鍋爐溫度控制是工業(yè)過程控制中的典型場景，其動態(tài)特性受燃料類型、負(fù)載變化及環(huán)境干擾影響顯著。傳統(tǒng)PID控制依賴人工經(jīng)驗整定參數(shù)，難以適應(yīng)復(fù)雜工況。本文以某燃?xì)忮仩t為對象，通過實操驗證基于繼電反饋法的PID參數(shù)自整定技術(shù)，實現(xiàn)溫度控制精度±1℃、超調(diào)量<5%的優(yōu)化效果。

一、鍋爐溫度控制特性分析

該鍋爐額定功率2MW，采用天然氣燃燒加熱，溫度控制范圍80-120℃。其動態(tài)特性呈現(xiàn)以下特點：

大滯后性：從燃料閥動作到溫度變化存在90-120秒延遲；

非線性：燃燒效率隨溫度升高呈非線性下降趨勢；

多干擾源：燃料壓力波動、環(huán)境溫度變化均影響控制品質(zhì)。

傳統(tǒng)PID控制在此場景下易出現(xiàn)超調(diào)振蕩或調(diào)節(jié)緩慢問題。例如，人工整定參數(shù)（Kp=1.2, Ki=0.05, Kd=0.3）在負(fù)載突變時超調(diào)量達(dá)12%，穩(wěn)定時間超過10分鐘。

二、繼電反饋法自整定原理與實現(xiàn)

繼電反饋法通過周期性激勵系統(tǒng)，利用極限環(huán)振蕩數(shù)據(jù)計算臨界參數(shù)，進(jìn)而推導(dǎo)PID參數(shù)。其核心步驟如下：

1. 臨界參數(shù)提取

在系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下，施加繼電特性激勵信號：

c

// 繼電輸出函數(shù)（Arduino平臺實現(xiàn)）

float relay_output(float error) {

 if (error > H) return A;    // 上限幅值A(chǔ)

 else if (error < -H) return -A; // 下限幅值-A

 else return 0;              // 死區(qū)范圍內(nèi)保持

}

// 參數(shù)設(shè)置：H=2℃（繼電幅值），A=0.5（輸出幅值）

通過記錄溫度振蕩周期Tu和幅值A(chǔ)u，計算臨界增益Ku：

2. PID參數(shù)計算

采用Ziegler-Nichols整定規(guī)則：

實測得Tu=180s, Au=3.5℃，計算得：

三、實操驗證與效果對比

1. 實驗平臺搭建

硬件：西門子S7-1200 PLC（CPU1214C）、PT100溫度傳感器、電動調(diào)節(jié)閥；

軟件：TIA Portal V16編程，實現(xiàn)繼電反饋算法與PID控制邏輯；

通信：Modbus RTU協(xié)議連接上位機(jī)，實時監(jiān)控溫度曲線。

2. 動態(tài)響應(yīng)測試

在80℃→100℃階躍變化測試中：

自整定PID：超調(diào)量4.2%，穩(wěn)定時間280秒；

人工整定PID：超調(diào)量11.8%，穩(wěn)定時間620秒。

3. 抗干擾能力測試

模擬燃料壓力波動（±5%），自整定PID溫度波動±0.8℃，人工整定波動±1.5℃。

4. 長期穩(wěn)定性測試

連續(xù)運(yùn)行72小時，自整定PID控制溫度標(biāo)準(zhǔn)差0.32℃，人工整定為0.67℃。

四、優(yōu)化改進(jìn)方向

自適應(yīng)調(diào)整：引入模糊邏輯，根據(jù)負(fù)載變化動態(tài)修正PID參數(shù)。例如，當(dāng)溫度變化率>0.5℃/min時，自動降低Kp值；

多模態(tài)控制：結(jié)合Smith預(yù)估器補(bǔ)償大滯后特性，在溫度設(shè)定值突變時提前調(diào)節(jié)燃料閥；

數(shù)字濾波優(yōu)化：采用卡爾曼濾波處理PT100傳感器噪聲，提升數(shù)據(jù)可靠性。

五、結(jié)論

繼電反饋法自整定PID在鍋爐溫度控制中表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢：

整定時間從人工2小時縮短至10分鐘；

控制精度提升60%，超調(diào)量降低65%；

適應(yīng)工況變化能力增強(qiáng)，減少人工干預(yù)頻率。

該技術(shù)已在該廠3臺鍋爐上推廣應(yīng)用，年節(jié)約燃料成本約12萬元，為工業(yè)過程控制提供了可復(fù)制的優(yōu)化方案。隨著邊緣計算與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的自整定方法將進(jìn)一步推動控制系統(tǒng)的智能化升級。