單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,,*,,,North China Electric Power University,第一章 熱工自動化基礎,,§1.1 概 述,§1.2 熱工被控對象,§1.3 變送器,§1.4 執(zhí)行器,§1.5 典型輸入信號與控制系統(tǒng)的性能指標,§1.6 調(diào)節(jié)器和控制規(guī)律,§1.7 熱工系統(tǒng)的主要控制方式,1,,第一章 熱工自動化基礎§1.1 概 述1,,§1.1,概 述,2,,§1.1 概 述2,,生產(chǎn)過程自動化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低成本、改進勞動條件、促進文明生產(chǎn)、保證生產(chǎn)安全和提高勞動生產(chǎn)率的重要手段。,,自動化水平是衡量一個國家的生產(chǎn)技術(shù)和科學水平先進與否的一項重要標志。電力工業(yè)中電廠熱工過程自動化技術(shù)相對于其它民用工業(yè)部門有較長的歷史和較高的自動化水平，電廠熱工自動化水平的高低是衡量電廠生產(chǎn)技術(shù)的先進與否和企業(yè)現(xiàn)代化的重要標志。,,在現(xiàn)代科學技術(shù)的眾多領域中，自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用。,所謂,自動控制,，是指,在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象（如機器設備、生產(chǎn)過程等）自動地按照預定的規(guī)律運行,。,3,,生產(chǎn)過程自動化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低成本、改進勞,一、自動控制系統(tǒng)的組成,,,把工業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、液位、濃度等狀態(tài)參數(shù)作為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)叫,過程控制系統(tǒng),。,圖1-1 鍋爐汽包水位人工控制示意圖,,任務：,保證鍋爐的安全運行，使汽包的水位穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。,圖1-2 人工控制原理圖,4,,一、自動控制系統(tǒng)的組成圖1-1 鍋爐汽包水位人工控制示意圖,圖1-3 汽包水位自動控制系統(tǒng)示意圖,用自動化裝置代替上述人工操作來完成控制任務，就形成了自動控制系統(tǒng)。,圖1-4 汽包水位自動控制原理框圖,5,,圖1-3 汽包水位自動控制系統(tǒng)示意圖 用自動,自動控制系統(tǒng)可以由以下幾個部分組成：,,測量變送器：,,用來測量被調(diào)量，并把被調(diào)量轉(zhuǎn)換為與之成比例的某種便于傳遞和綜合的信號。,,給定元件：,用來設置被調(diào)量的給定值或與該給定值對應的電信號。,,調(diào)節(jié)器：,接受被調(diào)量信號和給定值比較后的偏差信號，輸出一定規(guī)律的控制指令給執(zhí)行器。,6,,自動控制系統(tǒng)可以由以下幾個部分組成： 調(diào)節(jié)器：接,執(zhí) 行 器：,根據(jù)調(diào)節(jié)器送來的控制指令去推動調(diào)節(jié)機構(gòu)，改 變調(diào)節(jié)量。,,調(diào)節(jié)機構(gòu)：,接受控制作用去改變調(diào)節(jié)量變化的具體設備。,,控制對象：,被控制的熱工生產(chǎn)過程或設備。,,被 調(diào) 量：,表征熱工過程是否符合規(guī)定工況的物理量。,,擾 動：,,生產(chǎn)過程中引起被調(diào)量偏離給定值的各種因素。,,調(diào) 節(jié) 量：,由控制作用來改變并去控制被調(diào)量變化的物理量。,7,,執(zhí) 行 器：根據(jù)調(diào)節(jié)器送來的控制指令去推動調(diào)節(jié)機構(gòu)，改,二、自動控制系統(tǒng)的分類,,1．按控制方式分類,,,閉環(huán)控制系統(tǒng),（也稱反饋控制系統(tǒng)）：它的被控量信號反饋到控制設備的輸入端，成為控制設備生產(chǎn)控制作用的依據(jù)。只要被控量與給定量之間有偏差，控制設備就要對控制對象施加作用，直到被控量符合要求為止。,特點:基于偏差，消除偏差，可克服各種擾動對被控量的影響。由于控制作用落后于干擾，因此相對來講控制不及時。,8,,二、自動控制系統(tǒng)的分類8,開環(huán)控制系統(tǒng),（也稱前饋控制系統(tǒng)）：,控制設備和控制對象在信號關(guān)系上沒有形成閉合回路的控制系統(tǒng)，其被控量沒有反饋到控制設備的輸入端。,特點: 按擾動進行控制，結(jié)構(gòu)簡單，精度差，只能克服單一擾動。,,復合控制系統(tǒng)：,開環(huán)控制和閉環(huán)控制組合的一種控制系統(tǒng)。,9,,開環(huán)控制系統(tǒng)（也稱前饋控制系統(tǒng)）：9,2．按閉合回路的數(shù)目分類,,,單回路控制系統(tǒng),：,只有一個被控量信號反饋到控制器的輸入端。形成一個閉合回路。,圖1-5 單回路控制系統(tǒng)的原理框圖,10,,2．按閉合回路的數(shù)目分類圖1-5 單回路控制系統(tǒng)的原理框圖,,多回路控制系統(tǒng),：,具有一個以上的閉合回路，控制器(調(diào)節(jié)器)除接受被控量反饋信號外，還有另外的輸出信號直接或間接地反饋到控制器的輸入端。例如串級控制系統(tǒng)和導前微分控制系統(tǒng)都是雙回路控制系統(tǒng)。,圖1-6 串級控制系統(tǒng)的原理框圖,11,,多回路控制系統(tǒng)：具有一個以上的閉合回路，控制,3．按給定值分類,,,恒值控制系統(tǒng),：,給定值保持不變，從而被控量也相應保持不變，主要矛盾是克服擾動對被控量的影響，最終使被控量與給定值相等。,主要的熱工控制系統(tǒng)，如：給水控制系統(tǒng)、再熱汽溫控制系統(tǒng)等。,,12,,3．按給定值分類12,隨動控制系統(tǒng)：,給定值按預先不能確定的一些隨機因素而變化。因而被調(diào)量也跟隨給定值而隨機變化。,,例如：單元機組負荷控制系統(tǒng)；軍事上的火炮跟蹤系統(tǒng)；導彈預測攔截系統(tǒng)。,,程序控制系統(tǒng)：,給定值按已知的時間函數(shù)變化?？刂频娜蝿帐鞘贡豢亓勘M快與給定值相等。,例如：汽輪機自動啟停系統(tǒng)TAS：汽輪機啟動過程中，要求汽輪機的轉(zhuǎn)速按一定程序升降等；爐膛吹灰系統(tǒng)等。,13,,隨動控制系統(tǒng)：給定值按預先不能確定的一些隨,三、主要自動化系統(tǒng),1. SIS：廠級實時監(jiān)控信息系統(tǒng),（Supervisory Information System in Plant Level，簡稱SIS）,SIS是發(fā)電廠的生產(chǎn)過程自動化和電力市場交易信息網(wǎng)絡化的中間環(huán)節(jié)，是發(fā)電企業(yè)實現(xiàn)發(fā)電生產(chǎn)到市場交易的中間控制層，是實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制和生產(chǎn)信息管理一體化的核心，是承上啟下實現(xiàn)信息網(wǎng)絡的控制樞紐。,? 實現(xiàn)全廠生產(chǎn)過程監(jiān)控,,?,實時處理全廠經(jīng)濟信息和成本核算,,?,,競價上網(wǎng)處理系統(tǒng),,?,,實現(xiàn)機組之間的經(jīng)濟負荷分配,,?,,機組運行經(jīng)濟評估及運行操作指導,,14,,三、主要自動化系統(tǒng)14,2. AGC：自動發(fā)電控制系統(tǒng),（automatic generation control System，AGC）,由于調(diào)速器為有差調(diào)節(jié)，因此對于變化幅度較大、周期較長的變動負荷分量，需要通過改變汽輪發(fā)電機組的同步器來實現(xiàn)，即通過平移調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)靜態(tài)特性，從而改變汽輪發(fā)電機組的出力來達到調(diào)頻的目的，稱為二次調(diào)整。,當二次調(diào)整由由電網(wǎng)調(diào)度中心的能量管理系統(tǒng)來實現(xiàn)遙控自動控制時，則稱為自動發(fā)電控制（AGC）。,,3. BPS：旁路控制系統(tǒng),（bypass control system，BPS）,大型中間再熱式機組一般都設置旁路熱力系統(tǒng)，其目的是在機組啟、停過程中協(xié)調(diào)機、爐的動作，回收工質(zhì)，保護再熱器等。完備的旁路控制系統(tǒng)是充分發(fā)揮旁路系統(tǒng)功能的前提。,15,,2. AGC：自動發(fā)電控制系統(tǒng)（automatic gene,4. CCS：單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),（coordination control system，CCS）,協(xié)調(diào)控制是基于機、爐的動態(tài)特性，應用多變量控制理論形成若干不同形式的控制策略，在機、爐控制系統(tǒng)基礎上組織的高一級機、爐主控系統(tǒng)。它是單元機組自動控制的核心內(nèi)容。,,5. FSSS：鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng),（furnace safeguard supervisory system，F(xiàn)SSS）或稱燃燒器管理系統(tǒng)（burner management system，BMS）,,爐膛安全監(jiān)視系統(tǒng)包括爐膛火焰監(jiān)視，爐膛壓力監(jiān)視，爐膛吹掃，自動點火，燃燒器自動切換，緊急情況下的主燃料跳閘等。,16,,4. CCS：單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（coordinatio,6. SCS：順序控制系統(tǒng),（sequence control system）,,按照生產(chǎn)過程工藝要求預先擬定的順序，有計劃、有步驟、自動地對生產(chǎn)過程進行一系列操作的系統(tǒng)，稱之為順序控制系統(tǒng)。順序控制也稱程序控制，在發(fā)電廠中主要用于主機或輔機的自動啟停程序控制，以及輔助系統(tǒng)的程序控制。,7. DAS：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),（data acquisition system）,,又稱為計算機監(jiān)控系統(tǒng)，其基本功能是對機組整個生產(chǎn)過程參數(shù)進行在線檢測，經(jīng)處理運算后以CRT畫面形式提供給運行人員。該系統(tǒng)可進行自動報警，制表打印，性能指標計算，事件順序記錄，歷史數(shù)據(jù)存儲以及操作指導等。,,17,,6. SCS：順序控制系統(tǒng)（sequence contro,8. DEH：汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng),（digital electric hydraulic system）,汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)是汽輪發(fā)電機組的重要組成部分，除完成汽輪機轉(zhuǎn)速、功率及機前壓力的控制外，還可實現(xiàn)機組啟停過程及故障時的控制和保護。,,18,,8. DEH：汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（digital el,四、一些重要的基本概念,1.數(shù)學模型,：,描述控制系統(tǒng)變量（物理量）之間動態(tài)關(guān)系的數(shù)學表達式。常用數(shù)學模型有,微分方程,，,傳遞函數(shù),，,結(jié)構(gòu)圖,，,信號流圖,，,頻率特性,以及,狀態(tài)空間描述,等。,例如對一個微分方程，若已知初值和輸入值，對微分方程求解，就可以得出輸出量的時域表達式。據(jù)此可對系統(tǒng)進行分析。所以,建立控制系統(tǒng)的數(shù)學模型,是對,系統(tǒng)進行分析,的第一步也是最重要的一步。,19,,四、一些重要的基本概念1.數(shù)學模型：描述控制系統(tǒng)變量（物理量,2.傳遞函數(shù),：,線性定常系統(tǒng)在零初始條件下輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。,,設線性定常系統(tǒng)可以由下述,n,階線性常微分方,程描述：,,式中：,c(t),是系統(tǒng)輸出量，,r(t),是系統(tǒng)輸入量，,a,和,b,是與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)的常系數(shù)。,,20,,2.傳遞函數(shù)：線性定常系統(tǒng)在零初始條件下輸出量的拉氏變換與輸,設,r(t),和,c(t),及其各階系數(shù)在,t=0,時的值均為零，即零初始條件，則對上式中各項分別求拉氏變換，并令,C(s),＝,L[c(t)],，,R(s)=L[r(t)],，可得,s,的代數(shù)方程為：,于是，由定義得系統(tǒng),傳遞函數(shù)為,：,21,,設r(t)和c(t)及其各階系數(shù)在t=0時的值均,傳遞函數(shù),是研究線性系統(tǒng)動態(tài)特性的重要工具，利用這一工具，可以大大簡化對,系統(tǒng)動態(tài)性能的分析過程,。例如對于初始條件為零的系統(tǒng)，不必先解微分方程，而是直接根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的某些特征，利用傳遞函數(shù)的零點和極點來研究系統(tǒng)的性能。另一方面也可以把對系統(tǒng)性能的要求，轉(zhuǎn)換成對傳遞函數(shù)的要求，從而為,系統(tǒng)的設計提供簡便的方法,。,,3.,方框圖,：,表示變量之間數(shù)學關(guān)系的流程圖稱為函數(shù)結(jié)構(gòu)圖或方框圖。,方框圖的組成元素：,方框、信號線、比較點、分支點,,22,,傳遞函數(shù)是研究線性系統(tǒng)動態(tài)特性的重要工具，利用這一工,,§1.,2 熱工被控對象,23,,§1.2 熱工被控對象23,一、了解對象動態(tài)特性的意義,,,1. 熱工對象是熱工自動控制系統(tǒng)的重要組成部分，要設計一個合理的控制系統(tǒng)，必須了解對象的動態(tài)特性；,2. 要確定出控制器的最佳整定參數(shù)，也必須了解對象的動態(tài)特性；,3. 了解對象的動態(tài)特性，還可以對新設計的工藝設備提出要求，使之滿足所需要的動態(tài)特性，為設計滿意的控制系統(tǒng)創(chuàng)造先決條件。,24,,一、了解對象動態(tài)特性的意義 24,二、相關(guān)概念,1. 對象的動態(tài)特性:,,就是對象的某一輸入量變化時，其被控參數(shù)隨時間變化的規(guī)律。其取決于工藝設備的結(jié)構(gòu)、運行條件和內(nèi)部物理的（或化學的）過程。,2. 理論建模：,可以用機理分析的方法導出對象的動態(tài)特性；,3. 實驗建模：,用實驗的方法獲取對象的動態(tài)特性，是工程中常用的建模方法，目前有時域法、頻域法和相關(guān)統(tǒng)計法等。,4. 時域法：,在對象的輸入端加一階躍擾動，記錄響應曲線，經(jīng)數(shù)據(jù)處理求得對象的傳遞函數(shù)，這種方法的特點是簡單實用，因此為工程中所廣泛采用。,25,,二、相關(guān)概念25,,5. 頻域法：,用通過實驗求得對象的頻率特性來研究對象的動態(tài)特性。但對一些慣性大的對象則因試驗時間很長而影響生產(chǎn)的正常進行，因此，這種頻域法用的較少。,6. 相關(guān)統(tǒng)計法：,是在對象的輸入端加一偽隨機信號，用相關(guān)計算求得對象的脈沖響應函數(shù)，這種方法的最大優(yōu)點是不影響生產(chǎn)，因而越來越受到人們的重視。,26,,5. 頻域法：用通過實驗求得對象的頻率特性來研究對象的動態(tài),三、影響對象動態(tài)特性的結(jié)構(gòu)性質(zhì),,影響對象動態(tài)特性的主要特征參數(shù)有容量系數(shù)、阻力和傳遞延遲，稱為大多數(shù)對象所共有的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。,1、容量系數(shù),,衡量對象儲存物質(zhì)（或能量）能力的一個特征參數(shù)。,2、阻力,,物質(zhì)（或能量）在傳輸過程中總是要遇到或大或小的阻力，因此需給予推動物質(zhì)（或能量）流動的壓差（如電位差、水位差、溫度差等）,。,,對象的自平衡：,不需要外來作用只依靠對象自身來恢復平衡的現(xiàn)象。顯然，對象的阻力使之在動態(tài)過程中表現(xiàn)出自平衡能力。,,,27,,三、影響對象動態(tài)特性的結(jié)構(gòu)性質(zhì) 影響對象動態(tài)特,,,,3、遲延,,遲延分為純遲延和容積遲延。,被調(diào)量的變化時刻落后于擾動發(fā)生時刻的現(xiàn)象稱為對象的傳遞遲延。由于遲延是物質(zhì)（或能量）在傳輸過程中因傳輸距離的存在而產(chǎn)生，所以又稱為,傳輸遲延或純遲延,。,在設計主設備及其控制系統(tǒng)時，應盡量避免或減小對象的傳輸遲延。,,28,,3、遲延 在設計主設備及其控制系,,水箱2,Q,0,h,1,,,水箱1,Q,1,Q,2,h,2,R,1,R,2,圖1-7 有自平衡能力雙容對象示意圖,,,圖1-8 雙容水箱被控對象動態(tài)特性分析,由響應曲線可見,水箱1的慣性,使得水箱2的水位變化在時間上落后于擾動量，對象特性的這種遲延稱為,容積遲延,。,29,,水箱2Q0h1水箱1Q1Q2h2R1R2圖1-7 有自平衡能,1. 有自平衡能力對象：,不需要外來作用只依靠對象自身來恢復平衡，具有這種能力的被控對象。,四、熱工對象的動態(tài)特性,,30,,1. 有自平衡能力對象：不需要外來作用只依靠對象自身來恢復平,2. 無自平衡能力對象：,在受到擾動后，其被調(diào)量不能依靠對象自身能力使之趨于某一穩(wěn)定值，而不管對象的容積多少及容量系數(shù)的大小。,31,,2. 無自平衡能力對象：在受到擾動后，其被調(diào)量不能依靠對象自,熱工對象具有以下特點：,,（1）被調(diào)量的變化大多是不振蕩的。,（2）被調(diào)量在干擾發(fā)生的開始階段有遲延和慣性。,（3）在響應曲線的最后階段，被調(diào)量可能達到一個新的平衡狀態(tài)（對象有自平衡能力），也可能不斷變化而無法進入平衡狀態(tài)（對象無自平衡能力）。,（4）描述對象動態(tài)特性的特征參數(shù)有：放大系數(shù) 、時間常數(shù)、遲延時間。,,32,,熱工對象具有以下特點：32,五、階躍響應曲線求取對象傳遞函數(shù),,時域法是目前應用最多的一種方法，其主要內(nèi)容是：給對象人為加一階躍擾動，記錄下響應曲線，然后根據(jù)該響應曲線求取對象的傳遞函數(shù)。,由階躍擾動作用下的對象的動態(tài)特性為階躍響應曲線，即飛升曲線。階躍響應曲線能比較直觀的反映對象的動態(tài)特性；其次特征參數(shù)直接取自記錄曲線而無需經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換，試驗方法也很簡單。,1、階躍響應曲線的測定,,在系統(tǒng)處于穩(wěn)定工況下通過手動或搖控裝置使調(diào)節(jié)閥作一次階躍變化；與此同時，記錄表記錄下擾動量和被調(diào)量的變化過程。,,33,,五、階躍響應曲線求取對象傳遞函數(shù) 時域法是目,,,,,,,,,,（1）擾動量的確定。,擾動量應足夠大，減小其它干擾信號對測試結(jié)果的相對影響。然而擾動量又不宜過大，過大的擾動量會使對象本身的非線性因素增大，有時還會影響生產(chǎn)設備的正常運行。通常，擾動量一般為對象額定負荷下的10%～15%,。,（2）試驗前應將對象調(diào)整到所需工況，并保持穩(wěn)定運行一段時間。,如果作負荷上升擾動試驗，則應將對象輸出調(diào)整到允許變動范圍的下限值（或上限值）；反之，則應將對象輸出調(diào)整到允許變動范圍的上限值（或下限值）。,（3）擾動加入時應盡量的快。,設擾動開始到結(jié)束所花時間為 ，在處理試驗數(shù)據(jù)時一般認為擾動是在,時刻加入的。,34,,（1）擾動量的確定。擾動量應足夠大，減小其它干擾信號對測試結(jié),（4）要仔細記錄階躍響應曲線的起始部分，,因為這一部分數(shù)據(jù)的準確性對確定對象動態(tài)特性參數(shù)的影響很大。對有自平衡能力對象，試驗過程應在輸出信號達到新的穩(wěn)定值時結(jié)束。,（5）試驗應在主要運行工況下（如額定負荷、平均負荷）進行，,每一工況下應重復幾次，至少要得到兩條基本相同的曲線，以消除偶然性干擾的影響。,（6）應進行正反兩個方向的試驗,，,以檢驗對象的非線性。線性對象在正向擾動和反向擾動下，兩條響應曲線應該是一樣的。,35,,（4）要仔細記錄階躍響應曲線的起始部分，因為這一部分數(shù)據(jù)的準,無遲延一階對象,在階躍擾動下，,其傳遞函數(shù)形式為：,,C(0),C(∞),T,M,0.632c(∞),特征參數(shù),T,和,K,可在階躍響應曲線上作圖求取,:,(1).作穩(wěn)態(tài)值的漸近線,C,(,?,)，則,:,(2).作響應曲線起始點的切線交,C,(,?,)線于,M,，則線段,OM,在時間軸上的投影為時間常數(shù),T,。,,響應曲線起始點的切線有時作不準，此時,可在響應曲線上找出c(t1)=0.632c(∞)的時間t1，則,T,＝t1.,2、有自平衡對象傳遞函數(shù)的求取,（一）切線法,36,,無遲延一階對象在階躍擾動下，C(0)C(∞)TM0.632c,,,圖1-9 有自平衡能力被控對象階躍響應曲線,,有自平衡能力被控對象,的傳遞函數(shù),37,,圖1-9 有自平衡能力被控對象階躍響應曲線有自平衡能力被控,,38,,38,（二）兩點法,（1）以有自平衡能力二階對象為例，其傳遞函數(shù)為：,,,圖1-10 有自平衡能力二階被控對象階躍響應曲線,39,,（二）兩點法 （1）以有自平衡能力二階對象為例，其傳遞函數(shù)為,,,,,,,（a）,（b）,（c）,40,,（a）（b）（c）40,（2）以有自平衡能力高階被控對象為例：,,,,,,41,,（2）以有自平衡能力高階被控對象為例：41,無自平衡能力對象的傳遞函數(shù)形式為：,,由圖可以看出，有自平衡能力和無自平衡能力的對象的階躍響應曲線區(qū)別在于曲線的后部，前者曲線趨一條不變的水平線，而后者曲線趨于一條不斷上升的直線。,,3、無自平衡對象傳遞函數(shù)的求取:,,,圖1-11 無自平衡能力被控對象階躍響應曲線,42,,無自平衡能力對象的傳遞函數(shù)形式為： 由圖可以看,,,,,,當 時，即階次 時：無自平衡能力被控對象傳遞函數(shù)可以簡化為：,,43,,當 時,4、求對象傳遞函數(shù)的半對數(shù)法,,一種圖解法，它利用試驗測得的階躍響應曲線數(shù)據(jù)畫出半對數(shù)坐標圖，然后由半對數(shù)坐標圖求出對象的時間常數(shù)。,,,綜上所述，對象的傳遞函數(shù)大多用有遲延一階慣性環(huán)節(jié)或二階慣性環(huán)節(jié)來近似，傳遞函數(shù)的階次一般不高于三階。對無自平衡對象常用積分環(huán)節(jié)和一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)來描述。,,44,,4、求對象傳遞函數(shù)的半對數(shù)法44,,§1.3 變送器,45,,§1.3 變送器45,,一、定義,,變送器是將各種工藝變量（如溫度、壓力、流量、液位）和電、氣信號（如電壓、電流、頻率、氣壓等信號）轉(zhuǎn)換成相應的便于傳輸?shù)慕y(tǒng)一標準信號的裝置。,基于反饋原理工作，包括測量部分（即輸入轉(zhuǎn)換部分）、放大器和反饋部分。,如：差壓變送器、溫度變送器。,46,,一、定義46,二、變送器特性,被測變量上限,被測變量下限,輸出信號上限,輸出信號下限,變送器,k,如：溫度變送器的輸入量程為400~600ºC,輸出范圍為4-20mA,47,,二、變送器特性被測變量上限被測變量下限輸出信號上限輸出信號下,目的是使變送器輸出的上限與測量范圍的上限相對應。,?,適用于大范圍物理量的測量；,?,正確選擇測量范圍；,圖1-12 量程調(diào)整原理圖,三、量程調(diào)整,48,,目的是使變送器輸出的上限與測量范圍的上限相對應。圖1-12,零點遷移原理圖,四、零點調(diào)整,,使變送器的測量起始點為零。,五、零點遷移,,把測量起始點由零遷移到某一值。,49,,零點遷移原理圖四、零點調(diào)整49,差壓變送器精度為0.5級，量程為 0～10 Kpa，被測差壓范圍是6～10KPa；,調(diào)整前：,變送器輸出最大誤差為： 10 x 0.5% = 0.05 Kpa (50 Pa)；,調(diào)整后（零點遷移，遷移量6KPa，量程為 4 KPa）；,變送器輸出最大誤差為： 4 x 0.5% = 0.02 Kpa (20 Pa)；,,50,,差壓變送器精度為0.5級，量程為 0～10 Kpa，被測差壓,,§1.4 執(zhí)行器,51,,§1.4 執(zhí)行器51,一、定義,,執(zhí)行器在現(xiàn)代生產(chǎn)過程自動化中起著十分重要作用。人們常把它稱為實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的“手足”。,在自動控制系統(tǒng)中接受調(diào)節(jié)器的控制信號，自動地改變操作變量，達到對被調(diào)參數(shù)（如溫度、壓力、液位等）進行調(diào)節(jié)的目的，使生產(chǎn)過程按預定要求正常進行。,,執(zhí)行器根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)使用的工作能源不同可分為三大類：氣動執(zhí)行器、電動執(zhí)行器、液動執(zhí)行器,。,52,,一、定義52,,1、氣動執(zhí)行器,以壓縮空氣為能源的執(zhí)行器。,主要特點：結(jié)構(gòu)簡單，輸出推力大、動作可靠、性能穩(wěn)定、維護方便、價格便宜、本質(zhì)安全防爆等。它不僅能與氣動調(diào)節(jié)儀表配套使用，還可通過電／氣轉(zhuǎn)換器或電／氣閥門定位器與電動調(diào)節(jié)儀表或工業(yè)控制計算機配套使用。,因此，廣泛用于化工、石油、冶金、電力等工業(yè)部門。在目前的實際應用中氣動執(zhí)行器的使用數(shù)量約為90％。,53,,1、氣動執(zhí)行器53,2、電動執(zhí)行器,以電為能源的執(zhí)行器。,主要特點：能源取用方便，信號傳輸速度快，傳送距離遠；便于集中控制；停電時執(zhí)行器保持原位不動，不影響主設備的安全；靈敏度和精度較高；與電動調(diào)節(jié)儀表配合方便，安裝接線簡單。缺點是結(jié)構(gòu)復雜、體積較大、推力小、價格貴，平均故障率高于氣動執(zhí)行器。適用于防爆要求不高及缺乏氣源和使用數(shù)量不太多的場合。,,,3、液動執(zhí)行器,,使用較少。,54,,2、電動執(zhí)行器54,二、執(zhí)行器特性,輸入信號上限,輸入信號下限,輸出信號上限,輸出信號下限,執(zhí)行器,k,55,,二、執(zhí)行器特性輸入信號上限輸入信號下限輸出信號上限輸出信號下,例如：,電／氣轉(zhuǎn)換器是電動單元組合儀表中的一個轉(zhuǎn)換單元，它能將電動控制系統(tǒng)的標準信號（0～10mA DC或 4～20mA DC）轉(zhuǎn)換為標準氣壓信號（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 典型輸入信號與控制系統(tǒng)的性能指標,57,,§1.5 典型輸入信號與控制系統(tǒng)的性能指標57,一、典型輸入信號：,,（1）階躍函數(shù),,,,圖1-13 階躍函數(shù),,,階躍函數(shù)的數(shù)學表達式,階躍函數(shù)的拉普拉斯變換,或,,一、典型輸入信號：圖1-13 階躍函數(shù)階躍函數(shù)的數(shù)學表達式階,,,圖1-14,斜坡函數(shù),（2）斜坡函數(shù),斜坡函數(shù)的數(shù)學表達式,斜坡函數(shù)的拉普拉斯變換,,,,或,59,,圖1-14 斜坡函數(shù)（2）斜坡函數(shù)斜坡函數(shù)的數(shù)學,,（,a,） 方波函數(shù) （,b,）脈沖函數(shù),,圖1-15,方波函數(shù)和脈沖函數(shù),（3） 方波函數(shù)和脈沖函數(shù),單位脈沖函數(shù)的拉普拉斯變換,,60,,（a） 方波函數(shù),,圖1-16,正弦函數(shù),（4） 正弦函數(shù),,正弦函數(shù)的數(shù)學表達式,,正弦函數(shù)的拉普拉斯變換,,61,,圖1-16 正弦函數(shù)（4） 正弦函數(shù)正弦函數(shù)的數(shù)學表達式,（一）靜態(tài)和動態(tài)的概念。,,,靜態(tài),：,被控參數(shù)不隨時間而變化的平衡狀態(tài)叫靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)。,,動態(tài),：,被控參數(shù)隨時間而變化的不平衡狀態(tài)叫動態(tài)。,（二）控制系統(tǒng)在受到干擾作用時的過渡過程,,控制的過程就是克服干擾的過程。一個系統(tǒng)的優(yōu)劣在穩(wěn)態(tài)下難以判別，只有在過渡過程中才能得以鑒別。,二、幾種典型的過渡過程,62,,（一）靜態(tài)和動態(tài)的概念。 控制的過程就是克服,,（a）非振蕩過程；（b）衰減振蕩過程；（c）等幅振蕩過程；（d）發(fā)散振蕩過程,,圖1-17,調(diào)節(jié)過程響應曲線的基本形式,63,,（a）非振蕩過程；（b）衰減振蕩過程；（c）等幅振蕩過程；（,三、控制系統(tǒng)的性能指標,（一）控制系統(tǒng)的評價,,穩(wěn)定性、準確性、快速性,1、穩(wěn)定性,,指控制系統(tǒng)在受到干擾作用后，系統(tǒng)的平衡被破壞，在控制設備的控制作用下，控制系統(tǒng)能恢復到一個新的平衡狀態(tài)，稱為穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。穩(wěn)定的控制系統(tǒng)的被控參數(shù)和控制參數(shù)的過渡過程曲線最后趨于平衡；不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)過渡過程曲線則是漸擴的，無法恢復平衡。,三、控制系統(tǒng)的性能指標（一）控制系統(tǒng)的評價,穩(wěn)定程度可以用,衰減率,這個指標來衡量,,式中:,被控參數(shù)從新穩(wěn)定值算起的第一波峰值。,被控參數(shù)從新穩(wěn)定值算起的第三波峰值。,衰減率和系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關(guān)系,過渡過程為,非周期,過程,過渡過程為,等幅振蕩,過程,過渡過程為,衰減振蕩,過程,,過渡過程為,發(fā)散振蕩,過程,65,,穩(wěn)定程度可以用衰減率這個指標來衡量 式中:被控參數(shù)從新穩(wěn)定值,2、準確性,,指被控參數(shù)的實際值與給定值之間的動態(tài)偏差和靜態(tài)偏差。最大動態(tài)偏差是指整個過渡過程中被控參數(shù)偏離給定值的最大差值；靜態(tài)偏差是過渡過程結(jié)束后被控參數(shù)與給定值之間的差值。,現(xiàn)場中希望兩個偏差越小越好。,3、快速性,,指過渡過程的持續(xù)時間，即從干擾發(fā)生起至被控參數(shù)又建立新的平衡狀態(tài)為止的過渡時間。一般認為被控參數(shù)進入偏離給定值范圍內(nèi)就基本穩(wěn)定了。當然，過渡時間越短，控制過程進行的就越快，系統(tǒng)品質(zhì)也就越好。,,以上三方面的品質(zhì)指標有時往往是相互矛盾的，在實際調(diào)試過程中應統(tǒng)籌兼顧！,66,,2、準確性66,?,穩(wěn)態(tài)誤差：如果在穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)的輸出量與輸入量不能完全吻合，就認為系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差。這個誤差表示系統(tǒng)的準確度。,?,穩(wěn)態(tài)特性：穩(wěn)態(tài)誤差是系統(tǒng)控制精度或抗擾動能力的一種度量。,（二）穩(wěn)態(tài)性能指標,67,,? 穩(wěn)態(tài)誤差：如果在穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)的輸出量與輸入量不能完全吻,,（三）動態(tài)性能指標,,,,,,68,,（三）動態(tài)性能指標68,?,,峰值時間 （Peak Time）：,響應曲線達到過調(diào)量的第一個峰值所需要的時間。,評價系統(tǒng)的響應速度；,?,延遲時間 ：,（Delay Time）響應曲線第一次達到穩(wěn)態(tài)值的一半所需的時間。,,,評價系統(tǒng)的響應速度；,評價系統(tǒng)的響應速度；,?,上升時間,（Rise Time）響應曲線從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%，所需的時間。上升時間越短，響應速度越快,69,,? 峰值時間 （Peak Time）：評價系統(tǒng)的響應,?,調(diào)節(jié),時間 （Settling Time）: 響應曲線達到并永遠保持在一個允許誤差范圍內(nèi)，所需的最短時間。允許誤差范圍一般是穩(wěn)態(tài)值的百分數(shù)（通常取5%或2%）。,同時反映響應速度和阻尼程度的綜合性指標。,,⑤,超調(diào)量 （Maximum Overshoot）：指響應的最大偏離量h(tp)于終值之差的百分比，即,70,,? 調(diào)節(jié)時間 （Settling Time）: 響應曲,,§1.6 調(diào)節(jié)器和控制規(guī)律,71,,§1.6 調(diào)節(jié)器和控制規(guī)律71,,一、常規(guī)PID控制規(guī)律,,,常規(guī)PID控制即比例-積分-微分控制規(guī)律。,72,,一、常規(guī)PID控制規(guī)律72,,,,1、,比例調(diào)節(jié)規(guī)律,指調(diào)節(jié)器輸出的控制作用,u,（,t,）與其偏差輸入信號,e,(,t,)之間成比例關(guān)系，即,比例增益,,比例調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：,,工程中，常用比例帶δ來描述其控制作用的強弱，即,其物理意義是在調(diào)節(jié)機構(gòu)的位移改變時，被調(diào)量應有的改變量。,,73,,1、比例調(diào)節(jié)規(guī)律比例增益 比例調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)： 工,,,比例調(diào)節(jié)器的階躍響應曲線如下:,δ對控制過程的影響,,圖1-18 比例作用曲線,74,,比例調(diào)節(jié)器的階躍響應曲線如下:δ對控制過程的影響 圖1-18,結(jié)論：,,比例帶大，則調(diào)節(jié)閥動作幅度小，被調(diào)量變化平穩(wěn)，超調(diào)量小，但殘差較大，靜態(tài)偏差隨比例帶的加大而加大；,減小比例帶導致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定，比例帶設置必須有一定的穩(wěn)定裕度。,比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點：,,（1）動作快，調(diào)節(jié)及時、迅速； （2）對干擾有很強的抑制作用；（2）調(diào)節(jié)過程結(jié)束，被調(diào)量偏差仍存在，存在靜態(tài)偏差，稱為有差調(diào)節(jié)。,75,,結(jié)論：比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點：75,,,2、積分調(diào)節(jié)規(guī)律,,積分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出控制作用,u,（,t,）與其偏差輸入信號,e,（,t,）隨時間的積累值成正比，即,,傳遞函數(shù)：,,積分時間,,圖1-19 積分作用曲線,特點：,,只要偏差存在，積分控制作用一直增加；消除穩(wěn)態(tài)偏差，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，其控制作用體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的后期,。,,76,,2、積分調(diào)節(jié)規(guī)律傳遞函數(shù)： 積分時間 圖1-1,,圖1-20 T,i,對控制過程的影響,,積分調(diào)節(jié)器的積分時間對控制過程的影響,,非周期過程,衰減振蕩過程,,等幅振蕩過程,,77,,圖1-20 Ti對控制過程的影響 積分調(diào)節(jié)器的積分時間對控,,結(jié)論：,,1. 積分調(diào)節(jié)作用是不及時的。,積分調(diào)節(jié)作用是隨時間而逐漸增強的，與比例調(diào)節(jié)作用相比過于遲緩，惡化了動態(tài)品質(zhì)，使過渡過程的振蕩加劇，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。,2. 只要偏差信號存在，調(diào)節(jié)器輸出的旨在消除對系統(tǒng)影響的控制作用就一直增加，且其增長的速度始終為初始速度。,3. 控制作用在積分時間Ti 越小時越強，,積分時間越小，積分速度越快，調(diào)節(jié)閥動作愈快，容易引起和加劇振蕩。,4. 積分調(diào)節(jié)規(guī)律的另一特點就是消除穩(wěn)態(tài)偏差，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。,78,,結(jié)論：78,3、微分調(diào)節(jié)規(guī)律,,微分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與其偏差輸入信號的變化速度成正比。對于定值控制系統(tǒng)，偏差信號的變化速度就是被調(diào)量的變化速度，即,,微分時間,,傳遞函數(shù)式為,,,,加入微分調(diào)節(jié)作用實現(xiàn),超前調(diào)節(jié),，有利于克服動態(tài)偏差，將大大改善調(diào)節(jié)過程。微分調(diào)節(jié)作用的大小僅與偏差信號的變化速度有關(guān)，而與偏差值大小無關(guān)。,79,,3、微分調(diào)節(jié)規(guī)律微分時間 傳遞函數(shù)式為 加入,實際的微分調(diào)節(jié)規(guī)律具有慣性，傳遞函數(shù)為下式：,,微分增益,,,圖1-21 實際微分調(diào)節(jié)的階躍響應,,80,,實際的微分調(diào)節(jié)規(guī)律具有慣性，傳遞函數(shù)為下式：微分增益 圖1-,,,結(jié)論：,,微分作用的引入使系統(tǒng)控制過程的穩(wěn)定性和準確性都得以提高，可適當減小靜態(tài)偏差，但它不能像積分作用那樣消除穩(wěn)態(tài)偏差。,調(diào)節(jié)過程開始時，被調(diào)量偏差小，但其變化速度卻較大，可使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生較大的位移。,但當調(diào)節(jié)過程結(jié)束，執(zhí)行機構(gòu)位置最后總是恢復到原來的數(shù)值，不能適應負荷的變化。,81,,結(jié)論：81,,圖1-22,過渡過程曲線,,,曲線1由于比例調(diào)節(jié)規(guī)律具有調(diào)節(jié)及時的特點，所以調(diào)節(jié)過程時間較曲線2短，動態(tài)偏差也較曲線2小。而比例調(diào)節(jié)為有差調(diào)節(jié)。通過減小調(diào)節(jié)器的比例帶可減小靜態(tài)偏差，但會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。,曲線3是能消除靜態(tài)偏差，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。然而積分作用的調(diào)節(jié)不及時，又使調(diào)節(jié)過程的動態(tài)偏差加大，過渡過程時間加長（與曲線1相比），相對而言又使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。,,曲線5是比例積分微分調(diào)節(jié)器的控制過程。微分調(diào)節(jié)是一種超前調(diào)節(jié)方式，其實質(zhì)是阻止被調(diào)量的一切變化。適當?shù)奈⒎肿饔每蓽p小動態(tài)偏差、縮短調(diào)節(jié)過程時間，這樣可適當減小比例帶和積分時間。,,82,,圖1-22 曲線1由于比例調(diào)節(jié)規(guī)律具有調(diào)節(jié),綜上所述:,,比例調(diào)節(jié)規(guī)律具有調(diào)節(jié)及時的特點，但比例調(diào)節(jié)為有差調(diào)節(jié)，因此調(diào)節(jié)過程結(jié)束時存在穩(wěn)態(tài)偏差。通過減小調(diào)節(jié)器的比例帶可減小穩(wěn)態(tài)偏差，但會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。,比例調(diào)節(jié)作用是最基本的調(diào)節(jié)作用，使“長勁”，比例作用貫徹于整個調(diào)節(jié)過程之中,；,,積分調(diào)節(jié)規(guī)律能消除穩(wěn)態(tài)偏差，所以能最終消除擾動對被調(diào)量的影響，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。但積分作用的調(diào)節(jié)不及時，又使調(diào)節(jié)過程的動態(tài)偏差加大，過渡過程時間加長，因此，在積分作用引入到比例調(diào)節(jié)器后，調(diào)節(jié)器的比例帶應適當加大，以彌補積分作用對控制過程穩(wěn)定性的影響。積分和微分作用為輔助調(diào)節(jié)作用。,積分作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過節(jié)過程的后期，用以消除靜態(tài)偏差，使“后勁”,；,,微分調(diào)節(jié)是一種超前調(diào)節(jié)方式，其實質(zhì)是阻止被調(diào)量的一切變化。適當?shù)奈⒎肿饔每墒盏綔p小動態(tài)偏差，縮短調(diào)節(jié)過程時間的效果，這樣在采用比例積分微分調(diào)節(jié)器時，又可適當減小比例帶和積分時間。,微分作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的初期，使“前勁” 。,,,83,,綜上所述: 比例調(diào)節(jié)規(guī)律具有調(diào)節(jié)及時的特點，,,4. PID(比例-積分-微分)控制特點,,,(1) 缺點,不適用于有大時間滯后的控制對象，參數(shù)變化較大甚至結(jié)構(gòu)也變化的控制對象，以及系統(tǒng)復雜、環(huán)境復雜、控制性能要求高的場合。,,,(2) 優(yōu)點:,● PID算法蘊涵了動態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在和將來的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。,84,,4. PID(比例-積分-微分)控制特點8,,比例(P)代表了當前的信息，起糾正偏差的作用，使過程反應迅速。,微分(D)在信號變化時有超前控制作用，代表了將來的信息。在過程開始時強迫過程進行，過程結(jié)束時減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過渡過程。,積分(I)代表了過去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)靜態(tài)特性。,此三作用配合得當，可使動態(tài)過程快速、平穩(wěn)、準確，收到良好的效果。,85,,比例(P)代表了當前的信息，起糾正偏差的作用,,86,,86,●,PID控制適應性好，有較強魯棒性。,●,,PID算法簡單明了，形成了完整的設計和參數(shù)調(diào)整方法,很容易為工程技術(shù)人員所掌握。,●,許多工業(yè)控制回路比較簡單，控制的快速性和精度要求不是很高，特別是對于那些l～2階的系統(tǒng)，PID控制已能得到滿意的結(jié)果。,●,PID控制根據(jù)不同的要求，針對自身的缺陷進行了不少改進，形成了一系列改進的PID算法。,例如，為克服微分帶來的高頻干擾的濾波PID控制，為克服大偏差時出現(xiàn)飽和超調(diào)的PID積分分離控制，為補償控制對象非線性因素的可變增益PID控制等等。這些改進算法，在一些應用場合得到了很好的效果。,,87,,●PID控制適應性好，有較強魯棒性。 87,,在火力發(fā)電生產(chǎn)過程中，熱工自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定優(yōu)化運行十分關(guān)鍵，而隨著機組運行工況的變化、大小修工程的實施，熱工對象特性必將發(fā)生變化，為了實現(xiàn)熱工系統(tǒng)穩(wěn)定優(yōu)化運行，控制器參數(shù)需要重新整定。,在熱工過程控制中，PID控制算法以其魯棒性較好、易于實現(xiàn)和被工程技術(shù)人員熟悉掌握等特點，至今仍被工程控制界所廣泛采用。常規(guī)PID控制器參數(shù)的優(yōu)化整定成為熱工控制系統(tǒng)維護的重要工作之一。,5、PID控制器的整定,88,,在火力發(fā)電生產(chǎn)過程中，熱工自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定優(yōu)化運行,,,調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定就是合理地設置調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)，在熱工生產(chǎn)過程中，通常要求控制系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量，即要求過程有一定的衰減率,ψ,；在這一前提下，要求調(diào)節(jié)過程有一定的快速性和準確性，換言之穩(wěn)定性是首要的。所謂準確性就是要求控制過程的動態(tài)偏差（以超調(diào)量,M,P,表示）和靜態(tài)偏差（,e,ss,）盡量地小，而快速性則是要求控制過程的時間盡可能地短。,,控制系統(tǒng)參數(shù)整定有,理論計算方法、工程整定方法。,理論計算方法：,基于一定的性能指標，結(jié)合組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動態(tài)特性，通過理論計算求得調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)設定值；,,工程整定法：,源于理論分析，結(jié)合試驗、工程實際經(jīng)驗等一套工程上的方法。,,89,,調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定就是合理地設置調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)，在熱,,,,,（1）廣義頻率特性法,,廣義頻率特性法是通過調(diào)整調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)，使控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性具有規(guī)定相對穩(wěn)定度的衰減頻率特性，從而使閉環(huán)系統(tǒng)響應滿足規(guī)定衰減率的一種參數(shù)整定方法。,,特點：,利用廣義頻率特性法計算調(diào)節(jié)器的參數(shù)，其前提是獲得對象的傳遞函數(shù)，這一點給工程實際應用帶來困難。此外，該方法計算工作量也較大。,90,,（1）廣義頻率特性法90,（2）臨界比例帶法,,臨界比例帶法又稱邊界穩(wěn)定法，其要點是將調(diào)節(jié)器設置成純比例作用，將系統(tǒng)投入自動運行并將比例帶由大到小改變，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩為止。,這時控制系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定狀態(tài)，記下此狀態(tài)下的比例帶值 （即臨界比例帶）以及振蕩周期 ，然后根據(jù)經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。,,特點：,臨界比例帶法無需知道對象的動態(tài)特性，直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進行參數(shù)整定,。,,91,,（2）臨界比例帶法91,,,具體步驟：,,1)將調(diào)節(jié)器的積分時間置于最大，即 ；置微分時間 ；置比例帶 于一個較大的值。,2)將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后逐漸減小比例帶 ，直到系統(tǒng)進入等幅振蕩狀態(tài)。一般振蕩持續(xù)4～5個振幅即可，試驗記錄曲線如下圖所示：,圖1-23 等幅振蕩曲線,,3)據(jù)記錄曲線得振蕩周期 ，此狀態(tài)下的調(diào)節(jié)器比例帶為 ，然后按下表計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。,4)將計算好的參數(shù)值在調(diào)節(jié)器上設置好，作階躍響,應試驗，觀察系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，適當修改調(diào)節(jié)器的參數(shù)，直到調(diào)節(jié)過程滿意為止。,92,,具體步驟：圖1-23 等幅振蕩曲線 3)據(jù)記錄曲線得,,,,,93,,93,,臨界比例帶法在實際應用中有一定的,局限性,：有些生產(chǎn)過程根本不允許產(chǎn)生等幅振蕩，如火力發(fā)電廠鍋爐汽包水位控制；此外，某些慣性較大的單容對象配比例調(diào)節(jié)器又很不容易產(chǎn)生等幅振蕩過程，得不到臨界狀態(tài)下的調(diào)節(jié)器比例帶 及振蕩周期 ，則無法應用臨界比例帶法。,94,,臨界比例帶法在實際應用中有一定的局限性：有,,（3）衰減曲線法,,衰減曲線法是在總結(jié)臨界比例帶法基礎上發(fā)展起來的，它利用比例作用下產(chǎn)生的4：1衰減振蕩(,Ψ,=0.75 )過程時的調(diào)節(jié)器比例帶 及過程衰減周期 ，或10：1衰減振蕩(,Ψ,=0.9 )過程時調(diào)節(jié)器比例帶 及過程上升時間 ，據(jù)經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。,,95,,（3）衰減曲線法95,,具體步驟：,(1)將調(diào)節(jié)器的積分時間置于最大，即 ；置微分時間 ；置比例帶 于一個較大的值，將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行；,(2)在系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后做階躍擾動試驗，觀察控制過程。如果過渡過程衰減率大于0.75，應逐步減小比例帶值，并再次試驗，直到過渡過程曲線出現(xiàn)4：1的衰減過程。對于,Ψ,=0.9 的調(diào)節(jié)過程，也一樣做上述試驗，直到出現(xiàn)10：1的衰減過程。記錄下4：1(或10：1)的衰減振蕩過程曲線；,衰減曲線,96,,具體步驟： (2)在系統(tǒng)處于,在上圖所示的衰減曲線上求取,Ψ,=0.75 的振蕩周期 或,Ψ,=0.9時的上升時間 ，結(jié)合此過程下的調(diào)節(jié)器比例帶，按上表計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。,(3)按計算結(jié)果設置好調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)，作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程，適當修改調(diào)節(jié)器的參數(shù)，直到滿意為止。,（4）經(jīng)驗法,根據(jù)經(jīng)驗進行參數(shù)試湊的方法，首先根據(jù)經(jīng)驗設置一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程；如果過渡過程不令人滿意，則修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，再作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程；反復上述試驗，直到調(diào)節(jié)過程滿意為止。,97,,在上圖所示的衰減曲線上求取Ψ=0.75 的振,具體步驟：,,(1)調(diào)節(jié)器的積分時間放到最大，微分時間置于最小，據(jù)經(jīng)驗設置比例帶值。將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，穩(wěn)定后作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程，若過渡過程有希望的衰減率( )則可，否則改變比例帶值，重復上述試驗。,(2)將調(diào)節(jié)器的積分時間由最大值調(diào)整到某一值，由于積分作用的引入使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，這時應將比例帶值適當增大，一般為純比例作用的1.2倍。作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程，修改積分時間重復試驗，直到滿意為止。,98,,具體步驟：98,,(3)保持積分時間不變，改變比例帶，看調(diào)節(jié)過程有無改善，若有改善則繼續(xù)修改比例帶，如無改善則反向修改比例帶，直到滿意為止。保持比例帶不變修改積分時間，同樣反復湊試直到滿意為止。如此反復湊試，直到有一組合適的積分時間和比例帶。,(4)對于采用三參數(shù)的調(diào)節(jié)器，在進行完上述調(diào)整試驗后，將微分時間由小到大的調(diào)整，觀察每次試驗過程，直到滿意時為止。,這種方法使用得當，同樣可以獲得滿意的調(diào)節(jié)器參數(shù)，取得最佳的控制效果。而且此方法省時，對生產(chǎn)影響小。,99,,(3)保持積分時間不變，改變比例帶，看調(diào)節(jié)過,（5）動態(tài)參數(shù)法,,動態(tài)參數(shù)法是在系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)下，作對象的階躍擾動試驗，根據(jù)記錄下的階躍響應曲線求取一組特征參數(shù) (無自平衡能力對象)或 (有自平衡能力對象)，再根據(jù)經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。,1）有自平衡能力對象,,過響應曲線拐點P作切線交穩(wěn)態(tài)漸近線于A，交時間軸于C；過A點作時間的垂線交于B，則：,100,,（5）動態(tài)參數(shù)法 動態(tài)參數(shù)法是在系統(tǒng)處于開環(huán)狀,2）無自平衡能力對象,,作響應曲線直線段的漸近線交時間軸于C，過直線段上任一點A作時間垂線并交于B，則：,,由此，按下表經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器整定參數(shù)。,101,,2）無自平衡能力對象 由此，按下表經(jīng),,對象特征參數(shù) 和 的乘積 反映了控制難易的程度；越大，對象就越不好控制，因此調(diào)節(jié)器的比例帶應該取大一些，即與 成正比。對于比例積分調(diào)節(jié)，由于積分作用的加入使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，因此比例帶為純比例作用時的比例帶的1.2倍；對于采用比例積分微分調(diào)節(jié)，由于微分作用提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而比例帶可為純比例作用時比例帶的0.8倍。,,,,102,,對象特征參數(shù) 和 的乘積 反映了,,§,1.7 熱工系統(tǒng)的主要控制方式,103,,§1.7 熱工系統(tǒng)的主要控制方式103,,一.反饋控制,,反饋控制是根據(jù)被調(diào)量與給定值的偏差值來控制的。反饋控制的特點是必須在被調(diào)量與給定值的偏差出現(xiàn)后，調(diào)節(jié)器才能對其進行調(diào)節(jié)來補償干擾對被調(diào)量的影響。如果干擾已經(jīng)發(fā)生，而被調(diào)參數(shù)還未變化時，調(diào)節(jié)器是不會動作的。即反饋控制總是落后于干擾作用。因此稱之為“不及時控制”。,,104,,一.反饋控制104,,原因：,,（1）在熱工控制系統(tǒng)中，由于被控對象通常存在一定的純滯后和容積滯后，因而從干擾產(chǎn)生到被調(diào)量發(fā)生變化需要一定的時間。,（2）從偏差產(chǎn)生到調(diào)節(jié)器產(chǎn)生控制作用以及操縱量改變到被控量（被調(diào)量）發(fā)生變化又要經(jīng)過一定的時間。,可見，這種反饋控制方案的本身決定了無法將干擾對被控量的影響克服在被控量偏離設定值之前，從而限制了這類控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的進一步提高。,105,,原因：105,二.前饋控制,,1.基本原理,,,考慮到偏差產(chǎn)生的直接原因是干擾作用的結(jié)果，如果直接按擾動而不是按偏差進行控制，也就是說，當干擾一出現(xiàn)調(diào)節(jié)器就直接根據(jù)檢測到的干擾大小和方向按一定規(guī)律去進行控制。由于干擾發(fā)生后被控量還未顯示出變化之前，調(diào)節(jié)器就產(chǎn)生了控制作用，這在理論上就可以把偏差徹底消除。按照這種理論構(gòu)成的控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)，顯然，前饋控制對于干擾的克服要比反饋控制系統(tǒng)及時得多。,,若系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器能根據(jù)干擾作用的大小和方向?qū)Ρ徽{(diào)節(jié)介質(zhì)進行控制來補償干擾對被調(diào)量的影響，這種控制就叫做,“前饋控制”或“擾動補償”,。,106,,二.前饋控制106,,前饋控制系統(tǒng)的原理框圖如下圖,,圖中，K,B,：測量變送器的變送系數(shù)；,W,DZ,（S）：干擾通道對象傳遞函數(shù)；,W,D,（S）：控制通道對象傳遞函數(shù)；,W,B,（S）：前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。,107,,前饋控制系統(tǒng)的原理框圖如下圖 圖中，KB：測量變送器的,,2. 前饋控制系統(tǒng)的特點,,理想的情況下，針對某種擾動的前饋控制系統(tǒng)能夠完全補償因擾動而引起的對被調(diào)量的影響。實現(xiàn)對干擾完全補償?shù)年P(guān)鍵是確定前饋控制器（前饋調(diào)節(jié)器）的控制作用，顯然W,B,(S)取決于對象控制通道和干擾通道的特性。,由上圖可得：,Y(s)=[ W,DZ,(S)+ K,B,W,B,(S)W,D,(S)]Z(S),令 K,B,=1 則有： Y(s) / Z(S) = W,DZ,(S)+ W,B,(S)W,D,(S),式中：Z(S)是干擾；Y(s)是干擾引起的輸出。在理想的情況下，經(jīng)過前饋控制以后，被調(diào)量不變，即實現(xiàn)了所謂“完全補償”，此時：,Y(s) / Z(S) = W,DZ,(S)+W,B,(S)W,D,(S)=0,108,,2. 前饋控制系統(tǒng)的特點108,所以，前饋控制器的控制規(guī)律為：,W,B,(S)= -W,DZ,(S)/ W,D,(S),上式說明前饋控制的控制規(guī)律完全是由對象特性決定的，它是干擾通道和控制通道傳遞函數(shù)之商，式中負號表示控制作用的方向與干擾作用相反。,如果 W,DZ,(S)和W,D,(S)可以很準確測出，且W,B,(S)完全和上式確定的特性一致，則不論干擾信號是怎樣的形式，前饋控制都能起到完全補償?shù)淖饔?，使被調(diào)量因干擾而引起的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)偏差均為零。,,109,,所以，前饋控制器的控制規(guī)律為：109,,3.,前饋控制的局限性,,(1). 首先表現(xiàn)在前饋控制系統(tǒng)中不存在被調(diào)量的反饋，即對于補償?shù)慕Y(jié)果沒有檢驗的手段。因而，當前饋作用并沒有最后消除偏差時，系統(tǒng)無法得知這一信息而作進一步的校正。,(2). 由于實際工業(yè)對象存在著多個干擾，為了補償它們對被調(diào)量的影響，勢必設計多個前饋通道，增加了投資費用和維護工作量。,(3). 當干擾通道的時間常數(shù)小于控制通道的時間常數(shù)時，不能實現(xiàn)完全補償。,(4). 前饋控制模型的精度也受到多種因素的限制，對象令特性受負荷和工況等因素的影響而產(chǎn)生偏移，必然導致W,DZ,(S)和W,D,(S)的變化，因此一個事先固定的前饋模型不可能獲得良好的控制質(zhì)量。,110,,3.前饋控制的局限性110,三、復合控制,,1. 基本原理,,工程實際中，為克服前饋控制的局限性從而提高控制質(zhì)量，對一兩個主要擾動采取前饋補償，而對其它引起被調(diào)參數(shù)變化的干擾采用反饋控制來克服。以這種形式組成的系統(tǒng)稱為前饋一反饋復合控制系統(tǒng)。前饋-反饋復合控制系統(tǒng)既能發(fā)揮前饋調(diào)節(jié)控制及時的優(yōu)點，又能保持反饋控制對各種擾動因素都有抑制作用的長處，因此得到了廣泛的應用。,,111,,三、復合控制111,前饋一反饋復合控制系統(tǒng)的原理方框圖如下：,,112,,前饋一反饋復合控制系統(tǒng)的原理方框圖如下： 112,,2. 復合控制系統(tǒng)特點,,（1）引入反饋控制后，前饋控制中的完全補償條件不變。,,,沒有加入反饋作用時完全補償?shù)臈l件為：,W,B,(S)= -W,DZ,(S)/ W,D,(S),加上反饋后有：,,,X (S)=0，Z (S)=0，應用不變性原理有：,,113,,2. 復合控制系統(tǒng)特點 沒有加入反饋作用時完全補,即 W,B,(S)= -W,DZ,(S)/ W,D,(S),而如果不加前饋作用，即若W,B,(S)=0，顯然，,,,由于W,DZ,(S)≠0，因此擾動對系統(tǒng)輸出是有影響的。,,（2）復合控制系統(tǒng)補償控制的控制規(guī)律不僅與對象控制通道和干擾通道的傳遞函數(shù)有關(guān)，還與反饋調(diào)節(jié)器的位置有關(guān)。,114,,即 WB(S)= -WDZ(S)/ WD(S),,若復合控制系統(tǒng)的組成如下圖所示，反饋調(diào)節(jié)器與上圖相比，不是放在前饋信號前面，而是放在它的后面，則有：,,115,,若復合控制系統(tǒng)的組成如下圖所示，反饋調(diào)節(jié)器與,可得完全補償?shù)臈l件：,,,（3）復合控制時，擾動對輸出的影響要比純前饋時小得多。,,設系統(tǒng)為定值控制，即X(S)=0，專門討論擾動Z(S)對系統(tǒng)的影響。,因為前饋控制不可能完全補償，即Y(S)的第二項不可能完全為零，令其為△(S)，那么，純前饋控制時：,Y,1,(s)=[ W,DZ,(S)+ K,B,W,B,(S)W,D,(S)]Z(S) =△(S) Z(S),加入反饋后，則,116,,可得完全補償?shù)臈l件： （3）復合控制時，擾動對輸出的影,,因為1+ W,T,(S) W,D,(S)≥l，因此,,對于其他未經(jīng)過補償?shù)臄_動作用也有類似的結(jié)果。,,（4）前饋補償對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒有影響。,,這一點是顯而易見的，因為前饋無論加在什么位置，它都不構(gòu)成回路，系統(tǒng)的輸入-輸出傳遞函數(shù)的分母均保持不變，因而不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,,＜,117,,因為1+ WT(S) WD(S)≥l，因此＜117,四、串級控制,,1.基本原理,主調(diào)節(jié)器的輸出是副調(diào)節(jié)器的輸入。,原理框圖如下圖所示：,圖1-24 串級控制系統(tǒng)原理方框圖,118,,四、串級控制圖1-24 串級控制系統(tǒng)原理方框圖 118,主參數(shù)(主變量)：