热工控制系统第04次课

1、热工控制系统热工控制系统魏建平魏建平热能工程学院热能工程学院第第4 4次课内容次课内容单回路系统单回路系统概述概述扰动控制通道参数对控制质量的影扰动控制通道参数对控制质量的影响响测量变送环节测量变送环节执行器（阀门特性）执行器（阀门特性）PIDPID参数整定参数整定除氧水箱压力和水位控制实例除氧水箱压力和水位控制实例二、单回路控制系统二、单回路控制系统1 1、概述、概述2 2、被控对象特性对控制品质的影响、被控对象特性对控制品质的影响3 3、测量元件和变送器特性对控制质量、测量元件和变送器特性对控制质量的影响的影响4 4、调节机构特性对控制质量的影响、调节机构特性对控制质量的影响5 5、单回路

2、控制系统的参数整定、单回路控制系统的参数整定6 6、自动控制系统现场投运的一般步骤、自动控制系统现场投运的一般步骤7 7、单回路控制系统实例、单回路控制系统实例- -除氧器压力除氧器压力和水位控制和水位控制自动控制系统的设计原则自动控制系统的设计原则原则性控制系统的拟定原则性控制系统的拟定提出性能指标提出性能指标确定控制系统形式确定控制系统形式控制系统的综合控制系统的综合确定控制规律及参数等确定控制规律及参数等控制系统的分析控制系统的分析分析计算性能指标，与既定指标比分析计算性能指标，与既定指标比较，进行系统改进较，进行系统改进被调量被调量y y的选择的选择直观明确的被控量，如过热蒸汽温直观明

3、确的被控量，如过热蒸汽温度控制度控制间接测量的物理量，如磨煤机入口间接测量的物理量，如磨煤机入口煤的干燥程度煤的干燥程度磨煤机出口介质磨煤机出口介质温度温度可直接测量，但信号不好，如燃烧可直接测量，但信号不好，如燃烧控制中送风量的控制控制中送风量的控制烟气含氧烟气含氧量（磁性测氧计（滞后大）量（磁性测氧计（滞后大）氧化氧化锆测氧计）锆测氧计）调节量调节量u u的选择的选择工艺合理性工艺合理性锅炉主蒸汽压力：汽机进气量、锅锅炉主蒸汽压力：汽机进气量、锅炉燃烧量炉燃烧量参数合理性参数合理性较大的放大系数，较大的放大系数，较小的惯性和滞后较小的惯性和滞后三、被控对象特性对控制品质的影响三、被控对象特

4、性对控制品质的影响1 1、干扰通道的特征参数对控制质、干扰通道的特征参数对控制质量的影响量的影响1 1）放大系数）放大系数KdKd对控制质量的影响对控制质量的影响 ( )cG s( )uG s( )dGsDREC( )(1)uunuKG sT s( )(1)ddmDKGsT s( )ccG sK( )( )( )( )E sD sE sR s( )1( )dDcuRKeK Ke 单位阶跃扰动单位阶跃扰动干扰通道的放大系数干扰通道的放大系数KdKd越大越大, ,在扰动作用下系统的在扰动作用下系统的动态偏差、稳态误差动态偏差、稳态误差( (静态偏差静态偏差) )越大；越大；因此因此扰动通道放大系数

5、越小越好扰动通道放大系数越小越好, ,这样可使动态偏这样可使动态偏差、稳态误差减小差、稳态误差减小, ,控制精度提高控制精度提高 2 2）时间常数）时间常数T TD D对控制质量的影响对控制质量的影响T Td d的变化将影响系统的变化将影响系统稳定性裕度稳定性裕度和动态偏差，当和动态偏差，当干扰通道的时间常数干扰通道的时间常数T Td d增大时增大时, ,控制作用减弱，使控制作用减弱，使系统稳定性裕度增大；当干扰通道的时间常数系统稳定性裕度增大；当干扰通道的时间常数T Td d减小时减小时, ,控制作用加强，使系统稳定性裕度减小。控制作用加强，使系统稳定性裕度减小。因此扰动通道的时间常数因此扰

6、动通道的时间常数越大越好越大越好, ,这样可使系统这样可使系统的稳定性裕度提高。的稳定性裕度提高。 扰动通道放大系数 1111(1)dmcucuDC sGsD sG s GsG s GsT s1dcuKKK从物理意义上讲从物理意义上讲, ,具有惯性环节特性的具有惯性环节特性的扰动通道扰动通道, ,相当于一个低通滤波器相当于一个低通滤波器, ,削削弱了扰动对系统工作的影响弱了扰动对系统工作的影响 扰动通道阶次的影响扰动通道阶次的影响3 3）迟延时间对控制质量的影响）迟延时间对控制质量的影响扰动通道迟延时间扰动通道迟延时间的存在仅使被的存在仅使被调量在时间轴上平移了一个调量在时间轴上平移了一个值即

7、过值即过渡过程增加了一个渡过程增加了一个时间。并不影响时间。并不影响系统的控制质量系统的控制质量 系统有多个扰动系统有多个扰动 扰动进入系统的位扰动进入系统的位置离输出置离输出(被调量被调量)越远越远,对系统控制质对系统控制质量影响就越小量影响就越小 2 2、控制通道的特征参数对控制质、控制通道的特征参数对控制质量的影响量的影响 1 1）放大系数）放大系数KuKu对控制质量的影响对控制质量的影响 控制通道的放大系数控制通道的放大系数KcKu KcKu 是一种是一种互补关系互补关系, ,对线性控制系统对线性控制系统KcKuKcKu可可以通过调整控制器的比例系数以通过调整控制器的比例系数KcKc保

8、证保证两者的乘积满足设计的要求；两者的乘积满足设计的要求；( )1dDcuKeK K uKKPcKK2 2）时间常数、迟延时间对控制质量的）时间常数、迟延时间对控制质量的影响影响（1 1）n n阶惯性对象对控制质量的影响阶惯性对象对控制质量的影响 时间常数时间常数T T：减小控制通道的时间常数，能：减小控制通道的时间常数，能提高控制系统的控制质量提高控制系统的控制质量实际组成控制系统时实际组成控制系统时, ,控制通道是由执行器、变控制通道是由执行器、变送器、对象串联组成广义对象。广义对象内部各送器、对象串联组成广义对象。广义对象内部各环节具有不同的时间常数。这些时间常数之间应环节具有不同的时间

9、常数。这些时间常数之间应相互错开相互错开 阶次阶次n n：控制通道的惯性对象阶次：控制通道的惯性对象阶次n n越小越好越小越好（阶次（阶次n n越大对被调量的影响越慢，调节的越大对被调量的影响越慢，调节的也越慢，使控制系统的动态偏差、控制过程也越慢，使控制系统的动态偏差、控制过程的时间增大，稳定性裕度减小的时间增大，稳定性裕度减小 ）（2 2）有迟延对象对控制质量的影）有迟延对象对控制质量的影响响 迟延越大迟延越大, , 动态偏差、控制过程的动态偏差、控制过程的时间越大时间越大 图图4-12时间常数时间常数TcTc增大能提高系统的控制增大能提高系统的控制质量质量 cT小结：小结：干扰通道的放大

10、系数越小越好干扰通道的放大系数越小越好控制通道的放大系数：如果被控对象是线性系控制通道的放大系数：如果被控对象是线性系统，则对控制质量无影响；若是非线性系统，统，则对控制质量无影响；若是非线性系统，有一定影响有一定影响控制通道的时间常数应适当小一些，在采取改控制通道的时间常数应适当小一些，在采取改善控制通道动态特性的措施时，应遵循时间常善控制通道动态特性的措施时，应遵循时间常数错开的原则；纯迟延和时间常数的比值越小，数错开的原则；纯迟延和时间常数的比值越小，控制质量越好控制质量越好扰动进入控制系统的位置距离系统输出越远越扰动进入控制系统的位置距离系统输出越远越好，干扰通道的时间常数越大，扰动对

11、被调量好，干扰通道的时间常数越大，扰动对被调量的影响就越好，控制质量越好；扰动通道的纯的影响就越好，控制质量越好；扰动通道的纯迟延对系统控制质量无影响迟延对系统控制质量无影响四、测量元件和变送器四、测量元件和变送器1 1、变送器原理、变送器原理量程：量程：y y的范围（的范围（y yminminy ymaxmax）如如4 420mA20mAx x对应的范围（对应的范围（x xminminx xmaxmax）量程迁移量程迁移x xmaxmax y ymaxmax零点迁移零点迁移x xmin min y yminmin例如：例如：0 1004 2010 504 20CmACmA2 2、测量元件和变

12、送器特性对控制质量的影响、测量元件和变送器特性对控制质量的影响变送器时间常数较小，相当于变送器时间常数较小，相当于比例环节比例环节，对控制品质影响不大对控制品质影响不大测量元件可等效为测量元件可等效为一阶惯性环节一阶惯性环节，其与，其与y(t)y(t)的关系见下图。的关系见下图。y(t)y(t)的幅值变化比的幅值变化比z(t)z(t)大大的多，而且两者存在相位差。的多，而且两者存在相位差。克服测量变送的惯性：克服测量变送的惯性：采用快速测量元件采用快速测量元件采用微分单元采用微分单元正确选择测量变送元件的安装位置，正确选择测量变送元件的安装位置，保证其有较高的灵敏度和较小惯性保证其有较高的灵敏

13、度和较小惯性五、调节机构特性对控制质量的影响五、调节机构特性对控制质量的影响热工常用调节机构：热工常用调节机构：调节阀调节阀空气烟气挡板空气烟气挡板给煤机给煤机给粉机等给粉机等调节机构一般时间常数很小，可以调节机构一般时间常数很小，可以认为是一个认为是一个比例环节比例环节选用选用调节阀调节阀时，要特别注意调节阀时，要特别注意调节阀的工作流量特性与理想流量特性的的工作流量特性与理想流量特性的差别差别1 1、调节阀的流量方程、调节阀的流量方程体积流量体积流量质量流量质量流量1vppqnACnAp 常数阀的流通面积阀的阻力系数阀前后压差流体密度1CnA阀的流通能力，反映了阀能通过的流量的大小mvqq

14、Cp阀的可调比阀的可调比阀的流量特性阀的流量特性流过阀门的介质的相对流量与阀杆流过阀门的介质的相对流量与阀杆的相对行程之间的关系的相对行程之间的关系maxmaxmaxminminmin=CpqCRpqCCp 不变maxmax( )Qf LqQqlLl相对流量相对流量相对开度相对开度2 2、阀的理想流量特性、阀的理想流量特性阀前后压差不变时阀前后压差不变时3 3、阀的工作流量特性、阀的工作流量特性（1 1）调节阀串联在管道中的工作）调节阀串联在管道中的工作流量特性流量特性PSP阀全开总压降比：maxmiminmaxn1SRQQQQ设时，阀门的可调最大流量为，最小流量为阀门理想可调范围：100ma

15、x100minminmax1QQQRR SQQQS串实际中，阀门均处于的状态，故实际可调范围：随压降比随压降比S的减小，阀门在串联管路中的可调范围下降的减小，阀门在串联管路中的可调范围下降了了（2 2）调节阀在并联管路中的工作）调节阀在并联管路中的工作流量特性流量特性100QXQ总旁路系数：maxminmaxminQRQQQQQ并旁旁：管路总的最大流量：流经调节阀的最小流量：流经旁路的流量maxmaxminmax100max=()1(1)QRQQQQQRRX并随随X值下降，即旁路增加时，并联管路中调节阀可调范值下降，即旁路增加时，并联管路中调节阀可调范围急剧下降围急剧下降六、单回路控制系统的参

16、数整定六、单回路控制系统的参数整定PIDPID参数整定就是根据被控过程的参数整定就是根据被控过程的特性确定特性确定PIDPID调节器的三个参数：调节器的三个参数：比例增益、积分时间、微分时间的比例增益、积分时间、微分时间的大小大小常用工程整定方法：常用工程整定方法：经验法经验法临界比例带法临界比例带法衰减曲线法衰减曲线法响应曲线法响应曲线法七、自动控制系统现场投运的一般步骤七、自动控制系统现场投运的一般步骤准备工作准备工作电气线路和连接管路的检查电气线路和连接管路的检查变送器、控制器（组态图）、执行变送器、控制器（组态图）、执行器的检查器的检查控制系统试投控制系统试投八、单回路控制系统实例八、

17、单回路控制系统实例- -除氧器压力和水位控制除氧器压力和水位控制8.1 8.1 除氧器压力控制除氧器压力控制除氧器除氧方法：加热给水至沸点除氧器除氧方法：加热给水至沸点（一定压力下，气体的溶解度随温度（一定压力下，气体的溶解度随温度的升高而变小）的升高而变小）因温度测量迟延较大，而饱和温度因温度测量迟延较大，而饱和温度与饱和压力之间有确切的对应关系，与饱和压力之间有确切的对应关系，因此采用压力控制因此采用压力控制对象特性：一阶惯性环节对象特性：一阶惯性环节8.1 8.1 除氧器压力控制除氧器压力控制1 1）除氧器压力控制系统除氧器压力控制系统定压控制定压控制 tt0P除氧器压力对象的动态特性%

18、PTI/VKT V/IATIIZT蒸汽至给水泵排气P除氧器压力自动控制系统除氧器( )f x8.1 8.1 除氧器压力控制除氧器压力控制PTKTIIZT除氧器压力控制系统30kPaAVA35kPa+_除氧器压力+_AAIH/LBAIAOddt( )f x负荷波动造成压力的负荷波动造成压力的突然变化：突然变化：升高：因温度变化滞升高：因温度变化滞后于压力，造成除氧后于压力，造成除氧效果不好效果不好降低：造成给水泵压降低：造成给水泵压头不足，给水汽化，头不足，给水汽化，影响给水泵的安全影响给水泵的安全解决方案：设定除氧解决方案：设定除氧器最小压力，一般为器最小压力，一般为35kPa35kPa3530dppdt8.1 8.1 除氧器压力控制除氧器压力控制2 2）滑压运行除氧器压）滑压运行除氧器压力控制系统力控制系统除氧器加热蒸汽阀全开，除氧器加热蒸汽阀全开，除氧器压力随汽机负荷除氧器压力随汽机负荷变化而变化，压力靠汽变化而变化，压力靠汽机抽汽自然保持机抽汽自然保持当汽机负荷较低时，需当汽机负荷较低时，需要辅助汽源送入除氧器要辅助汽源送入除氧器以维持最低允许压力以维持最低允许压力8.2 8.2 除氧器除氧器水位水位控制控制除氧器水位控制系统除氧器水位控制系统储水量要求可保证锅炉额定负荷下