热工自动化概述-华北电力大学

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,#,第一章 热工自动化概述,North China Electric Power University,第一章 热工自动化概述,1.1 热工自动化概况,1.2 常见的热工自动化系统,1.3 热工控制系统的组成,1.4 常规PID调节器,1.5 热工控制系统的运行评价,1.6 SAMA图,1,1-1热工自,动,动化概,况,况,2,一、自,动,动化领,域,域发生,了,了革命,性,性的变,化,化,芯片技,术,术：促进了,自,自动化,技,技术由,“,“模拟,”,”向“,数,数字”,时,时代,的飞跃,；,；,网络信,息,息技术：分布式,工,工业自,动,动控制,系,系统（DCS,:,:,DistributedControl System）为实现,先,先,进的工,业,业自动,化,化系统,提,提供了,强,强有力,的,的硬,件、软,件,件平台,。,。,3,自动控,制,制理论：自动化,技,技术由,基,基于微,分,分方程,、,、传递,函,函,数的古,典,典理论,阶,阶段进,入,入基于,状,状态空,间,间,法和最,优,优化方,法,法的现,代,代理论,阶,阶段，,进,进,而，逐,步,步发展,到,到基于,专,专家系,统,统、模,糊,糊,控制和,人,人工神,经,经网络,的,的智能,时,时代。,信息处,理,理技术：数据高,速,速传输,、,、数据,压,压缩存,储,储、数,据,据,融合、,数,数据挖,掘,掘等技,术,术的发,展,展，为,实,实,现基于,信,信息集,成,成的生,产,产过程,的,的控制,与,与,管理现,代,代化奠,定,定了基,础,础。,4,二、电,力,力的发,展,展趋势,1.国民经,济,济的飞,速,速增长,，,，增加,了,了对能,源,源的需,求,求量，,电,电力工,业,业逐渐,发,发展为,大,大电网,、,、大机,组,组、高,参,参数、,高,高度自,动,动化。,2.由于高,参,参数、,大,大容量,机,机组发,展,展迅速,，,，装机,数,数量日,益,益增多,，,，因此,对,对机组,自,自动化,的,的要求,也,也日益,提,提高，,以,以“4C”（计算机,、,、控制,、,、通信,、,、CRT,）,）技术为,基,基础的,现,现代火,电,电机组,热,热工自,动,动化技,术,术也相,应,应得到,了,了迅速,发,发展。,其,其中，,具,具有代,表,表性的,是,是80年代微,机,机分散,控,控制系,统,统（DCS,）,）的问世,和,和日益,完,完善，,并,并广泛,应,应用于,大,大机组,的,的自动,控,控制。,5,3.“厂网分,开,开，竞,价,价上网,”,”的电,力,力改革,基,基本完,成,成，形,成,成了“五大,发,发电集,团,团”：中国,电,电力投,资,资集团,公,公司、,中,中国华,能,能集团,公,公司、,中,中国大,唐,唐集团,公,公司、,中,中国国,电,电集团,公,公司、,中,中国华,电,电集团,公,公司；“两大,电,电网”：国家,电,电网公,司,司、中,国,国南方,电,电网有,限,限责任,公,公司。,4.“七五”,、,、“八,五,五”期,间,间，我,国,国电力,工,工业所,建,建主力,机,机组大,多,多还是300MW机组，,但,但也开,始,始建设600MW级机组,。,。,5.“九五”,期,期间，,我,我国电,力,力建设,的,的机组,主,主力将,逐,逐步转,为,为以600MW机组为,主,主。,6,四、大,型,型火电,机,机组的,特,特点,1.监视点,多,多（600MW机组IO点多达30005000个，随,着,着发电,机,机-变压器,组,组和厂,用,用电源,等,等电气,部,部分监,视,视纳人DCS之后，IO点已超,过,过7000个）;,2.参数变,化,化速度,快,快和控,制,制对象,数,数量大,（,（600W机组超,过,过1300个）;,3.各个控,制,制对象,特,特性时,变,变、时,滞,滞、相,互,互间关,联,联耦合,、,、环境,强,强干扰,；,；,4.由高度,计,计算机,化,化的单,元,元机组,集,集控取,代,代传统,的,的机、,炉,炉、电,分,分别人,工,工监控,。,。自动,化,化系统,的,的功能,也,也已从,单,单台辅,机,机和局,部,部热力,系,系统发,展,展到整,个,个单元,机,机组的,检,检测与,控,控制。,7,5.随着整,个,个单元,机,机组自,动,动化的,不,不断完,善,善以及,电,电网发,展,展的需,要,要，火,电,电厂热,工,工自动,化,化的功,能,能必然,会,会和调,度,度自动,化,化系统,（,（automaticdispatchsystem，ADS）相协调,而,而实现,电,电网的,自,自动发,电,电控制,（,（AGC,）,）。,6.厂级实,时,时监控,信,信息系,统,统（SupervisoryInformationSysteminPlantLevel,，,，简称SIS,）,），是集过,程,程实时,监,监测、,优,优化控,制,制及生,产,产过程,管,管理为,一,一体的,厂,厂级自,动,动化信,息,息系统,实现机,组,组的安,全,全经济,运,运行的,有,有效手,段,段。,8,五、热,工,工自动化,的,的意义,1.在机组,正,正常运,行,行过程,中,中，自,动,动化系,统,统能根,据,据机组,运,运行要,求,求，自,动,动将运,行,行参数,维,维持在,要,要求值,，,，以期,取,取得较,高,高的效,率,率（如,热,热效率,）,）和较,低,低的消,耗,耗（如,煤,煤耗、,厂,厂用电,率,率等）,。,。,9,2.在机组,运,运行工,况,况出现,异,异常，,如,如参数,越,越限、,辅,辅机跳,闸,闸时，,自,自动化,设,设备除,及,及时报,警,警外，,还,还能迅,速,速、及,时,时地按,预,预定的,规,规律进,行,行处理,。,。这样,，,，既能保证机,组,组设备,的,的安全,，,，又能,保,保证机,组,组尽快,恢,恢复正,常,常运行,，,，减少,机,机组的,停,停运次,数,数。,例如，RUNBACK（自动快,速,速减负,荷,荷）、RUNUP,（,（强增负,荷,荷），RUNDOWN（强减负,荷,荷）、FAST CUTBACK（FCB，负荷快,速,速切回,或,或称快,速,速甩负,荷,荷）等,功,功能。,10,3.当机组,从,从运行,异,异常发,展,展到可,能,能危及,设,设备安,全,全或人,身,身安全,时,时，自,动,动化设,备,备能适,时,时采取,果,果断措,施,施进行,处,处理，,以,以保证,设,设备及,人,人身的,安,安全。,如,如锅炉,主,主燃料,跳,跳闸（masterfueltrip，MFT）,、,、汽轮机,监,监测系,统,统（TSI,）,）和汽轮,机,机紧急,跳,跳闸系,统,统（ETS,）,）等。,4.在机组,启,启停过,程,程中，,自,自动化,设,设备又,能,能根据,机,机组启,动,动时的,热,热状态,进,进行相,应,应的控,制,制，以,避,避免机,组,组产生,不,不允许,的,的热应,力,力而影,响,响机组,的,的运行,寿,寿命，,即,即延长,机,机组的,服,服役期,。,。如汽,轮,轮机的,计,计算机,应,应力估,算,算和寿,命,命管理,系,系统，,汽,汽轮机,自,自启停,系,系统(turbine automaticsystem,，,，TAS)。,11,5.随着电,网,网的发,展,展，对,自,自动发,电,电控制,（,（automaticgenerationcontrol，AGC）的要求,日,日趋严,格,格。AGC是现代,电,电网控,制,制中心,的,的一项,基,基本和,重,重要的,功,功能，,是,是电网,现,现代化,管,管理的,需,需要，,也,也是电,网,网商业,化,化运营,的,的需要,。,。而要,实,实现AGC,，,，单元机,组,组必须,有,有较高,的,的自动,化,化水平,，,，单元,机,机组协,调,调控制,系,系统必,须,须能投,入,入稳定,运,运行。,自动化,技,技术对,于,于提高,机,机组的,安,安全经,济,济运行,水,水平是,行,行之有,效,效的，,大,大型火,电,电机组,离,离开了,高,高度的,自,自动化,，,，就不,可,可能做,到,到安全,经,经济运,行,行。,12,1-2常见的热工自,动,动化系,统,统,13,1.自动发,电,电控制,系,系统,（automaticgenerationcontrol System，AGC,）,）,由于调,速,速器为,有,有差调,节,节，因,此,此对于,变,变化幅,度,度较大,、,、周期,较,较长的,变,变动负,荷,荷分量,，,，需要,通,通过改,变,变汽轮,发,发电机,组,组的同,步,步器来,实,实现，,即,即通过,平,平移调,速,速系统,的,的调节,静,静态特,性,性，从,而,而改变,汽,汽轮发,电,电机组,的,的出力,来,来达到,调,调频的,目,目的，,称,称为二,次,次调整,。,。,当二次,调,调整由,由,由电网,调,调度中,心,心的能,量,量管理,系,系统来,实,实现遥,控,控自动,控,控制时,，,，则称,为,为自动,发,发电控,制,制（AGC,）,）。,14,2.厂级实,时,时监控,信,信息系,统,统,（SupervisoryInformationSysteminPlantLevel,，,，简称SIS,）,）,SIS是发电,厂,厂的生,产,产过程,自,自动化,和,和电力,市,市场交,易,易信息,网,网络化,的,的中间,环,环节，,是,是发电,企,企业实,现,现发电,生,生产到,市,市场交,易,易的中,间,间控制,层,层，是,实,实现生,产,产过程,控,控制和,生,生产信,息,息管理,一,一体化,的,的核心,，,，是承,上,上启下,实,实现信,息,息网络,的,的控制,枢,枢纽。,实现全,厂,厂生产,过,过程监,控,控,实时处,理,理全厂,经,经济信,息,息和成,本,本核算,竞价上,网,网处理,系,系统,实现机,组,组之间,的,的经济,负,负荷分,配,配,机组运,行,行经济,评,评估及,运,运行操,作,作指导,15,3.单元机,组,组协调,控,控制系,统,统,（coordinationcontrolsystem,，,，CCS）,协调控,制,制是基,于,于机、,炉,炉的动,态,态特性,，,，应用,多,多变量,控,控制理,论,论形成,若,若干不,同,同形式,的,的控制,策,策略，,在,在机、,炉,炉控制,系,系统基,础,础上组,织,织的高,一,一级机,、,、炉主,控,控系统,。,。它是,单,单元机,组,组自动,控,控制的,核,核心内,容,容。,4.锅炉炉,膛,膛安全,监,监控系,统,统,（furnace safeguardsupervisorysystem,，,，FSSS）或称燃,烧,烧器管,理,理系统,（,（burnermanagementsystem,，,，BMS）,炉膛安,全,全监视,系,系统包,括,括炉膛,火,火焰监,视,视，炉,膛,膛压力,监,监视，,炉,炉膛吹,扫,扫，自,动,动点火,，,，燃烧,器,器自动,切,切换，,紧,紧急情,况,况下的,主,主燃料,跳,跳闸等,。,。,16,5.顺序控,制,制系统,（sequencecontrol system，SCS,）,）,按照生,产,产过程,工,工艺要,求,求预先,拟,拟定的,顺,顺序，,有,有计划,、,、有步,骤,骤、自,动,动地对,生,生产过,程,程进行,一,一系列,操,操作的,系,系统，,称,称之为,顺,顺序控,制,制系统,。,。,顺序控,制,制也称,程,程序控,制,制，在,发,发电厂,中,中主要,用,用于主,机,机或辅,机,机的自,动,动启停,程,程序控,制,制，以,及,及辅助,系,系统的,程,程序控,制,制。如,汽,汽轮机,的,的自动,启,启停程,序,序控制,、,、磨煤,机,机自动,启,启停程,序,序控制,、,、定期,排,排污和,定,定期吹,灰,灰的程,序,序控制,等,等。,17,6.数据采,集,集系统,（data acquisition system，DAS,）,）,又称为,计,计算机,监,监控系,统,统，其,基,基本功,能,能是对,机,机组整,个,个生产,过,过程参,数,数进行,在,在线检,测,测，经,处,处理运,算,算后以CRT画面形,式,式提供,给,给运行,人,人员。,该,该系统,可,可进行,自,自动报,警,警，制,表,表打印,，,，性能,指,指标计,算,算，事,件,件顺序,记,记录，,历,历史数,据,据存储,以,以及操,作,作指导,等,等。,18,7.汽轮机,数,数字电,液,液控制,系,系统,（digital electric hydraulicsystem,，,，DEH）,汽轮机,数,数字电,液,液控制,系,系统是,汽,汽轮发,电,电机组,的,的重要,组,组成部,分,分，除,完,完成汽,轮,轮机转,速,速、功,率,率及机,前,前压力,的,的控制,外,外，还,可,可实现,机,机组启,停,停过程,及,及故障,时,时的控,制,制和保,护,护。,8.给水泵,汽,汽轮机,电,电液控,制,制系统,（machine electric hydraulicsystem,，,，MEH）,19,9.旁路控,制,制系统,（bypasscontrolsystem,，,，BPS）,大型中,间,间再热,式,式机组,一,一般都,设,设置旁,路,路热力,系,系统，,其,其目的,是,是在机,组,组启、,停,停过程,中,中协调,机,机、炉,的,的动作,，,，回收,工,工质，,保,保护再,热,热器等,。,。完备,的,的旁路,控,控制系,统,统是充,分,分发挥,旁,旁路系,统,统功能,的,的前提,。,。,10.汽轮机,自,自启动,系,系统（TAS,）,）,20,11.汽轮机,监,监视仪,表,表（TSI,）,）和汽轮,机,机紧急,跳,跳闸系,统,统（ETS,）,）,汽轮发,电,电机属,高,高速运,转,转的大,型,型机械,设,设备，,对,对其运,行,行参数,的,的要求,十,十分严,格,格。大,轴,轴的振,动,动、位,移,移、热,膨,膨胀等,参,参数直,接,接影响,到,到汽机,的,的安全,运,运行，,必,必须精,确,确测量,并,并加以,监,监视。,以,以微处,理,理器为,核,核心的,汽,汽轮机,监,监控系,统,统，可,有,有效地,解,解决参,数,数检测,与,与处理,方,方面的,困,困难。,12.,辅,辅助系,统,统的计,算,算机程,控,控系统,21,1-3热工控,制,制系统,的,的,组成,22,图汽包水,位,位自动,控,控制系,统,统示意,图,图,用自动,化,化装置,代,代替上,述,述人工,操,操作来,完,完成控,制,制任务,，,，就形,成,成了自,动,动控制,系,系统。,一、自,动,动控制,系,系统的,组,组成,23,图汽包水,位,位自动,控,控制原,理,理框图,24,1、变,送,送器,用来测,量,量被调,量,量，并,把,把被调,量,量转换,为,为与之,成,成比例,的,的某种,便,便于传,递,递和综,合,合的信,号,号。,2、执,行,行,器,器,根据调,节,节器送,来,来的控,制,制指令,去,去推动,调,调节机,构,构，改,变,变调节,量,量。,3、调,节,节,器,器,接受被,调,调量信,号,号和给,定,定值比,较,较后的,偏,偏差信,号,号，输,出,出一定,规,规律的,控,控制指,令,令给执,行,行器。,4、控,制,制对象,被控制,的,的热工,生,生产过,程,程或设,备,备。,25,5、有,关,关变量,给定值,：,：被调量,的,的给定,值,值或与,该,该给定,值,值对应,的,的电信,号,号。,被 调,量,量：表征热,工,工过程,是,是否符,合,合规定,工,工况的,物,物理量,。,。,扰,动,动,：,：生产过,程,程中引,起,起被调,量,量偏离,给,给定值,的,的各种,因,因素。,调 节,量,量：由控制,作,作用来,改,改变并,去,去控制,被,被调量,变,变化的,物,物,理量。,调节机,构,构：接受控,制,制作用,去,去改变,调,调节量,变,变化的,具,具体设,备,备。,26,二、自,动,动控制,系,系统的,分,分类,1按控,制,制方式,分,分类,闭环控,制,制系统（也称反馈控,制,制系统）,被控量,信,信号反,馈,馈到控,制,制设备,的,的输入,端,端，成,为,为控制,设,设备生,产,产控制,作,作用的,依,依据。,有,有闭合,回,回路，,只,只要被,控,控量与,给,给定量,之,之间有,偏,偏差，,控,控制设,备,备就要,对,对控制,对,对象施,加,加作用,，,，直到,被,被控量,符,符合要,求,求为止,。,。,特点：,基,基于偏,差,差，消,除,除偏差,，,，可克,服,服各种,扰,扰动对,被,被控量,的,的影响,，,，有较,高,高精度,，,，但控,制,制不及,时,时。,27,开环控,制,制系统（也称前馈控,制,制系统）,控制设,备,备和控,制,制对象,在,在信号,关,关系上,没,没有形,成,成闭合,回,回路的,控,控制系,统,统，其,被,被控量,没,没有反,馈,馈到控,制,制设备,的,的输入,端,端。,特点：,按,按扰动,进,进行控,制,制，结,构,构简单,，,，精度,差,差，只,能,能克服,单,单一扰,动,动。,复合控,制,制系统,：,：它是开,环,环控制,和,和闭环,控,控制组,合,合的一,种,种控制,系,系统。,28,2按闭,合,合回路,的,的数目,分,分类,单回路,控,控制系,统,统：只有一,个,个被控,量,量信号,反,反馈到,控,控制器,的,的输入,端,端。形,成,成一个,闭,闭合回,路,路。,29,多回路,控,控制系,统,统：具有一,个,个以上,的,的闭合,回,回路，,控,控制器(调节器)除接受,被,被控量,反,反馈信,号,号外，,还,还有另,外,外的输,出,出信号,直,直接或,间,间接地,反,反馈到,控,控制器,的,的输入,端,端。,30,3按给,定,定值分,类,类,定值控,制,制系统：给定,值,值保持,不,不变，,从,从而被,控,控量也,相,相应保,持,持不变,，,，主要,矛,矛盾是,克,克服扰,动,动对被,控,控量的,影,影响，,最,最终使,被,被控量,与,与给定,值,值相等,。,。,主要的,热,热工控,制,制系统,，,，如：,给,给水控,制,制系统,、,、再热,汽,汽温控,制,制系统,等,等。,31,随动控,制,制系统,：,：给定值,按,按预先,不,不能确,定,定的一,些,些随机,因,因素而,变,变化。,因,因而被,调,调量也,跟,跟随给,定,定值而,随,随机变,化,化。,如：单,元,元机组,负,负荷控,制,制系统,；,；军事,上,上的火,炮,炮跟踪,系,系统；,导,导弹预,测,测拦截,系,系统。,程序控,制,制系统,：,：给定值,按,按已知,的,的时间,函,函数变,化,化。控,制,制的任,务,务是使,被,被控量,尽,尽快与,给,给定值,相,相等。,例如：,汽,汽轮机,自,自动启,停,停系统TAS,：,：汽轮机,启,启动过,程,程中，,要,要求汽,轮,轮机的,转,转速按,一,一定程,序,序升降,等,等；炉,膛,膛吹灰,系,系统等,。,。,32,三、热,工,工对象,的,的动态,特,特性,（1）有自,平,平衡能,力,力,（2）无自,平,平衡能,力,力,33,热工对,象,象具有,以,以下特,点,点：,（1）被调,量,量的变,化,化大多,是,是不振,荡,荡的。,（2）被调,量,量在干,扰,扰发生,的,的开始,阶,阶段有,迟,迟延和,惯,惯性。,（3）在响,应,应曲线,的,的最后,阶,阶段，,被,被调量,可,可能达,到,到一个,新,新的平,衡,衡状态,（,（对象,有,有自平,衡,衡能力,）,），也,可,可能不,断,断变化,而,而无法,进,进入平,衡,衡状态,（,（对象,无,无自平,衡,衡能力,）,）。,（4）描述,对,对象动,态,态特性,的,的特征,参,参数有,：,：放大,系,系数,、,、时间,常,常数、,迟,迟延时,间,间。,34,1-4,常规PID调节器,35,一、常,规,规PID控制规,律,律,接受被,调,调量信,号,号和给,定,定值比,较,较后的,偏,偏差信,号,号，按比例-积分-微分控,制,制规律输出控,制,制指令,给,给执行,器,器。,36,37,1、比例调,节,节规律,指调节,器,器输出,的,的控制,作,作用u（t）与其偏,差,差输入,信,信号e(t)之间成,比,比例关,系,系，即,比例增,益,益,工程中,，,，常用,比,比例带来描述,其,其控制,作,作用的,强,强弱，,即,即,物理意,义,义：在,调,调节机,构,构的位,移,移改变,时,时，被,调,调量应,有,有的改,变,变量。,38,比例调,节,节器的,阶,阶跃响,应,应曲线,如,如下:,对控制,过,过程的,影,影响,39,结论：,比例带,大,大，则,调,调节阀,动,动作幅,度,度小，,被,被调量,变,变化平,稳,稳，超,调,调量小,，,，但残,差,差较大,，,，静态,偏,偏差随,比,比例带,的,的加大,而,而加大,；,；,减小比,例,例带导,致,致系统,激,激烈振,荡,荡甚至,不,不稳定,，,，比例,带,带设置,必,必须有,一,一定的,稳,稳定裕,度,度。,比例调,节,节规律,的,的特点,：,：,（1）动作,快,快，调,节,节及时,、,、迅速,；,； （2）对干,扰,扰有很,强,强的抑,制,制作用,；,；（2）调节,过,过程结,束,束，被,调,调量偏,差,差仍存,在,在，存,在,在静态,偏,偏差，,称,称为有,差,差调节,。,。,40,2、积分,调,调节规,律,律,积分调,节,节规律,是,是调节,器,器输出,控,控制作,用,用u（t）与其偏,差,差输入,信,信号e（t）随时间,的,的积累,值,值成正,比,比，即,积分时,间,间,积分作,用,用曲线,特点：,只要偏,差,差存在,，,，积分,控,控制作,用,用一直,增,增加；,消,消除稳,态,态偏差,，,，实现,无,无差调,节,节，其,控,控制作,用,用体现,在,在调节,过,过程的,后,后期。,41,Ti对控制,过,过程的,影,影响,积分调,节,节器的,积,积分时,间,间对控,制,制过程,的,的影响,非周期,过,过程,衰减振,荡,荡过程,等幅振,荡,荡过程,42,结论：,积分时,间,间越小,，,，积分,速,速度越,快,快，调,节,节阀动,作,作愈快,，,，容易,引,引起和,加,加剧振,荡,荡。,积分调,节,节作用,是,是随时,间,间而逐,渐,渐增强,的,的，与,比,比例调,节,节作用,相,相比过,于,于迟缓,，,，恶化,了,了动态,品,品质，,使,使过渡,过,过程的,振,振荡加,剧,剧，甚,至,至造成,系,系统的,不,不稳定,。,。,43,3、微分,调,调节规,律,律,微分调,节,节规律,是,是调节,器,器输出,的,的控制,作,作用与,其,其偏差,输,输入信,号,号的变,化,化速度,成,成正比,。,。对于,定,定值控,制,制系统,，,，偏差,信,信号的,变,变化速,度,度就是,被,被调量,的,的变化,速,速度，,即,即,微分时,间,间,加入微,分,分调节,作,作用实,现,现超前调,节,节，有利,于,于克服,动,动态偏,差,差，将,大,大大改,善,善调节,过,过程。,微,微分调,节,节作用,的,的大小,仅,仅与偏,差,差信号,的,的变化,速,速度有,关,关，而,与,与偏差,值,值大小,无,无关。,44,实际的,微,微分调,节,节规律,具,具有惯,性,性，传,递,递函数,为,为下式,：,：,微分增,益,益,实际微,分,分调节,的,的阶跃,响,响应,45,结论：,微分作,用,用的引,入,入使系,统,统控制,过,过程的,稳,稳定性,和,和准确,性,性都得,以,以提高,，,，可适,当,当减小,静,静态偏,差,差，但,它,它不能,像,像积分,作,作用那,样,样消除,稳,稳态偏,差,差。,调节过,程,程开始,时,时，被,调,调量偏,差,差小，,但,但其变,化,化速度,却,却较大,，,，可使,执,执行机,构,构产生,较,较大的,位,位移。,但当调,节,节过程,结,结束，,执,执行机,构,构位置,最,最后总,是,是回复,到,到原来,的,的数值,。,。,46,综上所,述,述:,比例调,节,节作用,是,是最基,本,本的调,节,节作用,，,，使“,长,长劲”,，,，比例,作,作用贯,彻,彻于整,个,个调节,过,过程之,中,中；,积分和,微,微分作,用,用为辅,助,助调节,作,作用。,积,积分作,用,用则体,现,现在调,节,节过节,过,过程的,后,后期，,用,用以消,除,除静态,偏,偏差，使“后,劲,劲”；,微分作,用,用则体,现,现在调,节,节过程,的,的初期,，,，使“,前,前劲”。,47,4.PID,(,(比例-积分-微分)控制特,点,点,(1)缺点,不适用,于,于有大,时,时间滞,后,后的控,制,制对象,，,，参数,变,变化较,大,大甚至,结,结构也,变,变化的,控,控制对,象,象，以,及,及系统,复,复杂、,环,环境复,杂,杂、控,制,制性能,要,要求高,的,的场合,。,。,(2)优点:,PID算法蕴,涵,涵了动,态,态控制,过,过程中,过,过去、,现,现在和,将,将来的,主,主要信,息,息，而,且,且其配,置,置几乎,最,最优。,48,比例(P)代表了,当,当前的,信,信息，,起,起纠正,偏,偏差的,作,作用，,使,使过程,反,反应迅,速,速。,微分(D)在信号,变,变化时,有,有超前,控,控制作,用,用，代,表,表了将,来,来的信,息,息。在,过,过程开,始,始时强,迫,迫过程,进,进行，,过,过程结,束,束时减,小,小超调,，,，克服,振,振荡，,提,提高系,统,统的稳,定,定性，,加,加快系,统,统的过,渡,渡过程,。,。,积分(I)代表了,过,过去积,累,累的信,息,息，它,能,能消除,静,静差，,改,改善系,统,统静态,特,特性。,此三作,用,用配合,得,得当，,可,可使动,态,态过程,快,快速、,平,平稳、,准,准确，,收,收到良,好,好的效,果,果。,49,PID控制适,应,应性好,，,，有较,强,强鲁棒,性,性。,PID算法简,单,单明了,，,，形成,了,了完整,的,的设计,和,和参数,调,调整方,法,法,很容易,为,为工程,技,技术人,员,员所掌,握,握。,许多工,业,业控制,回,回路比,较,较简单,，,，控制,的,的快速,性,性和精,度,度要求,不,不是很,高,高，特,别,别是对,于,于那些l2阶的系,统,统，PID控制已,能,能得到,满,满意的,结,结果。,PID控制根,据,据不同,的,的要求,，,，针对,自,自身的,缺,缺陷进,行,行了不,少,少改进,，,，形成,了,了一系,列,列改进,的,的PID算法。,例如，,为,为克服,微,微分带,来,来的高,频,频干扰,的,的滤波PID控制，,为,为克服,大,大偏差,时,时出现,饱,饱和超,调,调的PID积分分,离,离控制,，,，为补,偿,偿控制,对,对象非,线,线性因,素,素的可,变,变增益PID控制等,等,等。这,些,些改进,算,算法，,在,在一些,应,应用场,合,合得到,了,了很好,的,的效果,。,。,50,比例带,积分时,间,间,微分时,间,间,性能指,标,标,整定参,数,数,衰减率,超调量,静态偏,差,差,振荡频,率,率,设定值扰动下,整,整定参,数,数对调,节,节过程,的,的影响,5、PID参数对,调,调节过,程,程的影,响,响分析,51,二、数,字,字PID控制算,法,法的改,进,进,1.积分项,的,的改进,在实际,使,使用中,，,，这种,基,基本的PID控制算,法,法往往,还,还存在,着,着一些,缺,缺陷。,其,其中对,控,控制系,统,统影响,比,比较大,的,的一个,问,问题就,是,是积分,器,器的饱,和,和问题,。,。,(1)积分器,的,的饱和,现,现象,积分运,算,算是通,过,过对系,统,统偏差,的,的不断,累,累加而,实,实现的,，,，积分,器,器的积,分,分值代,表,表着系,统,统偏差,的,的面积,。,。由于,计,计算机,输,输出接,口,口（DA转换器,）,）的字,长,长是有,限,限的，,当,当系统,在,在刚启,动,动的一,段,段时间,内,内，系,统,统的偏,差,差较大,，,，积分,器,器经过,若,若干个,采,采样周,期,期的积,分,分运算,以,以后，,其,其积分,结,结果就,会,会超过,计,计算机,输,输出接,口,口所能,表,表示的,最,最大值,，,，从而,使,使调节,器,器从线,性,性工作,区,区进入,饱,饱和区,。,。,52,进入饱,和,和区以,后,后，调,节,节器便,失,失去了,调,调节能,力,力，系,统,统在调,节,节器饱,和,和输出,值,值的作,用,用下，,以,以最大,的,的加速,度,度运动,，,，一直,到,到系统,出,出现较,大,大幅度,的,的，并,且,且持续,时,时间较,长,长的超,调,调以后,，,，在较,大,大的负,偏,偏差的,作,作用下,，,，才能,将,将积分,器,器从饱,和,和区拉,到,到线性,区,区，这,就,就是积,分,分饱和,问,问题。,被控对,象,象的惯,性,性越大,，,，这种,积,积分饱,和,和现象,就,就越严,重,重。,克服积,分,分饱和,现,现象的,方,方法主,要,要有积分分,离,离与变速积,分,分两种控,制,制方法,53,(2)积分分,离,离PID控制算,法,法,为使数,字,字调节,器,器尽可,能,能工作,在,在线性,区,区，可,以,以采用,积,积分分,离,离的方,法,法，即,在,在系统,的,的给定,值,值附近,画,画出一,条,条带域,，,，其宽,度,度为2，,0，为积分,器,器投入,或,或切除,的,的切换,点,点，如,下,下图所,示,示。,图.积分分,离,离PID切换原,理,理图,54,在系统,启,启动的,初,初期，,系,系统的,偏,偏差较,大,大时，,暂,暂时切,除,除积分,作,作用（,将,将积分,系,系数置0）；当,系,系统的,输,输出接,近,近给定,值,值（进,入,入到带,域,域之内,）,）时，,再,再将积,分,分器投,入,入，即,为积分,器,器分离,值,值，为积分,分,分离PID调节器,的,的一个,设,设计参,数,数，算,法,法程序,将,将系统,的,的偏差e（k）的绝对,值,值与进行比,较,较，然,后,后，作,出,出使用PID调节器,还,还是使,用,用PD调节器,的,的决策,。,。,55,(3)变速积,分,分PID控制算,法,法,在一般PID控制算,法,法中，,由,由于积,分,分系数,是,是一个,常,常数，,所,所以，,在,在整个,控,控制过,程,程中，,积,积分增,量,量不变,。,。而系,统,统对积,分,分项的,要,要求是,，,，系统,偏,偏差大,时,时积分,作,作用减,弱,弱以至,全,全无，,而,而在小,偏,偏差时,则,则应加,强,强，否,则,则，积,分,分系数,取,取大了,会,会产生,超,超调，,甚,甚至积,分,分饱和,，,，取小,了,了又迟,迟,迟不能,消,消除静,差,差。因,此,此，根,据,据系统,的,的偏差,大,大小改,变,变积分,的,的速度,，,，这对,于,于提高,调,调节品,质,质是有,益,益的。,变速积,分,分PID的基本,思,思想是,设,设法改,变,变积分,项,项的累,加,加速度,，,，使其,与,与偏差,的,的大小,相,相对应,：,：偏差,越,越大，,积,积分越,慢,慢，反,之,之则越,快,快。,56,2.微分项,的,的改进,在数字PID算式中,，,，其位,置,置式的,微,微分项,特别是,增,增量式,的,的微分,项,项中的,二,二阶差,分,分项，,对数据,误,误差和,干,干扰特,别,别敏感,，,，因此,在,在数字PID中，干,扰,扰主要,是,是通过,微,微分项,起,起作用,的,的。,但是由,于,于微分,作,作用在PID调节中,往,往往是,必,必要的,（,（它可,以,以近似,补,补偿对,象,象的一,个,个极点,，,，扩大,稳,稳定域,，,，改善,动,动态性,能,能），,因,因此不,能,能简单,地,地将微,分,分项弃,去,去，应,设,设法减,小,小数据,误,误差和,干,干扰在,微,微分项,中,中的影,响,响。下,面,面介绍,两,两种方,法,法：四点中,值,值差分,法,法和不完全,微,微分PID控制算,法,法。,57,(1)四点中,值,值差分,法,法,本这种,方,方法中,一方,面,面将,取,取得,略,略小于,理,理想情,况,况，另,一,一方面,，,，在组,成,成差分,时,时，不,直,直接应,用,用前后,两,两次偏,差,差，而,是,是用平,均,均差作,基,基准，,再,再用加,权,权求和,构,构成近,似,似微分,项,项。如,下,下图所,示,示。,图.插值法,示,示意图,58,在图上,取,取相邻,几,几个采,样,样周期,的,的四个,点,点e(k)至e(k-3)，设,特点：在算式,中,中增加,的,的计算,量,量是最,少,少的，,但,但要求,存,存储器,存,存储e变量的,几,几个过,去,去的数,值,值。,59,(2)不完全,微,微分PID控制算,法,法,微分的,引,引入改,善,善了系,统,统的动,态,态性能,，,，但也,容,容易引,入,入高频,干,干扰。,如,如果在,控,控制算,法,法中加,入,入低通,滤,滤波，,则,则性能,可,可得到,显,显著地,改,改善。,不,不完全,微,微分PID的结构,如,如下图,所,所示。,不仅可,以,以抑制,干,干扰，,还,还可克,服,服完全,微,微分的,大,大幅度,冲,冲击的,缺,缺点（,与,与实际PID控制效,果,果相同,）,）。,60,3.带死区,（,（间隙,）,）的PID控制算,法,法,在计算,机,机控制,系,系统中,，,，某些,系,系统为,了,了避免,控,控制动,作,作过于,频,频繁，,以,以消除,由,由于频,繁,繁动作,所,所引起,的,的振荡,，,，有时,采,采用所,谓,谓带有,死,死区的PID控制系,统,统，如,下,下图所,示,示。,图.带死区,的,的PID控制系,统,统,61,1-5热工控,制,制系统,的,的,运行评,价,价,62,一、静,态,态和动,态,态的概,念,念,静态：被控参,数,数不随,时,时间而,变,变化的,平,平衡状,态,态叫静,态,态或稳,态,态。,动态：被控参,数,数随时,间,间而变,化,化的不,平,平衡状,态,态叫动,态,态。,63,二、控,制,制系统,在,在受到,干,干扰作,用,用时的,过,过渡过,程,程,64,图.典型过,渡,渡过程,曲,曲线,三、控,制,制系统,的,的评价,稳定性,、,、准确,性,性、快,速,速性,1.稳定性,指控制,系,系统在,受,受到干,扰,扰作用,后,后，系,统,统的平,衡,衡被破,坏,坏，在,控,控制设,备,备的控,制,制作用,下,下，控,制,制系统,能,能恢复,到,到一个,新,新的平,衡,衡状态,，,，称为,稳,稳定性,。,。稳定,的,的控制,系,系统的,被,被控参,数,数和控,制,制参数,的,的过渡,过,过程曲,线,线最后,趋,趋于平,衡,衡；不,稳,稳定的,控,控制系,统,统过渡,过,过程曲,线,线则是,渐,渐扩的,，,，无法,恢,恢复平,衡,衡。,65,稳定程,度,度可以,用,用衰减率这个指,标,标来衡,量,量,衰减率,和,和系统,稳,稳定性,之,之间的,关,关系,过渡过,程,程为非周期过程,过渡过,程,程为等幅振,荡,荡过程,过渡过,程,程为衰减振,荡,荡过程,过渡过,程,程为渐扩振,荡,荡过程,66,2、准,确,确性,指被控,参,参数的,实,实际值,与,与给定,值,值之间,的,的动态,偏,偏差和,静,静态偏,差,差。最,大,大动态,偏,偏差是,指,指整个,过,过渡过,程,程中被,控,控参数,偏,偏离给,定,定值的,最,最大差,值,值；静,态,态偏差,是,是过渡,过,过程结,束,束后被,控,控参数,与,与给定,值,值之间,的,的差值,。,。,现场中,希,希望两,个,个偏差,越,越小越,好,好。,3、快,速,速性,指过渡,过,过程的,持,持续时,间,间，即,从,从干扰,发,发生起,至,至被控,参,参数又,建,建立新,的,的平衡,状,状态为,止,止的过,渡,渡时间,。,。一般,认,认为被,控,控参数,进,进入偏,离,离给定,值,值范围,内,内就基,本,本稳定,了,了。当,然,然，过,渡,渡时间,越,越短，,控,控制过,程,程进行,的,的就越,快,快，系,统,统品质,也,也就越,好,好。,以上三,方,方面的,品,品质指,标,标有时,往,往往是,相,相互矛,盾,盾的，,在,在实际,调,调试过,程,程中应,统,统筹兼,顾,顾！,67,4、动,态,态性能,指,指标,68,延迟时间,：,（DelayTime）响应曲,线,线第一,次,次达到,稳,稳态值,的,的一半,所,所需的,时,时间。,上升时,间,间,（Rise Time,）,）响应曲,线,线从稳,态,态值的10%上升到90%，所需,的,的时间,。,。上升,时,时间越,短,短，响,应,应速度,越,越快,峰值时,间,间,（Peak Time,）,）：,响应曲,线,线达到,过,过调量,的,的第一,个,个峰值,所,所需要,的,的时间,。,。,评价系,统,统的响,应,应速度,；,；,评价系,统,统的响,应,应速度,；,；,评价系,统,统的响,应,应速度,；,；,69,调节时间,：,（SettlingTime）,响应曲,线,线达到,并,并永远,保,保持在,一,一个允,许,许误差,范,范围内,，,，所需,的,的最短,时,时间。,用,用稳态,值,值的百,分,分数（,通,通常取5%或2%）作。,超调量,（Maximum Overshoot）,：,：指响应,的,的最大,偏,偏离量h(tp)于终值,之,之差的,百,百分比,，,，即,同时反,映,映响应,速,速度和,阻,阻尼程,度,度的综,合,合性指,标,标。,70,1-6SAMA图,71,SAMA图是美,国,国科学,仪,仪器制,造,造协会,（,（Scientific ApparatusMakers Association）所采用,的,的绘制,图,图例，,它,它易于,理,理解，,能,能清楚,地,地表示,系,系统功,能,能，广,范,范为自,动,动控制,系,系统所,应,应用。,自动信,号,号处理,功,功能,测量或,信,信号显,示,示功能,手动信,号,号处理,功,功能,执行机,构,构,FT,LT,PT,TT,ZT,流量变,送,送器,液,液,位,位变送,器,器,压,压力,变,变送器,温,温度,变,变送器,位,位,置,置反馈,72,开方,乘,乘法,除,除法,偏,偏量,偏,偏差,加,加,法,法,K,d/dt,f(t),f(x),/N,比例,积,积分,微,微分,时,时间,函,函数,函,函数,均,均值,73,T,A,手动切,换,换操作,手,手动增,减,减操作,手,手,动,动设置,操,操作,A/M,T,TR,手动/自动切,换,换,切,切换,跟,跟踪,大,大选,小,小,选,选,高,高限,H/,/L,V,A/D,高报,低,低报,限,限,速,速,限,限,幅,幅,模,模数转,换,换,低,低,限,限,74,P/I,I/P,V/I,I/V,D/A,气压,电,电流,电,电,流,流气,压,压,电,电压,电流,电,电,流,流电,压,压 数,模,模转换,R/V,MV/V,热电阻,电压,热,热,电,电偶,电,电压,信,信号,来,来源,MO,EH,电动执,行,行机构,液,液动执,行,行机构,气,气动,执,执行机,构,构,f(x),执行机,构,构,直,直行程,阀,阀,角,角,行,行程阀,75,模拟信,号,号,数字信,号,号,气信号,76,过程变,量,量,功,功能,信,信,号,号转换,A:分析I:指示E/P电/气转换,F:流量R:记录M/P脉冲/气压转,换,换,I:电流T:变送器I/P电流/气压转,换,换,L:液位E：测量元,件,件,P:压力：积分,器,器,S:速度,T:温度,HZ:频率,Z:位置,77,78,