山东建筑大学热工控制系统课件全

1、热工控制系统,魏建平 热能工程学院,热工控制系统,2,授课计划,概论 过程控制和热工自动化 控制系统的组成与分类 控制系统的性能指标 控制对象的动态特性 控制仪表 SAMA表示的控制系统图 常规控制规律 单回路控制系统 串级控制系统 前馈-反馈控制系统 比值控制系统 大迟延控制系统、分程控制系统 汽包锅炉蒸汽温度控制系统 汽包锅炉给水控制系统 锅炉燃烧过程控制系统 单元机组协调控制系统,热工控制系统,3,第一次课：,概论 过程控制和热工自动化 控制系统的组成与分类 控制系统的性能指标 控制对象的动态特性 控制仪表 SAMA表示的控制系统图,热工控制系统,4,一、概论-过程控制和热工自动化,1、

2、过程控制与热工控制 自动化工业自动化过程控制热工控制 过程控制是工业自动化的一个分支，过程指按照一定流程连续不间断生产的工业生产过程（如汽车）、热工过程（如火电厂）、化工过程（如造纸厂）等。,热工控制系统,5,2、特点 系统庞大，被控对象复杂，控制方案多样 被控过程惯性大、延迟大、非线性等，控制难度大 生产环境特殊，安全、经济性要求高 参数控制为主要控制方式，参数主要有温度、压力、流量、液位、成分等 自动化仪表控制,热工控制系统,6,3、发展 控制理论的发展 经典控制理论、现代控制理论、智能控制 技术装备的发展 初期、基地式仪表、电动单元组合仪表、计算机控制 计算机控制 直接数字控制DDC（D

3、irect digital control） 监督计算机控制SCC（supervisory computer control） 集散控制DCS（distributed control system） 现场总线控制FCS（fieldbus control system）,热工控制系统,7,自动控制发展历史 1）1788年，瓦特蒸汽机转速调节机构,热工控制系统,8,2）1868年，英国物理学家马克斯威尔（J.C.Maxwell）稳定 3）1877年，劳斯(Routh)稳定判据 4）1895年，瑞典科学家胡尔维茨稳定判据 5）1892年，俄罗斯数学力学家A.M.Lyapunov稳定 6）1928年，

4、贝尔实验室的哈罗德.布莱克（Harold Black）负反馈 7）1932年，美国通信工程师H.奈奎斯特（HarryNyquist Nyquist）电子电路中负反馈放大器的稳定性条件 8）1948年，美国数学家维纳控制论 9）1954年，钱学森 工程控制论,热工控制系统,9,Lyapunov,Maxwell,Laplace,Wiener,Nyquist,Routh,Nichols,Shannon,热工控制系统,10,电厂中央控制室,热工控制系统,11,计算机组态图,热工控制系统,12,4、火电机组热工过程自动化的内容 自动检测 ：包括对整个机组运行状态和参数的测量、指示、记录、参数计算、参数越

5、限和设备故障时发出报警信号、事故记录和追忆、工业电视监视等。 自动保护 ：包括主机、辅机和各支持系统及其相互间的联锁保护，以防止误操作。当设备发生故障或危险工况时，自动采取措施防止事故扩大或保护生产设备。 顺序控制 ：包括主机、辅机和各支持系统的启停控制，如输煤系统控制、锅炉吹灰控制、锅炉补给水处理控制、给水泵启停控制、汽轮机自启停控制、锅炉点火系统控制等。 连续控制 ：包括对主机、辅机及各系统中的压力、温度、流量、物位，成分等参数的控制控制，使之保持为预期的数值。 管理和信息处理：对电厂中各台机组的生产情况(如发电量、频率、主要参数、机组设备的完好率、寿命)，电厂的煤、油、水资源情况，环境污

6、染情况进行监督、分析，供管理人员做出相应的决策。,热工控制系统,13,5、火电机组热工过程按功能划分 数据采集与处理系统（DAS=Data Acquisition System） 顺序控制系统（SCS=Sequence Control System） 模拟量控制系统（MCS=Modulating Control System） 协调控制系统（CCS=Coordinate Control System） 燃烧器管理系统（BMS=Burner Manage System） 数字电液控制系统（DEH=Digital Electro-Hydraulic Control System） 小机电液控制系统

7、（MEH=Machine Electric Hydraulic System） 汽机旁路控制系统（BPS=Bypass Control System） 汽机紧急跳闸系统（TTS=Turbine Trip System） 汽机检测仪表系统（TSI=Turbine Supervise Instrument）,热工控制系统,14,6、对热工自控设备和系统的要求 工作可靠，在任何情况下，都有操作手段的双向平衡无扰切换 专用的监控装置，对工况监视、报警、联锁 设备的抗干扰能力强 使用和维护方便,热工控制系统,15,一、概论-控制系统的组成与分类,1、控制系统的组成,热工控制系统,16,热工控制系统,17

8、,热工控制系统,18,被控对象（对象或过程） 被控参数（被控量或被调量） 干扰（扰动） 内扰（如给水压力变化） 外扰（如蒸汽流量变化） 控制量（调节量） 测量元件 测量值 给定值 偏差 调节机构 闭环和开环,热工控制系统,19,构成控制系统的四个主要部件： 被控对象 测量变送器 控制器 调节机构（执行器）,热工控制系统,20,2、控制系统的分类 分类方法很多（如按结构、按工艺参数、按控制任务、按装置、按闭环等），每一种分类方法只反映控制系统某一方面的特点 按系统结构 反馈控制系统 前馈控制系统 前馈-反馈控制系统 按给定值 定值控制系统 随动控制系统 程序控制系统,热工控制系统,21,一、概论

9、-控制系统的性能指标,1、控制系统的基本形式,热工控制系统,22,2、性能指标,热工控制系统,23,稳态误差（静态偏差） 超调量（最大动态偏差） 衰减比和衰减率 衰减率是指每经过一个波动周期，被调量波动幅值减少的百分数。常被工程上用来描述过渡过程为衰减振荡时的衰减速度。 衰减比n是指振荡过程的第一个波的振幅y1与第三个波的振幅y3之比，即ny1/y3，它也是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标，反映了振荡的衰减程度。 调节时间,热工控制系统,24,三个衡量控制系统调节品质的性能指标： 稳定性 准确性 快速性,热工控制系统,25,二、控制对象的动态特性,1、热工对象的动态特性对控制的意义 一个控

10、制系统构成的好坏，在很大程度上取决于对被控对象动态特性了解的程度 建立热工控制对象数学模型的目的： 1）.设计过程控制系统和整定控制器参数 2）.指导设计生产工艺设备 3）.进行仿真试验研究 4）.培训运行操作人员,热工控制系统,26,通道 控制通道 干扰通道 影响对象动态特性的结构性质： 1.容量系数 2.阻力 3.传递迟延,热工控制系统,27,热工控制对象的动态特点 （1）有一定的迟延和惯性 （2）阶跃响应曲线的最后阶段表明，被控量可能达到新的平衡，也可能不再平衡 有自平衡能力 无自平衡能力 （3）热工对象不是振荡环节,热工控制系统,28,2、有自平衡的单容对象 对象在受到扰动后，其被调量

11、不能依靠自身能力使之趋于某一稳定值,热工控制系统,29,从水位h的数值看，在扰动开始后并没有立即上升，而是经历一段时间慢慢上升到稳态值。从反映输入这个角度来看，水槽这个单容水箱对象是具有惯性。 被控对象受到扰动后平衡被破坏，不需外来的调节作用，而依靠被调量自身变化使对象重新恢复平衡，该对象具有自平衡特性,热工控制系统,30,有自平衡的单容对象的传函： P,热工控制系统,31,3、具有纯迟延的对象,热工控制系统,32,传函： P,热工控制系统,33,4、有自平衡的多容对象,热工控制系统,34,传函：,热工控制系统,35,5、有自平衡能力的对象,1）.对象的自平衡能力： 对象受到干扰作用后，平衡状

12、态被破坏，无需外加任何控制作用，依靠对象本身自动平衡的倾向，逐渐地达到新的平衡状态的性质，称为对象的自平衡能力。 实质：对象输出量变化对输入量发生影响的结果，或者说，对象内部存在着负反馈。 2）.特征参数： (1)自平衡率： (2)时间常数Tc (飞升速度 )： (3)迟延时间： 3）.特征参数变化对阶跃响应的影响：,热工控制系统,36,热工控制系统,37,热工控制系统,38,热工控制系统,39,6、无自平衡的单容对象,热工控制系统,40,无自平衡的单容对象的传函： P,热工控制系统,41,7、无自平衡能力多容对象,热工控制系统,42,传函：,热工控制系统,43,8、无自平衡能力,延迟时间 响

13、应速度,热工控制系统,44,热工控制系统,45,热工控制系统,46,9、近似传函,有自平衡能力 无自平衡能力,热工控制系统,47,三、控制仪表,1、概述 分类（按控制仪表与自动控制系统中的检测、变送、显示等各部分的组合方式不同分类） 基地式仪表：将测量、变送、显示及控制等功能集于一身的一种控制仪表 基地式的名称是指它和后来出现的“单元组合式”仪表相比，比较适于在现场作就地检测和调节之用而得来的 结构比较简单,常用于单机控制系统。 单元组合式仪表：把整套仪表按照其功能和使用要求，分成若干独立作用的单元，各单元之间用统一的标准信号联系。使用时，针对不同的要求,将各单元以不同的形式组合，可以组成各种

14、各样的自动检测和控制系统。（即“积木式”） DDZ-型电子管器件为主要器件（010mA） DDZ-型晶体管等分立元件为主要器件（010mA） DDZ-型线性集成电路作为核心器件 （420mA）,热工控制系统,48,420mA的优点,420mA标准型号具有下述优点： 与电压信号（05V）比较，电流信号更适合远传 电流做信号，仪表可以采用两线制 与010mA电流信号比较，420mA电流零点为4mA，便于判断是数值为0，还是仪表故障（断线）,热工控制系统,49,2、电动单元组合式仪表 特点： 可以用有限的单元组成各种各样的控制系统,具有高度的通用性和灵活性。 可以通过转换单元,把气动表、电动表,甚至

15、液动表联系起来,混合使用。 由于各单元独立作用,所以在布局、安装、维护上也更合理、更方便。 仪表大都采用力平衡或力矩平衡原理,工作位移小、无机械摩擦、精度高、使用寿命长、性能较好。 由于零部件的标准化、系列化,有利于大规模生产,降低了成本,提高了产量和质量。 有利于发展新品种,采用新工艺、新技术。,热工控制系统,50,单元组合仪表一般可以分为八大类单元： 变送单元(B) 显示单元(X) 给定单元(G) 辅助单元(F) 控制单元(T) 计算单元(J) 转换单元(Z) 执行单元(K),热工控制系统,51,四、SAMA表示的控制系统图,SAMA图是美国科学仪器制造协会（Scientific Appa

16、ratus Makers Association）所采用的绘制图例，它易于理解，能清楚地表示系统功能，广为自动控制系统所应用。,热工控制系统,52,1、SAMA图的外形,SAMA图的外形分为四类： （a）为测量或信号显示功能； （b）为自动信号处理功能； （c）为手动信号处理功能； （d）为执行机构；,热工控制系统,53,2、SAMA功能图例,热工控制系统,54,SAMA功能图例,热工控制系统,55,3、SAMA功能图举例,例一：常用调节器,求测量与给定信号的偏差,对偏差进行比例积分运算,手动自动切换,输出限幅,热工控制系统,56,例二：显示操作器 指示测量值和给定值 调整给定值 手动/自动切

17、换 手动输出驱动信号 输出值显示,热工控制系统,57,例三：带前馈的流量单回路调节系统,热工控制系统,58,流量变送器测得的差压值，通过阻尼运算，消去信号的高频干扰，然后进行开方运算，使其转换成流量信号，送往调节器的偏差入口。 流量设定值由数值设定块设定，它与实际流量的偏差值由调节器进行比例积分运算，然后加上前馈信号，作为调节运算输出值。 调节器处于手动状态时，调节器的输出由手动操作，当调节器处于自动状态时，调节运算输出值经过限幅模块，送往执行机构。 输出信道上的函数模块用于阀门非线性的校正，而回馈信道上的函数模块则是为了实现无扰切换，其函数值为输出信道上的函数模块的反函数。,热工控制系统,魏

18、建平 热能工程学院,热工控制系统,60,授课计划,概论 过程控制和热工自动化 控制系统的组成与分类 控制系统的性能指标 控制对象的动态特性 控制仪表 SAMA表示的控制系统图 常规控制规律 单回路控制系统 串级控制系统 前馈-反馈控制系统 比值控制系统 大迟延控制系统、分程控制系统 汽包锅炉蒸汽温度控制系统 汽包锅炉给水控制系统 锅炉燃烧过程控制系统 单元机组协调控制系统,热工控制系统,61,第一次课：,概论 过程控制和热工自动化 控制系统的组成与分类 控制系统的性能指标 控制对象的动态特性 控制仪表 SAMA表示的控制系统图,热工控制系统,62,一、概论-过程控制和热工自动化,1、过程控制与

19、热工控制 自动化工业自动化过程控制热工控制 过程控制是工业自动化的一个分支，过程指按照一定流程连续不间断生产的工业生产过程（如汽车）、热工过程（如火电厂）、化工过程（如造纸厂）等。,热工控制系统,63,2、特点 系统庞大，被控对象复杂，控制方案多样 被控过程惯性大、延迟大、非线性等，控制难度大 生产环境特殊，安全、经济性要求高 参数控制为主要控制方式，参数主要有温度、压力、流量、液位、成分等 自动化仪表控制,热工控制系统,64,3、发展 控制理论的发展 经典控制理论、现代控制理论、智能控制 技术装备的发展 初期、基地式仪表、电动单元组合仪表、计算机控制 计算机控制 直接数字控制DDC（Dire

20、ct digital control） 监督计算机控制SCC（supervisory computer control） 集散控制DCS（distributed control system） 现场总线控制FCS（fieldbus control system）,热工控制系统,65,自动控制发展历史 1）1788年，瓦特蒸汽机转速调节机构,热工控制系统,66,2）1868年，英国物理学家马克斯威尔（J.C.Maxwell）稳定 3）1877年，劳斯(Routh)稳定判据 4）1895年，瑞典科学家胡尔维茨稳定判据 5）1892年，俄罗斯数学力学家A.M.Lyapunov稳定 6）1928年，贝

21、尔实验室的哈罗德.布莱克（Harold Black）负反馈 7）1932年，美国通信工程师H.奈奎斯特（HarryNyquist Nyquist）电子电路中负反馈放大器的稳定性条件 8）1948年，美国数学家维纳控制论 9）1954年，钱学森 工程控制论,热工控制系统,67,Lyapunov,Maxwell,Laplace,Wiener,Nyquist,Routh,Nichols,Shannon,热工控制系统,68,电厂中央控制室,热工控制系统,69,计算机组态图,热工控制系统,70,4、火电机组热工过程自动化的内容 自动检测 ：包括对整个机组运行状态和参数的测量、指示、记录、参数计算、参数越

22、限和设备故障时发出报警信号、事故记录和追忆、工业电视监视等。 自动保护 ：包括主机、辅机和各支持系统及其相互间的联锁保护，以防止误操作。当设备发生故障或危险工况时，自动采取措施防止事故扩大或保护生产设备。 顺序控制 ：包括主机、辅机和各支持系统的启停控制，如输煤系统控制、锅炉吹灰控制、锅炉补给水处理控制、给水泵启停控制、汽轮机自启停控制、锅炉点火系统控制等。 连续控制 ：包括对主机、辅机及各系统中的压力、温度、流量、物位，成分等参数的控制控制，使之保持为预期的数值。 管理和信息处理：对电厂中各台机组的生产情况(如发电量、频率、主要参数、机组设备的完好率、寿命)，电厂的煤、油、水资源情况，环境污

23、染情况进行监督、分析，供管理人员做出相应的决策。,热工控制系统,71,5、火电机组热工过程按功能划分 数据采集与处理系统（DAS=Data Acquisition System） 顺序控制系统（SCS=Sequence Control System） 模拟量控制系统（MCS=Modulating Control System） 协调控制系统（CCS=Coordinate Control System） 燃烧器管理系统（BMS=Burner Manage System） 数字电液控制系统（DEH=Digital Electro-Hydraulic Control System） 小机电液控制系统

24、（MEH=Machine Electric Hydraulic System） 汽机旁路控制系统（BPS=Bypass Control System） 汽机紧急跳闸系统（TTS=Turbine Trip System） 汽机检测仪表系统（TSI=Turbine Supervise Instrument）,热工控制系统,72,6、对热工自控设备和系统的要求 工作可靠，在任何情况下，都有操作手段的双向平衡无扰切换 专用的监控装置，对工况监视、报警、联锁 设备的抗干扰能力强 使用和维护方便,热工控制系统,73,一、概论-控制系统的组成与分类,1、控制系统的组成,热工控制系统,74,热工控制系统,75

25、,热工控制系统,76,被控对象（对象或过程） 被控参数（被控量或被调量） 干扰（扰动） 内扰（如给水压力变化） 外扰（如蒸汽流量变化） 控制量（调节量） 测量元件 测量值 给定值 偏差 调节机构 闭环和开环,热工控制系统,77,构成控制系统的四个主要部件： 被控对象 测量变送器 控制器 调节机构（执行器）,热工控制系统,78,2、控制系统的分类 分类方法很多（如按结构、按工艺参数、按控制任务、按装置、按闭环等），每一种分类方法只反映控制系统某一方面的特点 按系统结构 反馈控制系统 前馈控制系统 前馈-反馈控制系统 按给定值 定值控制系统 随动控制系统 程序控制系统,热工控制系统,79,一、概论

26、-控制系统的性能指标,1、控制系统的基本形式,热工控制系统,80,2、性能指标,热工控制系统,81,稳态误差（静态偏差） 超调量（最大动态偏差） 衰减比和衰减率 衰减率是指每经过一个波动周期，被调量波动幅值减少的百分数。常被工程上用来描述过渡过程为衰减振荡时的衰减速度。 衰减比n是指振荡过程的第一个波的振幅y1与第三个波的振幅y3之比，即ny1/y3，它也是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标，反映了振荡的衰减程度。 调节时间,热工控制系统,82,三个衡量控制系统调节品质的性能指标： 稳定性 准确性 快速性,热工控制系统,83,二、控制对象的动态特性,1、热工对象的动态特性对控制的意义 一个控

27、制系统构成的好坏，在很大程度上取决于对被控对象动态特性了解的程度 建立热工控制对象数学模型的目的： 1）.设计过程控制系统和整定控制器参数 2）.指导设计生产工艺设备 3）.进行仿真试验研究 4）.培训运行操作人员,热工控制系统,84,通道 控制通道 干扰通道 影响对象动态特性的结构性质： 1.容量系数 2.阻力 3.传递迟延,热工控制系统,85,热工控制对象的动态特点 （1）有一定的迟延和惯性 （2）阶跃响应曲线的最后阶段表明，被控量可能达到新的平衡，也可能不再平衡 有自平衡能力 无自平衡能力 （3）热工对象不是振荡环节,热工控制系统,86,2、有自平衡的单容对象 对象在受到扰动后，其被调量

28、不能依靠自身能力使之趋于某一稳定值,热工控制系统,87,从水位h的数值看，在扰动开始后并没有立即上升，而是经历一段时间慢慢上升到稳态值。从反映输入这个角度来看，水槽这个单容水箱对象是具有惯性。 被控对象受到扰动后平衡被破坏，不需外来的调节作用，而依靠被调量自身变化使对象重新恢复平衡，该对象具有自平衡特性,热工控制系统,88,有自平衡的单容对象的传函： P,热工控制系统,89,3、具有纯迟延的对象,热工控制系统,90,传函： P,热工控制系统,91,4、有自平衡的多容对象,热工控制系统,92,传函：,热工控制系统,93,5、有自平衡能力的对象,1）.对象的自平衡能力： 对象受到干扰作用后，平衡状

29、态被破坏，无需外加任何控制作用，依靠对象本身自动平衡的倾向，逐渐地达到新的平衡状态的性质，称为对象的自平衡能力。 实质：对象输出量变化对输入量发生影响的结果，或者说，对象内部存在着负反馈。 2）.特征参数： (1)自平衡率： (2)时间常数Tc (飞升速度 )： (3)迟延时间： 3）.特征参数变化对阶跃响应的影响：,热工控制系统,94,热工控制系统,95,热工控制系统,96,热工控制系统,97,6、无自平衡的单容对象,热工控制系统,98,无自平衡的单容对象的传函： P,热工控制系统,99,7、无自平衡能力多容对象,热工控制系统,100,传函：,热工控制系统,101,8、无自平衡能力,延迟时间

30、 响应速度,热工控制系统,102,热工控制系统,103,热工控制系统,104,9、近似传函,有自平衡能力 无自平衡能力,热工控制系统,105,三、控制仪表,1、概述 分类（按控制仪表与自动控制系统中的检测、变送、显示等各部分的组合方式不同分类） 基地式仪表：将测量、变送、显示及控制等功能集于一身的一种控制仪表 基地式的名称是指它和后来出现的“单元组合式”仪表相比，比较适于在现场作就地检测和调节之用而得来的 结构比较简单,常用于单机控制系统。 单元组合式仪表：把整套仪表按照其功能和使用要求，分成若干独立作用的单元，各单元之间用统一的标准信号联系。使用时，针对不同的要求,将各单元以不同的形式组合，

31、可以组成各种各样的自动检测和控制系统。（即“积木式”） DDZ-型电子管器件为主要器件（010mA） DDZ-型晶体管等分立元件为主要器件（010mA） DDZ-型线性集成电路作为核心器件 （420mA）,热工控制系统,106,420mA的优点,420mA标准型号具有下述优点： 与电压信号（05V）比较，电流信号更适合远传 电流做信号，仪表可以采用两线制 与010mA电流信号比较，420mA电流零点为4mA，便于判断是数值为0，还是仪表故障（断线）,热工控制系统,107,2、电动单元组合式仪表 特点： 可以用有限的单元组成各种各样的控制系统,具有高度的通用性和灵活性。 可以通过转换单元,把气动

32、表、电动表,甚至液动表联系起来,混合使用。 由于各单元独立作用,所以在布局、安装、维护上也更合理、更方便。 仪表大都采用力平衡或力矩平衡原理,工作位移小、无机械摩擦、精度高、使用寿命长、性能较好。 由于零部件的标准化、系列化,有利于大规模生产,降低了成本,提高了产量和质量。 有利于发展新品种,采用新工艺、新技术。,热工控制系统,108,单元组合仪表一般可以分为八大类单元： 变送单元(B) 显示单元(X) 给定单元(G) 辅助单元(F) 控制单元(T) 计算单元(J) 转换单元(Z) 执行单元(K),热工控制系统,109,四、SAMA表示的控制系统图,SAMA图是美国科学仪器制造协会（Scien

33、tific Apparatus Makers Association）所采用的绘制图例，它易于理解，能清楚地表示系统功能，广为自动控制系统所应用。,热工控制系统,110,1、SAMA图的外形,SAMA图的外形分为四类： （a）为测量或信号显示功能； （b）为自动信号处理功能； （c）为手动信号处理功能； （d）为执行机构；,热工控制系统,111,2、SAMA功能图例,热工控制系统,112,SAMA功能图例,热工控制系统,113,3、SAMA功能图举例,例一：常用调节器,求测量与给定信号的偏差,对偏差进行比例积分运算,手动自动切换,输出限幅,热工控制系统,114,例二：显示操作器 指示测量值和给

34、定值 调整给定值 手动/自动切换 手动输出驱动信号 输出值显示,热工控制系统,115,例三：带前馈的流量单回路调节系统,热工控制系统,116,流量变送器测得的差压值，通过阻尼运算，消去信号的高频干扰，然后进行开方运算，使其转换成流量信号，送往调节器的偏差入口。 流量设定值由数值设定块设定，它与实际流量的偏差值由调节器进行比例积分运算，然后加上前馈信号，作为调节运算输出值。 调节器处于手动状态时，调节器的输出由手动操作，当调节器处于自动状态时，调节运算输出值经过限幅模块，送往执行机构。 输出信道上的函数模块用于阀门非线性的校正，而回馈信道上的函数模块则是为了实现无扰切换，其函数值为输出信道上的函

35、数模块的反函数。,热工控制系统,魏建平 热能工程学院,热工控制系统,118,第二次课：,常规控制规律 P PI PD PID 单回路控制系统,热工控制系统,119,一、常规控制规律,1、比例控制（P控制） 控制规律 传函：,热工控制系统,120,控制特点： 动作快 有差控制 随 的增大，系统稳定性下降 增大可以降低系统的惯性，加快系统的响应速度。,热工控制系统,121,比例控制静差实例,热工控制系统,122,2、积分控制（I控制） 控制规律 控制特点 动作不及时 无差控制 I使系统稳定性下降，I控制是牺牲了系统的稳定性换来了稳态性能的改善 越大，系统的响应速度就越慢,热工控制系统,123,3、

36、PI控制,PI控制规律将P控制规律的快速反应与I控制规律的消除余差的功能结合起来，但PI控制器需要注意积分饱和现象（由于误差始终消除不掉，积分器不断积分下去，直到进入深度饱和，使得积分其失去作用，这个现象称为积分饱和现象）,热工控制系统,124,PI调节器的阶跃响应曲线,热工控制系统,125,4、微分控制（D控制） 控制规律 控制特点 D控制对系统的稳态性能影响不大，它不能消除稳态误差 D控制为系统增加了一个闭环零点，有利于系统的稳定性 D控制的输出与误差的变化速率成正比，由于误差变化速率（包括大小和方向）反映了系统被控量的变化趋势，使得D控制具有“超前”控制的特点，这使得D控制能够防止系统出

37、现较大的超调量,热工控制系统,126,实际的微分控制规律：,热工控制系统,127,5、PD控制 PD控制将P控制的快速性和D作用的超前性结合起来，可以有效地克服大超调，但是，PD控制不适合参数剧烈变化侧场合，而且微分作用太强会使系统发生震荡，因此PD控制中以P控制为主，D控制为辅,热工控制系统,128,实际PD控制,理想PD,实际PD,热工控制系统,129,6、PID控制 PID控制规律将比例P、积分I和微分D通过线形组合构成控制量，对被控对象进行控制。它吸收了P的快速反应功能、I消除余差的功能、D超前控制的功能，互相弥补之间的不足，取长补短，是一种比较理想的控制规律,热工控制系统,130,实

38、际PID,实际PID调节器在阶跃输入下，开始时微分作用的输出变化最大，使总的输出大幅度地变化，产生一个强烈的超前调节作用,把这种调节作用看成为预调。然后微分作用消失，积分输出逐渐占主导地位，只要静态偏差存在，积分作用不断增加，把这种作用可看成为 “ 细调 ”，一直到静态偏差完全消失，积分作用才有可能停止。而在PID的输出中，比例作用是自始至终与偏差相对应的，它是一种基本的调节作用。,热工控制系统,131,总之： P控制-即时成比例的反应偏差的变化，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。即P控制有利于系统的快速性，不利于系统的稳定性，有余差。 I控制-主要用于消除余差。即I控制能消除

39、系统余差，但不利于系统的稳定性和快速性。 D作用-主要用其“超前”控制作用减小系统的超调量。即D控制能减小系统的超调量，有利于系统得稳定性，但不能消除余差。,热工控制系统,132,热工控制系统,133,二、单回路控制系统,1、概述 2、被控对象特性对控制品质的影响 3、测量元件和变送器特性对控制质量的影响 4、调节机构特性对控制质量的影响 5、单回路控制系统的参数整定 6、自动控制系统现场投运的一般步骤 7、单回路控制系统实例-除氧器压力和水位控制,热工控制系统,134,自动控制系统的设计原则,原则性控制系统的拟定 提出性能指标 确定控制系统形式 控制系统的综合 确定控制规律及参数等 控制系统

40、的分析 分析计算性能指标，与既定指标比较，进行系统改进,热工控制系统,135,被调量y的选择,直观明确的被控量，如过热蒸汽温度控制 简接测量的物理量，如磨煤机入口煤的干燥程度 可直接测量，但信号不好，如燃烧控制中送风量的控制，烟气含氧量（磁性测氧计+氧化锆测氧计）,热工控制系统,136,调节量u的选择,工艺合理性 参数合理性较大的放大系数，较小的惯性和滞后,热工控制系统,137,2、被控对象特性对控制品质的影响,一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响 1放大系数K对控制质量的影响,热工控制系统,138,热工控制系统,139,干扰通道的放大系数K越大,在扰动作用下系统的动态偏差、稳态误差(静态偏

41、差)越大； 因此扰动通道放大系数越小越好,这样可使动态偏差、稳态误差减小,控制精度提高,热工控制系统,140,2时间常数T对控制质量的影响 TD的变化将影响系统稳定性裕度和动态偏差，当干扰通道的时间常数T增大时,控制作用减弱，使系统稳定性裕度增大；当干扰通道的时间常数T减小时,控制作用加强，使系统稳定性裕度减小。 因此扰动通道的时间常数越大越好,这样可使系统的稳定性裕度提高。,扰动通道放大系数,热工控制系统,141,从物理意义上讲,具有惯性环节特性的扰动通道,相当于一个低通滤波器,削弱了扰动对系统工作的影响,热工控制系统,142,3迟延时间对控制质量的影响 扰动通道迟延时间的存在仅使被调量在时

42、间轴上平移了一个值即过渡过程增加了一个时间。并不影响系统的控制质量,热工控制系统,143,系统有多个扰动,扰动进入系统的位置离输出(被调量)越远,对系统控制质量影响就越小,热工控制系统,144,二、控制通道的特征参数对控制质量的影响 1.放大系数Ko对控制质量的影响 控制通道的放大系数KPKo 是一种互补关系,对线性控制系统KPKo可以通过调整控制器的比例系数KP保证两者的乘积满足设计的要求；对于非线性对象,其Ko值随负荷变化而变化,要利用KP来补偿,除非KP也随负荷变化而变化,即采用非线性控制器。,热工控制系统,145,热工控制系统,146,2.时间常数、迟延时间对控制质量的影响 （1）n阶

43、惯性对象对控制质量的影响 时间常数T：减小控制通道的时间常数，能提高控制系统的控制质量 实际组成控制系统时,控制通道是由执行器、变送器、对象串联组成广义对象。广义对象内部各环节具有不同的时间常数。这些时间常数之间应相互错开 阶次n：控制通道的惯性对象阶次n越小越好（阶次n越大对被调量的影响越慢，调节的也越慢，使控制系统的动态偏差、控制过程的时间增大，稳定性裕度减小 ）,热工控制系统,147,热工控制系统,148,（2）有迟延对象对控制质量的影响 迟延越大, 动态偏差、控制过程的时间越大,图4-12,热工控制系统,149,时间常数Tc增大能提高系统的控制质量,热工控制系统,150,小结： 干扰通

44、道的放大系数越小越好 控制通道的放大系数：如果被控对象是线性系统，则对控制质量无影响；若是非线性系统，有一定影响 控制通道的时间常数应适当小一些，在采取改善控制通道动态特性的措施时，应遵循时间常数错开的原则；纯迟延和时间常数的比值越小，控制质量越好 扰动进入控制系统的位置距离系统输出越远越好，干扰通道的时间常数越大，扰动对被调量的影响就越好，控制质量越好；扰动通道的纯迟延对系统控制质量无影响,热工控制系统,151,变送器原理,热工控制系统,152,3、测量元件和变送器特性对控制质量的影响,变送器时间常数较小，对控制品质影响不大 测量元件可等效为一阶惯性环节，其与y(t)的关系见下图。y(t)的

45、幅值变化比z(t)大的多，而且两者存在相位差。,热工控制系统,153,克服测量变送的惯性： 采用快速测量元件 采用微分单元 正确选择测量变送元件的安装位置，保证其有较高的灵敏度和较小惯性,热工控制系统,154,4、调节机构特性对控制质量的影响,热工常用调节机构： 调节阀 空气烟气挡板 给煤机 给粉机等,热工控制系统,155,调节机构一般时间常数很小，可以认为是一个比例环节 选用调节阀时，要特别注意调节阀的工作流量特性与理想流量特性的差别,热工控制系统,156,（1）调节阀串联在管道中的工作流量特性,热工控制系统,157,随压降比S的减小，阀门在串联管路中的可调范围下降了,热工控制系统,158,

46、（2）调节阀在并联管路中的工作流量特性,热工控制系统,159,随X值下降，即旁路增加时，并联管路中调节阀可调范围急剧下降,热工控制系统,160,5、单回路控制系统的参数整定,PID参数整定就是根据被控过程的特性确定PID调节器的三个参数：比例增益、积分时间、微分时间的大小 常用工程整定方法： 经验法 临界比例带法 衰减曲线法 响应曲线法,热工控制系统,161,6、自动控制系统现场投运的一般步骤,准备工作 电气线路和连接管路的检查 变送器、控制器（组态图）、执行器的检查 控制系统试投,热工控制系统,162,7、单回路控制系统实例-除氧器压力和水位控制,除氧器除氧方法：加热给水至沸点（一定压力下，

47、气体的溶解度随温度的升高而变小） 因温度测量迟延较大，而饱和温度与饱和压力之间有确切的对应关系，因此采用压力控制 对象特性：一阶惯性环节,热工控制系统,163,7、单回路控制系统实例-除氧器压力和水位控制,1）除氧器压力控制系统定压控制,热工控制系统,164,负荷波动造成压力的突然变化： 升高：因温度变化滞后于压力，造成除氧效果不好 降低：造成给水泵压头不足，给水汽化，影响给水泵的安全 解决方案：设定除氧器最小压力，一般为35kPa,热工控制系统,165,2）滑压运行除氧器压力控制系统 除氧器加热蒸汽阀全开，除氧器压力随汽机负荷变化而变化，压力靠汽机抽汽自然保持 当汽机负荷较低时，需要辅助汽源

48、送入除氧器以维持最低允许压力,热工控制系统,166,除氧器水位控制系统 储水量要求可保证锅炉额定负荷下运行1520min 水位不能过高，否则影响除氧效果，甚至威胁汽机安全 水位不能过低，否则会导致给水泵入口发生汽化，危及给水泵安全，甚至威胁锅炉上水,热工控制系统,167,除氧器水位控制系统 对象特点：有延迟的一阶积分环节,热工控制系统,魏建平 热能工程学院,热工控制系统,169,第五章 串级控制系统 一、串级控制的基本原理和结构 二、串级控制系统的特点 补充、串级控制系统的应用范围 三、串级控制系统的设计和调节器选型 四、串级控制系统的整定 第六章 前馈控制系统 一、前馈控制系统的分析 二、前

49、馈-反馈控制系统,热工控制系统,170,第一节、串级控制的基本原理和结构,（1）引出 加热炉出口温度控制 被控量：炉出口温度 控制量：燃料量 影响因素：原料量、燃料量波动及热值变化 存在的问题 燃料要经历管道传输、燃烧、传热等一系列环节，控制通道时间常数很大（约15分钟），导致控制作用不及时,热工控制系统,171,改进 加入燃料流量控制环路 改进后的问题 温度开路 原料波动、热值变化等扰动无法克服 合并 设想：当温度偏高时，把燃料量设定值减少点，温度偏低时，燃料量设定值增加点,热工控制系统,172,热工控制系统,173,（2）实例2：锅炉汽包压力控制 对象特点：时间常数大，反应慢,被控量：过热

50、器出口蒸汽压力 控制量：燃料量 影响因素：蒸汽流量、燃料量及热值波动,测验：绘制该系统的方框图,热工控制系统,174,（3）实例3：锅炉过热汽温控制 对象特点：减温器距离过热器出口较远，且过热器管壁热容较大，主汽温对象的滞后和惯性较大,被控量：过热器出口蒸汽温度 控制量：减温水量 影响因素：蒸汽流量、烟气热量、减温水量,热工控制系统,175,结构上形成了两个闭环： 一个闭环在里面，被称为内回路或者副回路，在控制过程中起着粗调的作用； 一个闭环在外面，被称为外回路或者主回路，用来完成细调任务，以最终保证被调量满足生产要求。 主回路和副回路都有各自的控制对象，测量变送器和调节器。 主回路内的控制对

51、象（即过热器，其输入为2，输出为1）、被测参数（1）和调节器（温度调节器1）分别被称为主对象、主参数（主变量）和主调节器 在副回路内则相应地被称为副对象（其输入为控制量，输出为2）、副参数（或副变量2）和副调节器（温度调节器2） 副对象是整个控制对象的一部分，常称为控制对象的导前区，主对象是整个控制对象中的另一部分，常称为控制对象的惰性区。 系统中的两个调节器，其作用各不相同： 主调节器具有自己独立的给定值，它的输出作为副调节器的给定值 副调节器的输出信号则是送到调节机构去控制生产过程。,热工控制系统,176,第二节、串级控制系统的特点,串级控制系统在结构上增加了一个内回路，收到明显的控制效果

52、。 （1）由于副回路具有快速作用，因此，串级控制系统对进入副回路的扰动（二次干扰）有很强的克服能力。,热工控制系统,177,干扰f经干扰通道WOf(S)进入副回路后，首先影响副参数y2，于是副调节器立即动作，力图消弱干扰对y2的影响。显然，干扰经过副回路的抑止后再进入主回路，对y1的影响将有较大的减弱。,热工控制系统,178,干扰f至主参数y1的传递函数,热工控制系统,179,克服二次干扰的能力就越强,热工控制系统,180,单回路控制系统f至y1 的传递函数,串级控制,副回路的存在，提高了总的放大倍数，对二次干扰具有很强的克服能力。,热工控制系统,181,单回路,串级,串级控制系统的结构使进入

53、副回路的扰动f对主参数y1这一通道的动态增益明显减小。当f出现时，很快就被副调节器所克服。,热工控制系统,182,（2）由于副回路的存在，使副回路的时间常数大大减小，改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率。 整个副回路看成是一个等效对象WO2*(s),假设副回路中各环节传递函数为：,热工控制系统,183,由于副回路的存在，起到了改善对象动态特性的作用。等效对象的时间常数缩小了(1+KT2KZKKO2Km2)倍，而且随着副调节器比例增益的增大而减小。加快了副回路的响应速度，提高了系统的工作频率 。 当扰动在副回路以外（例如外扰）时，由于副回路减小了对象的时间常数，提高了整个系统的工作频率，因

54、此也能改善系统的工作品质。,热工控制系统,184,（3）由于副回路的存在，使串级系统有一定的自适应能力。,如果副对象增益或调节阀的特性随负荷变化时，对等效对象增益KO2*的影响不大，因而在不改变调节器整定参数的情况下，系统的副回路能自动地克服非线性因素的影响，保持或接近原有的控制质量；,A、,热工控制系统,185,B、副回路通常是一个随动系统，当负荷变化时，主调节器将改变其输出值，副调节器能快速跟踪，及时而又精确地控制副参数，从而保证系统的控制品质。 从上述两个方面看，串级控制系统对负荷的变化有一定的自适应能力。,热工控制系统,186,实例：过热汽温串级控制系统,主、副对象的传递函数：,主、副

55、调节器的传递函数：,执行机构和调节阀的传递函数：,测量变送器的传递函数：,热工控制系统,187,仿真结果：,热工控制系统,188,补充、串级控制系统的应用范围,对象的控制通道迟延时间较长 造纸厂网前箱温度串级控制 对象的时间常数大 过热器蒸汽温度控制、锅炉汽包蒸汽压力控制、加热炉温度控制 负荷变化较大，且被控对象又具有较大的非线性 醋酸乙烯合成反应炉中部温度对换热器出口温度串级控制 系统存在变化剧烈和幅值很大的干扰 精馏塔塔釜温度串级控制,热工控制系统,189,造纸厂网前箱温度串级控制,纸浆从贮槽用泵送入混合器，在混合器内用蒸汽直接加热到72度左右，经过立筛和圆筛除去杂质后送到网前箱，再去铜网

56、脱水后制纸。为了严格控制纸张质量，工艺要求网前箱温度恒定在61度，最大波动范围为1度。 经特性测试，从混合器到网前箱这一通道的纯滞后时间达90秒，当采用单回路控制时，纸浆流量波动时，最大偏差搞到8.5度，过渡过程时间达450秒，根本无法满足控制质量要求。,混合器出口温度,热工控制系统,190,醋酸乙烯合成反应炉中部温度对换热器出口温度串级控制,当醋酸乙炔混合气体流量发生变化时，换热器的出口温度随负荷的减小而显著地增高，并呈明显的非线性变化,热工控制系统,191,精馏塔塔釜温度串级控制,蒸汽压力波动剧烈且幅值大，有时从0.5MPa突然下降到0.3MPa，变化了40%，单回路控制时，比例带为77%

57、，最大偏差为10度，工艺要求为1.5度,热工控制系统,192,第三节、串级控制系统的设计和调节器的选型,合理设计主、副回路及选择主、副调节器的控制规律 一、主、副回路的设计原则 参数的选择应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏 副回路应包含被控对象所受到的主要干扰 主、副回路工作频率应适当匹配,热工控制系统,193,二、主、副调节器的选型,1副调节器的选型 一般都选P调节器，也可采用PD调节器，但这增加了系统的复杂性。在一般情况下，采用P调节器就足够了，如果主、副回路频率相差很大，也可考虑采用PI调节器。 2主调节器的选型 主调节器必须具有积分作用，一般都采用PI调节器，如果控制对象惰性

58、区的容积数目较多，同时有主要扰动落在副回路以外的话，就可以考虑采用PID调节器。,热工控制系统,194,第四节、串级控制系统的整定,请参见P106单回路控制系统工程整定法 逐次逼近法 两步整定法 补偿法,热工控制系统,195,第六章 前馈控制系统,第一节 前馈控制系统的分析 一、前馈控制系统的概念 负反馈系统：根据被调量（或其它被调参数）和给定值之间的偏差进行控制 前馈控制系统：直接根据扰动进行控制的系统,热工控制系统,196,二、前馈控制系统的分析,换热器温度控制,热工控制系统,197,思考：为什么不是串级呢？,反馈控制器的输出直接控制执行器阀门，而不是送入副调节器,热工控制系统,198,前

59、馈控制系统的原理方框图,是一个开环控制系统 令 Km=1 ，W(s)=1 则系统的传递函数为：,适当选择前馈调节器的传递函数WB(s)，就可以做到在发生扰动时被调量y不发生变化，实现对扰动完全补偿,前馈控制系统不需要检查它的稳定性,热工控制系统,199,三、前馈控制系统的特点,（1）前馈控制系统是直接根据扰动进行控制，因此可及时消除扰动对被调量的影响，减小被调量的动态偏差，而且不象反馈控制系统那样根据被调量的偏差反复调节，因此前馈控制系统的调节过程时间ts也较小。 （2）前馈控制系统为开环控制系统，不存在系统的稳定性问题。但是，由于系统中不存在被调量的反馈信号，因而控制过程结束后不易得到静态偏差的具体数值。 （3）前馈控制系统只能用来克服生产过程中主要的、可测的扰动。 实际工业生产中使被调量发生变化的原因（扰动）是很多的，对每一种扰动都需要一个独立的前馈控制，这就会使控制系统变得非常复杂；而且有的扰动往往是难于测量的，对于这些扰动就无法实现前