第一章热工自动控制概论

1、能源与动力工程学院第一章第一章 热工自动控制概论热工自动控制概论主讲：赵建立主讲：赵建立能源与动力工程学院课程考察形式：课程考察形式： 小组作业（小组作业（simulink）；）； 课程论文；课程论文； 随堂测验；随堂测验； 结课考试。结课考试。能源与动力工程学院Open a window and look at nature.You may not see it but control is there.能源与动力工程学院n 自动控制理论是自动控制技术的基础理论，根据自动自动控制理论是自动控制技术的基础理论，根据自动控制技术的发展进程，控制技术的发展进程，自动控制理论自动控制理论可分为以微分

2、方程、可分为以微分方程、传递函数为基础的传递函数为基础的经典控制理论经典控制理论和以状态空间为基础的和以状态空间为基础的现现代控制理论代控制理论。n 随着自动控制理论的发展，自动化技术逐步发展到基随着自动控制理论的发展，自动化技术逐步发展到基于专家系统、模糊控制和人工神经网络的于专家系统、模糊控制和人工神经网络的智能时代智能时代。能源与动力工程学院n前期控制前期控制(1400BC-1900)中国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶中国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400BC-1100BC)希腊发明了采用浮球保持燃油液面高度的油灯希腊发明了采用浮球保持燃油液面高度的油灯(250BC)亚历山大的希罗

3、发明开闭庙门和分发圣水的自动装置亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水的自动装置(100年年)能源与动力工程学院中国马钧研制出利用齿轮传动的自动指示方向的指南车中国马钧研制出利用齿轮传动的自动指示方向的指南车 (235年年)英国英国J.Watt利用离心式调速器控制蒸汽机的速度利用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年年)能源与动力工程学院n经典控制经典控制(1935-1950) 美国美国N.Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服机构，提出研制出用于船舶驾驶的伺服机构，提出PID控制方法控制方法(1922) 美国美国E.Sperry以及以及C.Mason研制出火炮控制器研制出火炮控制器(192

4、5)，气压，气压反馈控制器反馈控制器(1929) 伺服控制系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。 伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。 伺服控制系统属于随动控制。能源与动力工程学院n现代控制现代控制(1950-今今) 美国美国MIT的的Servomechanism Laboratory研制第一台数控机床研制第一台数控机床(1922) 现代控制起源于冷战时期的军备竞赛以及计算机技术的出现。现代控制起源于冷

5、战时期的军备竞赛以及计算机技术的出现。能源与动力工程学院 美国美国 George Devol研制出第研制出第一台工业机器人样机一台工业机器人样机(1954) 苏联东方苏联东方-1号飞船载着加加林号飞船载着加加林进入人类地球卫星轨道，人类进入人类地球卫星轨道，人类宇航时代开始宇航时代开始(1961)能源与动力工程学院第一节第一节 热工自动控制的发展概况热工自动控制的发展概况 电能的电能的“发、输、供、用发、输、供、用”必须同时进行，并保持瞬必须同时进行，并保持瞬时的平衡。与此同时，参与时的平衡。与此同时，参与“发、输、供、用发、输、供、用”的所有设的所有设备构成了部件众多、结构复杂、分布广阔的动

6、态大系统。备构成了部件众多、结构复杂、分布广阔的动态大系统。在这个系统中发电机组处于系统的最底层。在这个系统中发电机组处于系统的最底层。 电力生产过程分为发电侧与输配电侧，相应地，从实电力生产过程分为发电侧与输配电侧，相应地，从实现自动化的角度，可分为电站自动化和电力系统自动化。现自动化的角度，可分为电站自动化和电力系统自动化。控制对象特征控制对象特征能源与动力工程学院一、电厂热工控制技术的发展一、电厂热工控制技术的发展目前机组特点目前机组特点 （1） 监视点多监视点多(600MW机组机组I/O点多达点多达30005000个，随着发电机个，随着发电机-变压器组和厂用电源等电气部分监视纳入变压器

7、组和厂用电源等电气部分监视纳入DCS之后，之后，I/O点已超过点已超过7000个个) （2）参数变化速度快和控制对象数量大参数变化速度快和控制对象数量大(600MW机组超过机组超过1300个个)，而各个控制对象又相互关联，所以操作稍一失误，所引起的后果十分严而各个控制对象又相互关联，所以操作稍一失误，所引起的后果十分严重。重。 大机组的监视与控制操作任务也不能完全交由运行人员去完成大机组的监视与控制操作任务也不能完全交由运行人员去完成(体体力、脑力劳动强度，不及时、人为操作失误），因此必须由高度计算机力、脑力劳动强度，不及时、人为操作失误），因此必须由高度计算机化的机组集控取而代之。化的机组集

8、控取而代之。 能源与动力工程学院 随着计算机技术的迅速发展，电厂热工过程控制又经历了随着计算机技术的迅速发展，电厂热工过程控制又经历了以下几个计算机控制过程以下几个计算机控制过程: (1) 集中型计算机控制：集中型计算机控制：用一台计算机对整个生产过程进行用一台计算机对整个生产过程进行整体控制，因此对计算机的可靠性要求很高，一旦计算机出现事整体控制，因此对计算机的可靠性要求很高，一旦计算机出现事故，将使整个生产受到影响。故，将使整个生产受到影响。 (2) 分散型计算机控制：分散型计算机控制： 随着微机的大批生产，成本的不断随着微机的大批生产，成本的不断降低，逐渐把集中控制改为用微机进行局部控制

9、，克服了集中控降低，逐渐把集中控制改为用微机进行局部控制，克服了集中控制的一些缺点，但此时各系统之间很难协调起来。制的一些缺点，但此时各系统之间很难协调起来。 (3) 计算机分散控制：计算机分散控制： 它把各系统之间、厂级管理、调度等它把各系统之间、厂级管理、调度等用一台功能很强的计算机进行上位管理；而把各子系统用微机控用一台功能很强的计算机进行上位管理；而把各子系统用微机控制，充分发挥了集中控制和分散控制各自的优点，是一种比较合制，充分发挥了集中控制和分散控制各自的优点，是一种比较合理的控制方法。理的控制方法。能源与动力工程学院二、电厂热工自动控制的基本内容二、电厂热工自动控制的基本内容1、

10、自动检测、自动检测 对生产过程及设备的参数、信号自动进行转换、加工处理并对生产过程及设备的参数、信号自动进行转换、加工处理并记录下来。如：记录下来。如：T、p、Q、H等，是控制的基础。等，是控制的基础。2、远方控制与顺序控制、远方控制与顺序控制 远方控制：（开关远方控制：（开关/按钮）对生产过程中重要的调节、截止机按钮）对生产过程中重要的调节、截止机构实现远距离控制；构实现远距离控制； 程序控制：机组在启动、停止、增减负荷、事故处理时的自程序控制：机组在启动、停止、增减负荷、事故处理时的自动化操作。动化操作。3、自动调节（闭环自动控制）、自动调节（闭环自动控制）4、自动保护、自动保护能源与动力

11、工程学院第二节第二节 自动控制的基本概念自动控制的基本概念一、控制系统的调节过程一、控制系统的调节过程被调量被调量给定值给定值控制量（调节量）控制量（调节量）扰动扰动执行机构执行机构1、人工调节、人工调节眼、脑、手的作用？眼、脑、手的作用？被控对象（控制对象）被控对象（控制对象）眼眼脑脑手手能源与动力工程学院2、自动调节、自动调节测量变送器测量变送器调节器（控制器）调节器（控制器）执行器执行器能源与动力工程学院二、自动控制系统的组成二、自动控制系统的组成 被控被控(调节调节)对象对象自动调节系统自动调节系统的组成的组成 测量变送器测量变送器 自动调节装置自动调节装置 调节器调节器 执行器执行器

12、三、自动控制系统方框图三、自动控制系统方框图相加点相加点分支点分支点环节环节信号线信号线输入量和输出量输入量和输出量能源与动力工程学院第三节第三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类一、按系统的结构特点分类一、按系统的结构特点分类1 1、反馈（闭环）控制系统、反馈（闭环）控制系统特点：基于偏差，消除偏差；调节不及时；需对系统进行稳定系分析。特点：基于偏差，消除偏差；调节不及时；需对系统进行稳定系分析。n 反馈反馈：把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号：把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来的过

13、程，称为反馈。若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。 n 闭环控制系统闭环控制系统：能对输入量与输出量进行比较，并且将它们的偏差作为：能对输入量与输出量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系的系统。由于引入了被反馈量的反控制手段，以保持两者之间预定关系的系统。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。 能源与动力工程学院2 2、前馈（开环）控制系统、前馈（开环）控制系统控制设备和对象之间

14、在信号传递上没有形成闭合回路，直接根控制设备和对象之间在信号传递上没有形成闭合回路，直接根据扰动进行控制，据扰动进行控制，特点：调节及时，动作快；不需进行稳定性分析；特点：调节及时，动作快；不需进行稳定性分析；没有修正偏没有修正偏差能力。差能力。闭环控制系统闭环控制系统 偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。度高、结构复杂，设计、分析麻烦。开环控制系统开环控制系统 顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本

15、低。较差。结构简单、调整方便、成本低。能源与动力工程学院3 3、前馈、前馈- -反馈复合控制系统反馈复合控制系统二、按给定值特点分类二、按给定值特点分类1、定值（恒值）控制系统：汽包水位、过热汽温、炉膛压力2、随动控制系统：滑压运行时主汽压设定值的形成3、程序控制系统：汽轮机自启停三、按闭合回路数目分类三、按闭合回路数目分类1、单回路系统2、多回路系统能源与动力工程学院第四节第四节 典型输入信号与控制系统的性能指标典型输入信号与控制系统的性能指标一、典型输入信号1 1、阶跃函数、阶跃函数2 2、斜坡函数、斜坡函数3 3、脉冲函数、脉冲函数4 4、正弦函数、正弦函数控制系统中最严格，最苛刻的信号

16、控制系统中最严格，最苛刻的信号二、控制系统调节过程发散振荡等幅振荡衰减振荡非振荡（非周期）能源与动力工程学院 可以归结为可以归结为稳稳定性定性（长期稳定性）、（长期稳定性）、准准确性确性（精度）和（精度）和快快速速性性（相对稳定性）。（相对稳定性）。 稳 准快三、控制系统的性能指标1 1、稳定性、稳定性衰减率衰减率131311yyyyy 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。能源与动力工程学院问题：最稳定的系统是不是最好的系统？能源与动力工程学院2、准确性、准确性(1)最大动态偏差最大动态偏差ema