PID参数自整定在锅炉温度控制系统中的实操验证

锅炉温度控制是工业过程控制中的典型场景，其动态特性受燃料类型、负载变化及环境干扰影响显著。传统PID控制依赖人工经验整定参数，难以适应复杂工况。本文以某燃气锅炉为对象，通过实操验证基于继电反馈法的PID参数自整定技术，实现温度控制精度±1℃、超调量<5%的优化效果。

一、锅炉温度控制特性分析

该锅炉额定功率2MW，采用天然气燃烧加热，温度控制范围80-120℃。其动态特性呈现以下特点：

大滞后性：从燃料阀动作到温度变化存在90-120秒延迟；

非线性：燃烧效率随温度升高呈非线性下降趋势；

多干扰源：燃料压力波动、环境温度变化均影响控制品质。

传统PID控制在此场景下易出现超调振荡或调节缓慢问题。例如，人工整定参数（Kp=1.2, Ki=0.05, Kd=0.3）在负载突变时超调量达12%，稳定时间超过10分钟。

二、继电反馈法自整定原理与实现

继电反馈法通过周期性激励系统，利用极限环振荡数据计算临界参数，进而推导PID参数。其核心步骤如下：

1. 临界参数提取

在系统稳定状态下，施加继电特性激励信号：

c

// 继电输出函数（Arduino平台实现）

float relay_output(float error) {

 if (error > H) return A;    // 上限幅值A

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

 else return 0;              // 死区范围内保持

}

// 参数设置：H=2℃（继电幅值），A=0.5（输出幅值）

通过记录温度振荡周期Tu和幅值Au，计算临界增益Ku：

2. PID参数计算

采用Ziegler-Nichols整定规则：

实测得Tu=180s, Au=3.5℃，计算得：

三、实操验证与效果对比

1. 实验平台搭建

硬件：西门子S7-1200 PLC（CPU1214C）、PT100温度传感器、电动调节阀；

软件：TIA Portal V16编程，实现继电反馈算法与PID控制逻辑；

通信：Modbus RTU协议连接上位机，实时监控温度曲线。

2. 动态响应测试

在80℃→100℃阶跃变化测试中：

自整定PID：超调量4.2%，稳定时间280秒；

人工整定PID：超调量11.8%，稳定时间620秒。

3. 抗干扰能力测试

模拟燃料压力波动（±5%），自整定PID温度波动±0.8℃，人工整定波动±1.5℃。

4. 长期稳定性测试

连续运行72小时，自整定PID控制温度标准差0.32℃，人工整定为0.67℃。

四、优化改进方向

自适应调整：引入模糊逻辑，根据负载变化动态修正PID参数。例如，当温度变化率>0.5℃/min时，自动降低Kp值；

多模态控制：结合Smith预估器补偿大滞后特性，在温度设定值突变时提前调节燃料阀；

数字滤波优化：采用卡尔曼滤波处理PT100传感器噪声，提升数据可靠性。

五、结论

继电反馈法自整定PID在锅炉温度控制中表现出显著优势：

整定时间从人工2小时缩短至10分钟；

控制精度提升60%，超调量降低65%；

适应工况变化能力增强，减少人工干预频率。

该技术已在该厂3台锅炉上推广应用，年节约燃料成本约12万元，为工业过程控制提供了可复制的优化方案。随着边缘计算与工业物联网技术的发展，基于数据驱动的自整定方法将进一步推动控制系统的智能化升级。