1、热工自动控制系统培训 主讲：高玉祥教学总学时：56学时,热工自动控制系统 56学时 第一部分：基本概念 热工测量及控制系统的基本知识 6学时 分散控制系统的基本知识 8学时,第二部分：单元机组自动控制系统分析 单元机组协调控制系统(CCS)10学时 炉膛安全监控系统(FSSS)8学时 汽轮机数字电液控制系统(DEH)12学时 顺序控制系统(SCS)8学时 热工报警和保护系统 4学时,第一部分：基本概念,火电厂生产过程：,一组数据：300MW亚临界机组：锅炉蒸发量：1025t/h 主蒸汽温度/压力：5455/16.7Mp 燃煤量(标准煤)：约105t/h 炉膛尺寸：13.33512.82954.
2、300m 600MW超临界机组：锅炉蒸发量：2008t/h 主蒸汽温度/压力：5715/25.4Mp 燃煤量(标准煤)：约210t/h 炉膛尺寸：19.41915.45667.000m,实现生产过程自动化是非常有必要的 火电厂热力过程自动化可以分为四个部分：(1)热工检测：是自动化操作的依据。(2)自动调节：是自动化操作的主体。(3)远方控制及程序控制：是自动化操作的 重要补充。(4)自动保护：是自动化操作的重要保障。,第一章 热工测量的基本知识 1.1 测量的定义及方法 一、测量概述：测量就是利用测量工具，通过实验方法将被测量与同性质的标准量(测量单位)进行比较，以确定被测量是标准量多少倍数
3、的过程。其所得倍数就是测量值，可见，被测量由测量值和测量单位两部分组成。,二、测量方法：直读法：直接测量：零值法：比较法：微差法：间接测量：组合测量：,1.2 测量误差 一、误差的表示方法 1绝对误差：绝对误差是被测参数的测量值与真实值之代数差。XX0 绝对误差有大小，有符号，有单位，称为绝对误差的三要素。,例：1、哈尔滨北京，铁路全长1388Km，测量结果为1389Km，求绝对误差。2、用m尺测量1m长的线段，测量结果为1.001m，求绝对误差。3、测量某炉膛的火焰温度，测量结果为1001，实际为1000，求绝对误差。,2、相对误差 绝对误差占所选取的参考值的百分比，称为相对误差。如果参考值
4、为真实值，则该相对误差称为实际相对误差，记为：/X0 100 如果参考值为测量值，则该相对误差称为标称相对误差，记为：/X 100,如果参考值为测量仪表的量程，则该相对误差称为引用相对误差，或者折合相对误差，记为：/(XmaxXmin)100 例：体温计和高温计，量程分别为3242，01000，如果同时有1 的绝对误差，求引用相对误差。结果表明，引用相对误差更能说明测量的准确程度，因此是最常用的表示方法。,二、误差的分类 1、系统误差 在相同条件下多次重复测量同一被测量，如果每次测量值的误差恒定不变（绝对值和符号均保持不变）或按某种确定的规律变化，这种误差称为系统误差。,系统误差产生的原因主要
5、有：(1)测量仪器或测量系统本身不够完善，如仪表本身刻度不准、测量原理不完善等。(2)仪表使用不当，如测量人员操作不当、读数不准等。(3)测量时外界环境条件变化，如环境温度、湿度、电磁场影响等。由于系统误差具有一定的规律性，测量时应尽可能地设法消除此类误差或对测量结果加以修正，以提高测量的准确程度。,2、随机误差 随机误差是指在相同条件下多次测量同一被测量时产生的绝对值和符号不可预知的随机变化着的误差，又称偶然误差。大多数随机误差服从正态分布规律，因此可用求取算术平均值的方法予以消除随机误差。,3、粗大误差 粗大误差是指由于操作人员的操作错误、粗心大意及仪表的误动作等原因而造成的误差，也称为疏
6、失误差。即明显歪曲事实的误差，称为粗大误差。粗大误差通常表现为数值较大且无任何规律，含粗大误差的测量值称为坏值，应当剔除。为避免测量结果出现粗大误差，要求操作人员在测量过程中避免失误。,从以上分析可以看出，系统误差决定了测量的正确度，而随机误差决定了测量的精密度。对于一个好的测量结果，应该既精密又正确，一般用精确度或准确度表示。如果某次测量的精确度很高，则说明本次测量的系统误差和随机误差都不大。,1.3 热工仪表概述 用来测量温度、压力、流量等热工参数的仪表称为热工仪表。一、仪表的组成 热工仪表从其各部分的功能和作用上看，主要包括三个组成部分。,1感受件 感受件是仪表中直接与被测对象发生关系的
7、部件，感受件通常也称作敏感元件、一次件、一次仪表或传感器。,感受件的性能应符合以下要求：(1)输出信号与被测参数变化呈稳定的单值函数关系，且最好是线性的。(2)应有较高的灵敏度。(3)反应快、迟延小。(4)尽可能少的消耗被测介质的能量。,2中间件 中间件是用来接受感受件的输出信号并将其送到显示件的部件。中间件的主要作用有：(1)单纯起传输作用。(2)起信号放大作用。(3)起变送作用。,3显示件 显示件接受中间件送来的信号，并将其转变为测量人员可以识别的信号，它是与测量人员直接联系的部件。可分为三种：(1)模拟显示：由指针、光标、色带等反映被测参数的连续变化。(2)数字显示：直接用数字显示被测参
8、数的大小或高低。(3)屏幕显示：用计算机和电视屏幕等显示测量结果。还可以给出要求的图形、数据表格、曲线等。,二、仪表的分类(1)按被测参数不同，可分为温度、压力、流量、物位、成分分析仪表等。(2)按用途不同，可分为标准用、实验室用、工程用仪表。(3)按显示特点不同，可分为指示式、积算式、记录式、数字式、屏幕式。(4)按工作原理不同，可分为机械式、电气式、电子式、化学式、气动式。(5)按使用能源不同，可分为电动式、气动式、液动式仪表。,三、热工仪表的质量指标 为了正确地选择和使用仪表，必须了解仪表的一系列指标，热工仪表的质量指标主要有基本误差、准确度等级、变差、灵敏度、不灵敏区等。这些质量指标是
9、鉴别仪表的性能是否符合技术规定的标准和判定仪表是否合格的依据。,1、基本误差：在规定的技术条件下对仪表进行检定时，仪表所具有的最大误差称为仪表的基本误差。2允许误差：根据各类仪表的设计、制造质量不同，国家对每种仪表均规定了基本误差的最大允许值，即允许误差。它可用绝对误差来表示，也可以用引用误差来表示。,3、准确度等级：仪表的准确度等级在数值上等于允许误差去掉百分号后的绝对值。国家规定的准确度等级系列有0.005，0.01，0.04，0.05，0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，5.0等级别。数值越小，准确度越高。通常准确度等级用小圆圈内的阿拉伯数字标志在仪表的刻度盘上。,4
10、、变差：仪表在规定的使用条件下，从正、反行程两个方向测量同一参数，两次测量值之差称为该示值点上的变差，在仪表测量范围内，各示值点上变差的最大值称为仪表的变差，表示为：一块合格的仪表的基本误差和变差均不应超过允许误差。,5、灵敏度：灵敏度是指仪表输出信号的变化量与产生该变化的被测信号的变化量之比。即：SL/X 6、分辨率：仪表指示器发生可见动作的被测量的最小值，称为仪表的分辨率，7、不灵敏区：不能引起仪表输出变化的被测输入信号的最大变化范围称为仪表的不灵敏区或死区,第二章 自动控制系统概述2.1 自动控制系统的基本知识一、常用术语：1、调节对象：指被调节的生产过程或生产设备2、被调量：表征生产过
11、程是否符合工艺要求的 物理量，也是调节作用所要维持为给定值或 维持在一定范围内的参数。3、给定值：被调量应维持的数值。4、扰动：引起被调量改变的各种因素。扰动分为内扰和外扰,一个实例：要求水温控制为40，调节手段为冷、热水门。调节对象、被调量、给定值、内扰、外扰？,另一个实例：,用术语描述的自动调节过程：自动调节系统受到外扰的作用，使被调量偏离了给定值，测量部件检测到两者的偏差，通过调节器的调节作用，产生一个相应的内扰，用来平衡外扰，并使被调量恢复到给定值，达到新的动态平衡，调节过程结束。,自动调节系统的方框图,方框图由环节、信号线、相加点、分支点四要 素组成。(1)环节。方框图中的方框，表示
12、一个设备、元件或者一个生产过程，包括输入量和输出量。(2)信号线。以箭头方式传递的某种信号，用以反映各设备之间的逻辑关系。(3)相加点。相当于加法器，表示两个信号的代数和(4)分支点。表示把一个信号送到两个地方。,22自动控制系统的分类 一按系统的结构特点(工作原理)分类1、反馈调节系统反馈调节系统又称闭环调节系统 2、前馈调节系统前馈调节系统又称开环调节系统3、复合调节系统复合调节系统又称前馈一反馈调节系统。,二按照给定值的变化规律分类 1、定值调节系统。给定值保持恒定 2、程序调节系统。给定值 按照已知规律变化 3、随动调节系统。给定值随机变化,2.3自动控制系统的性能指标一、自动调节系统
13、的过渡过程1、系统的静态和动态 被调量不随时间变化的平衡状态称为系统的静态(稳态)，被调量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。2、系统的过渡过程 被调参数随时间变化的过程称为自动调节系统的调节过程或过渡过程,阶跃信号：t t0 时，X0；t t0 时，XX0几种过渡过程：不稳定的调节过程：稳定的调节过程,二、调节系统的品质指标调节系统品质好坏用稳定性、准确性和快速性三个指标来表示。看一个过渡过程,1、稳定性：通常用衰减率来表示 衰减率是指每经过一个周期，被调量波动幅值衰 减的百分数，用表示，即(y1y3)/y1 1 y3/y1 0：调节过程是发散振荡；=0：调节过程是等幅振荡；01：调节过程
14、是衰减振荡；1：调节过程是非周期过程。自动调节系统稳定的条件是01,2、准确性 动态偏差：调节过程中被调量偏离给定值的最 大短期偏差 静态偏差：调节过程结束后，被调量与给定值 的长期偏差 3、快速性快速性常用过渡过程时间来表示,第三章 控制对象的动态特性 3.1环节特性的表示方法：环节动态特性的表示方法主要有以下三种：微分方程法、传递函数法、阶跃响应曲线 一、微分方程法 微分方程法是用微分方程来表示环节的输出与输入之间的变化关系。如图电路，ui为输入，uc为输出列出微分方程为,又如图单容水箱：q1为输入，q2为输出微分方程为：两者比较，基本形式相同。,二、传递函数 传递函数是在用拉氏变换求解常
15、系数线性微分 方程的过程中引申出来的概念。传递函数的定义：在零初始条件下，输出信号 的像函数y(S)与输入信号的像函数X(S)之比称 为该环节或系统的传递函数。即 对上述两个微分方程求解其 传递函数为：,三、阶跃响应曲线 阶跃响应曲线比微分方程和传递函数更能够对一个环节进行准确、形象的描述 四、典型环节特性环节是指具有输入量和输出量的动态系统，具有典型意义的常用环节，定义为典型环节。常见的基本环节有：比例、积分、一阶惯性、理想微分、实际微分、二阶环节和迟延环节。,3.2 控制对象的动态特性 热工被调对象动态特性具有如下的特点：(1)有一定的惯性和迟延，不具备比例、微分特 性。(2)多数热工被调
16、对象是不振荡的。体现为在某阶跃输入下，其输出呈非周期变化。(3)热工对象可分为多输入单输出对象(即单变量对象，如汽包)和多输入多输出对象(即多变量对象，如燃烧被调对象)。,一、单容有自平衡的对象有自平衡的单容对象就是前面介绍过的惯性环节。微分方程为：微分方程的解为：传递函数为：,阶跃响应曲线：特征参数：1、K值：放大倍数2、T值：时间常数3、值：自平衡率被调量变化1个单位引起的流量变化的数量,4、值：飞升速度单位阶跃扰动下被调量的最大变化速度 综上所述：,其他参数的影响：,二、单容无自平衡的对象,特征参数：,三、多容有自平衡的对象微分方程：传递函数：,阶跃响应曲线：,四、多容无自平衡能力的对象
17、,微分方程：传递函数：五、纯迟延对象,阶跃响应：传递函数：,3.3 控制对象动态特性的求取 热工对象的动态特性一般是用实验方法来进行确定，并对现场设定的实验数据进行适当的数学加工和处理，最后得到控制对象动态特性的近似数学表达式，即传递函数。一、阶跃响应曲线的测试 阶跃响应试验在原理上比较简单，而且阶跃响 应曲线特点很明显，可以清楚地判断环节的性 质及定出特性参数。测试阶跃响应曲线的主要 步骤和注意事项:,(1)在开始扰动前，要把对象调整到预定的初始条件。使被调量的阶跃响应曲线在整个允许变动范围内变化。(2)在加扰动前，要保证系统处于稳定的运行工况。即在调整初始条件后要等待一个相当长的时间，直到
18、各有关流量和参数都达到稳定为止才能开始试验。(3)由稳定工况起，突然快速加上一次扰动。其扰动量的数值应足够大(一般约为额定负荷的1020)，使阶跃响应足够大。,(4)加扰动应该是瞬时的，但实际上阀门只能以有限速度移动，这就要对试验结果作适当修正。(5)试验应连续进行，直到输出信号接近于它的最终平衡值为止。(6)在试验过程中，除了指定的输入量作一次阶跃扰动外，应该采取一切措施来防止其他扰动的发生，使其运行工况尽可能不变。,(7)热工对象是非线性的，它的动态特性随着负荷的不同而异。(8)在试验时，必须特别注意被调量离开初始稳定状态时的情况。,二、控制对象的近似传递函数 根据测定到的对象阶跃响应曲线
19、，可以把它拟合成近似的传递函数。根据阶跃响应曲线求近似传递函数有切线法和两点法。(一)有自平衡能力的对象 用测试法建立控制对象的数学模型，首要的问题就是选定模型的结构，然后确定特征参数。,1无迟延一阶对象 无迟延一阶对象的阶跃 响应曲线如图所示，若 选定传递函数的形式为 特征参数T和K可通过在响 应曲线上作图的方法求出，其步骤是：(1)作稳态值的渐近线y()，(2)作响应曲线起始点的切线,2有迟延一阶对象有迟延的一阶对象可用迟延环节和一阶惯性环节串联来等效，其传递函数的形式为(1)切线法 参数、T，的计算方法是通过阶跃曲线的拐点作切线。(2)两点法两点法是在阶跃响应y(t)上适当选择两点，然后
20、把这两个点的数值代入经验公式，从而确定被控对象的迟延和时间常数。,3、二阶对象 二阶对象与高阶对象的方法同有迟延一阶对象，也分为切线法和两点法。(二)无自平衡能力的对象无自平衡能力对象的阶跃响应与有自平衡能力对象的阶跃响应区别在响应曲线的后部。前者曲线趋于一条不断上升的直线，后者曲线趋于一条不变的水平直线。,近似传递函数：,3.4 调节器的控制规律 调节器输入量为偏差e，输出量为调节机构位置，动态特性是指调节器的输出量与输入量的动态关系，常称作调节器的控制规律。常用的调节器按其控制规律可分为比例调节器、比例积分调节器、比例微分调节器、比例积分微分调节器。这些调节器的控制规律都是由基本调节作用比
21、例、积分、微分组合而成。,一、基本调节作用 1比例作用(简称P作用)比例作用的传递函数为,比例作用无惯性、无迟延、动作快，而且调节动作的方向正确，因此，比例作用在控制系统中是促使控制过程稳定的因素。但调节结果被调量有稳定(静态)偏差。2积分作用(简称作用)积分作用的动态表达式为传递函数为：,输入e随时间的积累就是输出，只要偏差存在，调节机构的位置就一直变化下去。因此，可以实现稳态无差。3微分作用(简称D作用)微分作用的动态方程式为传递函数为：,微分作用可以有效地减少被调量的动态偏差,具有超前调节的特点，因此，微分作用在控制系统中能提高控制过程的稳定性。二、调节器的控制规律1比例(P)调节器-比
22、例系数Kp的倒数，即当调节机构的位置改变100时，偏差应有的改变量，称为比例带。,是可调的表示比例作用强弱的参数，越大比例作用越弱；越小比例作用越强。2比例积分(PI)调节器比例积分调节器是比例作用和积分作用的叠加。调节器有两个可供调整的参数，和Ti。积分时间Ti越小，表示积分作用越强。反之，积分时间Ti越大，表示积分作用越弱。比例带不但影响比例作用的强弱而且也影响积分作用的强弱。,由于比例积分调节器是在比例调节的基础上，又加上积分调节，相当于在“粗调”的基础上再加上“细调”，能使控制过程结束后没有静态偏差。,3比例微分(PD)调节器比例微分调节器的作用由比例作用和微分作用组合而成。理想比例微分调节器的动态方程式和传递函数为：,4比例积分微分(PID)调节器比例积分微分调节器的作用由比例作用、积分作用和微分作用组合而成。理想的PID调节器的动态方程和传递函数为：,PID调节器中，有三个可以调整的参数，就是比例带、积分时间Ti和微分时间Td。适当选择这三个参数的数值，可以获得良好的调节质量。,
