热工控制系统课堂ppt第四章单回路控制系统

第四章单回路控制系统热工生产过程中，最基本的且应用最多的是单回路控制系统，其它复杂控制系统也是在单回路基础上发展来的，而且许多复杂控制系统的整定都利用了单回路系统的整定方法-----单回路控制系统是过程控制的基础。本章先介绍单回路控制系统组成，再讨论其工程整定方法，最后介绍火电厂热工过程控制系统实例。第一节单回路控制系统分析第二节单回路控制系统的参数整定第三节单回路控制系统实例本章章节第一节单回路控制系统分析一、单回路控制系统组成单回路控制系统的组成原理方框图如图4-1所示，它是仅有一个测量变送器、一个调节器和一个执行器（包括调节阀），连同被控对象组成的闭环负反馈控制系统。调节器执行器被控对象变送器rcde+-图4-1单回路控制系统组成原理方框图（一）被调量的选择在图4-1中，被调量是表征生产过程是否符合工艺要求的物理量，在热工生产过程中如温度、压力、流量、化学成分等。一般情况下，欲维持的工艺参数就是系统的被调量。被调量选择注意点：

(1)生产过程中，有些工艺参数没有直接快速测量手段，则采用间接测量。

如：磨煤机入口原煤干燥程度测量----用磨煤机入口介质温度来代表原煤的干燥程度。

用间接参数作为系统被调量，要求被调量与实际所需维持的工艺参数之间为单值函数关系，否则采取相应补偿措施。（二）控制量的选择选择什么样的控制量去克服扰动对被调量的影响？

有些参数虽然能直接测量，但信号微弱或迟延较大，则不如选用间接参数作为系统的被调量。

(2)为提高测量的灵敏度、减小迟延，应采用先进测量方法，选择合理的取样点，正确合理地安装检测元件。其原则：(1)选择工艺上允许作为控制手段的变量作为控制量；(2)不选择工艺上的主要物料或不可控的变量；例：火电厂锅炉负荷控制系统被调量：———主蒸汽压力；影响因素：———汽轮机进汽量与锅炉燃料量；

汽轮机进汽量受电力生产要求所控制，故不能作为控制量,只能选锅炉燃料量作为系统的控制手段；（三）控制通道和扰动通道单回路控制系统的传递方框图如图4-2所示：WT(s)W(s)WZ(s)D(s)C(s)R(s)U(s)+-++图4-2单回路控制系统的传递方框图（四）影响系统控制质量的主要因素

由单回路控制系统组成知,影响控制系统的控制质量的主要因素来源于调节器的特性和受控对象的特性，因调节器和对象是该系统组成部分。

上图中W(S)为对象的传递函数；扰动信号D经WZ(s)影响被调量的信号通道称为扰动通道；调节器输出的控制信号U通过W(s)影响被调量，这一信号通道称为控制通道。对象特性不可变，故影响控制系统质量主要因素就是调节器特性，而影响调节器特性的就是调节规律与调节器参数。二、对象特性对控制过程的影响（一）对象放大系数对控制过程的影响图4-2所示单回路控制系统传递方框图中，设调节器为P，即：对象－－控制通道的传递函数为：扰动通道的传递函数为：由图4-2求出：当系统受到单位阶跃扰动，即D(S)＝1/S作用下，控制系统过渡过程结束时，稳态偏差为：上式表明，干扰通道的放大系数Kz越大，系统的稳态误差（又称静态偏差）越大；而控制通道的放大系数KKP越大，稳态误差越小。线性控制系统：KP、K互补关系，可通过调节KP(或δ)满足KP*K的要求，即K对控制过程没有什么影响；非线性控制系统：K值随负荷变化，利用KP补偿，则要求KP随负荷变化而变化，即需要参数可变调节器。（二）对象时间常数对控制过程的影响设图4-2中各环节的放大系数均为1，即：K＝1，Kz＝1，KP＝1。干扰通道为一阶惯性环节，即：1、干扰通道则：系统的闭环特征方程：()()()()()[]SWSWSTTz++=111()()()SWSWSWSDSCTz+=1上式表明:干扰通道存在使系统特征方程式产生变化;干扰通道惯性阶次增加一阶,系统就增加一个负实数闭环极点;干扰通道的时间常数Tz

增大时,该新增加的极点就向坐标原点靠近。由自动控制理论分析,这将使控制过程的动态偏差减小。实际上具有惯性的干扰通道相当于低通滤波器，从而减弱了干扰信号对系统工作的影响。如果干扰通道还存在迟延τ，则：式中，C(s)为干扰通道不存在延时的被调量，即：由迟延定理知：上式表明：干扰通道迟延的存在并不影响控制过程的质量，只不过是使被调量在时间轴上顺延一个时间τ而已。２、控制通道即:在保证控制系统有一定稳定程度下，应尽量减小控制通道时间常数。控制通道的时间常数T如果↑，系统工作频率↓，反映速度↓，过渡过程的时间将↑。时间常数T过小,系统反映则过于灵敏,又使系统稳定下降。控制通道=执行器+变送器+对象=串联组成广义对象实际系统：广义对象内部各环节时间常数应相互错开，要求匹配良好。控制通道时间常数小，调节及时，但容易引起系统的振荡而趋于不稳定。综上:干扰通道放大系数Kd

大,意味着干扰对被调量影响大,即增加系统静差。控制通道的放大系数K，由于可由调节器的比例带来补偿，因而不影响调节质量。干扰通道的时间常数Td

大，对干扰的滤波作用大，从而有利于调节器克服干扰的影响。第二节单回路控制系统的参数整定一、广义频率特性法

广义频率特性法就是通过调整调节器的动态参数，使控制系统的开环频率特性变成具有规定相对稳定度的衰减频率特性，从而使闭环系统响应满足规定衰减率的一种参数整定方法。单回路控制系统组成=调节器+对象对象的动态特性是不容易改变，要取得满意的调节效果，就是设置合适的调节器参数。因此单回路控制系统的参数整定实际上就是调节器的参数整定问题。WT(S)WD(S)C(S)R(S)Z(S)+-++图4-3系统传递方框图图4-3是由调节器和广义对象组成的单回路控制系统传递方框图。根据控制理论中稳定判据，要使系统响应具有规定的衰减率，只需选择调节器的参数，使开环频率特性WK（－m＋j）轨迹通过（－1，j0）点。大多数热工过程控制对象：系统的开环传递函数：WK(S)＝WT

(S)·WD(S)极点都落在负实轴上。(4-1)用数学式表示：式中：

WT(m＋j),WD(-m＋j)分别为调节器和广义对象相对稳定度为m时的广义频率特性而WT(-m＋j),WD(-m＋j)可表示为：据式4-1所示的关系，有：式中：式中：（4-2）（4-3）由式4-2与式4-3可得到以下两组关系式：（4-4）（4-5）用广义频率特性法整定调节器的参数，就是在已知广义对象的传递函数后，应用式4-1或式4-4计算出在具有规定衰减率（即相对稳定度m）下调节器的整定参数值。式4-4是式4-1的实频特性和虚频特性的表达式；式4-5则是其幅频特性和相频特性的表达式。1、采用比例调节器的系统参数整定设图4-3中对象的传递函数为：调节器的传递函数为：因为：则：据式4-5有：根据上述关系式就可计算出具有相对稳定度为m时调节器比例带值。如系统希望有＝0.75的衰减率，即m＝0.221时，调节器整定计算如下：由式4-6知：代入4-6中:即：(4-6)比例积分调节器的传递函数为：对于对象仍有：2、采用比例积分调节器因为代入上式得：根据式4-6关系得：整理上式得：（4-7）因在某衰减率下，减小比例带或减小积分时间Ti

都能加快调节过程，且减小动态偏差。式4-7,有三个未知数，和Ti，即方程组有多个解。给定一个，就对应一组、Ti

。根据自动控制理论，在相同的衰减率下，选择(1/

)×(1/Ti

)为最大的一组参数作为调节器的整定参数。设系统希望衰减率＝0.75，即m＝0.221，据式4-7有：从上式可以看出每给一个，就可得一组；计算可列表进行。3、采用比例积分微分调节器而广义频率特性法整定参数仍基于式4-6的基本关系，就是说在计算过程中将出现包括频率在内有四个参数由两个方程来确定情况，即解的组数将是无穷多个。在系统希望有较大的衰减率时，调节器的比例带和积分时间都要相应整定的大一些。

PID调节器有比例带，积分时间Ti、微分时间Td三个参数需要整定。实践证明，对于采用三参数调节器的单回路控制系统，其调节器的参数Ti和Td之间应保持Td/Ti=0.150.25的关系是恰当的。就是说在实际应用过程中，先按比例积分调节器计算出Ti和，然后按Td/Ti

的比值原则再确定Td值。在实际系统投运中，在据实际调节过程适当修改Td

值。对于热工生产过程控制而言，调节器大多数代用比例积分调节规律，只有对那些惯性大有迟延的对象，才在比例积分的基础上加入微分调节作用。二、临界比例带法临界比例带又称边界稳定法，要点:将调节器先设置成纯比例作用，将系统投入自动运行并将比例带由大到小改变，直到系统产生等幅振荡为止，记下此状态下的比例带值，即临界比例带K，以及振荡周期TK

，然后根据经验公式计算出调节器的各个参数。可以看出临界比例带法无需知道对象的动态特性，可直接在闭环系统中进行参数整定。临界比例带法的具体步骤是：（1）将调节器的积分时间置于最大，即Ti

；置微分时间Td

＝0；置比例带于一个较大的值。（2）将系统投入闭环运行，待系统稳定后逐渐减小比例带，直到系统进入等幅振荡状态。一般振荡持续４－５个振幅即可。（3）据记录曲线得振荡周期TK,此状态下调节器比例带为K

，然后查表4-1计出调节器的各个参数。（4）将计算好的参数值在调节器上设置好，作阶跃响应试验，观察系统的调节过程，适当修改调节器的参数，直到调节过程满意为止。规律TiTdPPIPID2K

2.2K

1.7K

_0.85TK0.5TK__0.125Tk表4-1临界比例带计算公式三、衰减曲线法利用比例作用下产生4：1衰减振荡（＝0.75）过程时的调节器比例带S及过程衰减周期TS,或10:1衰减振荡（

=0.9）过程时调节器比例带S及过程上升时间tr，根据经验公式计算出调节器的各个参数。衰减曲线法是在总结临界比例带法基础上发展起来的。衰减曲线法的具体步骤是：

（1）置调节器的积分时间Ti→∞，微分时间Td→0，比例带为一稍大的值，将系统投入闭环运行。（2）在系统处于稳定状态后作阶跃扰动试验，应观察控制过程。如果过渡过程减率大于0.75，应逐步减小比例带值，并再次试验，直到过渡过程曲线出现4:1的衰减过程。对于＝0.9的调节过程，也是一样地做上述试验，直到出现10:1的衰减过程。记录下4:1（或10:1）的衰减振荡过程曲线。在记录的曲线(ａ)或(ｂ)上求取＝0.75时的振荡周期TS

或＝0.9时的上升时间tr，结合此过程下的调节器比例带S，按表4-2计算出调节器的各个参数。tTsC(t)trC(t)t(a)4:1(b)10:1规律δTiTd0.75PPIPIDδs1.2δs0.8δs_0.5Ts0.3Ts__0.1Ts0.9PPIPIDδs1.2δs0.8δs_2tr1.2tr__0.4tr表4-2衰减曲线法计算公式

(3)按计算结果设置好调节器的各个参数，作阶跃扰动试验，观察调节过程，适当修改调节器参数，到满意为止。四、经验法通过长期的实践，人们总结了一套参数整定的经验，而称之为经验法。经验法整定参数的具体步骤是：如果调节系统在运行中经常受到扰动影响，那么要得到闭环系统确切的阶跃响应曲线就很困难，因此临界比例法和衰减曲线法都不能得到满意的结果。

(１)将调节器的积分时间Ti放到最大，微分时间Td置于最小，据经验设置比例带值。将系统投入闭环运行，稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程，若过渡过程有希望的衰减率（＝0.750.9）则可，否则改变比例带值，重复上述试验。

(４)对于采用三参数的调节器，在进行完上述调整试验后，将微分时间Td

由小到大地调整，观察每次试验过程，在感到满意时便停止。

(２)将调节器的积分时间Ti由最大调整到某一值，由于积分作用的引入使系统的稳定性下降，这时应将比例带值适当增大，一般为纯比例作用的1.2倍。作阶跃扰动试验，观察调节过程，修改积分时间重复试验，直到满意为止。

(３)保持积分时间不变，改变比例带，看调节过程有无改善，若有改善则继续修改比例带，如无改善则反方向修改比例带，直到满意为止。保持比例带不变修改积分时间，同样反复凑试直到满意为止。如此反复凑试，直到有一组合适的积分时间和比例带。五、动态参数法动态参数法是在系统处于开环状态下，作对象的阶跃扰动试验，根据记录下的阶跃响应曲线求取一组特征参数ε，て（无自平衡对象）或ε

、ρ、て（有自平衡对象），再据经验公式计算出调节器的各个参数。tC(t)APてTOCB(a)有自平衡对象对于有自平衡对象，其阶跃响应曲线如图（ａ）所示。过响应曲线拐点P作切线交稳态值渐近线C*()于A，交时间轴于C；过A点作时间轴垂线并交于B，则：＝OC，T＝CB，＝AB/CB

对无自平衡对象，其单位阶跃响应曲线如图(ｂ)所示。作响应曲线直线段的渐近线交时间轴于C,过直线段上任一点A作时间垂线并交于B,则：＝OC

，＝AB/CB

てtBACOC(t)(b)无自平衡对象在取得对象的单位阶跃响应曲线后,通过在曲线上作图,求出对象的特征参数

、ρ、或、

,然后按表4-3给出的经验公式计算出调节器整定参数。规律δTiTdPPIPID1.2εて0.8εて_3.3て2て__0.5て表4-3动态参数法计算公式（＝0.75）生产实践表明，对象特征参数和的乘积反映了控制难易程度；ε越大，对象就越不好控制，因此调节器比例带就应取大一些，即与ε成正比。因此，对象的迟延时间大，则积分作用就应相对较弱，即积分时间Ti

应与成正比；对于有微分作用加入时，Ti

可适当减少一些。积分作用主要用于消除系统的稳态误差，且希望在被调量波动一个周期后消除稳态误差的作用应基本结束；就是说积分时间Ti

的大小应根据被调量波动周期大小来确定,而迟延时间又是影响过渡过程周期的主要因素。六、四种工程整定方法的比较（一）临界比例带法另有一些对象如有平衡单容对象从理论上讲根本就得不到等幅振荡的过渡过程，即不会进入临界状态。调节过程在边界稳定状态下，调节器比例带较小因而动作很快,这样被调量波动的幅度一般不会太大,不少生产过程是允许的。然而，对临界比例带K

较小的控制系统，试验中不小心就会使系统进入不稳定状态；甚至有些生产过程根本就不允许被调量处于等幅振荡状态；（二）衰减曲线法这种整定方法缺点是,外界干扰作用以及试验仪器、仪表等缺陷,造成难以判断响应曲线是否待到4:1或10:1的衰减过程,因而很难获得准确的４:１或10:1衰减过程下的比例带K

和周期TS

。

衰减曲线法,在试验操作方法上与临界比例带法相似,比较简单也容易掌握,而没有临界比例带法的限制和缺点,故应用较为广泛;（三）经验法该方法归纳为一句话：看曲线调参数。经验法是凭经验试凑调节器参数这样没有经验的人，要凑出一组满意的参数就很难。即使有经验的人，反复试凑工作量也很大，特别是采用比例积分微分调节时有三个参数要试凑。方法简便但工作量大。（四）动态参数法动态参数法又称响应曲线法，即在获得对象的阶跃响应曲线后，才能计算调节器整定参数，而上述三种方法均不需要知道对象的动态特性。

(1)由于外界干扰的影响，需要进行反复多次的对象动态特性试验，以取得真实反映对象特性的试验曲线。从原理上说，这种方法即简单又省时，但会出现以下问题：

(2)试验时需加入足够大的扰动量，才能使被调量的变化量足够大。这样，在阶跃响应曲线上求出的特征参数ε、ρ、て才具有较高的准确性。然而，无论采用何种方法获得的调节器参数，在实际运行时都要进行多次修改才能得到满意的调节效果。

综上所述:四种工程整定参数方法各有各的优点，应根据具体的系统工艺特点，安全要求，以及作用到系统的干扰情况等，选择一种合适的整定方法。第三节单回路控制系统实例本节介绍火力发电厂热工过程控制中几个单回路控制系统，包括中间储仓式制粉系统中的磨煤机控制和除氧器控制。一、磨煤机控制目前在电厂中运行的磨煤机有钢球磨煤机、竖井式磨煤机、以及风扇磨煤机等。燃煤火力发电厂进入锅炉炉膛的是磨碎的煤粉，而将原煤块磨成煤粉的机械就是磨煤机。（一）控制任务首先要保证其细度符合规定，在我国煤粉细度是用70号筛子上煤粉颗粒的百分数（R70%）来表示。煤粉太粗会增加机械未完全燃烧损失；煤粉太细又会增加磨煤机的耗电量。因此，煤粉细度是制粉系统的主要质量指标。其次，为解决煤粉的输送和防爆，必须对磨煤机出口风粉混合物的温度提出要求。如果磨制的煤粉温度过高，则容易引起自燃而导致煤粉爆炸；煤粉温度太低，即意味着煤粉因流动性差而无法采用气力输送，且易积粉。因此，要保持磨煤机处于最佳出力的工作状态，则必须及时消除来自各方面的扰动。除以上两个任务外，还应力求降低磨制每吨煤粉的耗电量，提高经济性。１、给煤量扰动在通风量一定时，磨煤机装煤量不仅影响煤粉细度，而且影响磨煤机出力，在保证煤粉细度符合要求的前提下，为使磨煤机有最大出力，应保持磨煤机的装煤量为最佳值。制粉系统运行中常会发生因煤块过大、过湿、给煤机工作不正常以及管道布置不合理等造成断煤现象;此外通风阻力变化引起通风量变化和煤粉细度波动。２、通风量扰动３、原煤水分的扰动因此对不同水分的原煤加入不同量的热风进入磨煤机，在不产生煤粉爆炸的前提下，尽量减小煤粉的湿度。进入磨煤机的风量变化将引起磨煤机出力及煤粉细度的变化;在其它条件不变时，可通过控制磨煤机入口负压来调整通风量;在保证煤粉细度符合要求的前提下，加大通风量可提高磨煤机的出力。进入磨煤机原煤水分变化将直接影响煤粉湿度;将煤粉湿度保持在一定范围，即利于储存和输送又有利于保证磨煤机的最大出力。（二）控制系统组成根据磨煤机装煤量扰动，通风量扰动和原煤水分的扰动分析，磨煤机控制设计有三个控制回路：三个回路均设计为单回路控制系统。磨煤机负荷控制回路磨煤机入口负压控制回路磨煤机出口温度控制回路１、磨煤机负荷控制系统磨煤机装煤量目前尚无直接的且准确的测量手段，一般采用间接方法，如磨煤机前后的压差代表装煤量。由于钢球磨在不同出力工况下，其耗电率变化较小，因此在保证煤粉细度的前提下，应使磨煤机工作在最大负荷下。图4-4所示的是磨煤机负荷控制系统原理框图：÷△PI△Pm△PRCEU图4-4磨煤机负荷控制框图

控制信号Ｕ作用到给煤单元控制振动式给煤机，从而改变进入磨煤机的原煤并使之保持在最佳值。÷△PI△Pm△PRCEU图4-4磨煤机负荷控制框图

上图中，磨煤机差压信号Pm

经排粉机前节流元件差压P修正后的信号C作为被调量；被调量C与其给定值R比较后的差值信号E送到比例积分调节器，经运算后输出控制信号Ｕ。只有在漏风量一定条件下，经过P修正后的磨煤机差压Pm才能较准确地反映装煤量。以比值C作为球磨机负荷控制系统被调量,目的是消除气体流速等因素对磨煤机差压影响。实际上，采用球磨机的制粉系统是负压运行，球磨机本身负压较小，而排粉机进口负压较大，故漏风量对Pm的影响较小，对P的影响却较大，因此，比值C并不能消除漏风对装煤量的影响，即测量误差仍然存在;可见,在给煤量扰动之后，响应有一段时间的虚假信号，且扰动量越大这种虚假现象就越严重。此外，给煤量改变时首先改变是磨煤机喉部阻力，之后才改变煤位。如给煤量增加，磨煤机喉部阻力增大，机身筒内的流速降低，故磨煤机差压首先减小；在磨煤机内存煤量增多之后，差压才开始增大。２、磨煤机入口负压控制系统磨煤机入口负压控制的目的是维持制粉系统的通风量，同时保证制粉系统各点负压。制粉系统负压过大则增加漏风量，负压过小又会出现漏粉。图4-5是磨煤机入口负压控制系统组成原理方框图：△PIRPEU图4-5磨煤机入口负压控制系统单回路控制系统，磨煤机入口负压P作为被调量，与其给定值R求偏差后送比例积分调节器运算，调节器输出的控制作用U通过执行机构改变冷风挡板开度，从而改变磨煤机通风量以维持入口负压在给定值。３、磨煤机出口温度控制系统PI△RTEU图4-6磨煤机出口温度控制系统其组成原理及工作过程与入口负压控制系统是一样的，它是通过改变热风门挡板开度调整热风量来控制出口温度的。磨煤机出口温度控制系统如图4-6所示。二、除氧器的控制在火力发电厂中，除氧器是一个重要的辅助设备。除氧器主要用途：用汽轮机的抽汽加热给水至该压力下的饱和温度，并除去