热工自动化概述-华北电力大学ppt课件

1、第一章 热工自动化概述1.1 热工自动化概略 1.2 常见的热工自动化系统1.3 热工控制系统的组成1.4 常规PID调理器1.5 热工控制系统的运转评价1.6 SAMA图.1-1 热工自动化概略. 一、自动化领域发生了革命性的变化 芯片技术：促进了自动化技术由“模拟向“数字时代 的飞跃；网络信息技术：分布式工业自动控制系统DCS: Distributed Control System为实现先 进的工业自动化系统提供了强有力的硬 件、软件平台。.自动控制实际：自动化技术由基于微分方程、传送函 数的古典实际阶段进入基于形状空间 法和最优化方法的现代实际阶段，进 而，逐渐开展到基于专家系统、模糊

2、控制和人工神经网络的智能时代。 信息处置技术：数据高速传输、数据紧缩存储、数据 交融、数据发掘等技术的开展，为实 现基于信息集成的消费过程的控制与 管理现代化奠定了根底。. 二、电力的开展趋势 1. 国民经济的飞速增长，添加了对能源的需求量，电力工业逐渐开展为大电网、大机组、高参数、高度自动化。 2. 由于高参数、大容量机组开展迅速，装机数量日益增多，因此对机组自动化的要求也日益提高，以“4C计算机、控制、通讯、CRT技术为根底的现代火电机组热工自动化技术也相应得到了迅速开展。其中，具有代表性的是80年代微机分散控制系统DCS的问世和日益完善，并广泛运用于大机组的自动控制。. 3. “厂网分开

3、，竞价上网的电力改革根本完成，构成了“五大发电集团：中国电力投资集团公司、中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国国电集团公司、中国华电集团公司；“两大电网：国家电网公司、中国南方电网有限责任公司。 4. “七五、“八五期间，我国电力工业所建主力机组大多还是300MW机组，但也开场建立600MW级机组。 5. “九五期间，我国电力建立的机组主力将逐渐转为以600MW机组为主。. 四、大型火电机组的特点 1. 监视点多600MW机组IO点多达30005000个，随着发电机-变压器组和厂用电源等电气部分监视纳人DCS之后，IO点已超越7000个; 2. 参数变化速度快和控制对象数量大600W机组超

4、越1300个; 3. 各个控制对象特性时变、时滞、相互间关联耦合、环境强干扰； 4. 由高度计算机化的单元机组集控取代传统的机、炉、电分他人工监控。自动化系统的功能也已从单台辅机和部分热力系统开展到整个单元机组的检测与控制。 . 5. 随着整个单元机组自动化的不断完善以及电网开展的需求，火电厂热工自动化的功能必然会和调度自动化系统automatic dispatch system，ADS相协调而实现电网的自动发电控制AGC。 6.厂级实时监控信息系统Supervisory Information System in Plant Level，简称SIS，是集过程实时监测、优化控制及消费过程管理为

5、一体的厂级自动化信息系统,实现机组的平安经济运转的有效手段。. 五、热工自动化的意义 1. 在机组正常运转过程中，自动化系统能根据机组运转要求，自动将运转参数维持在要求值，以期获得较高的效率如热效率和较低的耗费如煤耗、厂用电率等。 . 2. 在机组运转工况出现异常，如参数越限、辅机跳闸时，自动化设备除及时报警外，还能迅速、及时地按预定的规律进展处置。这样，既能保证机组设备的平安，又能保证机组尽快恢复正常运转，减少机组的停运次数。 例如，RUN BACK自动快速减负荷、RUN UP强增负荷，RUN DOWN强减负荷、FAST CUT BACKFCB，负荷快速切回或称快速甩负荷等功能。 . 3.

6、当机组从运转异常开展到能够危及设备平安或人身平安时，自动化设备能适时采取果断措施进展处置，以保证设备及人身的平安。如锅炉主燃料跳闸master fuel trip，MFT、汽轮机监测系统TSI和汽轮机紧急跳闸系统ETS等。 4. 在机组启停过程中，自动化设备又能根据机组启动时的热形状进展相应的控制，以防止机组产生不允许的热应力而影响机组的运转寿命，即延伸机组的服役期。如汽轮机的计算机应力估算和寿命管理系统，汽轮机自启停系统(turbine automatic system，TAS)。 . 5. 随着电网的开展，对自动发电控制automatic generation control，AGC的要求

7、日趋严厉。AGC是现代电网控制中心的一项根本和重要的功能，是电网现代化管理的需求，也是电网商业化运营的需求。而要实现AGC，单元机组必需有较高的自动化程度，单元机组协调控制系统必需能投入稳定运转。 自动化技术对于提高机组的平安经济运转程度是行之有效的，大型火电机组分开了高度的自动化，就不能够做到平安经济运转。.1-2 常见的热工自动化系统. 1. 自动发电控制系统 automatic generation control System，AGC 由于调速器为有差调理，因此对于变化幅度较大、周期较长的变动负荷分量，需求经过改动汽轮发电机组的同步器来实现，即经过平移调速系统的调理静态特性，从而改动汽

8、轮发电机组的出力来到达调频的目的，称为二次调整。 当二次调整由由电网调度中心的能量管理系统来实现遥控自动控制时，那么称为自动发电控制AGC。. 2. 厂级实时监控信息系统 Supervisory Information System in Plant Level，简称SIS SIS是发电厂的消费过程自动化和电力市场买卖信息网络化的中间环节，是发电企业实现发电消费到市场买卖的中间控制层，是实现消费过程控制和消费信息管理一体化的中心，是承上启下实现信息网络的控制枢纽。实现全厂消费过程监控实时处置全厂经济信息和本钱核算竞价上网处置系统实现机组之间的经济负荷分配机组运转经济评价及运转操作指点. 3.

9、单元机组协调控制系统 coordination control system，CCS 协调控制是基于机、炉的动态特性，运用多变量控制实际构成假设干不同方式的控制战略，在机、炉控制系统根底上组织的高一级机、炉主控系统。它是单元机组自动控制的中心内容。 4. 锅炉炉膛平安监控系统 furnace safeguard supervisory system，FSSS或称熄灭器管理系统burner management system，BMS 炉膛平安监视系统包括炉膛火焰监视，炉膛压力监视，炉膛吹扫，自动点火，熄灭器自动切换，紧急情况下的主燃料跳闸等。. 5. 顺序控制系统 sequence contro

10、l system，SCS 按照消费过程工艺要求预先拟定的顺序，有方案、有步骤、自动地对消费过程进展一系列操作的系统，称之为顺序控制系统。 顺序控制也称程序控制，在发电厂中主要用于主机或辅机的自动启停程序控制，以及辅助系统的程序控制。如汽轮机的自动启停程序控制、磨煤机自动启停程序控制、定期排污和定期吹灰的程序控制等。. 6. 数据采集系统 data acquisition system，DAS 又称为计算机监控系统，其根本功能是对机组整个消费过程参数进展在线检测，经处置运算后以CRT画面方式提供应运转人员。该系统可进展自动报警，制表打印，性能目的计算，事件顺序记录，历史数据存储以及操作指点等。.

11、 7. 汽轮机数字电液控制系统 digital electric hydraulic system，DEH 汽轮机数字电液控制系统是汽轮发电机组的重要组成部分，除完成汽轮机转速、功率及机前压力的控制外，还可实现机组启停过程及缺点时的控制和维护。 8.给水泵汽轮机电液控制系统 machine electric hydraulic system，MEH. 9. 旁路控制系统 bypass control system，BPS 大型中间再热式机组普通都设置旁路热力系统，其目的是在机组启、停过程中协调机、炉的动作，回收工质，维护再热器等。完备的旁路控制系统是充分发扬旁路系统功能的前提。 10. 汽轮机

12、自启动系统TAS. 11.汽轮机监视仪表TSI和汽轮机紧急跳闸系统ETS 汽轮发电机属高速运转的大型机械设备，对其运转参数的要求非常严厉。大轴的振动、位移、热膨胀等参数直接影响到汽机的平安运转，必需准确丈量并加以监视。以微处置器为中心的汽轮机监控系统，可有效地处理参数检测与处置方面的困难。 12.辅助系统的计算机程控系统.1-3 热工控制系统的组成.图 汽包水位自动控制系统表示图 用自动化安装替代上述人工操作来完成控制义务，就构成了自动控制系统。一、自动控制系统的组成.图 汽包水位自动控制原理框图. 1、变送器 用来丈量被调量，并把被调量转换为与之成比例的某种便于传送和综合的信号。 2、执 行

13、 器 根据调理器送来的控制指令去推进调理机构，改动调理量。 3、调 节 器 接受被调量信号和给定值比较后的偏向信号，输出一定规律的控制指令给执行器。 4、控制对象 被控制的热工消费过程或设备。.5、有关变量给定值：被调量的给定值或与该给定值对应的电信号。被 调 量：表征热工过程能否符合规定工况的物理量。扰 动： 消费过程中引起被调量偏离给定值的各种要素。调 节 量：由控制造用来改动并去控制被调量变化的物 理量。调理机构：接受控制造用去改动调理量变化的详细设备。.二、自动控制系统的分类 1按控制方式分类 闭环控制系统也称反响控制系统 被控量信号反响到控制设备的输入端，成为控制设备消费控制造用的根

14、据。有闭合回路，只需被控量与给定量之间有偏向，控制设备就要对控制对象施加作用，直到被控量符合要求为止。 特点：基于偏向，消除偏向，可抑制各种扰动对被控量的影响，有较高精度，但控制不及时。 . 开环控制系统也称前馈控制系统 控制设备和控制对象在信号关系上没有构成闭合回路的控制系统，其被控量没有反响到控制设备的输入端。 特点：按扰动进展控制，构造简单，精度差，只能抑制单一扰动。 复合控制系统：它是开环控制和闭环控制组合的一种控制系统。.2按闭合回路的数目分类 单回路控制系统：只需一个被控量信号反响到控制器的输入端。构成一个闭合回路。. 多回路控制系统：具有一个以上的闭合回路，控制器(调理器)除接受

15、被控量反响信号外，还有另外的输出信号直接或间接地反响到控制器的输入端。.3按给定值分类 定值控制系统：给定值坚持不变，从而被控量也相应坚持不变，主要矛盾是抑制扰动对被控量的影响，最终使被控量与给定值相等。 主要的热工控制系统，如：给水控制系统、再热汽温控制系统等。 .随动控制系统：给定值按预先不能确定的一些随机要素而变化。因此被调量也跟随给定值而随机变化。 如：单元机组负荷控制系统；军事上的火炮跟踪系统；导弹预测拦截系统。程序控制系统：给定值按知的时间函数变化。控制的义务是使被控量尽快与给定值相等。 例如：汽轮机自动启停系统TAS：汽轮机启动过程中，要求汽轮机的转速按一定程序升降等；炉膛吹灰系

16、统等。.三、热工对象的动态特性1有自平衡才干2无自平衡才干. 热工对象具有以下特点： 1被调量的变化大多是不振荡的。 2被调量在干扰发生的开场阶段有迟延和惯性。 3在呼应曲线的最后阶段，被调量能够到达一个新的平衡形状对象有自平衡才干，也能够不断变化而无法进入平衡形状对象无自平衡才干。 4描画对象动态特性的特征参数有：放大系数 、时间常数、迟延时间。 .1-4 常规PID调理器.一、常规PID控制规律 接受被调量信号和给定值比较后的偏向信号，按比例-积分-微分控制规律输出控制指令给执行器。. 1、比例调理规律 指调理器输出的控制造用ut与其偏向输入信号e(t)之间成比例关系，即比例增益 工程中，

17、常用比例带来描画其控制造用的强弱，即物理意义：在调理机构的位移改动时，被调量应有的改动量。 .比例调理器的阶跃呼应曲线如下:对控制过程的影响 .结论： 比例带大，那么调理阀动作幅度小，被调量变化平稳，超调量小，但残差较大，静态偏向随比例带的加大而加大； 减小比例带导致系统猛烈振荡甚至不稳定，比例带设置必需有一定的稳定裕度。比例调理规律的特点： 1动作快，调理及时、迅速； 2对干扰有很强的抑制造用；2调理过程终了，被调量偏向仍存在，存在静态偏向，称为有差调理。 . 2、积分调理规律 积分调理规律是调理器输出控制造用ut与其偏向输入信号et随时间的积累值成正比，即积分时间 积分作用曲线特点： 只需

18、偏向存在，积分控制造用不断添加；消除稳态偏向，实现无差调理，其控制造用表达在调理过程的后期。 .Ti对控制过程的影响 积分调理器的积分时间对控制过程的影响 非周期过程衰减振荡过程 等幅振荡过程 . 结论： 积分时间越小，积分速度越快，调理阀动作愈快，容易引起和加剧振荡。 积分调理作用是随时间而逐渐加强的，与比例调理作用相比过于缓慢，恶化了动态质量，使过渡过程的振荡加剧，甚至呵斥系统的不稳定。. 3、微分调理规律 微分调理规律是调理器输出的控制造用与其偏向输入信号的变化速度成正比。对于定值控制系统，偏向信号的变化速度就是被调量的变化速度，即 微分时间 参与微分调理作用实现超前调理，有利于抑制动态

19、偏向，将大大改善调理过程。微分调理作用的大小仅与偏向信号的变化速度有关，而与偏向值大小无关。.实践的微分调理规律具有惯性，传送函数为下式：微分增益 实践微分调理的阶跃呼应 . 结论： 微分作用的引入使系统控制过程的稳定性和准确性都得以提高，可适当减小静态偏向，但它不能像积分作用那样消除稳态偏向。 调理过程开场时，被调量偏向小，但其变化速度却较大，可使执行机构产生较大的位移。 但当调理过程终了，执行机构位置最后总是回复到原来的数值。. 综上所述: 比例调理作用是最根本的调理作用，使“长劲，比例作用贯彻于整个调理过程之中； 积分和微分作用为辅助调理作用。积分作用那么表达在调理过节过程的后期，用以消

20、除静态偏向，使“后劲； 微分作用那么表达在调理过程的初期，使“前劲 。 . 4. PID(比例-积分-微分)控制特点 (1) 缺陷 不适用于有大时间滞后的控制对象，参数变化较大甚至构造也变化的控制对象，以及系统复杂、环境复杂、控制性能要求高的场所。 (2) 优点: PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、如今和未来的主要信息，而且其配置几乎最优。. 比例(P)代表了当前的信息，起纠正偏向的作用，使过程反响迅速。 微分(D)在信号变化时有超前控制造用，代表了未来的信息。在过程开场时强迫过程进展，过程终了时减小超调，抑制振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。 积分(I)代表了过去积累的信息，它能

21、消除静差，改善系统静态特性。 此三作用配合得当，可使动态过程快速、平稳、准确，收到良好的效果。. PID控制顺应性好，有较强鲁棒性。 PID算法简单明了，构成了完好的设计和参数调整方法,很容易为工程技术人员所掌握。 许多工业控制回路比较简单，控制的快速性和精度要求不是很高，特别是对于那些l2阶的系统，PID控制已能得到称心的结果。 PID控制根据不同的要求，针对本身的缺陷进展了不少改良，构成了一系列改良的PID算法。 例如，为抑制微分带来的高频干扰的滤波PID控制，为抑制大偏向时出现饱和超调的PID积分分别控制，为补偿控制对象非线性要素的可变增益PID控制等等。这些改良算法，在一些运用场所得到

22、了很好的效果。 .比例带积分时间微分时间性能目的整定参数衰减率超调量静态偏向振荡频率设定值扰动下整定参数对调理过程的影响5、PID参数对调理过程的影响分析.二、数字PID控制算法的改良 1. 积分项的改良 在实践运用中，这种根本的 PID控制算法往往还存在着一些缺陷。其中对控制系统影响比较大的一个问题就是积分器的饱和问题。 (1) 积分器的饱和景象 积分运算是经过对系统偏向的不断累加而实现的，积分器的积分值代表着系统偏向的面积。由于计算机输出接口DA转换器的字长是有限的，当系统在刚启动的一段时间内，系统的偏向较大，积分器经过假设干个采样周期的积分运算以后，其积分结果就会超越计算机输出接口所能表

23、示的最大值，从而使调理器从线性任务区进入饱和区。. 进入饱和区以后，调理器便失去了调理才干，系统在调理器饱和输出值的作用下，以最大的加速度运动，不断到系统出现较大幅度的，并且继续时间较长的超调以后，在较大的负偏向的作用下，才干将积分器从饱和区拉到线性区，这就是积分饱和问题。 被控对象的惯性越大，这种积分饱和景象就越严重。 抑制积分饱和景象的方法主要有积分分别与变速积分两种控制方法. (2) 积分分别PID控制算法 为使数字调理器尽能够任务在线性区，可以采用积分分别的方法，即在系统的给定值附近画出一条带域，其宽度为2，0，为积分器投入或切除的切换点，如以下图所示。图. 积分分别PID切换原理图

24、. 在系统启动的初期，系统的偏向较大时，暂时切除积分作用将积分系数置0；当系统的输出接近给定值进入到带域之内时，再将积分器投入，即 为积分器分别值，为积分分别PID调理器的一个设计参数，算法程序将系统的偏向ek的绝对值与进展比较，然后，作出运用PID调理器还是运用PD调理器的决策。 . (3)变速积分PID控制算法 在普通PID控制算法中，由于积分系数是一个常数，所以，在整个控制过程中，积分增量不变。而系统对积分项的要求是，系统偏向大时积分作用减弱以致全无，而在小偏向时那么应加强，否那么，积分系数取大了会产生超调，甚至积分饱和，取小了又迟迟不能消除静差。因此，根据系统的偏向大小改动积分的速度，

25、这对于提高伐节质量是有益的。 变速积分PID的根本思想是设法改动积分项的累加速度，使其与偏向的大小相对应：偏向越大，积分越慢，反之那么越快。 . 2. 微分项的改良 在数字PID算式中，其位置式的微分项特别是增量式的微分项中的二阶差分项，对数据误差和干扰特别敏感，因此在数字PID中，干扰主要是经过微分项起作用的。 但是由于微分作用在PID调理中往往是必要的它可以近似补偿对象的一个极点，扩展稳定域，改善动态性能，因此不能简单地将微分项弃去，应设法减小数据误差和干扰在微分项中的影响。下面引见两种方法：四点中值差分法和不完全微分PID控制算法。 . (1) 四点中值差分法 本这种方法中一方面将 获得

26、略小于理想情况，另一方面，在组成差分时，不直接运用前后两次偏向，而是用平均差作基准，再用加权求和构成近似微分项。如以下图所示。图.插值法表示图 .在图上取相邻几个采样周期的四个点e(k)至e(k-3)，设 特点：在算式中添加的计算量是最少的，但要求存储器存储e变量的几个过去的数值。. (2) 不完全微分PID控制算法 微分的引入改善了系统的动态性能，但也容易引入高频干扰。假设在控制算法中参与低通滤波，那么性能可得到显著地改善。不完全微分PID的构造如以下图所示。不仅可以抑制干扰，还可抑制完全微分的大幅度冲击的缺陷与实践PID控制效果一样。. 3.带死区间隙的PID控制算法 在计算机控制系统中，

27、某些系统为了防止控制动作过于频繁，以消除由于频繁动作所引起的振荡，有时采用所谓带有死区的PID控制系统，如以下图所示。 图.带死区的PID控制系统.1-5 热工控制系统的运转评价.一、静态和动态的概念 静态：被控参数不随时间而变化的平衡形状叫静态或稳态。 动态：被控参数随时间而变化的不平衡形状叫动态。.二、控制系统在遭到干扰作用时的过渡过程.图. 典型过渡过程曲线三、控制系统的评价 稳定性、准确性、快速性 1. 稳定性 指控制系统在遭到干扰作用后，系统的平衡被破坏，在控制设备的控制造用下，控制系统能恢复到一个新的平衡形状，称为稳定性。稳定的控制系统的被控参数和控制参数的过渡过程曲线最后趋于平衡；不稳定的控制系统过渡过程曲线那么是渐扩的，无法恢复平衡。 .稳定程度可以用衰减率这个目的来衡量 衰减率和系统稳定性之间的关系过渡过程为非周期过程过渡过程为等幅振荡过程过渡过程为衰减振荡过程 过渡过程为渐扩振荡过程. 2、准确性 指被控参数的实践值与给定值之间的动态偏向和静态偏向。最大动态偏向是指整个过渡过程中被控参数偏离给定值的最大差值；静态偏向是过渡过程终了后被控参数与给定值之间的差值。 现场中希望两个偏向越小越好。 3、快速性 指过渡过程的继续时间，即从干扰发生起至被控参数又建立新的平衡形状为止的过渡时间。普通以为被控参数进入偏离给定值范围内就根本稳定了。当然，过