热控第一章_热工自动化基础

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,1,1.1,概,述,述,2,生产过,程,程自动,化,化是保,持,持生产,稳,稳定、,降,降低成,本,本、改,进,进劳动,条,条件、,促,促进文,明,明生产,、,、保证,生,生产安,全,全和提,高,高劳动,生,生产率,的,的重要,手,手段。,自动化,水,水平是,衡,衡量一,个,个国家,的,的生产,技,技术和,科,科学水,平,平先进,与,与否的,一,一项重,要,要标志,。,。电力,工,工业中,电,电厂热,工,工过程,自,自动化,技,技术相,对,对于其,它,它民用,工,工业部,门,门有较,长,长的历,史,史和较,高,高的自,动,动化水,平,平，电,厂,厂热工,自,自动化,水,水平的,高,高低是,衡,衡量电,厂,厂生产,技,技术的,先,先进与,否,否和企,业,业现代,化,化的重,要,要标志,。,。,在现代,科,科学技,术,术的众,多,多领域,中,中，自,动,动控制,技,技术起,着,着越来,越,越重要,的,的作用,。,。所谓自动控,制,制，是指在没有,人,人直接,参,参与的,情,情况下,，,，通过,控,控制器,使,使被控,对,对象（,如,如机器,设,设备、,生,生产过,程,程等）,自,自动地,按,按照预,定,定的规,律,律运行。,3,一、自,动,动控制,系,系统的,组,组成,把工业,生,生产过,程,程中的,温,温度、,压,压力、,液,液位、,浓,浓度等,状,状态参,数,数作为,被,被控参,数,数的控,制,制系统,叫,叫过程控,制,制系统。,图1-1锅炉汽,包,包水位,人,人工控,制,制示意,图,图,任务：保证锅,炉,炉的安,全,全运行,，,，使汽,包,包的水,位,位稳定,在,在一定,的,的范围,内,内。,图1-2人工控,制,制原理,图,图,4,图1-3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。,图1-4汽包水,位,位自动,控,控制原,理,理框图,5,自动控,制,制系统,可,可以由,以,以下几,个,个部分,组,组成：,测量变,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。,给定元,件,件：用来设,置,置被调,量,量的给,定,定值或,与,与该给,定,定值对,应,应的电,信,信号。,调节器,：,：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。,6,执 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,节量。,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。,控制对,象,象：被控制,的,的热工,生,生产过,程,程或设,备,备。,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,。,。,7,二、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,反馈控,制,制系统,）,）：它,的,的被控,量,量信号,反,反馈到,控,控制设,备,备的输,入,入端，,成,成为控,制,制设备,生,生产控,制,制作用,的,的依据,。,。只要,被,被控量,与,与给定,量,量之间,有,有偏差,，,，控制,设,设备就,要,要对控,制,制对象,施,施加作,用,用，直,到,到被控,量,量符合,要,要求为,止,止。,特点: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,。,。由于,控,控制作,用,用落后,于,于干扰,，,，因此,相,相对来,讲,讲控制,不,不及时,。,。,8,开环控,制,制系统（也称,前,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,：,：开环控,制,制和闭,环,环控制,组,组合的,一,一种控,制,制系统,。,。,9,2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。,图1-5单回路,控,控制系,统,统的原,理,理框图,10,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。例,如,如串级,控,控制系,统,统和导,前,前微分,控,控制系,统,统都是,双,双回路,控,控制系,统,统。,图1-6串级控,制,制系统,的,的原理,框,框图,11,3按给,定,定值分,类,类,恒值控,制,制系统：给定值,保,保持不,变,变，从,而,而被控,量,量也相,应,应保持,不,不变，,主,主要矛,盾,盾是克,服,服扰动,对,对被控,量,量的影,响,响，最,终,终使被,控,控量与,给,给定值,相,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。,12,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。,例如：,单,单元机,组,组负荷,控,控制系,统,统；军,事,事上的,火,火炮跟,踪,踪系统,；,；导弹,预,预测拦,截,截系统,。,。,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,。,。,13,三、主要自,动,动化系,统,统,1.SIS：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,14,2.AGC：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）。,3.BPS：旁路,控,控制系,统,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,。,。,15,4.CCS：单元,机,机组协,调,调控制,系,系统（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。,5.FSSS：锅炉,炉,炉膛安,全,全监控,系,系统（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,。,。,16,6.SCS：顺序,控,控制系,统,统（sequencecontrol system）,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,控制也,称,称程序,控,控制，,在,在发电,厂,厂中主,要,要用于,主,主机或,辅,辅机的,自,自动启,停,停程序,控,控制，,以,以及辅,助,助系统,的,的程序,控,控制。,7.DAS：数据,采,采集系,统,统（data acquisition system）,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。,17,8.DEH：汽轮,机,机数字,电,电液控,制,制系统（digital electric hydraulicsystem）,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。,18,四、一,些,些重要,的,的基本,概,概念,1.数学模,型,型：描述控,制,制系统,变,变量（,物,物理量,）,）之间,动,动态关,系,系的数,学,学表达,式,式。常,用,用数学,模,模型有微分方,程,程，传递函,数,数，结构图，信号流,图,图，频率特,性,性以及状态空,间,间描述等。,例如对,一,一个微,分,分方程,，,，若已,知,知初值,和,和输入,值,值，对,微,微分方,程,程求解,，,，就可,以,以得出,输,输出量,的,的时域,表,表达式,。,。据此,可,可对系,统,统进行,分,分析。,所,所以建立控,制,制系统,的,的数学,模,模型是对系统进,行,行分析的第一,步,步也是,最,最重要,的,的一步,。,。,19,2.传递函,数,数：线性定,常,常系统,在,在零初,始,始条件,下,下输出,量,量的拉,氏,氏变换,与,与输入,量,量的拉,氏,氏变换,之,之比。,设线性,定,定常系,统,统可以,由,由下述n阶线性,常,常微分,方,方,程描述,：,：,式中：c(t,),)是系统,输,输出量,，,，r(t,),)是系统,输,输入量,，,，a和b是与系,统,统结构,和,和参数,有,有关的,常,常系数,。,。,20,设r(t,),)和c(t,),)及其各,阶,阶系数,在,在t=0时的值,均,均为零,，,，即零,初,初始条,件,件，则,对,对上式,中,中各项,分,分别求,拉,拉氏变,换,换，并,令,令C(s,),)Lc,(,(t),，R(s,),)=L,r(t)，可得s的代数,方,方程为,：,：,于是，,由,由定义,得,得系统传递函,数,数为：,21,传递函,数,数是研究,线,线性系,统,统动态,特,特性的,重,重要工,具,具，利,用,用这一,工,工具，,可,可以大,大,大简化,对,对系统动,态,态性能,的,的分析,过,过程。例如,对,对于初,始,始条件,为,为零的,系,系统，,不,不必先,解,解微分,方,方程，,而,而是直,接,接根据,系,系统传,递,递函数,的,的某些,特,特征，,利,利用传,递,递函数,的,的零点,和,和极点,来,来研究,系,系统的,性,性能。,另,另一方,面,面也可,以,以把对,系,系统性,能,能的要,求,求，转,换,换成对,传,传递函,数,数的要,求,求，从,而,而为系统的,设,设计提,供,供简便,的,的方法。,3.方框图：表示变,量,量之间,数,数学关,系,系的流,程,程图称,为,为函数,结,结构图,或,或方框,图,图。,方框图,的,的组成,元,元素：方框、,信,信号线,、,、比较,点,点、分,支,支点,22,1.2热工被,控,控对象,23,一、了,解,解对象,动,动态特,性,性的意,义,义,1.热工对,象,象是热,工,工自动,控,控制系,统,统的重,要,要组成,部,部分，,要,要设计,一,一个合,理,理的控,制,制系统,，,，必须,了,了解对,象,象的动,态,态特性,；,；,2.要确定,出,出控制,器,器的最,佳,佳整定,参,参数，,也,也必须,了,了解对,象,象的动,态,态特性,；,；,3.了解对,象,象的动,态,态特性,，,，还可,以,以对新,设,设计的,工,工艺设,备,备提出,要,要求，,使,使之满,足,足所需,要,要的动,态,态特性,，,，为设,计,计满意,的,的控制,系,系统创,造,造先决,条,条件。,24,二、相,关,关概念,1.对象的,动,动态特,性,性:就是对,象,象的某,一,一输入,量,量变化,时,时，其,被,被控参,数,数随时,间,间变化,的,的规律,。,。其取,决,决于工,艺,艺设备,的,的结构,、,、运行,条,条件和,内,内部物,理,理的（,或,或化学,的,的）过,程,程。,2.理论建,模,模：可以用,机,机理分,析,析的方,法,法导出,对,对象的,动,动态特,性,性；,3.实验建,模,模：用实验,的,的方法,获,获取对,象,象的动,态,态特性,，,，是工,程,程中常,用,用的建,模,模方法,，,，目前,有,有时域,法,法、频,域,域法和,相,相关统,计,计法等,。,。,4.时域法,：,：在对象,的,的输入,端,端加一,阶,阶跃扰,动,动，记,录,录响应,曲,曲线，,经,经数据,处,处理求,得,得对象,的,的传递,函,函数，,这,这种方,法,法的特,点,点是简,单,单实用,，,，因此,为,为工程,中,中所广,泛,泛采用,。,。,25,5.频域法,：,：用通过,实,实验求,得,得对象,的,的频率,特,特性来,研,研究对,象,象的动,态,态特性,。,。但对,一,一些惯,性,性大的,对,对象则,因,因试验,时,时间很,长,长而影,响,响生产,的,的正常,进,进行，,因,因此，,这,这种频,域,域法用,的,的较少,。,。,6.相关统,计,计法：是在对,象,象的输,入,入端加,一,一伪随,机,机信号,，,，用相,关,关计算,求,求得对,象,象的脉,冲,冲响应,函,函数，,这,这种方,法,法的最,大,大优点,是,是不影,响,响生产,，,，因而,越,越来越,受,受到人,们,们的重,视,视。,26,三、影,响,响对象,动,动态特,性,性的结,构,构性质,影响对,象,象动态,特,特性的,主,主要特,征,征参数,有,有容量,系,系数、,阻,阻力和,传,传递延,迟,迟，称,为,为大多,数,数对象,所,所共有,的,的结构,性,性质。,1、容量,系,系数,衡量对,象,象储存,物,物质（,或,或能量,）,）能力,的,的一个,特,特征参,数,数。,2、阻力,物质（,或,或能量,）,）在传,输,输过程,中,中总是,要,要遇到,或,或大或,小,小的阻,力,力，因,此,此需给,予,予推动,物,物质（,或,或能量,）,）流动,的,的压差,（,（如电,位,位差、,水,水位差,、,、温度,差,差等）。,对象的,自,自平衡,：,：不需要,外,外来作,用,用只依,靠,靠对象,自,自身来,恢,恢复平,衡,衡的现,象,象。显,然,然，对,象,象的阻,力,力使之,在,在动态,过,过程中,表,表现出,自,自平衡,能,能力。,27,3、迟延,迟延分,为,为纯迟,延,延和容,积,积迟延,。,。,被调量,的,的变化,时,时刻落,后,后于扰,动,动发生,时,时刻的,现,现象称,为,为对象,的,的传递,迟,迟延。,由,由于迟,延,延是物,质,质（或,能,能量）,在,在传输,过,过程中,因,因传输,距,距离的,存,存在而,产,产生，,所,所以又,称,称为传输迟,延,延或纯,迟,迟延。,在设计,主,主设备,及,及其控,制,制系统,时,时，应,尽,尽量避,免,免或减,小,小对象,的,的传输,迟,迟延。,28,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,自平衡,能,能力双,容,容对象,示,示意图,图1-8双容水,箱,箱被控,对,对象动,态,态特性,分,分析,由响应,曲,曲线可,见,见,水,箱,箱1的,惯,惯性使,得,得水箱2的水,位,位变化,在,在时间,上,上落后,于,于扰动,量,量，对,象,象特性,的,的这种,迟,迟延称,为,为,容积迟,延,延,。,29,1.有自平,衡,衡能力,对,对象：不需要,外,外来作,用,用只依,靠,靠对象,自,自身来,恢,恢复平,衡,衡，具,有,有这种,能,能力的,被,被控对,象,象。,四、热,工,工对象,的,的动态,特,特性,30,2.无自平,衡,衡能力,对,对象：在受到,扰,扰动后,，,，其被,调,调量不,能,能依靠,对,对象自,身,身能力,使,使之趋,于,于某一,稳,稳定值,，,，而不,管,管对象,的,的容积,多,多少及,容,容量系,数,数的大,小,小。,31,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。,32,五、阶,跃,跃响应,曲,曲线求,取,取对象,传,传递函,数,数,时域法,是,是目前,应,应用最,多,多的一,种,种方法,，,，其主,要,要内容,是,是：给,对,对象人,为,为加一,阶,阶跃扰,动,动，记,录,录下响,应,应曲线,，,，然后,根,根据该,响,响应曲,线,线求取,对,对象的,传,传递函,数,数。,由阶跃,扰,扰动作,用,用下的,对,对象的,动,动态特,性,性为阶,跃,跃响应,曲,曲线，,即,即飞升,曲,曲线。,阶,阶跃响,应,应曲线,能,能比较,直,直观的,反,反映对,象,象的动,态,态特性,；,；其次,特,特征参,数,数直接,取,取自记,录,录曲线,而,而无需,经,经过中,间,间转换,，,，试验,方,方法也,很,很简单,。,。,1、阶跃,响,响应曲,线,线的测,定,定,在系统,处,处于稳,定,定工况,下,下通过,手,手动或,摇,摇控装,置,置使调,节,节阀作,一,一次阶,跃,跃变化,；,；与此,同,同时，,记,记录表,记,记录下,扰,扰动量,和,和被调,量,量的变,化,化过程,。,。,33,（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,（4）要仔,细,细记录,阶,阶跃响,应,应曲线,的,的起始,部,部分，因为这,一,一部分,数,数据的,准,准确性,对,对确定,对,对象动,态,态特性,参,参数的,影,影响很,大,大。对,有,有自平,衡,衡能力,对,对象，,试,试验过,程,程应在,输,输出信,号,号达到,新,新的稳,定,定值时,结,结束。,（5）试验,应,应在主,要,要运行,工,工况下,（,（如额,定,定负荷,、,、平均,负,负荷）,进,进行，每一工,况,况下应,重,重复几,次,次，至,少,少要得,到,到两条,基,基本相,同,同的曲,线,线，以,消,消除偶,然,然性干,扰,扰的影,响,响。,（6）应进,行,行正反,两,两个方,向,向的试,验,验，以检验,对,对象的,非,非线性,。,。线性,对,对象在,正,正向扰,动,动和反,向,向扰动,下,下，两,条,条响应,曲,曲线应,该,该是一,样,样的。,35,无迟延,一,一阶对,象,象在阶跃,扰,扰动下,，,，,其传递,函,函数形,式,式为：,C(0),C(),T,M,0.632c(),特征参,数,数T和K可在阶,跃,跃响应,曲,曲线上,作,作图求,取,取:,(1),.,.作稳,态,态值的,渐,渐近线C()，则:,(2),.,.作响,应,应曲线,起,起始点,的,的切线,交,交C()线于M，则线,段,段OM在时间,轴,轴上的,投,投影为,时,时间常,数,数T。,响应曲,线,线起始,点,点的切,线,线有时,作,作不准,，,，此时,可在,响,响应曲,线,线上找,出,出c(t1),=,=0.632c(,),)的时,间,间t1,，,，则Tt1,.,.,2、有自,平,平衡对,象,象传递,函,函数的,求,求取,（一）,切,切线法,36,图1-9有自平,衡,衡能力,被,被控对,象,象阶跃,响,响应曲,线,线,有自平,衡,衡能力,被,被控对,象,象的传递,函,函数,37,38,（二）,两,两点法,（1）,以,以有自,平,平衡能,力,力二阶,对,对象为,例,例，其,传,传递函,数,数为：,图1-10有自平,衡,衡能力,二,二阶被,控,控对象,阶,阶跃响,应,应曲线,39,（a）,（b）,（c）,40,（2）,以,以有自,平,平衡能,力,力高阶,被,被控对,象,象为例,：,：,41,无自平,衡,衡能力,对,对象的,传,传递函,数,数形式,为,为：,由图可,以,以看出,，,，有自,平,平衡能,力,力和无,自,自平衡,能,能力的,对,对象的,阶,阶跃响,应,应曲线,区,区别在,于,于曲线,的,的后部,，,，前者,曲,曲线趋,一,一条不,变,变的水,平,平线，,而,而后者,曲,曲线趋,于,于一条,不,不断上,升,升的直,线,线。,3、无自,平,平衡对,象,象传递,函,函数的,求,求取:,图1-11无自平,衡,衡能力,被,被控对,象,象阶跃,响,响应曲,线,线,42,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：,43,4、求对,象,象传递,函,函数的,半,半对数,法,法,一种图,解,解法，,它,它利用,试,试验测,得,得的阶,跃,跃响应,曲,曲线数,据,据画出,半,半对数,坐,坐标图,，,，然后,由,由半对,数,数坐标,图,图求出,对,对象的,时,时间常,数,数。,综上所,述,述，对,象,象的传,递,递函数,大,大多用,有,有迟延,一,一阶惯,性,性环节,或,或二阶,惯,惯性环,节,节来近,似,似，传,递,递函数,的,的阶次,一,一般不,高,高于三,阶,阶。对,无,无自平,衡,衡对象,常,常用积,分,分环节,和,和一阶,惯,惯性环,节,节串联,来,来描述,。,。,44,1.3变送器,45,一、定,义,义,变送器,是,是将各,种,种工艺,变,变量（,如,如温度,、,、压力,、,、流量,、,、液位,）,）和电,、,、气信,号,号（如,电,电压、,电,电流、,频,频率、,气,气压等,信,信号）,转,转换成,相,相应的,便,便于传,输,输的统,一,一标准,信,信号的,装,装置。,基于反,馈,馈原理,工,工作，,包,包括测,量,量部分,（,（即输,入,入转换,部,部分）,、,、放大,器,器和反,馈,馈部分,。,。,如：差,压,压变送,器,器、温,度,度变送,器,器。,46,二、变,送,送器特,性,性,被测变,量,量上限,被测变,量,量下限,输出信,号,号上限,输出信,号,号下限,变送器k,如：温,度,度变送,器,器的输,入,入量程,为,为400,600C,输出范,围,围为4-20mA,47,目的是,使,使变送,器,器输出,的,的上限,与,与测量,范,范围的,上,上限相,对,对应。,适用于,大,大范围,物,物理量,的,的测量,；,；,正确选,择,择测量,范,范围；,图1-12量程调,整,整原理,图,图,三、量,程,程调整,48,零点迁,移,移原理,图,图,四、零,点,点调整,使变送,器,器的测,量,量起始,点,点为零,。,。,五、零,点,点迁移,把测量,起,起始点,由,由零迁,移,移到某,一,一值。,49,差压变,送,送器精,度,度为0.5级，量,程,程为010Kpa，被测差,压,压范围,是,是610KPa；,调整前,：,：,变送器,输,输出最,大,大误差,为,为：10x 0,.,.5%,=,=0.05Kpa(50Pa,),)；,调整后,（,（零点,迁,迁移，,迁,迁移量6KPa，量程为4KPa）；,变送器,输,输出最,大,大误差,为,为：4 x0.5%,=,= 0,.,.02Kpa(20Pa,),)；,50,1.4执行器,51,一、定,义,义,执行器,在,在现代,生,生产过,程,程自动,化,化中起,着,着十分,重,重要作,用,用。人,们,们常把,它,它称为,实,实现生,产,产过程,自,自动化,的,的“手,足,足”。,在自动,控,控制系,统,统中接,受,受调节,器,器的控,制,制信号,，,，自动,地,地改变,操,操作变,量,量，达,到,到对被,调,调参数,（,（如温,度,度、压,力,力、液,位,位等）,进,进行调,节,节的目,的,的，使,生,生产过,程,程按预,定,定要求,正,正常进,行,行。,执行器,根,根据执,行,行机构,使,使用的,工,工作能,源,源不同,可,可分为,三,三大类,：,：气动,执,执行器,、,、电动,执,执行器,、,、液动,执,执行器。,52,1、气动,执,执行器,以压缩,空,空气为,能,能源的,执,执行器,。,。,主要特,点,点：结,构,构简单,，,，输出,推,推力大,、,、动作,可,可靠、,性,性能稳,定,定、维,护,护方便,、,、价格,便,便宜、,本,本质安,全,全防爆,等,等。它,不,不仅能,与,与气动,调,调节仪,表,表配套,使,使用，,还,还可通,过,过电,气,气转换,器,器或电,气阀,门,门定位,器,器与电,动,动调节,仪,仪表或,工,工业控,制,制计算,机,机配套,使,使用。,因此，,广,广泛用,于,于化工,、,、石油,、,、冶金,、,、电力,等,等工业,部,部门。,在,在目前,的,的实际,应,应用中,气,气动执,行,行器的,使,使用数,量,量约为90。,53,2、电动,执,执行器,以电为,能,能源的,执,执行器,。,。,主要特,点,点：能,源,源取用,方,方便，,信,信号传,输,输速度,快,快，传,送,送距离,远,远；便,于,于集中,控,控制；,停,停电时,执,执行器,保,保持原,位,位不动,，,，不影,响,响主设,备,备的安,全,全；灵,敏,敏度和,精,精度较,高,高；与,电,电动调,节,节仪表,配,配合方,便,便，安,装,装接线,简,简单。,缺,缺点是,结,结构复,杂,杂、体,积,积较大,、,、推力,小,小、价,格,格贵，,平,平均故,障,障率高,于,于气动,执,执行器,。,。适用,于,于防爆,要,要求不,高,高及缺,乏,乏气源,和,和使用,数,数量不,太,太多的,场,场合。,3、液动,执,执行器,使用较,少,少。,54,二、执,行,行器特,性,性,输入信,号,号上限,输入信,号,号下限,输出信,号,号上限,输出信,号,号下限,执行器k,55,例如：,电气,转,转换器,是,是电动,单,单元组,合,合仪表,中,中的一,个,个转换,单,单元，,它,它能将,电,电动控,制,制系统,的,的标准,信,信号（010mA DC或420mA DC）转换为,标,标准气,压,压信号,（,（0.2,1051.0,105Pa或0.4,1052.0,105Pa）。,56,1.5典型输,入,入信号,与,与控制,系,系统的,性,性能指,标,标,57,一、典,型,型输入,信,信号：,（1）,阶,阶跃函,数,数,图1-13,阶,阶跃函,数,数,阶跃函,数,数的数,学,学表达,式,式,阶跃函,数,数的拉,普,普拉斯,变,变换,或,图1-14斜坡函,数,数,（2）,斜,斜坡函,数,数,斜坡函,数,数的数,学,学表达,式,式,斜坡函,数,数的拉,普,普拉斯,变,变换,或,59,（a） 方,波,波函数,（,（b）脉冲,函,函数,图1-15方波函,数,数和脉,冲,冲函数,（3）,方,方,波,波函数,和,和脉冲,函,函数,单位脉,冲,冲函数,的,的拉普,拉,拉斯变,换,换,60,图1-16正弦函,数,数,（4）,正,正弦函,数,数,正弦函,数,数的数,学,学表达,式,式,正弦函,数,数的拉,普,普拉斯,变,变换,61,（一）,静,静态和,动,动态的,概,概念。,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。,（二）,控,控制系,统,统在受,到,到干扰,作,作用时,的,的过渡,过,过程,控制的,过,过程就,是,是克服,干,干扰的,过,过程。,一,一个系,统,统的优,劣,劣在稳,态,态下难,以,以判别,，,，只有,在,在过渡,过,过程中,才,才能得,以,以鉴别,。,。,二、几,种,种典型,的,的过渡,过,过程,62,（a）非振,荡,荡过程,；,；（b）衰减,振,振荡过,程,程；（c）等幅,振,振荡过,程,程；（d）发散,振,振荡过,程,程,图1-17调节过,程,程响应,曲,曲线的,基,基本形,式,式,63,三、控,制,制系统,的,的性能,指,指标,（一）,控,控制系,统,统的评,价,价,稳定性,、,、准确,性,性、快,速,速性,1、稳定,性,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,稳定的,控,控制系,统,统。稳,定,定的控,制,制系统,的,的被控,参,参数和,控,控制参,数,数的过,渡,渡过程,曲,曲线最,后,后趋于,平,平衡；,不,不稳定,的,的控制,系,系统过,渡,渡过程,曲,曲线则,是,是渐扩,的,的，无,法,法恢复,平,平衡。,稳定程,度,度可以,用,用衰减率这个指,标,标来衡,量,量,式中:,被控参,数,数从新,稳,稳定值,算,算起的,第,第一波,峰,峰值。,被控参,数,数从新,稳,稳定值,算,算起的,第,第三波,峰,峰值。,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,程为发散振,荡,荡过程,65,2、准确,性,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,性,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！,66,稳态误,差,差：如,果,果在稳,态,态时，,系,系统的,输,输出量,与,与输入,量,量不能,完,完全吻,合,合，就,认,认为系,统,统有稳,态,态误差,。,。这个,误,误差表,示,示系统,的,的准确,度,度。,稳态特,性,性：稳,态,态误差,是,是系统,控,控制精,度,度或抗,扰,扰动能,力,力的一,种,种度量,。,。,（二）,稳,稳态性,能,能指标,67,（三）,动,动态性,能,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 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,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,映响应,速,速度和,阻,阻尼程,度,度的综,合,合性指,标,标。,超调量 （Maximum Overshoot）：指响应的最大偏离量h(tp)于终值之差的百分比，即,70,1.6调节器,和,和控制,规,规律,71,一、常,规,规PID控制规,律,律,常规PID控制即,比,比例-积分-微分控,制,制规律,。,。,72,1、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,比例调,节,节器的,传,传递函,数,数：,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,其物理,意,意义是,在,在调节,机,机构的,位,位移改,变,变时，,被,被调量,应,应有的,改,改变量,。,。,73,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,图1-18比例作,用,用曲线,74,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,。,。,75,2、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,传递函数：,积分时间,图1-19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。,76,图1-20Ti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,77,结论：,1.,积,积,分,分调节,作,作用是,不,不及时,的,的。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,。,。,2.,只,只,要,要偏差,信,信号存,在,在，调,节,节器输,出,出的旨,在,在消除,对,对系统,影,影响的,控,控制作,用,用就一,直,直增加,，,，且其,增,增长的,速,速度始,终,终为初,始,始速度,。,。,3.,控,控,制,制作用,在,在积分,时,时间Ti 越,小,小时越,强,强，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。,4.,积,积,分,分调节,规,规律的,另,另一特,点,点就是,消,消除稳,态,态偏差,，,，实现,无,无差调,节,节。,78,3、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,传递函,数,数式为,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。,79,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,图1-21实际微,分,分调节,的,的阶跃,响,响应,80,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,是恢复,到,到原来,的,的数值,，,，不能,适,适应负,荷,荷的变,化,化。,81,图1-22,过渡过,程,程曲线,曲线1由于比,例,例调节,规,规律具,有,有调节,及,及时的,特,特点，,所,所以调,节,节过程,时,时间较,曲,曲线2短，动,态,态偏差,也,也较曲,线,线2小。而,比,比例调,节,节为有,差,差调节,。,。通过,减,减小调,节,节器的,比,比例带,可,可减小,静,静态偏,差,差，但,会,会使系,统,统的稳,定,定性下,降,降。,曲线3是能消,除,除静态,偏,偏差，,实,实现无,差,差调节,。,。然而,积,积分作,用,用的调,节,节不及,时,时，又,使,使调节,过,过程的,动,动态偏,差,差加大,，,，过渡,过,过程时,间,间加长,（,（与曲,线,线1相比）,，,，相对,而,而言又,使,使系统,的,的稳定,性,性下降,。,。,曲线5是比例,积,积分微,分,分调节,器,器的控,制,制过程,。,。微分,调,调节是,一,一种超,前,前调节,方,方式，,其,其实质,是,是阻止,被,被调量,的,的一切,变,变化。,适,适当的,微,微分作,用,用可减,小,小动态,偏,偏差、,缩,缩短调,节,节过程,时,时间，,这,这样可,适,适当减,小,小比例,带,带和积,分,分时间,。,。,82,综上所,述,述:,比例调,节,节规律,具,具有调,节,节及时,的,的特点,，,，但比,例,例调节,为,为有差,调,调节，,因,因此调,节,节过程,结,结束时,存,存在稳,态,态偏差,。,。通过,减,减小调,节,节器的,比,比例带,可,可减小,稳,稳态偏,差,差，但,会,会使系,统,统的稳,定,定性下,降,降。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；,积分调,节,节规律,能,能消除,稳,稳态偏,差,差，所,以,以能最,终,终消除,扰,扰动对,被,被调量,的,的影响,，,，实现,无,无差调,节,节。但,积,积分作,用,用的调,节,节不及,时,时，又,使,使调节,过,过程的,动,动态偏,差,差加大,，,，过渡,过,过程时,间,间加长,，,，因此,，,，在积,分,分作用,引,引入到,比,比例调,节,节器后,，,，调节,器,器的比,例,例带应,适,适当加,大,大，以,弥,弥补积,分,分作用,对,对控制,过,过程稳,定,定性的,影,影响。,积,积分和,微,微分作,用,用为辅,助,助调节,作,作用。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,使“后,劲,劲”；,微分调,节,节是一,种,种超前,调,调节方,式,式，其,实,实质是,阻,阻止被,调,调量的,一,一切变,化,化。适,当,当的微,分,分作用,可,可收到,减,减小动,态,态偏差,，,，缩短,调,调节过,程,程时间,的,的效果,，,，这样,在,在采用,比,比例积,分,分微分,调,调节器,时,时，又,可,可适当,减,减小比,例,例带和,积,积分时,间,间。微分作,用,用则体,现,现在调,节,节过程,的,的初期,，,，使“,前,前劲”,。,。,83,4.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。,84,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。,85,86,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,。,。,87,在火力,发,发电生,产,产过程,中,中，热,工,工自动,控,控制系,统,统的稳,定,定优化,运,运行十,分,分关键,，,，而随,着,着机组,运,运行工,况,况的变,化,化、大,小,小修工,程,程的实,施,施，热,工,工对象,特,特性必,将,将发生,变,变化，,为,为了实,现,现热工,系,系统稳,定,定优化,运,运行，,控,控制器,参,参数需,要,要重新,整,整定。,在热工,过,过程控,制,制中，PID控制算,法,法以其,鲁,鲁棒性,较,较好、,易,易于实,现,现和被,工,工程技,术,术人员,熟,熟悉掌,握,握等特,点,点，至,今,今仍被,工,工程控,制,制界所,广,广泛采,用,用。常,规,规PID控制器,参,参数的,优,优