输出(t)并不能解决问题。下面以依靠喷水减温控制的串级双冲量过热汽温系统为例作以说明。在串级双冲量过热汽温系统中有两个闭合回路：由对象超前区、超前信号（减温器后蒸汽温度）热电偶、副调节器（比例- 积 分）、执行机和调节阀
12、门组成的内回路（或称副回路）；由对象惰性区、主信号（过热汽温度）热电偶、主调节器（比例-积分- 微分）和副回路组成的外回路（或称主回路）。采用喷水减温调节过热汽温时，汽温调节对象的滞后时间和时间常数较大。 对于减温水流量的变化，超前汽温的反应要比主汽温的反应快得多，因此在减温水自发扰动后，由于副调节器在主蒸汽还没有明显变化时及时动作能及时消除它的影响而使主汽温很少变化。当主汽温度偏离给定值时，则由主调节器发出信号校正副调节器的给定值，通过副调节器控制执行机去操纵减温水调节阀门，使主汽温度最后恢执行机构复到给定值。当主汽温或超前汽温升高（或降低）时，要求减温水调节阀门开大（或关小），使汽温恢复到
13、给定值，即在信号关系上形成负反馈的闭环系统。 这就要求直接控制执行机的副调节器为正向作用。副调节器的作用方向首先确定，在主调节器输入偏差增大（或减小）时，要求主调节器的输出信号减小（或增大）因此主调节器的作用为反向作用。图六图六为过热汽温度调节在 DCS 系统实现的逻辑组态原理框图因为副调节器输出 2(t)直接控制执行机构，根据前面对单回路调节系统分析，对副调节器输出 2(t)范围应限制在 0-100%。以下分析系统发生积分饱和时主调节器的情况。当主信号测量值持续降低，低于设定值，主调节器输入偏差 e1(t)正向增大，主调节器在 PID 调节规律的作用下使 输出 1(t)增大，副调节器输入偏差
14、 e2(t)负向增大，副调节器在 PI 调节规律的作用下使输PID-+TRACK软手操DCS 系统伺服放大板执行机构系统切换为手动时主信号设定值主信号测量值-+PITRACK系统切换为手动时F(x)超前信号测量值主调节器副调节器出 2(t)减小，带动执行机构关小减温器阀门。如果这一扰动是由减温水量扰动引起，前面所说的调节过程将会使过热蒸汽温度恢复到给定值附近。但除了减温水量扰动，引起过热汽温度变化的扰动因素很多，不容易控制。如蒸汽流量、过剩空气系数、火焰中心位置、煤种的改变、燃烧工况、烟气温度和流速、炉膛受热面结焦和过热器积灰的变化等，都会使过热蒸汽温度发生变化。前面所说的扰动如果由于这些因素
15、的影响使过热蒸汽温度仍然向减小方向变化，副调节器输出 2(t)减到最小 0%，相 应执行机构位置反馈也下降至 0%，仍未能使过热蒸汽温度回升。于是主 调节器输出 1(t)继续负向增大，若此时减温器后超前信号变化较小，就使得副调节器输入偏差 e2(t)继续负 向增大的过程。副 调节器输出 2(t)却不再变化，只能依靠过热蒸汽系统调节对象的自平衡能力使过热蒸汽温度回升。过热 蒸汽温度这一回升过程的开始，由于主信号测量值仍低于设定值，所以主调节器输入偏差 e1(t)仍小于零，主调节器输出 1(t)仍将变小，副 调节器输入偏差 e2(t)继续负向增大。当过热蒸汽温度回升到等于或稍大于设定值，副调节器输
16、入偏差 e2(t)不会立即为正，必须经过一段时间，主调节器由于输入偏差 e1(t)大于零使输出 1(t)变小，副调节器输入偏差 e2(t)才会大于零，比例 -积分调节规律的作用才会使副调节器输出 2(t)增大，带动执行机构使减温器阀门开大。上述调节过程中那段调节反应时间的滞后也是由于与主、副调节器都相关的积分调节饱和引起的。要解决这一问题，必须在副调节器输出 2(t)达到下限后，限制副调节器输入偏差 e2(t)的持续减小过程。也就是限制此时主调节器输出 1(t)，而此时主信号测量值同设定值的偏差是客观存在，所以考虑此时让主调节器输出切换为跟踪值（即乘上系数后的超前信号的测量值）直到主调节器输入
17、偏差 e1(t)大于零。切换条件设计为 2(t)=0 与 e2(t)0 与 e1(t)0。系统组态经过这一改进后可以消除由于积分调节饱和引起的调节过程的滞后。通过机组实际运行时对调节系统的观察，发现修改后调节效果比较好，可以消除由于积分调节饱和引起的调节过程的滞后过程。对维持过热蒸汽温度的经济安全运行有利。上述对串级双冲量系统提出的积分调饱和对调节过程负面影响的解决思路对其它较复杂的调节系统如带氧量修正的送风调节系统也同样有效。3.3 协调控制中的汽机主控系统前面分析了单回路、串级回路等复杂控制回路等模拟量控制系统中积分饱和现象的发生及解决方法，在协调控制系统中我们也发现了类似的现象，不同于严
18、格意义上的积分调节规律，但从广义上看这些问题具有共性，解决问题的具体方法虽然不同，思路却相同。协调投入时 DEH 作为汽机主控系统的执行机构。通过 DEH 的计算出的流量指令 fdem 根据阀门流量开度特性输出开度指令的带动汽机各调门， 调节汽轮机的进汽量，以满足机组对负荷要求。DEH 系统逻辑根据来自汽机主控系统 CCS 增减信号修正流量信号REFMW1，经过一系列运算后形成 DEH 的流量指令 fdem。汽机主控系统逻辑组态原理简图如图七。我厂 4 机组（110MW 机组）DCS 改造后投运初期发现在投入协调，汽机基本自动方式时，有时会出现负荷在 100-110MW 左右， CCS 增减信
19、号发生对机组功率调节长时间不起作用的情况。通过对历史趋势的分析发现，这种情况是由于锅炉主汽压较低，图七高调门阀门开度已经达到最大，实际负荷仍不能达到负荷给定值。当阀门已开展后，CCS 增量信号仍继续向高调门指令信号 REFMW1 中叠加。如图十所示指令信号就产生了一段空积分行程,在这一空行程中调门开度将维持不变，机组实际负荷也将维持不变。锅炉主汽压偏低使 DEH 调门开度最大，汽机主控系统 CCS 增信号发生却无法满足升高机组负荷的要求，并且在机组负荷由于锅炉主汽压等其它原因而升高并超出给定负荷后， CCS 减信号虽发 生却未能及时关调门，使负荷升高甚至超过正常值。于是由于 CCS 增减信号的
20、无效累加引起的类似积分饱和作用造成机组负荷短时间内失控。情况如图八。功率回路MWT TRACK（跟踪）T压力回路锅炉基本PtH/LDEH 非遥控汽机主控指令F(x)REFMW1-+REFDMD（DEH 来负荷参考）CCS 增 CCS 减TREFMW1（DEH 来负荷参考）图八解决此问题，根据前面的分析，必须在调节机构开度达到最大后限制调节指令继续增加。于是我们考虑，在汽机主控系统的逻辑组态中增加了 DEH 高调门开度达到最大时禁止 CCS 增加指令的发生的逻辑。实践证明这一改动效果不错，解决了积分饱和在这种工况下的负面影响的问题。4.结束语随着计算机技术的日益普及和应用，在分散控制系统中对热工自动控制策略进行修改和完善，完成在常规仪表控制系统中很难实现的复杂控制，已不再是件困难的事。本文阐述的积分饱和在热工自动调节系统的发生、影响问题及解决只是其中一种小小尝试。分散控制系统对控制策略的完善有着巨大的潜力，等待我们去发现。Refmw1f(t)tfdem
