热工控制系统课堂ppt_第一章_概论)

1、热工过程自动调节刘刘 颀颀TelQQ:77214683E-mail:(Thermal Process Automatic Adjustment )引引 言言自动化的作用自动化的作用:定义：设备定义：设备 + 自动化装置自动化装置 (代替部分劳动，生产过程自动进行，用自动化装置管理生产代替部分劳动，生产过程自动进行，用自动化装置管理生产过程方法过程方法-自动化自动化) 作用：作用： 1.提高生产效率提高生产效率 (速度、成本、产量、质量，受人的观察、控速度、成本、产量、质量，受人的观察、控制、体力的限制制、体力的限制);2.减轻劳动强度工作条件（温度、压力、危险、有毒）

2、减轻劳动强度工作条件（温度、压力、危险、有毒）;3.保证生产安全保证生产安全 (人员、设备人员、设备 操作不当操作不当);4.促进社会进步促进社会进步 (劳动者素质提高，脑体差别缩小劳动者素质提高，脑体差别缩小)。自动控制系统的组成自动控制系统的组成人工控制：眼、脑、手人工控制：眼、脑、手 (速度、精度速度、精度)；人在完成一项有目的的任务所经历的过程人在完成一项有目的的任务所经历的过程:眼睛眼睛观察观察 大脑大脑分析决策、预期目标分析决策、预期目标眼睛：眼观六路，耳听八方眼睛：眼观六路，耳听八方例：驾驶汽车例：驾驶汽车大脑：分析综合情况，决定怎么做大脑：分析综合情况，决定怎么做手脚：手脚：执

3、行机构执行机构 油门油门加减（脚）加减（脚） 刹车刹车点刹点刹/刹死？（脚）刹死？（脚） 方向方向左右，转向灯（手）左右，转向灯（手）系统组成：系统组成：被控对象（设备）；被控对象（设备）；测量元件与变送器；测量元件与变送器；控制器；控制器；执行器执行器四部分四部分自动控制：检测、控制、执行机构；自动控制：检测、控制、执行机构； 指在无人直接参与情况下，通过自动化仪表和自动控制装置指在无人直接参与情况下，通过自动化仪表和自动控制装置（包括计算机和计算机网络）完成火电厂热力过程参数测量、信（包括计算机和计算机网络）完成火电厂热力过程参数测量、信息处理、自动控制、自动报警和自动保护。息处理、自动控

4、制、自动报警和自动保护。测量元件与变送器：测量并转化统一信号测量元件与变送器：测量并转化统一信号;控制器：比较得偏差、运算输出控制信号控制器：比较得偏差、运算输出控制信号;执行器：根据控制器信号改变操作量执行器：根据控制器信号改变操作量;火电厂热工自动化定义：火电厂热工自动化定义：被控对象（设备）被控对象（设备）:需要监控设备需要监控设备;第一章第一章 概概 论论1. 1. 热工过程自动控制的发展热工过程自动控制的发展2. 2. 热工过程自动控制的内容和分类热工过程自动控制的内容和分类3. 3. 热工自动控制系统的性能指标热工自动控制系统的性能指标本章内容本章内容: :热工自动控制系统的发展热

5、工自动控制系统的发展1. 1.发展阶段发展阶段 电厂生产过程自动化控制相对其他部门来说有较长的历史和电厂生产过程自动化控制相对其他部门来说有较长的历史和较高的水平较高的水平, ,大致经历了以下几个阶段大致经历了以下几个阶段: :(1)(1)初级就地阶段初级就地阶段机组容量小、参数低，机机组容量小、参数低，机/ /炉炉/ /电各参数之间没有或很少有联系。电各参数之间没有或很少有联系。时间：时间：20世纪世纪50年代前后；年代前后；特点：特点：主要凭生产实践经验，应用一般控制元件及机电式控制仪器；主要凭生产实践经验，应用一般控制元件及机电式控制仪器；采用比较笨重基地式仪表，机采用比较笨重基地式仪表

6、，机/炉炉/电各自独立分散局部自控；电各自独立分散局部自控； 维持几种主要的热工参数，如温度、压力、流量及液位等在正维持几种主要的热工参数，如温度、压力、流量及液位等在正常范围内，所用理论为古典控制理论。常范围内，所用理论为古典控制理论。过程控制的目的：过程控制的目的：(2)(2)仪表控制阶段仪表控制阶段时间：时间：20世纪世纪50年代未至年代未至80年代年代;特点：特点：出现了电动单元组合仪表、巡回检测装置和组装式仪表出现了电动单元组合仪表、巡回检测装置和组装式仪表;实现机、炉作为单元整体来集中控制，仪表集中，便于监视实现机、炉作为单元整体来集中控制，仪表集中，便于监视; 机、炉启、停运行比

7、较协调，可提高设备效率，适应设备大机、炉启、停运行比较协调，可提高设备效率，适应设备大型化发展。型化发展。 仪表发展，对过程控制及对象特性认识的提高，机炉集中控仪表发展，对过程控制及对象特性认识的提高，机炉集中控制制机、炉、电集中控制，即单元机组集中控制。机、炉、电集中控制，即单元机组集中控制。 仪表有电动单元组合仪表和组装式仪表，所应用理论为古典仪表有电动单元组合仪表和组装式仪表，所应用理论为古典控制理论为主。控制理论为主。 电厂生产过程包括机组、主、辅机和全厂各辅助车间作为一电厂生产过程包括机组、主、辅机和全厂各辅助车间作为一个整体进行控制。个整体进行控制。(3)计算机综合控制阶段计算机综

8、合控制阶段时间时间:20世纪世纪80年代至今年代至今; 集成电路、计算机及其网络技术集成电路、计算机及其网络技术的飞速发展，由的飞速发展，由分散的机组分散的机组或车间或车间控制向控制向全车间甚至全企业全车间甚至全企业的综合自动化发展。的综合自动化发展。特点特点:随着计算机发展，单元机组生产过程自动控制分几个过程：随着计算机发展，单元机组生产过程自动控制分几个过程：所用仪表有：所用仪表有：气动仪表、电动组合仪表、组装式仪表及计算机。气动仪表、电动组合仪表、组装式仪表及计算机。 所用理论仍以古典控制理论为主，现代控制理论也在系统中所用理论仍以古典控制理论为主，现代控制理论也在系统中得到应用。得到应

9、用。 用一台计算机对整个机组的生产过程进行整体控制。用一台计算机对整个机组的生产过程进行整体控制。（a）集中型计算机控制）集中型计算机控制 对计算机的要求过高，一旦计算机出事，影响整个机组的生对计算机的要求过高，一旦计算机出事，影响整个机组的生产，实际上我国夸越了这个阶段。产，实际上我国夸越了这个阶段。缺点缺点: 它把各机组之间、厂级管理、调度等用一台功能很强的计算它把各机组之间、厂级管理、调度等用一台功能很强的计算机进行上位集中管理；机进行上位集中管理； 微机大量生产，成本的降低，性能的提高，逐渐由集中控制微机大量生产，成本的降低，性能的提高，逐渐由集中控制改为用微机进行局部控制，克服了上述

10、控制的缺点，但各系统之改为用微机进行局部控制，克服了上述控制的缺点，但各系统之间难以协调。间难以协调。（b）分散型计算机控制）分散型计算机控制（c）分散控制系统）分散控制系统 而把各单元机组的各子系统用若干台微机进行分散控制，充而把各单元机组的各子系统用若干台微机进行分散控制，充分发挥了集中管理和分散控制各自的优点，是一种比较理想的控分发挥了集中管理和分散控制各自的优点，是一种比较理想的控制系统。制系统。代表了新世纪自动控制技术的发展方向。代表了新世纪自动控制技术的发展方向。（d）现场总线控制系统）现场总线控制系统分散控制系统进一步分散，将过程控制微机进一步小型化。分散控制系统进一步分散，将过

11、程控制微机进一步小型化。 用现场总线将分散到生产现场，执行测控任务的智能变送器、用现场总线将分散到生产现场，执行测控任务的智能变送器、智能执行器等设备连接起来，实现集中管理，智能执行器等设备连接起来，实现集中管理，2. 2.大型机组特点大型机组特点 1. 监视点多监视点多(600MW机组机组I/O点多达点多达30005000个，随着发电个，随着发电机机-变压器组和厂用电源等电气部分监视纳入变压器组和厂用电源等电气部分监视纳入DCS之后，之后，I/O点已点已超过超过7000个个) 2.参数变化速度快和控制对象数量大参数变化速度快和控制对象数量大(600MW机组超过机组超过1300个个)，而各个控

12、制对象又相互关联，所以操作稍一失误，所引起的后果而各个控制对象又相互关联，所以操作稍一失误，所引起的后果是十分严重的。是十分严重的。 故传统故传统机、电、炉分别监控机、电、炉分别监控不能适应像不能适应像600MW这样大型单元这样大型单元机组监控的要求。机组监控的要求。 大机组的监视与控制操作任务也不能交运行人员去完成大机组的监视与控制操作任务也不能交运行人员去完成(体力、体力、脑力劳动强度，及时、人为操作失误），因此必须由高度计算机脑力劳动强度，及时、人为操作失误），因此必须由高度计算机化的机组集控取而代之。化的机组集控取而代之。3.3.大型机组监控系统作用大型机组监控系统作用 (1)在机组正

13、常运行过程中，自动化系统能根据机组运行要求，在机组正常运行过程中，自动化系统能根据机组运行要求，自动将运行参数维持在要求值，以期取得较高的效率自动将运行参数维持在要求值，以期取得较高的效率(如热效率如热效率)和和较低的消耗较低的消耗(如煤耗、厂用电率等如煤耗、厂用电率等)。 (2)机组运行异常（如参数越限、辅机跳闸等）时，自动化设机组运行异常（如参数越限、辅机跳闸等）时，自动化设备除及时报警外，还能迅速、及时地按预定的规律进行处理。备除及时报警外，还能迅速、及时地按预定的规律进行处理。 既能保证机组设备的安全既能保证机组设备的安全,又能保证机组尽快恢复正常运行又能保证机组尽快恢复正常运行,减少

14、机组的停运次数。减少机组的停运次数。 例如例如:RUN BACK(自动快速减负荷自动快速减负荷)、RUN UP(强增负荷强增负荷)，RUN DOWN(强减负荷强减负荷)、FAST CUT BACK(FCB，负荷快速切，负荷快速切回或称快速甩负荷回或称快速甩负荷)等功能。等功能。 (3)当机组从运行异常发展到可能危及设备安全或人身安全时当机组从运行异常发展到可能危及设备安全或人身安全时,自动化设备能适时采取果断措施进行处理，以保证设备及人身的自动化设备能适时采取果断措施进行处理，以保证设备及人身的安全。安全。 如锅炉主燃料跳间如锅炉主燃料跳间(master fuel trip,MFT)、汽轮机监

15、测系统、汽轮机监测系统(TSI)和汽轮机紧急跳闸系统和汽轮机紧急跳闸系统(ETS)等。等。 (4)在机组启停过程中在机组启停过程中,自动化设备又能根据机组启动时的热状自动化设备又能根据机组启动时的热状态进行相应的控制态进行相应的控制,以避免机组产生不允许的热应力而影响机组的以避免机组产生不允许的热应力而影响机组的运行寿命，即延长机组的服役期。运行寿命，即延长机组的服役期。 如汽轮机的计算机应力估算和寿命管理系统，汽轮机自启停如汽轮机的计算机应力估算和寿命管理系统，汽轮机自启停系统系统(turbine automatic system, TAS)。 (5)随着电网的发展随着电网的发展,对自动发电

16、控制对自动发电控制(automatic generation control ,AGC)的要求日趋严格。的要求日趋严格。 AGC是现代电网控制中心的一项基本和重要的功能是现代电网控制中心的一项基本和重要的功能,是电网现是电网现代化管理的需要代化管理的需要,也是电网商业化运营的需要。而要实现也是电网商业化运营的需要。而要实现AGC,单元单元机组必须有较高的自动化水平机组必须有较高的自动化水平,单元机组协调控制系统必须能投入单元机组协调控制系统必须能投入稳定运行。稳定运行。必须必须指出：指出： 自动化系统毕竟自动化系统毕竟只能按照人们预先制定的规律只能按照人们预先制定的规律进行工作，而进行工作，而

17、机组运行过程中的情况却是机组运行过程中的情况却是复杂、随机的复杂、随机的。 自动化系统一般情况下不需人工干预自动化系统一般情况下不需人工干预,特定情况下却要求人工特定情况下却要求人工给以提示或协调。给以提示或协调。 无人值班的火电厂或火电机组虽经尝试无人值班的火电厂或火电机组虽经尝试,却迄今未获成功，也却迄今未获成功，也就是说高度自动化的火电机组并非不需要人的干预，而是需要人就是说高度自动化的火电机组并非不需要人的干预，而是需要人的的更高层次的干预更高层次的干预。 可见，自动化水平高的机组，要求运行人员也具有更高的技可见，自动化水平高的机组，要求运行人员也具有更高的技术和文化水平。术和文化水平

18、。热工过程自动控制的内容热工过程自动控制的内容自动检测自动检测自动调节自动调节 指正常运行时操作的自动化，即在一定的范围内自动地适应外指正常运行时操作的自动化，即在一定的范围内自动地适应外界负荷或其他条件的变化，保证生产的正常进行。如水位、汽温、界负荷或其他条件的变化，保证生产的正常进行。如水位、汽温、燃烧、辅助设备。燃烧、辅助设备。 对生产过程及设备的参数、信号自动进行转换、加工处理并记对生产过程及设备的参数、信号自动进行转换、加工处理并记录下来。如：录下来。如：T T、P P、Q Q、U U、I I等，是控制的基础。等，是控制的基础。远方控制及程序控制远方控制及程序控制 远方控制：远方控制

19、：( (开关开关/ /按钮按钮) )对生产过程中重要的调节、截止机构对生产过程中重要的调节、截止机构实现远距离控制；实现远距离控制； 程序控制：机组在启动、停止、增减负荷、事故处理时的自动程序控制：机组在启动、停止、增减负荷、事故处理时的自动化操作。化操作。自动保护自动保护 利用自动化装置对机组状态、参数和自动控制系统进行监视，利用自动化装置对机组状态、参数和自动控制系统进行监视，异常时报警、控制设备避免事故，保证人身和设备的安全。异常时报警、控制设备避免事故，保证人身和设备的安全。热工自动控制系统的组成热工自动控制系统的组成调节器调节器执行器执行器测量变送器测量变送器控制对象控制对象给定值给

20、定值+ +H H扰动扰动_ _图图1-1 1-1 自动控制系统原理框图自动控制系统原理框图 控制系统组成控制系统组成: : 1. 1.测量变送器测量变送器 2.2.调节器调节器 3.3.执行器执行器 4.4.控制对象控制对象 5.5.被调量被调量( (需要调节物理量需要调节物理量) 8.) 8.调节机构调节机构( (如阀门、档板如阀门、档板) ) 6. 6.调节量调节量( (控制被调量变化的量控制被调量变化的量) 7.) 7.扰动扰动( (外扰动、内扰动外扰动、内扰动) )1.自动控制系统组成2. 2.大型火电厂自动控制系统组成大型火电厂自动控制系统组成(1)单元机组协调控制系统单元机组协调控

21、制系统(coordination control system, CCS)； (2)锅炉炉膛安全监控系统锅炉炉膛安全监控系统(furnace safeguard supervisory system, FSSS)或称燃烧器管理系统或称燃烧器管理系统(burner management system, BMS)；(3)顺序控制系统顺序控制系统(sequence control system, SCS);(4)数据采集系统数据采集系统(data acquisition system,DAS); (5)汽轮机数字电液控制系统汽轮机数字电液控制系统(digital electric hydraulic

22、 system, DEH)和给水泵汽轮机电液控制系统和给水泵汽轮机电液控制系统(machine electric hydraulic system, MEH);(6)旁路控制系统旁路控制系统(bypass control system, BPS);(7)汽轮机自启动系统汽轮机自启动系统(TAS)；(8)RUN BACK、RUN UP、RUN DOWN、FCB;(9)汽轮机监视仪表汽轮机监视仪表(TSI)和汽轮机紧急跳闸系统和汽轮机紧急跳闸系统(ETS);(10)辅助系统的计算机程控系统。辅助系统的计算机程控系统。 上述大型火电机组的十项自动化功能，尤以前五项最为重要，上述大型火电机组的十项自动

23、化功能，尤以前五项最为重要，它们集中反映了机组的自动化水平。它们集中反映了机组的自动化水平。表表1-2列出了列出了600MW机组及机组及部分部分350Mw机组五大功能的热控设备配置。机组五大功能的热控设备配置。自动控制系统分类自动控制系统分类1.1.按控制方式分：按控制方式分： 控制设备和对象之间在信号传递上没有形成闭合回路，直接控制设备和对象之间在信号传递上没有形成闭合回路，直接根据扰动进行控制，又称为根据扰动进行控制，又称为“前馈控制前馈控制”。图。图1-21-2。图1-2 即反馈控制系统，系统中被调量的信号反馈到输入端作为调即反馈控制系统，系统中被调量的信号反馈到输入端作为调节器产生控制

24、作用依据，只要偏差存在就产生控制作用节器产生控制作用依据，只要偏差存在就产生控制作用(图图1-1)。闭环控制系统闭环控制系统：开环控制系统开环控制系统：复合控制系统复合控制系统： 反馈反馈+前馈，综合了开环和闭环控制的各自优点。当外界扰动前馈，综合了开环和闭环控制的各自优点。当外界扰动f作用于控制系统时，先按开环原理进行粗调，再按闭环反馈进行作用于控制系统时，先按开环原理进行粗调，再按闭环反馈进行细调。图细调。图1-3。图图1-3调节器调节器执行器执行器测量变送器测量变送器控制对象控制对象给定值给定值+ +H H扰动扰动_ _图图1-1 1-1 自动控制系统原理框图自动控制系统原理框图2.按系

25、统结构特点分：按系统结构特点分：反馈控制系统反馈控制系统根据被调量与其给定值之间偏差进行调节，根据被调量与其给定值之间偏差进行调节，“偏差调节偏差调节”； “偏差调节偏差调节”要反复调节，时间较长，可克服扰动影响；要进要反复调节，时间较长，可克服扰动影响；要进行稳定性分析；控制落后扰动，作用不及时。行稳定性分析；控制落后扰动，作用不及时。工作原理：工作原理：特点：特点：前馈控制系统前馈控制系统工作原理：工作原理：根据根据扰动信号进行调节，补偿或抵消影响，根据根据扰动信号进行调节，补偿或抵消影响，“扰动调节扰动调节”；特点：特点： “扰动调节扰动调节”可及时制止被调量变化，控制时间短，只能克服某

26、可及时制止被调量变化，控制时间短，只能克服某种扰动影响；不要进行稳定性分析。种扰动影响；不要进行稳定性分析。3.按闭合回路数目分：按闭合回路数目分：单回路控制系统单回路控制系统 只有一个被调量反馈到调节器输入端，只形成一个闭合回路，只有一个被调量反馈到调节器输入端，只形成一个闭合回路，系统结构比较简单，如图系统结构比较简单，如图1-1，也称单级控制系统。，也称单级控制系统。多回路控制系统多回路控制系统 为了提高系统控制性能，引入局部反馈，闭合回路不只一个，为了提高系统控制性能，引入局部反馈，闭合回路不只一个，这就形成多回路控制系统，如图这就形成多回路控制系统，如图1-4，由两个调节器串接一起，

27、也称串级控制系统。由两个调节器串接一起，也称串级控制系统。图图1-44.按给定值的变化规律分：按给定值的变化规律分：定值控制系统定值控制系统 给定值保持恒定或在一小范围内变化。给定值保持恒定或在一小范围内变化。如汽泡水位控制系统、炉膛负压控制系统。如汽泡水位控制系统、炉膛负压控制系统。随动控制系统随动控制系统 给定值的变化规律事先未知、不确定，给定值的变化规律事先未知、不确定，要求保持被调量以一定精度跟随给定值变化。要求保持被调量以一定精度跟随给定值变化。如炉燃烧控制系统、滑压运行时主蒸汽如炉燃烧控制系统、滑压运行时主蒸汽P的的给定值随外界负荷变化而规律未知。给定值随外界负荷变化而规律未知。程

28、序控制系统程序控制系统 给定值是预定的时间函数，如汽机启给定值是预定的时间函数，如汽机启动过程中，预先拟定转速的给定值随时间动过程中，预先拟定转速的给定值随时间的变化规律，要求汽机按此规律变化。的变化规律，要求汽机按此规律变化。指系统受外界干扰后的表现形式：（四种，如下图）指系统受外界干扰后的表现形式：（四种，如下图）一、控制过程的基本形式一、控制过程的基本形式控制系统的性能指标控制系统的性能指标经经t后，趋于新的平衡状态，是比较理想过程。后，趋于新的平衡状态，是比较理想过程。 连续控制系统中一般认为不稳定，但在双位调节系统中只要连续控制系统中一般认为不稳定，但在双位调节系统中只要振荡幅值在允

29、许范围内，可以采用。振荡幅值在允许范围内，可以采用。（1）发散振荡：）发散振荡：又称单调过程，是过程允许的，但时间长，不理想。又称单调过程，是过程允许的，但时间长，不理想。不稳定过程，系统尽量避免；不稳定过程，系统尽量避免；（2）等幅振荡：）等幅振荡：（3）衰减振荡：）衰减振荡：（4）非振荡：）非振荡： 常用时域性能指标，常用时域性能指标，分为单项性能指标和综合分为单项性能指标和综合性能指标。性能指标。 反应控制系统品质的反应控制系统品质的优劣，可计算或观察控制优劣，可计算或观察控制过程曲线得到。过程曲线得到。二、性能指标二、性能指标常用性能指标常用性能指标(如图如图)：1.静态偏差静态偏差e

30、()定值控制系统：定值控制系统：被调量的稳态值与新给定值之间的长期偏差，图被调量的稳态值与新给定值之间的长期偏差，图e()。随动控制系统：随动控制系统：作用：作用： 衡量控制系统的准确性的重要指标，反应控制系统的调节精衡量控制系统的准确性的重要指标，反应控制系统的调节精度，其大小根据生产过程对控制系统精度要求确定。度，其大小根据生产过程对控制系统精度要求确定。 指被调量的稳态值与给定值之间指被调量的稳态值与给定值之间的长期偏差，图的长期偏差，图y()。%100)(1yy2.最大动态偏差最大动态偏差ym和超调量和超调量定值控制系统：定值控制系统：ym用来衡量用来衡量被调量偏离给定值的程度被调量偏

31、离给定值的程度； 被调量最大动态偏差是指调节过程中被调量偏离给定值的最大被调量最大动态偏差是指调节过程中被调量偏离给定值的最大暂时偏差，图中暂时偏差，图中ym = y1+y ()。 控制系统应满足最大扰动下，被调量的控制系统应满足最大扰动下，被调量的ym不应超过正常生产的不应超过正常生产的允许值允许值。随动控制系统：随动控制系统：用来衡量用来衡量被控制量偏离给定值的程度被控制量偏离给定值的程度。定义为：定义为：若若ym或或愈大，则表示被调量偏离生产规定的状态愈远。愈大，则表示被调量偏离生产规定的状态愈远。131311yyyyy3.衰减率衰减率和衰减比和衰减比n衰减率衰减率：指每经过一个波动周期

32、，被调量波动幅值减少的百分数。指每经过一个波动周期，被调量波动幅值减少的百分数。定义式：定义式：其中其中y1,y3分别表示什么意思？分别表示什么意思？ 用来描述过渡过程为衰减振荡时的衰减速度，根据用来描述过渡过程为衰减振荡时的衰减速度，根据可判别可判别过程的性质和形式：过程的性质和形式： 0，过程发散，系统不稳定；，过程发散，系统不稳定； =0，等幅振荡过程，系统处于边界稳定，不利因素扰动可，等幅振荡过程，系统处于边界稳定，不利因素扰动可成发散；成发散；0 1，过程衰减振荡，系统稳定；，过程衰减振荡，系统稳定； =1，调节过程不振荡（非周期过程），系统稳定性高；，调节过程不振荡（非周期过程），系统稳定性高；由上可知，由上可知，值可以判别系统稳定性，衡量系统稳定性指标。值可以判别系统稳定性，衡量系统稳定性指标。 0系统不稳定；系统不稳定；0 1时，系统稳定；时，系统稳定； 还可表示系统稳定裕量的大小，还可表示系统稳定裕量的大小， 值越大稳定裕量越大，恒值越大稳定裕