热控第一章_热工自动化基础课件

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1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,,*,,,North China Electric Power University,第一章 热工自动化基础,,§1.1 概 述,§1.2 热工被控对象,§1.3 变送器,§1.4 执行器,§1.5 典型输入信号与控制系统的性能指标,§1.6 调节器和控制规律,§1.7 热工系统的主要控制方式,1,,第一章 热工自动化基础§1.1 概 述1,,§1.1,概 述,2,,§1.1 概 述2,,生产过程自动化是保持生产稳定、降低成本、改进劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段。,

2、,自动化水平是衡量一个国家的生产技术和科学水平先进与否的一项重要标志。电力工业中电厂热工过程自动化技术相对于其它民用工业部门有较长的历史和较高的自动化水平，电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志。,,在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。,所谓,自动控制,，是指,在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象（如机器设备、生产过程等）自动地按照预定的规律运行,。,3,,生产过程自动化是保持生产稳定、降低成本、改进劳,一、自动控制系统的组成,,,把工业生产过程中的温度、压力、液位、浓度等状态参数作为被控参数的控制系统叫,过程控制系统,。

3、,图1-1 锅炉汽包水位人工控制示意图,,任务：,保证锅炉的安全运行，使汽包的水位稳定在一定的范围内。,图1-2 人工控制原理图,4,,一、自动控制系统的组成图1-1 锅炉汽包水位人工控制示意图,图1-3 汽包水位自动控制系统示意图,用自动化装置代替上述人工操作来完成控制任务，就形成了自动控制系统。,图1-4 汽包水位自动控制原理框图,5,,图1-3 汽包水位自动控制系统示意图 用自动,自动控制系统可以由以下几个部分组成：,,测量变送器：,,用来测量被调量，并把被调量转换为与之成比例的某种便于传递和综合的信号。,,给定元件：,用来设置被调量的给定值或与该给定值对应的电信号

4、。,,调节器：,接受被调量信号和给定值比较后的偏差信号，输出一定规律的控制指令给执行器。,6,,自动控制系统可以由以下几个部分组成： 调节器：接,执 行 器：,根据调节器送来的控制指令去推动调节机构，改 变调节量。,,调节机构：,接受控制作用去改变调节量变化的具体设备。,,控制对象：,被控制的热工生产过程或设备。,,被 调 量：,表征热工过程是否符合规定工况的物理量。,,扰 动：,,生产过程中引起被调量偏离给定值的各种因素。,,调 节 量：,由控制作用来改变并去控制被调量变化的物理量。,7,,执 行 器：根据调节器送来的控

5、制指令去推动调节机构，改,二、自动控制系统的分类,,1．按控制方式分类,,,闭环控制系统,（也称反馈控制系统）：它的被控量信号反馈到控制设备的输入端，成为控制设备生产控制作用的依据。只要被控量与给定量之间有偏差，控制设备就要对控制对象施加作用，直到被控量符合要求为止。,特点:基于偏差，消除偏差，可克服各种扰动对被控量的影响。由于控制作用落后于干扰，因此相对来讲控制不及时。,8,,二、自动控制系统的分类8,开环控制系统,（也称前馈控制系统）：,控制设备和控制对象在信号关系上没有形成闭合回路的控制系统，其被控量没有反馈到控制设备的输入端。,特点: 按扰动进行控制，结构简单，精度差，只能克服单一扰动

6、。,,复合控制系统：,开环控制和闭环控制组合的一种控制系统。,9,,开环控制系统（也称前馈控制系统）：9,2．按闭合回路的数目分类,,,单回路控制系统,：,只有一个被控量信号反馈到控制器的输入端。形成一个闭合回路。,图1-5 单回路控制系统的原理框图,10,,2．按闭合回路的数目分类图1-5 单回路控制系统的原理框图,,多回路控制系统,：,具有一个以上的闭合回路，控制器(调节器)除接受被控量反馈信号外，还有另外的输出信号直接或间接地反馈到控制器的输入端。例如串级控制系统和导前微分控制系统都是双回路控制系统。,图1-6 串级控制系统的原理框图,11,,多回路控制系统：具有一个以上的闭合回路

7、，控制,3．按给定值分类,,,恒值控制系统,：,给定值保持不变，从而被控量也相应保持不变，主要矛盾是克服扰动对被控量的影响，最终使被控量与给定值相等。,主要的热工控制系统，如：给水控制系统、再热汽温控制系统等。,,12,,3．按给定值分类12,随动控制系统：,给定值按预先不能确定的一些随机因素而变化。因而被调量也跟随给定值而随机变化。,,例如：单元机组负荷控制系统；军事上的火炮跟踪系统；导弹预测拦截系统。,,程序控制系统：,给定值按已知的时间函数变化。控制的任务是使被控量尽快与给定值相等。,例如：汽轮机自动启停系统TAS：汽轮机启动过程中，要求汽轮机的转速按一定程序升降等；炉膛吹灰系统等。,1

8、3,,随动控制系统：给定值按预先不能确定的一些随,三、主要自动化系统,1. SIS：厂级实时监控信息系统,（Supervisory Information System in Plant Level，简称SIS）,SIS是发电厂的生产过程自动化和电力市场交易信息网络化的中间环节，是发电企业实现发电生产到市场交易的中间控制层，是实现生产过程控制和生产信息管理一体化的核心，是承上启下实现信息网络的控制枢纽。,♦ 实现全厂生产过程监控,,♦,实时处理全厂经济信息和成本核算,,♦,,竞价上网处理系统,,♦,,实现机组之间的经济负荷分配,,♦,,机组运行经济评估及运行操作指导,,14,,三、主要自动化

9、系统14,2. AGC：自动发电控制系统,（automatic generation control System，AGC）,由于调速器为有差调节，因此对于变化幅度较大、周期较长的变动负荷分量，需要通过改变汽轮发电机组的同步器来实现，即通过平移调速系统的调节静态特性，从而改变汽轮发电机组的出力来达到调频的目的，称为二次调整。,当二次调整由由电网调度中心的能量管理系统来实现遥控自动控制时，则称为自动发电控制（AGC）。,,3. BPS：旁路控制系统,（bypass control system，BPS）,大型中间再热式机组一般都设置旁路热力系统，其目的是在机组启、停过程中协调机、炉的动作，回收

10、工质，保护再热器等。完备的旁路控制系统是充分发挥旁路系统功能的前提。,15,,2. AGC：自动发电控制系统（automatic gene,4. CCS：单元机组协调控制系统,（coordination control system，CCS）,协调控制是基于机、炉的动态特性，应用多变量控制理论形成若干不同形式的控制策略，在机、炉控制系统基础上组织的高一级机、炉主控系统。它是单元机组自动控制的核心内容。,,5. FSSS：锅炉炉膛安全监控系统,（furnace safeguard supervisory system，FSSS）或称燃烧器管理系统（burner management syst

11、em，BMS）,,炉膛安全监视系统包括炉膛火焰监视，炉膛压力监视，炉膛吹扫，自动点火，燃烧器自动切换，紧急情况下的主燃料跳闸等。,16,,4. CCS：单元机组协调控制系统（coordinatio,6. SCS：顺序控制系统,（sequence control system）,,按照生产过程工艺要求预先拟定的顺序，有计划、有步骤、自动地对生产过程进行一系列操作的系统，称之为顺序控制系统。顺序控制也称程序控制，在发电厂中主要用于主机或辅机的自动启停程序控制，以及辅助系统的程序控制。,7. DAS：数据采集系统,（data acquisition system）,,又称为计算机监控系统，其基

12、本功能是对机组整个生产过程参数进行在线检测，经处理运算后以CRT画面形式提供给运行人员。该系统可进行自动报警，制表打印，性能指标计算，事件顺序记录，历史数据存储以及操作指导等。,,17,,6. SCS：顺序控制系统（sequence contro,8. DEH：汽轮机数字电液控制系统,（digital electric hydraulic system）,汽轮机数字电液控制系统是汽轮发电机组的重要组成部分，除完成汽轮机转速、功率及机前压力的控制外，还可实现机组启停过程及故障时的控制和保护。,,18,,8. DEH：汽轮机数字电液控制系统（digital el,四、一些重要的基本概念,1.

13、数学模型,：,描述控制系统变量（物理量）之间动态关系的数学表达式。常用数学模型有,微分方程,，,传递函数,，,结构图,，,信号流图,，,频率特性,以及,状态空间描述,等。,例如对一个微分方程，若已知初值和输入值，对微分方程求解，就可以得出输出量的时域表达式。据此可对系统进行分析。所以,建立控制系统的数学模型,是对,系统进行分析,的第一步也是最重要的一步。,19,,四、一些重要的基本概念1.数学模型：描述控制系统变量（物理量,2.传递函数,：,线性定常系统在零初始条件下输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。,,设线性定常系统可以由下述,n,阶线性常微分方,程描述：,,式中：,c(t),是系统输

14、出量，,r(t),是系统输入量，,a,和,b,是与系统结构和参数有关的常系数。,,20,,2.传递函数：线性定常系统在零初始条件下输出量的拉氏变换与输,设,r(t),和,c(t),及其各阶系数在,t=0,时的值均为零，即零初始条件，则对上式中各项分别求拉氏变换，并令,C(s),＝,L[c(t)],，,R(s)=L[r(t)],，可得,s,的代数方程为：,于是，由定义得系统,传递函数为,：,21,,设r(t)和c(t)及其各阶系数在t=0时的值均,传递函数,是研究线性系统动态特性的重要工具，利用这一工具，可以大大简化对,系统动态性能的分析过程,。例如对于初始条件为零的系统，不必先解微分方程，而是

15、直接根据系统传递函数的某些特征，利用传递函数的零点和极点来研究系统的性能。另一方面也可以把对系统性能的要求，转换成对传递函数的要求，从而为,系统的设计提供简便的方法,。,,3.,方框图,：,表示变量之间数学关系的流程图称为函数结构图或方框图。,方框图的组成元素：,方框、信号线、比较点、分支点,,22,,传递函数是研究线性系统动态特性的重要工具，利用这一工,,§1.,2 热工被控对象,23,,§1.2 热工被控对象23,一、了解对象动态特性的意义,,,1. 热工对象是热工自动控制系统的重要组成部分，要设计一个合理的控制系统，必须了解对象的动态特性；,2. 要确定出控制器的最佳整定参数，也必须了解

16、对象的动态特性；,3. 了解对象的动态特性，还可以对新设计的工艺设备提出要求，使之满足所需要的动态特性，为设计满意的控制系统创造先决条件。,24,,一、了解对象动态特性的意义 24,二、相关概念,1. 对象的动态特性:,,就是对象的某一输入量变化时，其被控参数随时间变化的规律。其取决于工艺设备的结构、运行条件和内部物理的（或化学的）过程。,2. 理论建模：,可以用机理分析的方法导出对象的动态特性；,3. 实验建模：,用实验的方法获取对象的动态特性，是工程中常用的建模方法，目前有时域法、频域法和相关统计法等。,4. 时域法：,在对象的输入端加一阶跃扰动，记录响应曲线，经数据处理求得对象的传递函数

17、，这种方法的特点是简单实用，因此为工程中所广泛采用。,25,,二、相关概念25,,5. 频域法：,用通过实验求得对象的频率特性来研究对象的动态特性。但对一些惯性大的对象则因试验时间很长而影响生产的正常进行，因此，这种频域法用的较少。,6. 相关统计法：,是在对象的输入端加一伪随机信号，用相关计算求得对象的脉冲响应函数，这种方法的最大优点是不影响生产，因而越来越受到人们的重视。,26,,5. 频域法：用通过实验求得对象的频率特性来研究对象的动态,三、影响对象动态特性的结构性质,,影响对象动态特性的主要特征参数有容量系数、阻力和传递延迟，称为大多数对象所共有的结构性质。,1、容量系数,,衡量对象储

18、存物质（或能量）能力的一个特征参数。,2、阻力,,物质（或能量）在传输过程中总是要遇到或大或小的阻力，因此需给予推动物质（或能量）流动的压差（如电位差、水位差、温度差等）,。,,对象的自平衡：,不需要外来作用只依靠对象自身来恢复平衡的现象。显然，对象的阻力使之在动态过程中表现出自平衡能力。,,,27,,三、影响对象动态特性的结构性质 影响对象动态特,,,,3、迟延,,迟延分为纯迟延和容积迟延。,被调量的变化时刻落后于扰动发生时刻的现象称为对象的传递迟延。由于迟延是物质（或能量）在传输过程中因传输距离的存在而产生，所以又称为,传输迟延或纯迟延,。,在设计主设备及其控制系统时，应尽量

19、避免或减小对象的传输迟延。,,28,,3、迟延 在设计主设备及其控制系,,水箱2,Q,0,h,1,,,水箱1,Q,1,Q,2,h,2,R,1,R,2,图1-7 有自平衡能力双容对象示意图,,,图1-8 双容水箱被控对象动态特性分析,由响应曲线可见,水箱1的惯性,使得水箱2的水位变化在时间上落后于扰动量，对象特性的这种迟延称为,容积迟延,。,29,,水箱2Q0h1水箱1Q1Q2h2R1R2图1-7 有自平衡能,1. 有自平衡能力对象：,不需要外来作用只依靠对象自身来恢复平衡，具有这种能力的被控对象。,四、热工对象的动态特性,,30,,1. 有自平衡能力对象：不需要外来作用只依靠对象

20、自身来恢复平,2. 无自平衡能力对象：,在受到扰动后，其被调量不能依靠对象自身能力使之趋于某一稳定值，而不管对象的容积多少及容量系数的大小。,31,,2. 无自平衡能力对象：在受到扰动后，其被调量不能依靠对象自,热工对象具有以下特点：,,（1）被调量的变化大多是不振荡的。,（2）被调量在干扰发生的开始阶段有迟延和惯性。,（3）在响应曲线的最后阶段，被调量可能达到一个新的平衡状态（对象有自平衡能力），也可能不断变化而无法进入平衡状态（对象无自平衡能力）。,（4）描述对象动态特性的特征参数有：放大系数 、时间常数、迟延时间。,,32,,热工对象具有以下特点：32,五、阶跃响应曲线求取对象传递函数,

21、,时域法是目前应用最多的一种方法，其主要内容是：给对象人为加一阶跃扰动，记录下响应曲线，然后根据该响应曲线求取对象的传递函数。,由阶跃扰动作用下的对象的动态特性为阶跃响应曲线，即飞升曲线。阶跃响应曲线能比较直观的反映对象的动态特性；其次特征参数直接取自记录曲线而无需经过中间转换，试验方法也很简单。,1、阶跃响应曲线的测定,,在系统处于稳定工况下通过手动或摇控装置使调节阀作一次阶跃变化；与此同时，记录表记录下扰动量和被调量的变化过程。,,33,,五、阶跃响应曲线求取对象传递函数 时域法是目,,,,,,,,,,（1）扰动量的确定。,扰动量应足够大，减小其它干扰信号对测试结果的相对影

22、响。然而扰动量又不宜过大，过大的扰动量会使对象本身的非线性因素增大，有时还会影响生产设备的正常运行。通常，扰动量一般为对象额定负荷下的10%～15%,。,（2）试验前应将对象调整到所需工况，并保持稳定运行一段时间。,如果作负荷上升扰动试验，则应将对象输出调整到允许变动范围的下限值（或上限值）；反之，则应将对象输出调整到允许变动范围的上限值（或下限值）。,（3）扰动加入时应尽量的快。,设扰动开始到结束所花时间为 ，在处理试验数据时一般认为扰动是在,时刻加入的。,34,,（1）扰动量的确定。扰动量应足够大，减小其它干扰信号对测试结,（4）要仔细记录阶跃响应曲线的起始部分，,因为这一部分数据的准

23、确性对确定对象动态特性参数的影响很大。对有自平衡能力对象，试验过程应在输出信号达到新的稳定值时结束。,（5）试验应在主要运行工况下（如额定负荷、平均负荷）进行，,每一工况下应重复几次，至少要得到两条基本相同的曲线，以消除偶然性干扰的影响。,（6）应进行正反两个方向的试验,，,以检验对象的非线性。线性对象在正向扰动和反向扰动下，两条响应曲线应该是一样的。,35,,（4）要仔细记录阶跃响应曲线的起始部分，因为这一部分数据的准,无迟延一阶对象,在阶跃扰动下，,其传递函数形式为：,,C(0),C(∞),T,M,0.632c(∞),特征参数,T,和,K,可在阶跃响应曲线上作图求取,:,(1).作稳态值的

24、渐近线,C,(,,)，则,:,(2).作响应曲线起始点的切线交,C,(,,)线于,M,，则线段,OM,在时间轴上的投影为时间常数,T,。,,响应曲线起始点的切线有时作不准，此时,可在响应曲线上找出c(t1)=0.632c(∞)的时间t1，则,T,＝t1.,2、有自平衡对象传递函数的求取,（一）切线法,36,,无迟延一阶对象在阶跃扰动下，C(0)C(∞)TM0.632c,,,图1-9 有自平衡能力被控对象阶跃响应曲线,,有自平衡能力被控对象,的传递函数,37,,图1-9 有自平衡能力被控对象阶跃响应曲线有自平衡能力被控,,38,,38,（二）两点法,（1）以有自平衡能力二阶对象为例，其传

25、递函数为：,,,图1-10 有自平衡能力二阶被控对象阶跃响应曲线,39,,（二）两点法 （1）以有自平衡能力二阶对象为例，其传递函数为,,,,,,,（a）,（b）,（c）,40,,（a）（b）（c）40,（2）以有自平衡能力高阶被控对象为例：,,,,,,41,,（2）以有自平衡能力高阶被控对象为例：41,无自平衡能力对象的传递函数形式为：,,由图可以看出，有自平衡能力和无自平衡能力的对象的阶跃响应曲线区别在于曲线的后部，前者曲线趋一条不变的水平线，而后者曲线趋于一条不断上升的直线。,,3、无自平衡对象传递函数的求取:,,,图1-11 无自平衡能力被控对象阶跃响应曲线,42,,无自平衡能力对

26、象的传递函数形式为： 由图可以看,,,,,,当 时，即阶次 时：无自平衡能力被控对象传递函数可以简化为：,,43,,当 时,4、求对象传递函数的半对数法,,一种图解法，它利用试验测得的阶跃响应曲线数据画出半对数坐标图，然后由半对数坐标图求出对象的时间常数。,,,综上所述，对象的传递函数大多用有迟延一阶惯性环节或二阶惯性环节来近似，传递函数的阶次一般不高于三阶。对无自平衡对象常用积分环节和一阶惯性环节串联来描述。,,44,,4、求对象传递函数的半对数法44,,§1.3 变送器,4

27、5,,§1.3 变送器45,,一、定义,,变送器是将各种工艺变量（如温度、压力、流量、液位）和电、气信号（如电压、电流、频率、气压等信号）转换成相应的便于传输的统一标准信号的装置。,基于反馈原理工作，包括测量部分（即输入转换部分）、放大器和反馈部分。,如：差压变送器、温度变送器。,46,,一、定义46,二、变送器特性,被测变量上限,被测变量下限,输出信号上限,输出信号下限,变送器,k,如：温度变送器的输入量程为400~600ºC,输出范围为4-20mA,47,,二、变送器特性被测变量上限被测变量下限输出信号上限输出信号下,目的是使变送器输出的上限与测量范围的上限相对应。,♦,适用于大范围物理

28、量的测量；,♦,正确选择测量范围；,图1-12 量程调整原理图,三、量程调整,48,,目的是使变送器输出的上限与测量范围的上限相对应。图1-12,零点迁移原理图,四、零点调整,,使变送器的测量起始点为零。,五、零点迁移,,把测量起始点由零迁移到某一值。,49,,零点迁移原理图四、零点调整49,差压变送器精度为0.5级，量程为 0～10 Kpa，被测差压范围是6～10KPa；,调整前：,变送器输出最大误差为： 10 x 0.5% = 0.05 Kpa (50 Pa)；,调整后（零点迁移，迁移量6KPa，量程为 4 KPa）；,变送器输出最大误差为： 4 x 0.5% = 0.02 Kpa (2

29、0 Pa)；,,50,,差压变送器精度为0.5级，量程为 0～10 Kpa，被测差压,,§1.4 执行器,51,,§1.4 执行器51,一、定义,,执行器在现代生产过程自动化中起着十分重要作用。人们常把它称为实现生产过程自动化的“手足”。,在自动控制系统中接受调节器的控制信号，自动地改变操作变量，达到对被调参数（如温度、压力、液位等）进行调节的目的，使生产过程按预定要求正常进行。,,执行器根据执行机构使用的工作能源不同可分为三大类：气动执行器、电动执行器、液动执行器,。,52,,一、定义52,,1、气动执行器,以压缩空气为能源的执行器。,主要特点：结构简单，输出推力大、动作可靠、性能稳定、维护

30、方便、价格便宜、本质安全防爆等。它不仅能与气动调节仪表配套使用，还可通过电／气转换器或电／气阀门定位器与电动调节仪表或工业控制计算机配套使用。,因此，广泛用于化工、石油、冶金、电力等工业部门。在目前的实际应用中气动执行器的使用数量约为90％。,53,,1、气动执行器53,2、电动执行器,以电为能源的执行器。,主要特点：能源取用方便，信号传输速度快，传送距离远；便于集中控制；停电时执行器保持原位不动，不影响主设备的安全；灵敏度和精度较高；与电动调节仪表配合方便，安装接线简单。缺点是结构复杂、体积较大、推力小、价格贵，平均故障率高于气动执行器。适用于防爆要求不高及缺乏气源和使用数量不太多的场合。,

31、,,3、液动执行器,,使用较少。,54,,2、电动执行器54,二、执行器特性,输入信号上限,输入信号下限,输出信号上限,输出信号下限,执行器,k,55,,二、执行器特性输入信号上限输入信号下限输出信号上限输出信号下,例如：,电／气转换器是电动单元组合仪表中的一个转换单元，它能将电动控制系统的标准信号（0～10mA DC或 4～20mA DC）转换为标准气压信号（0.2×10,5,～1.0×10,5,Pa或 0.4×10,5,～2.0×10,5,Pa）。,,,56,,例如：56,,§,1.5 典型输入信号与控制系统的性能指标,57,,§1.5 典型输入信号与控制系统的性能指标57,一、典型输入信

32、号：,,（1）阶跃函数,,,,图1-13 阶跃函数,,,阶跃函数的数学表达式,阶跃函数的拉普拉斯变换,或,,一、典型输入信号：图1-13 阶跃函数阶跃函数的数学表达式阶,,,图1-14,斜坡函数,（2）斜坡函数,斜坡函数的数学表达式,斜坡函数的拉普拉斯变换,,,,或,59,,图1-14 斜坡函数（2）斜坡函数斜坡函数的数学,,（,a,） 方波函数 （,b,）脉冲函数,,图1-15,方波函数和脉冲函数,（3） 方波函数和脉冲函数,单位脉冲函数的拉普拉斯变换,,60,,（a） 方波函数,,图1-16,正弦函数,（4） 正弦函数,,正

33、弦函数的数学表达式,,正弦函数的拉普拉斯变换,,61,,图1-16 正弦函数（4） 正弦函数正弦函数的数学表达式,（一）静态和动态的概念。,,,静态,：,被控参数不随时间而变化的平衡状态叫静态或稳态。,,动态,：,被控参数随时间而变化的不平衡状态叫动态。,（二）控制系统在受到干扰作用时的过渡过程,,控制的过程就是克服干扰的过程。一个系统的优劣在稳态下难以判别，只有在过渡过程中才能得以鉴别。,二、几种典型的过渡过程,62,,（一）静态和动态的概念。 控制的过程就是克服,,（a）非振荡过程；（b）衰减振荡过程；（c）等幅振荡过程；（d）发散振荡过程,,图1-17,调节过程响应曲

34、线的基本形式,63,,（a）非振荡过程；（b）衰减振荡过程；（c）等幅振荡过程；（,三、控制系统的性能指标,（一）控制系统的评价,,稳定性、准确性、快速性,1、稳定性,,指控制系统在受到干扰作用后，系统的平衡被破坏，在控制设备的控制作用下，控制系统能恢复到一个新的平衡状态，称为稳定的控制系统。稳定的控制系统的被控参数和控制参数的过渡过程曲线最后趋于平衡；不稳定的控制系统过渡过程曲线则是渐扩的，无法恢复平衡。,三、控制系统的性能指标（一）控制系统的评价,稳定程度可以用,衰减率,这个指标来衡量,,式中:,被控参数从新稳定值算起的第一波峰值。,被控参数从新稳定值算起的第三波峰值。,衰减率和系统稳定性

35、之间的关系,过渡过程为,非周期,过程,过渡过程为,等幅振荡,过程,过渡过程为,衰减振荡,过程,,过渡过程为,发散振荡,过程,65,,稳定程度可以用衰减率这个指标来衡量 式中:被控参数从新稳定值,2、准确性,,指被控参数的实际值与给定值之间的动态偏差和静态偏差。最大动态偏差是指整个过渡过程中被控参数偏离给定值的最大差值；静态偏差是过渡过程结束后被控参数与给定值之间的差值。,现场中希望两个偏差越小越好。,3、快速性,,指过渡过程的持续时间，即从干扰发生起至被控参数又建立新的平衡状态为止的过渡时间。一般认为被控参数进入偏离给定值范围内就基本稳定了。当然，过渡时间越短，控制过程进行的就越快，系统品质也

36、就越好。,,以上三方面的品质指标有时往往是相互矛盾的，在实际调试过程中应统筹兼顾！,66,,2、准确性66,♦,稳态误差：如果在稳态时，系统的输出量与输入量不能完全吻合，就认为系统有稳态误差。这个误差表示系统的准确度。,♦,稳态特性：稳态误差是系统控制精度或抗扰动能力的一种度量。,（二）稳态性能指标,67,,♦ 稳态误差：如果在稳态时，系统的输出量与输入量不能完全吻,,（三）动态性能指标,,,,,,68,,（三）动态性能指标68,,,峰值时间 （Peak Time）：,响应曲线达到过调量的第一个峰值所需要的时间。,评价系统的响应速度；,,延迟时间 ：,（Delay

37、Time）响应曲线第一次达到稳态值的一半所需的时间。,,,评价系统的响应速度；,评价系统的响应速度；,,上升时间,（Rise Time）响应曲线从稳态值的10%上升到90%，所需的时间。上升时间越短，响应速度越快,69,, 峰值时间 （Peak Time）：评价系统的响应,,调节,时间 （Settling Time）: 响应曲线达到并永远保持在一个允许误差范围内，所需的最短时间。允许误差范围一般是稳态值的百分数（通常取5%或2%）。,同时反映响应速度和阻尼程度的综合性指标。,,⑤,超调量 （Maximum Overshoot）：指响应的最大偏离量h(tp)于终值之

38、差的百分比，即,70,, 调节时间 （Settling Time）: 响应曲,,§1.6 调节器和控制规律,71,,§1.6 调节器和控制规律71,,一、常规PID控制规律,,,常规PID控制即比例-积分-微分控制规律。,72,,一、常规PID控制规律72,,,,1、,比例调节规律,指调节器输出的控制作用,u,（,t,）与其偏差输入信号,e,(,t,)之间成比例关系，即,比例增益,,比例调节器的传递函数：,,工程中，常用比例带δ来描述其控制作用的强弱，即,其物理意义是在调节机构的位移改变时，被调量应有的改变量。,,73,,1、比例调节规律比例增益 比例调节器的传递函数： 工,,,比例调

39、节器的阶跃响应曲线如下:,δ对控制过程的影响,,图1-18 比例作用曲线,74,,比例调节器的阶跃响应曲线如下:δ对控制过程的影响 图1-18,结论：,,比例带大，则调节阀动作幅度小，被调量变化平稳，超调量小，但残差较大，静态偏差随比例带的加大而加大；,减小比例带导致系统激烈振荡甚至不稳定，比例带设置必须有一定的稳定裕度。,比例调节规律的特点：,,（1）动作快，调节及时、迅速； （2）对干扰有很强的抑制作用；（2）调节过程结束，被调量偏差仍存在，存在静态偏差，称为有差调节。,75,,结论：比例调节规律的特点：75,,,2、积分调节规律,,积分调节规律是调节器输出控制作用,u,（,t,）与其偏

40、差输入信号,e,（,t,）随时间的积累值成正比，即,,传递函数：,,积分时间,,图1-19 积分作用曲线,特点：,,只要偏差存在，积分控制作用一直增加；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,。,,76,,2、积分调节规律传递函数： 积分时间 图1-1,,图1-20 T,i,对控制过程的影响,,积分调节器的积分时间对控制过程的影响,,非周期过程,衰减振荡过程,,等幅振荡过程,,77,,图1-20 Ti对控制过程的影响 积分调节器的积分时间对控,,结论：,,1. 积分调节作用是不及时的。,积分调节作用是随时间而逐渐增强的，与比例调节作用相比过于迟缓，恶化了动态品质，

41、使过渡过程的振荡加剧，甚至造成系统的不稳定。,2. 只要偏差信号存在，调节器输出的旨在消除对系统影响的控制作用就一直增加，且其增长的速度始终为初始速度。,3. 控制作用在积分时间Ti 越小时越强，,积分时间越小，积分速度越快，调节阀动作愈快，容易引起和加剧振荡。,4. 积分调节规律的另一特点就是消除稳态偏差，实现无差调节。,78,,结论：78,3、微分调节规律,,微分调节规律是调节器输出的控制作用与其偏差输入信号的变化速度成正比。对于定值控制系统，偏差信号的变化速度就是被调量的变化速度，即,,微分时间,,传递函数式为,,,,加入微分调节作用实现,超前调节,，有利于克服动态偏差，将大

42、大改善调节过程。微分调节作用的大小仅与偏差信号的变化速度有关，而与偏差值大小无关。,79,,3、微分调节规律微分时间 传递函数式为 加入,实际的微分调节规律具有惯性，传递函数为下式：,,微分增益,,,图1-21 实际微分调节的阶跃响应,,80,,实际的微分调节规律具有惯性，传递函数为下式：微分增益 图1-,,,结论：,,微分作用的引入使系统控制过程的稳定性和准确性都得以提高，可适当减小静态偏差，但它不能像积分作用那样消除稳态偏差。,调节过程开始时，被调量偏差小，但其变化速度却较大，可使执行机构产生较大的位移。,但当调节过程结束，执行机构位置最后总是恢复到原来的数值，不能适应负荷的变化

43、。,81,,结论：81,,图1-22,过渡过程曲线,,,曲线1由于比例调节规律具有调节及时的特点，所以调节过程时间较曲线2短，动态偏差也较曲线2小。而比例调节为有差调节。通过减小调节器的比例带可减小静态偏差，但会使系统的稳定性下降。,曲线3是能消除静态偏差，实现无差调节。然而积分作用的调节不及时，又使调节过程的动态偏差加大，过渡过程时间加长（与曲线1相比），相对而言又使系统的稳定性下降。,,曲线5是比例积分微分调节器的控制过程。微分调节是一种超前调节方式，其实质是阻止被调量的一切变化。适当的微分作用可减小动态偏差、缩短调节过程时间，这样可适当减小比例带和积分时间。,,82,,图1-22

44、 曲线1由于比例调节规律具有调节,综上所述:,,比例调节规律具有调节及时的特点，但比例调节为有差调节，因此调节过程结束时存在稳态偏差。通过减小调节器的比例带可减小稳态偏差，但会使系统的稳定性下降。,比例调节作用是最基本的调节作用，使“长劲”，比例作用贯彻于整个调节过程之中,；,,积分调节规律能消除稳态偏差，所以能最终消除扰动对被调量的影响，实现无差调节。但积分作用的调节不及时，又使调节过程的动态偏差加大，过渡过程时间加长，因此，在积分作用引入到比例调节器后，调节器的比例带应适当加大，以弥补积分作用对控制过程稳定性的影响。积分和微分作用为辅助调节作用。,积分作用则体现在调节过节过程的后

45、期，用以消除静态偏差，使“后劲”,；,,微分调节是一种超前调节方式，其实质是阻止被调量的一切变化。适当的微分作用可收到减小动态偏差，缩短调节过程时间的效果，这样在采用比例积分微分调节器时，又可适当减小比例带和积分时间。,微分作用则体现在调节过程的初期，使“前劲” 。,,,83,,综上所述: 比例调节规律具有调节及时的特点，,,4. PID(比例-积分-微分)控制特点,,,(1) 缺点,不适用于有大时间滞后的控制对象，参数变化较大甚至结构也变化的控制对象，以及系统复杂、环境复杂、控制性能要求高的场合。,,,(2) 优点:,● PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要

46、信息，而且其配置几乎最优。,84,,4. PID(比例-积分-微分)控制特点8,,比例(P)代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，使过程反应迅速。,微分(D)在信号变化时有超前控制作用，代表了将来的信息。在过程开始时强迫过程进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。,积分(I)代表了过去积累的信息，它能消除静差，改善系统静态特性。,此三作用配合得当，可使动态过程快速、平稳、准确，收到良好的效果。,85,,比例(P)代表了当前的信息，起纠正偏差的作用,,86,,86,●,PID控制适应性好，有较强鲁棒性。,●,,PID算法简单明了，形成了完整的设计和参数调整方法,

47、很容易为工程技术人员所掌握。,●,许多工业控制回路比较简单，控制的快速性和精度要求不是很高，特别是对于那些l～2阶的系统，PID控制已能得到满意的结果。,●,PID控制根据不同的要求，针对自身的缺陷进行了不少改进，形成了一系列改进的PID算法。,例如，为克服微分带来的高频干扰的滤波PID控制，为克服大偏差时出现饱和超调的PID积分分离控制，为补偿控制对象非线性因素的可变增益PID控制等等。这些改进算法，在一些应用场合得到了很好的效果。,,87,,●PID控制适应性好，有较强鲁棒性。 87,,在火力发电生产过程中，热工自动控制系统的稳定优化运行十分关键，而随着机组运行工况的变化、大小修工程的实施

48、，热工对象特性必将发生变化，为了实现热工系统稳定优化运行，控制器参数需要重新整定。,在热工过程控制中，PID控制算法以其鲁棒性较好、易于实现和被工程技术人员熟悉掌握等特点，至今仍被工程控制界所广泛采用。常规PID控制器参数的优化整定成为热工控制系统维护的重要工作之一。,5、PID控制器的整定,88,,在火力发电生产过程中，热工自动控制系统的稳定优化运行,,,调节器的参数整定就是合理地设置调节器的各个参数，在热工生产过程中，通常要求控制系统具有一定的稳定裕量，即要求过程有一定的衰减率,ψ,；在这一前提下，要求调节过程有一定的快速性和准确性，换言之稳定性是首要的。所谓准确性就是要求控制过程的动态偏

49、差（以超调量,M,P,表示）和静态偏差（,e,ss,）尽量地小，而快速性则是要求控制过程的时间尽可能地短。,,控制系统参数整定有,理论计算方法、工程整定方法。,理论计算方法：,基于一定的性能指标，结合组成系统各环节的动态特性，通过理论计算求得调节器的动态参数设定值；,,工程整定法：,源于理论分析，结合试验、工程实际经验等一套工程上的方法。,,89,,调节器的参数整定就是合理地设置调节器的各个参数，在热,,,,,（1）广义频率特性法,,广义频率特性法是通过调整调节器的动态参数，使控制系统的开环频率特性具有规定相对稳定度的衰减频率特性，从而使闭环系统响应满足规定衰减率的一种参数整定方法。,,特点：

50、,利用广义频率特性法计算调节器的参数，其前提是获得对象的传递函数，这一点给工程实际应用带来困难。此外，该方法计算工作量也较大。,90,,（1）广义频率特性法90,（2）临界比例带法,,临界比例带法又称边界稳定法，其要点是将调节器设置成纯比例作用，将系统投入自动运行并将比例带由大到小改变，直到系统产生等幅振荡为止。,这时控制系统处于边界稳定状态，记下此状态下的比例带值 （即临界比例带）以及振荡周期 ，然后根据经验公式计算出调节器的各个参数。,,特点：,临界比例带法无需知道对象的动态特性，直接在闭环系统中进行参数整定,。,,91,,（2）临界比例带法91,,,具体步骤：,,1)将调节器的积分

51、时间置于最大，即 ；置微分时间 ；置比例带 于一个较大的值。,2)将系统投入闭环运行，待系统稳定后逐渐减小比例带 ，直到系统进入等幅振荡状态。一般振荡持续4～5个振幅即可，试验记录曲线如下图所示：,图1-23 等幅振荡曲线,,3)据记录曲线得振荡周期 ，此状态下的调节器比例带为 ，然后按下表计算出调节器的各个参数。,4)将计算好的参数值在调节器上设置好，作阶跃响,应试验，观察系统的调节过程，适当修改调节器的参数，直到调节过程满意为止。,92,,具体步骤：图1-23 等幅振荡曲线 3)据记录曲线得,,,,,93,,93,,临界比例带法在实际应用中有一定的,局

52、限性,：有些生产过程根本不允许产生等幅振荡，如火力发电厂锅炉汽包水位控制；此外，某些惯性较大的单容对象配比例调节器又很不容易产生等幅振荡过程，得不到临界状态下的调节器比例带 及振荡周期 ，则无法应用临界比例带法。,94,,临界比例带法在实际应用中有一定的局限性：有,,（3）衰减曲线法,,衰减曲线法是在总结临界比例带法基础上发展起来的，它利用比例作用下产生的4：1衰减振荡(,Ψ,=0.75 )过程时的调节器比例带 及过程衰减周期 ，或10：1衰减振荡(,Ψ,=0.9 )过程时调节器比例带 及过程上升时间 ，据经验公式计算出调节器的各个参数。,,95,,（3）衰减曲线法95,,具

53、体步骤：,(1)将调节器的积分时间置于最大，即 ；置微分时间 ；置比例带 于一个较大的值，将系统投入闭环运行；,(2)在系统处于稳定状态后做阶跃扰动试验，观察控制过程。如果过渡过程衰减率大于0.75，应逐步减小比例带值，并再次试验，直到过渡过程曲线出现4：1的衰减过程。对于,Ψ,=0.9 的调节过程，也一样做上述试验，直到出现10：1的衰减过程。记录下4：1(或10：1)的衰减振荡过程曲线；,衰减曲线,96,,具体步骤： (2)在系统处于,在上图所示的衰减曲线上求取,Ψ,=0.75 的振荡周期 或,Ψ,=0.9时的上升时间

54、，结合此过程下的调节器比例带，按上表计算出调节器的各个参数。,(3)按计算结果设置好调节器的各个参数，作阶跃扰动试验，观察调节过程，适当修改调节器的参数，直到满意为止。,（4）经验法,根据经验进行参数试凑的方法，首先根据经验设置一组调节器参数，然后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程；如果过渡过程不令人满意，则修改调节器参数，再作阶跃扰动试验，观察调节过程；反复上述试验，直到调节过程满意为止。,97,,在上图所示的衰减曲线上求取Ψ=0.75 的振,具体步骤：,,(1)调节器的积分时间放到最大，微分时间置于最小，据经验设置比例带值。将系统投入闭环运行，稳定后作阶跃扰动试验

55、，观察调节过程，若过渡过程有希望的衰减率( )则可，否则改变比例带值，重复上述试验。,(2)将调节器的积分时间由最大值调整到某一值，由于积分作用的引入使系统的稳定性下降，这时应将比例带值适当增大，一般为纯比例作用的1.2倍。作阶跃扰动试验，观察调节过程，修改积分时间重复试验，直到满意为止。,98,,具体步骤：98,,(3)保持积分时间不变，改变比例带，看调节过程有无改善，若有改善则继续修改比例带，如无改善则反向修改比例带，直到满意为止。保持比例带不变修改积分时间，同样反复凑试直到满意为止。如此反复凑试，直到有一组合适的积分时间和比例带。,(4)对于采用三参数的调节器，在进

56、行完上述调整试验后，将微分时间由小到大的调整，观察每次试验过程，直到满意时为止。,这种方法使用得当，同样可以获得满意的调节器参数，取得最佳的控制效果。而且此方法省时，对生产影响小。,99,,(3)保持积分时间不变，改变比例带，看调节过,（5）动态参数法,,动态参数法是在系统处于开环状态下，作对象的阶跃扰动试验，根据记录下的阶跃响应曲线求取一组特征参数 (无自平衡能力对象)或 (有自平衡能力对象)，再根据经验公式计算出调节器的各个参数。,1）有自平衡能力对象,,过响应曲线拐点P作切线交稳态渐近线于A，交时间轴于C；过A点作时间的垂线交于B，则：,100,,（5

57、）动态参数法 动态参数法是在系统处于开环状,2）无自平衡能力对象,,作响应曲线直线段的渐近线交时间轴于C，过直线段上任一点A作时间垂线并交于B，则：,,由此，按下表经验公式计算出调节器整定参数。,101,,2）无自平衡能力对象 由此，按下表经,,对象特征参数 和 的乘积 反映了控制难易的程度；越大，对象就越不好控制，因此调节器的比例带应该取大一些，即与 成正比。对于比例积分调节，由于积分作用的加入使系统的稳定性下降，因此比例带为纯比例作用时的比例带的1.2倍；对于采用比例积分微分调节，由于微分作用提高了系统的稳定性，因而比例带可为纯比例作用时比例

58、带的0.8倍。,,,,102,,对象特征参数 和 的乘积 反映了,,§,1.7 热工系统的主要控制方式,103,,§1.7 热工系统的主要控制方式103,,一.反馈控制,,反馈控制是根据被调量与给定值的偏差值来控制的。反馈控制的特点是必须在被调量与给定值的偏差出现后，调节器才能对其进行调节来补偿干扰对被调量的影响。如果干扰已经发生，而被调参数还未变化时，调节器是不会动作的。即反馈控制总是落后于干扰作用。因此称之为“不及时控制”。,,104,,一.反馈控制104,,原因：,,（1）在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时

59、间。,（2）从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量（被调量）发生变化又要经过一定的时间。,可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定值之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。,105,,原因：105,二.前馈控制,,1.基本原理,,,考虑到偏差产生的直接原因是干扰作用的结果，如果直接按扰动而不是按偏差进行控制，也就是说，当干扰一出现调节器就直接根据检测到的干扰大小和方向按一定规律去进行控制。由于干扰发生后被控量还未显示出变化之前，调节器就产生了控制作用，这在理论上就可以把偏差彻底消除。按照这种理论构成的控制系统称为前馈控制系统，显然，

60、前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制系统及时得多。,,若系统中的调节器能根据干扰作用的大小和方向对被调节介质进行控制来补偿干扰对被调量的影响，这种控制就叫做,“前馈控制”或“扰动补偿”,。,106,,二.前馈控制106,,前馈控制系统的原理框图如下图,,图中，K,B,：测量变送器的变送系数；,W,DZ,（S）：干扰通道对象传递函数；,W,D,（S）：控制通道对象传递函数；,W,B,（S）：前馈调节器的传递函数。,107,,前馈控制系统的原理框图如下图 图中，KB：测量变送器的,,2. 前馈控制系统的特点,,理想的情况下，针对某种扰动的前馈控制系统能够完全补偿因扰动而引起的对被调量的影响。实现对干

61、扰完全补偿的关键是确定前馈控制器（前馈调节器）的控制作用，显然W,B,(S)取决于对象控制通道和干扰通道的特性。,由上图可得：,Y(s)=[ W,DZ,(S)+ K,B,W,B,(S)W,D,(S)]Z(S),令 K,B,=1 则有： Y(s) / Z(S) = W,DZ,(S)+ W,B,(S)W,D,(S),式中：Z(S)是干扰；Y(s)是干扰引起的输出。在理想的情况下，经过前馈控制以后，被调量不变，即实现了所谓“完全补偿”，此时：,Y(s) / Z(S) = W,DZ,(S)+W,B,(S)W,D,(S)=0,108,,2. 前馈控制系统的特点108,所以，前馈控制器的控制规律为：,W

62、,B,(S)= -W,DZ,(S)/ W,D,(S),上式说明前馈控制的控制规律完全是由对象特性决定的，它是干扰通道和控制通道传递函数之商，式中负号表示控制作用的方向与干扰作用相反。,如果 W,DZ,(S)和W,D,(S)可以很准确测出，且W,B,(S)完全和上式确定的特性一致，则不论干扰信号是怎样的形式，前馈控制都能起到完全补偿的作用，使被调量因干扰而引起的动态和稳态偏差均为零。,,109,,所以，前馈控制器的控制规律为：109,,3.,前馈控制的局限性,,(1). 首先表现在前馈控制系统中不存在被调量的反馈，即对于补偿的结果没有检验的手段。因而，当前馈作用并没有最后消除偏差时，系统无法得

63、知这一信息而作进一步的校正。,(2). 由于实际工业对象存在着多个干扰，为了补偿它们对被调量的影响，势必设计多个前馈通道，增加了投资费用和维护工作量。,(3). 当干扰通道的时间常数小于控制通道的时间常数时，不能实现完全补偿。,(4). 前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象令特性受负荷和工况等因素的影响而产生偏移，必然导致W,DZ,(S)和W,D,(S)的变化，因此一个事先固定的前馈模型不可能获得良好的控制质量。,110,,3.前馈控制的局限性110,三、复合控制,,1. 基本原理,,工程实际中，为克服前馈控制的局限性从而提高控制质量，对一两个主要扰动采取前馈补偿，而对其它引起被调参数

64、变化的干扰采用反馈控制来克服。以这种形式组成的系统称为前馈一反馈复合控制系统。前馈-反馈复合控制系统既能发挥前馈调节控制及时的优点，又能保持反馈控制对各种扰动因素都有抑制作用的长处，因此得到了广泛的应用。,,111,,三、复合控制111,前馈一反馈复合控制系统的原理方框图如下：,,112,,前馈一反馈复合控制系统的原理方框图如下： 112,,2. 复合控制系统特点,,（1）引入反馈控制后，前馈控制中的完全补偿条件不变。,,,没有加入反馈作用时完全补偿的条件为：,W,B,(S)= -W,DZ,(S)/ W,D,(S),加上反馈后有：,,,X (S)=0，Z (S)=0，应用不变性原理有：,,1

65、13,,2. 复合控制系统特点 没有加入反馈作用时完全补,即 W,B,(S)= -W,DZ,(S)/ W,D,(S),而如果不加前馈作用，即若W,B,(S)=0，显然，,,,由于W,DZ,(S)≠0，因此扰动对系统输出是有影响的。,,（2）复合控制系统补偿控制的控制规律不仅与对象控制通道和干扰通道的传递函数有关，还与反馈调节器的位置有关。,114,,即 WB(S)= -WDZ(S)/ WD(S),,若复合控制系统的组成如下图所示，反馈调节器与上图相比，不是放在前馈信号前面，而是放在它的后面，则有：,,115,,若复合控制系统的组成如下图所示，反馈调节器与,可得完全补

66、偿的条件：,,,（3）复合控制时，扰动对输出的影响要比纯前馈时小得多。,,设系统为定值控制，即X(S)=0，专门讨论扰动Z(S)对系统的影响。,因为前馈控制不可能完全补偿，即Y(S)的第二项不可能完全为零，令其为△(S)，那么，纯前馈控制时：,Y,1,(s)=[ W,DZ,(S)+ K,B,W,B,(S)W,D,(S)]Z(S) =△(S) Z(S),加入反馈后，则,116,,可得完全补偿的条件： （3）复合控制时，扰动对输出的影,,因为1+ W,T,(S) W,D,(S)≥l，因此,,对于其他未经过补偿的扰动作用也有类似的结果。,,（4）前馈补偿对于系统的稳定性没有影响。,,这一点是显而易见的，因为前馈无论加在什么位置，它都不构成回路，系统的输入-输出传递函数的分母均保持不变，因而不会影响系统的稳定性。,,＜,117,,因为1+ WT(S) WD(S)≥l，因此＜117,四、串级控制,,1.基本原理,主调节器的输出是副调节器的输入。,原理框图如下图所示：,图1-24 串级控制系统原理方框图,118,,四、串级控制图1-24 串级控制系统原理方框图 118,主参数(主变量)：