热工控制系统1

1、第一篇 简单控制系统 简单控制系统是由一个被调量、一 个控制量而且只用一个调节器、一个调 节阀所组成的一个闭合回路。 在热工过程控制中简单控制系统是 最基本的，也是应用最多的。 e 扰动 输入量输出量 调节器被控对象 l第一章 讲述控制系统的基本概念 l第二章 讨论热工控制对象的动态特性 l第三章 主要分析调节器的控制规律的特点 l第四章 阐述单回路控制系统 第一节 概述 生产过程是否正常进行，通常是用一些 物理量来表征的,当这些物理量偏离所希望维 持的数值时，就表示生产过程离开了规定工况， 必须加以调节。 调节的任务就是表征生产过程是否正常进调节的任务就是表征生产过程是否正常进 行的行的这些

2、物理量保持在所希望的数值上这些物理量保持在所希望的数值上。 汽包 W 给水 给水调节阀 省煤器 水 冷 壁 过热器 水 位 计 蒸汽 D h 汽包锅炉给水人工调节示意图 人工/自动 给水 w 蒸汽 D 测量单元 调节单元 给定单元 执行单元 汽包锅炉给水自动调节示意图 h 人工/自动 l1被调量（被控制量） 表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量。 l2给定值 按生产要求被调量必须维持的希望值。 l3控制对象（被控对象） 被调节的生产过程或设备称为控制对象。 l4调节机构 可用来改变进入控制对象的物质或能量的装置称为调节 机构。 l5控制量（调节量） 由调节机构(阀门、挡板等)改变的流

3、量(或能量)，用以 控制被调量的变化。 l6 6扰动扰动 引起被调量偏离其给定值的各种原因称为引起被调量偏离其给定值的各种原因称为扰动扰动。 如果扰动不包括在控制回路内部如果扰动不包括在控制回路内部( (例外界负荷例外界负荷) )，称为，称为外扰外扰。 如果扰动发生在控制回路内部，称为如果扰动发生在控制回路内部，称为内扰内扰。 其中，由于调节机构开度变化造成的扰动，称为其中，由于调节机构开度变化造成的扰动，称为基本扰动基本扰动。 变更控制器的给定值的扰动称为变更控制器的给定值的扰动称为给定值扰动给定值扰动, ,有时也称控制有时也称控制 作用扰动。作用扰动。 l7 7控制过程（调节过程）控制过程

4、（调节过程） 原来处于平衡状态的控制对象，一旦受到扰动作用，被原来处于平衡状态的控制对象，一旦受到扰动作用，被 调量就会偏离给定值。要通过自动控制仪表或运行人员的调量就会偏离给定值。要通过自动控制仪表或运行人员的 调节作用使被调量重新恢复到新的平衡状态的过程，称为调节作用使被调量重新恢复到新的平衡状态的过程，称为 调节过程。调节过程。 l8 8自动控制系统自动控制系统 自动控制仪表和控制对象通过信号的传递互相联系起来自动控制仪表和控制对象通过信号的传递互相联系起来 就构成一个自动控制系统。就构成一个自动控制系统。 控制器控制器广义被控对象广义被控对象 给定值给定值 被调量被调量 稳态稳态 稳态

5、稳态 动态动态 一、按工作原理分类 1反馈控制系统 2前馈控制系统 3前馈 反馈控制系统（复合控制 系统） - r 扰动通道 调节通道 调节器 测量变送 调节机构 y “按偏差调节” 闭环控制系统 优点：可以消除被调量的静态偏差 缺点：要进行稳定性分析，控制过程时间长 1反馈控制系统 2前馈控制系统 扰动通道 调节通道前馈调节器 y “扰动调节”或“扰动补偿” 开环控制系统 优点：控制过程时间短，不用进行稳定性分析 缺点：不存在被调量的反馈，无法检测偏差 一般只能克服某种扰动 - r 扰动通道 调节通道调节器 测量变送 调节机构 y 前馈调节器 3前馈-反馈控制系统 前馈控制为粗调，反馈控制为

6、细调 二、按给定值特点分类二、按给定值特点分类 1. 定值控制系统 给定值保持恒定，或给定值在某一很小范围内变化给定值保持恒定，或给定值在某一很小范围内变化。 2. 随动控制系统 给定值是按预先不能确定的一些随机因素而变化给定值是按预先不能确定的一些随机因素而变化( (变变 化规律事先末知化规律事先末知) )。 3程序控制系统 给定值是预定的时间函数。给定值是预定的时间函数。 自动控制系统调节品质的优劣，表示了 控制系统克服外来干扰能力的大小。 常把对阶跃干扰的反映作为判别系统抗 干扰能力好坏的标准。 一个控制系统的调节品质，可用控制系 统在受到单位阶跃输入作用后，被调量在控制 过程中的变化曲

7、线来分析。 综合性能指标 单项性能指标 时域指标 频域指标 静态偏差y()或e() 最大动态偏差ym或 超调量 衰减率衰减比n 控制过程时间ts 其它指标 调节时间调节时间 tS 静态偏差静态偏差 y( )或或e( ) 最大动态偏差最大动态偏差ym或超调量或超调量 衰减率衰减率 衰减比衰减比n 给定值给定值 1静态偏差y()或e() *定值定值控制系统中，静态偏差是指被调量的稳态控制系统中，静态偏差是指被调量的稳态 值与给定值之间的长期偏差值与给定值之间的长期偏差。 * *随动随动控制系统中，静态偏差是指被调量的稳态控制系统中，静态偏差是指被调量的稳态 值与值与新新给定值之间的长期偏差。给定值

8、之间的长期偏差。 静态偏差是衡量控制系统准确性的重要指标之静态偏差是衡量控制系统准确性的重要指标之 一，它反映了控制系统的调节精度。一，它反映了控制系统的调节精度。 2控制过程时间（调节时间）ts *对于定值定值控制系统，控制过程时间是指阶跃响 应曲线由开始起到最后一次进入偏离稳态值为 范围，并且以后不再越出此范围的时间即 tts 时 y（t） y（） ， = （ 5% y（）或2% y（） *对于随动随动控制系统，控制过程时间是指被调量 与其稳态值之差不超过稳态值的5%或2% 所需要的时间，就认为控制过程已经结束。即 tts 时 y（t） y（） 5%y（）或 2%y（） y1 y3 y e

9、ss ts r y1 y3 y静差 ts r 定值控制系统 随动控制系统 3最大动态偏差ym或超调量 在定值控制系统中，常用最大动态偏差在定值控制系统中，常用最大动态偏差ym 这个指标来衡量被调量偏离给定值的程度这个指标来衡量被调量偏离给定值的程度。 ymy1y() 随动控制系统常用超调量这个指标来衡量随动控制系统常用超调量这个指标来衡量 被控制量偏离给定值的程度。被控制量偏离给定值的程度。超调量可定义 为： %100 1 y y 4.衰减率衰减比n 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。 式中 y1偏离稳态值的第一个波峰幅值； y3偏离稳态值的第三个波峰幅值。 它常被工

10、程上用来描述过渡过程为衰减振 荡时的衰减速度。 1 3 1 31 1 y y y yy 若0，则调节过程是发散振荡，这种系统是 不稳定的。 若0，则调节过程是等幅振荡，这种系统处 于边界稳定。 若01，则调节过程是衰减振荡，这种系 统是稳定的。可以应用。 若1，则调节过程是不振荡的衰减过程(非 周期过程)，这种系统稳定。 在在0 1的范围内，的范围内， 的数值还可表明系统稳的数值还可表明系统稳 定裕量定裕量(富裕量或贮备量富裕量或贮备量)的大小的大小 ，一般取 0.750.90。 衰减比衰减比n 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

11、渡过程稳定性稳定性的一个动 态指标，反映了振荡的衰减程度。 n1表示系统稳定； n=4表示系统为4:1的衰减振荡。 在定值控制系统中，突出的要求在定值控制系统中，突出的要求 是克服扰动的性能。是克服扰动的性能。 在随动控制系统中突出的要求是在随动控制系统中突出的要求是 跟踪性能。跟踪性能。 IE（误差积分）误差积分） 优点：简单，也称为线性积分准则优点：简单，也称为线性积分准则 局限：不能抑制响应等幅波动局限：不能抑制响应等幅波动 IAE（绝对误差积分）绝对误差积分） 特点：抑制响应等幅波动特点：抑制响应等幅波动 ISE（平方误差积分）平方误差积分） 优点：抑制响应等幅波动和大误差优点：抑制响应等幅波动和大误差 局限：不能反映微小误差对系统的影响局限：不能反映微小误差对系统的影响 ITAE（时间与绝对误差乘积积分）时间与绝对误差乘积积分） 优点：着重惩罚过渡时间过长优点：着重惩罚