火力发电厂自动控制讲座课件

火力发电厂自动控制讲座火力发电厂自动控制讲座1一引言电厂控制对象·锅炉汽轮机发电机·燃烧过程水汽过程发电过程·燃料（源）汽水（媒）电（果）一引言电厂控制对象2电厂目标·保质高产安全增效电厂自控内容·自动监测自动监测反映生产过程进行情况的各种参数及生产设备的工作状态，以监视生产进行情况和趋势·顺序控制根据预先拟定的程序和条件，自动地对设备进行一系列操作。电厂中主要针对主机和辅机的启动和停止过程电厂目标3自动保护发生事故时，自动采取保护措施，以防止事故进一步扩大或保护生产设备不受严重破坏自动调节自动维持生产过程按工艺规定的要求运行自动保护发生事故时，自动采取保护措施，以防止事故进一步扩大4电厂实现自动控制系统模拟仪表控制系统上世纪六、七十年代占主导地位，电动单元组合仪表DDZ-Ⅱ等集中数字控制系统上世纪七、八十年代DDC(DirectDigitalControl)它采用单片机、PLC和顺序逻辑控制器SLC(SequenceLogicalControl)或微机做控制器，控制器内传递数字信号，一般为单回路，用PID算法，采用集中控制，用一台微机集中监控和管理过程，系统可靠性差，目前在底层应用电厂实现自动控制系统模拟仪表控制系统上世纪六、七十年代占主5集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）上世纪八、九十年代占主导地位，其核心思想是集中管理，分散控制。上位机用于集中监视管理，若干台下位机用预现场实现分布式控制，上下位机间用控制网络互联以实现信息传输。优点是可靠性高于DDC，处理能力高于DDC，但不同厂家的DCS产品协议不开放，不能互操作。DCS产品造价高，目前电厂广泛应用现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）用现场总线这一开放、具有互连性的网络将现场各控制器和仪表设备互连，将控制功能彻底下放底层，降低成本和安装维护费用。是开放、互操作、全分布、全数字化的控制系统，将成21世纪控制系统的主流产品，将来也在电厂推广应用集散控制系统DCS（DistributedControl6电厂控制所采用的控制理论经典反馈控制理论上世纪40~50年代现代控制理论上世纪60~70年代智能控制理论上世纪80年代~至今电厂控制所采用的控制理论经典反馈控制理论上世纪40~50年7二、DDC（经典反馈控制理论为基础）单回路控制系统单回路反馈系统构成单回路系统是复杂控制系统的基础g-给定f-反馈e-偏差c-控制B-被控二、DDC（经典反馈控制理论为基础）单回路控制系统8其中控制器单回路一般采用PID，执行器一般为调节阀，对象是被控制备或过程其中控制器单回路一般采用PID，执行器一般为调节阀，对象是被9热工过程对象特点电厂过程属热工过程，如被控量温度、压力、液位、流量等有自衡对象阶跃响应曲线传递函数热工过程对象特点电厂过程属热工过程，如被控量温度、压力、液位10N和T可根据有关图表求取

N和T可根据有关图表求取11无自衡对象传递函数（n>6）无自衡对象12n值根据比值查表定，而T0即可取n值根据比值查表定，而T0即可取13自动调节器的调节作用比例（P作用）比例作用加快动态作用，增大P减少稳态误差，但震荡加快，甚至不稳定，当偏差为0，比例不起作用积分（I作用）对稳态可消除静差，偏差为零时，仍然有输出，对动态有不利影响，甚至不稳定微分（D作用）有预见作用，提前作用，加快动态调节作用，改善动态，不能单独使用PI、PD、PID混合使用，各发挥长处自动调节器的调节作用比例（P作用）比例作用加快动态作用，增14整定调节系统的指标指标、对象、控制器是系统整定三要素，即被控对象，控制器，和指标要求，求一般叫系统综合，对过程控制求PID的参数叫整定一般要求它的阶跃响应被调量偏差较小，调节时间短和调节量超调量不大。但这些指标不适于作调节器参数的整定，整定中的指标有两类整定调节系统的指标指标、对象、控制器是系统整定三要素，即被控15积分准则式中y(t)为被调量，此时y(∞)=0e(t)=y(t)-y(∞)=y(t)I1中y(t)不发生波动时应用，否则振荡I2中避免I1缺点，是较好的指标，但计算难I3中比I2计算方便，但有调节量超调，调节时间长等缺点还有其他复合积分准则

积分准则16稳定性裕量系统必须稳定，稳定裕量适当，则调节系统有好的品质衰减率Ψ：Ψ=0震荡，Ψ<0发散，0<Ψ<1衰减震荡，Ψ=1衰减，Ψ为整定用指标其应用可按主导极点概念，按Ψ和tgβ对应关系，ΨΨ稳定性裕量17谐振比Mω：对二阶系统Mω与ξ有一定关系，ξ与Ψ有关，（对于）增益裕量和相位裕量：分贝以上三种相对稳定裕量指标均与一定整定方法对应

谐振比Mω：182.2单回路反馈控制系统整定法按特征方程主导根的整定特征方程特征方程主导根 带入特征方程，得如下关系：或解出调节器参数和，但独立解有2个，需多于2个，例如PID加有4个，再引入两个条件可求得2.2单回路反馈控制系统整定法按特征方程主导根的整定19按根轨迹法的整定根据绘制根轨迹条件，即式中Wk(s)为开环，W0(s)为对象，Wc(s)为调节器用根轨迹整定：W0(s)已知，Wc(s)的形式（结构）已知，闭环零极点（按ψ或ω）已定 根据绘制根轨迹的条件，并结合热工对象或的特点，通过做图可求出待定PID的参数按根轨迹法的整定根据绘制根轨迹条件20频率法整定频率法整定21调节系统的工程特性根据开环阶跃响应曲线的近似计算法调节系统的工程特性根据开环阶跃响应曲线的近似计算法22临界比例带法使调节仅有比例作用施于广义对象，比例由小到大，直至出现不衰减振荡为止，记下临界比例K1和振荡周期T1，则调节参数可按下面经验公式比例调节器；

比例积分

比例积分微分临界比例带法23数字PID的控制算法基本PID算法数字PID的控制算法基本PID算法24火力发电厂自动控制讲座课件252.3.2改进PID积分分离PID不完全微分PID算法2.3.2改进PID积分分离PID26微分先行PID控制微分先行PID控制，仅对输出微分，而对给定值不微分，而当给定值变化时，控制量不变。而被控量的变化总是比较缓和，这种方案适于给定值频繁变化的情况。微分先行PID控制27带死区的PID控制算法为了消除频繁动作引起的震荡，可采用待死区的PID控制算法带死区的PID控制算法28常用的数字PID控制系统

单回路控制系统系统中只有一个PID控制器c(n)常用的数字PID控制系统单回路控制系统29串级控制系统系统中有两个PID控制器串级回路整定是先主后副串级控制系统30前馈反馈控制（复合控制）扰动通过前馈补偿，跟踪通过反馈补偿校正前馈反馈控制（复合控制）31纯滞后补偿控制系统纯滞后补偿控制系统322.3.4数字PID参数整定采样周期的确定理论：采样（香浓）定理fs>2fmax，信号可不失真恢复，fs是采样频率，fmax

被采样信号频谱带宽。实际经验：流量1-5s，压力6-8s，液位6-8s，温度15-20s，成分15-20s扩充临界比例度法1)选择足够小的采样周期，如取纯滞后时间的1/102)求临界比例和振荡周期3)2.3.4数字PID参数整定采样周期的确定334)由整定参数表查表求PID参数控制度控制规律4)由整定参数表查表求PID参数34扩充响应曲线法1）给一阶跃响应曲线2）求和及3）由，，及控制度表查表确定PID参数扩充响应曲线法35火力发电厂自动控制讲座课件36简化扩充临界比例带法简化扩充临界比例带法372.3.5控制算法的计算机实现2.3.5控制算法的计算机实现38先进的控制算法基于现代控制理论，智能控制理论和计算机技术最优控制 基于状态空间模型，二次型性能指标，变分法，最大值原理，动态规划法设计控制系统，使某种性能达到最优。也可通过自寻最优，如锅炉燃烧节能控制。自适应控制 通过辨识和最优控制结合。如自校正控制、模型参自适应控制。锅炉燃烧可应用自校正控制。预测控制 通过预测模型，滚动优化和误差校正，给出一个计算机控制算法，适应时滞时变随机对象，以提高系统跟踪抗扰及保证鲁棒性。先进的控制算法基于现代控制理论，智能控制理论和计算机技术39解耦控制对于多变量系统，如果系统有强耦合，可通过解耦设计法变成多个独立的单变量系统设计，锅炉燃烧系统可采用解耦设计方法模糊控制 对于难以建立模型的系统采用模糊逻辑，总结专家经验，将系统输入模糊化，通过推理合成再清晰化，应用计算机把这一过程实现，即模糊算法，使控制性能满足要求。神经网络控制 用神经网络描述一类非线性时变随机控制系统，还是用神经网络通过相关算法，如Bp算法，给出控制规律，解决复杂非线性系统的控制问题。解耦控制40谢谢！谢谢！41火力发电厂自动控制讲座火力发电厂自动控制讲座42一引言电厂控制对象·锅炉汽轮机发电机·燃烧过程水汽过程发电过程·燃料（源）汽水（媒）电（果）一引言电厂控制对象43电厂目标·保质高产安全增效电厂自控内容·自动监测自动监测反映生产过程进行情况的各种参数及生产设备的工作状态，以监视生产进行情况和趋势·顺序控制根据预先拟定的程序和条件，自动地对设备进行一系列操作。电厂中主要针对主机和辅机的启动和停止过程电厂目标44自动保护发生事故时，自动采取保护措施，以防止事故进一步扩大或保护生产设备不受严重破坏自动调节自动维持生产过程按工艺规定的要求运行自动保护发生事故时，自动采取保护措施，以防止事故进一步扩大45电厂实现自动控制系统模拟仪表控制系统上世纪六、七十年代占主导地位，电动单元组合仪表DDZ-Ⅱ等集中数字控制系统上世纪七、八十年代DDC(DirectDigitalControl)它采用单片机、PLC和顺序逻辑控制器SLC(SequenceLogicalControl)或微机做控制器，控制器内传递数字信号，一般为单回路，用PID算法，采用集中控制，用一台微机集中监控和管理过程，系统可靠性差，目前在底层应用电厂实现自动控制系统模拟仪表控制系统上世纪六、七十年代占主46集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）上世纪八、九十年代占主导地位，其核心思想是集中管理，分散控制。上位机用于集中监视管理，若干台下位机用预现场实现分布式控制，上下位机间用控制网络互联以实现信息传输。优点是可靠性高于DDC，处理能力高于DDC，但不同厂家的DCS产品协议不开放，不能互操作。DCS产品造价高，目前电厂广泛应用现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）用现场总线这一开放、具有互连性的网络将现场各控制器和仪表设备互连，将控制功能彻底下放底层，降低成本和安装维护费用。是开放、互操作、全分布、全数字化的控制系统，将成21世纪控制系统的主流产品，将来也在电厂推广应用集散控制系统DCS（DistributedControl47电厂控制所采用的控制理论经典反馈控制理论上世纪40~50年代现代控制理论上世纪60~70年代智能控制理论上世纪80年代~至今电厂控制所采用的控制理论经典反馈控制理论上世纪40~50年48二、DDC（经典反馈控制理论为基础）单回路控制系统单回路反馈系统构成单回路系统是复杂控制系统的基础g-给定f-反馈e-偏差c-控制B-被控二、DDC（经典反馈控制理论为基础）单回路控制系统49其中控制器单回路一般采用PID，执行器一般为调节阀，对象是被控制备或过程其中控制器单回路一般采用PID，执行器一般为调节阀，对象是被50热工过程对象特点电厂过程属热工过程，如被控量温度、压力、液位、流量等有自衡对象阶跃响应曲线传递函数热工过程对象特点电厂过程属热工过程，如被控量温度、压力、液位51N和T可根据有关图表求取

N和T可根据有关图表求取52无自衡对象传递函数（n>6）无自衡对象53n值根据比值查表定，而T0即可取n值根据比值查表定，而T0即可取54自动调节器的调节作用比例（P作用）比例作用加快动态作用，增大P减少稳态误差，但震荡加快，甚至不稳定，当偏差为0，比例不起作用积分（I作用）对稳态可消除静差，偏差为零时，仍然有输出，对动态有不利影响，甚至不稳定微分（D作用）有预见作用，提前作用，加快动态调节作用，改善动态，不能单独使用PI、PD、PID混合使用，各发挥长处自动调节器的调节作用比例（P作用）比例作用加快动态作用，增55整定调节系统的指标指标、对象、控制器是系统整定三要素，即被控对象，控制器，和指标要求，求一般叫系统综合，对过程控制求PID的参数叫整定一般要求它的阶跃响应被调量偏差较小，调节时间短和调节量超调量不大。但这些指标不适于作调节器参数的整定，整定中的指标有两类整定调节系统的指标指标、对象、控制器是系统整定三要素，即被控56积分准则式中y(t)为被调量，此时y(∞)=0e(t)=y(t)-y(∞)=y(t)I1中y(t)不发生波动时应用，否则振荡I2中避免I1缺点，是较好的指标，但计算难I3中比I2计算方便，但有调节量超调，调节时间长等缺点还有其他复合积分准则

积分准则57稳定性裕量系统必须稳定，稳定裕量适当，则调节系统有好的品质衰减率Ψ：Ψ=0震荡，Ψ<0发散，0<Ψ<1衰减震荡，Ψ=1衰减，Ψ为整定用指标其应用可按主导极点概念，按Ψ和tgβ对应关系，ΨΨ稳定性裕量58谐振比Mω：对二阶系统Mω与ξ有一定关系，ξ与Ψ有关，（对于）增益裕量和相位裕量：分贝以上三种相对稳定裕量指标均与一定整定方法对应

谐振比Mω：592.2单回路反馈控制系统整定法按特征方程主导根的整定特征方程特征方程主导根 带入特征方程，得如下关系：或解出调节器参数和，但独立解有2个，需多于2个，例如PID加有4个，再引入两个条件可求得2.2单回路反馈控制系统整定法按特征方程主导根的整定60按根轨迹法的整定根据绘制根轨迹条件，即式中Wk(s)为开环，W0(s)为对象，Wc(s)为调节器用根轨迹整定：W0(s)已知，Wc(s)的形式（结构）已知，闭环零极点（按ψ或ω）已定 根据绘制根轨迹的条件，并结合热工对象或的特点，通过做图可求出待定PID的参数按根轨迹法的整定根据绘制根轨迹条件61频率法整定频率法整定62调节系统的工程特性根据开环阶跃响应曲线的近似计算法调节系统的工程特性根据开环阶跃响应曲线的近似计算法63临界比例带法使调节仅有比例作用施于广义对象，比例由小到大，直至出现不衰减振荡为止，记下临界比例K1和振荡周期T1，则调节参数可按下面经验公式比例调节器；

比例积分

比例积分微分临界比例带法64数字PID的控制算法基本PID算法数字PID的控制算法基本PID算法65火力发电厂自动控制讲座课件662.3.2改进PID积分分离PID不完全微分PID算法2.3.2改进PID积分分离PID67微分先行PID控制微分先行PID控制，仅对输出微分，而对给定值不微分，而当给定值变化时，控制量不变。而被控量的变化总是比较缓和，这种方案适于给定值频繁变化的情况。微分先行PID控制68带死区的PID控制算法为了消除频繁动作引起的震荡，可采用待死区的PID控制算法带死区的PID控制算法69常用的数字PID控制系统

单回路控制系统系统中只有一个PID控制器c(n)常用的数字PID控制系统单回路控制系统70串级控制系统系统中有两个PID控制器串级回路整定是先主后副串级控制系统71前馈反馈控制（复合控制）扰动通过前馈补偿，跟踪通过反馈补偿校正前馈反馈控制（复合控制）72纯滞后补偿控制系统纯滞后补偿控制系统732.3.4数字PID参数整定采样周期的确