热工过程自动控制 第一章

主编 谢碧蓉副主编 向贤兵 曾蓉

2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE目 录绪论第一章自动控制原理基础第二章自动控制系统的基础知识第三章单元机组模拟量控制系统（MCS）第四章单元机组的热工保护及旁路控制系统第五章锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）第六章汽轮机数字电液控制系统(DEH)第七章顺序控制系统（SCS）2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE绪论一、概述1.火电厂实现生产过程自动化的意义

大型火电机组控制系统功能构成示意图2.火电机组热工过程自动化的内容二、单元机组炉、机、电集控1.以操作台为主、计算机为辅的布置和监控方式2.操作台手操与计算机CRT、键盘软手操并存的布置和监控方式3.以计算机CRT、键盘软手操为主的布置和监控方式2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE大型火电机组控制系统功能构成示意图2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE火电机组热工过程自动化的内容①自动检测：包括对整个机组运行状态和参数的测量、指示、记录、参数计算、参数越限和设备故障时发出报警信号、事故记录和追忆、工业电视监视等。②自动保护：包括主机、辅机和各支持系统及其相互间的联锁保护，以防止误操作。当设备发生故障或危险工况时，自动采取措施防止事故扩大或保护生产设备。③顺序控制：包括主机、辅机和各支持系统的启停控制，如输煤系统控制、锅炉吹灰控制、锅炉补给水处理控制、给水泵启停控制、汽轮机自启停控制、锅炉点火系统控制等。④连续控制：包括对主机、辅机及各系统中的压力、温度、流量、物位，成分等参数的控制控制，使之保持为预期的数值。⑤管理和信息处理：对电厂中各台机组的生产情况(如发电量、频率、主要参数、机组设备的完好率、寿命)，电厂的煤、油、水资源情况，环境污染情况进行监督、分析，供管理人员做出相应的决策。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE第一章 自动控制原理基础第一节概述第二节自动控制系统的数学描述第三节自动控制系统时域分析2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE§1-1概述1一、自动控制的基本概念：1.人工控制：控制任务由人工操作完成。2.自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置使被控制对象(如机器、生产过程)的某一物理量(或工作状态)自动地按照预定的规律运行(或变化)。

3.常用术语：二、自动控制系统的组成及方框图：1.自动控制系统的组成：2.自动控制系统的方框图

三、自动控制系统的基本控制方式：2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE§1-1概述2四、自动控制系统的分类：P10五、自动控制系统的品质指标：1.自动控制系统的过渡过程：

单位阶跃响应曲线2.控制系统在阶跃信号作用下过渡过程的基本形式：3.自动控制系统的品质指标：(1)稳定性(2)准确性(3)快速性 2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE常用术语(1)被控对象：指被控制的生产设备或生产过程。(2)被控量：表征生产过程是否正常而需要控制的物理量。(3)给定值：根据生产工艺要求，被控量应该达到的数值。(4)扰动：引起被控量偏离其给定值的各种原因。(5)控制机构：改变对象流入量或流出量的机构，如上例中给水控制阀。(6)控制作用：控制机构在执行器带动下施加给被控对象的作用。(7)控制量：由控制作用来改变,以控制被控量的变化,使被控量恢复为给定值的物理量。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE汽包水位人工、自动控制示意图2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE自动控制系统的组成(1)自动控制系统由被控对象和自动控制装置两个基本部分组成。(2)自动控制系统中的各装置是通过信号的传递和转换相互联系起来的。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE自动控制系统的方框图(1)能直观地表达自动控制系统中各设备之间相互作用与信号传递关系的示意图称为自动控制系统的方框图。(2)方框图的四个要素2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE方框图的四个要素①信号线：用箭头表示信号“x”的传递方向的连接线。②汇交点(相加点、综合点)：表示两个信号“x1”与“x2”的代数和。③分支点(引出点)：表示把信号“x”分两路取出。④环节：方框图中的一个方框。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE基本控制方式11.开环控制：控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。

2.闭环控制：控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系的控制过程。

2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE基本控制方式23.复合控制：在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动作用的前馈通路。 前馈通路通常由对输入信号的补偿装置或对扰动作用的补偿装置组成，分别称为按输入信号补偿(a图)和按扰动作用补偿(b图)的复合控制系统。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE§1-2线性自动控制系统的数学描述一、线性自动控制系统的数学模型：(一)基本概念：(二)建立数学模型的基本方法：P15(三)数学模型的基本类型：1．微分方程2．传递函数3．阶跃响应特性二、典型环节的动态特性：三、环节的基本联接方式：四、方框图的等效变换： 2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE基本概念1.数学模型：描述系统输入、输出变量以及内部各物理量(或变量)之间关系的数学表达式。2.线性系统：系统的数学模型为线性微分方程式的控制系统称为线性系统。 线性系统满足叠加原理。3.非线性系统：系统中存在非线性特性的组成环节或元件时，系统的特性需用非线性微分方程来描述，这种系统称为非线性系统。

4.相似系统：具有相同形式的数学模型，而物理性质不同的系统。

2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE微分方程当u1变化时： u1↑→i↑→i对C充电→u2增大，至u2＝u1时充电结束

2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE传递函数(1)拉氏变换：(2)传递函数：1)定义：在线性定常系统中，初始条件为零时，环节输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比，称为环节的传递函数。2)求取方法①由传递函数的定义求取：P19②利用拉氏变换的微、积分定理求取：P192/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE拉氏变换11)定义： f(t)称为原函数，F(s)称为象函数。

例1-2求阶跃函数x(t)的拉氏变换。解：阶跃函数x(t)的拉氏变换为：2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE拉氏变换22)拉普拉斯变换的性质和定理：①线性性质②微分定理 ③积分定理④初值定理 ⑤终值定理2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE阶跃响应特性 设输入信号为：若环节的传递函数为W(s)，则它的阶跃响应为 例1-5(P20)

RC电路的阶跃响应曲线如图1-13所示。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE典型环节的动态特性11．比例环节

阶跃响应曲线： 特点： a．输出信号y与输入信号x之间的动态关系和静态关系都是简单的比例关系； b．输入信号x与输出信号y两个时间函数具有完全相同的形式； c．输出信号无迟延、无惯性、按比例(系数K)复现输入信号变化。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE典型环节的动态特性22．积分环节

阶跃响应曲线： 特点： a.输出量反映输入量对时间的积分。 b.只有输入量为零时，输出量才不变化，且能保持在任何位置上。 c.输出的变化量相对于输入的变化有迟延性。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE典型环节的动态特性33．一阶惯性环节

阶跃响应曲线： 特点： a.输入为阶跃函数时，输出按指数上升。 b.从曲线起始阶段看，与积分环节类似；从曲线的最后结果看(即从静态看)，与比例环节类似。 c．输出量不能立即反映输入量的变化，对输入量的反应具有惯性。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE典型环节的动态特性44．微分环节(1)理想微分环节：

响应曲线： 特点： Ⅰ.输出量与输入量的变化速度成正比例。 Ⅱ.对于输入量的变化，输出量具有“超前”作用。(2)实际微分环节

阶跃响应曲线2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE典型环节的动态特性55．纯迟延环节

阶跃响应曲线：

特点： 输出量大小重复输入量(变化规律完全相同)，但在时间上，输出量落后输入量一段时间τ0。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE典型环节的动态特性66．二阶振荡环节 随着ζ的不同，二阶振荡环节有不同的阶跃响应曲线。特点：具有振荡性。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE环节的基本联接方式11．串联2．并联2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE环节的基本联接方式23．反馈(1)负反馈联接

整理后得环节总的传递函数为：

(2)正反馈联接2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE方框图的等效变换 变换必须是等效的，变换前后的传递函数保持不变。1.变换原则：(1)连续汇交点上的信号可以任意交换次序。(2)连续分支点，各自次序可以任意改变。(3)环节前、后汇交点的移动：(4)环节前、后分支点的移动：2.系统方框图的等效变换：2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE连续汇交点、连续分支点可任意交换次序连续汇交点上的信号可以任意交换次序。连续分支点，各自次序可以任意改变。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE环节前、后汇交点的移动汇交点后移：汇交点移到相邻环节W(s)之后，在被移动支路中串联W(s)。汇交点前移：汇交点移到相邻环节W(s)之前，在被移动支路中串联1/W(s)。

2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE环节前、后分支点的移动分支点后移：分支点移到相邻环节W(s)之后，在被移动支路中串联1/W(s)。分支点前移：分支点移到相邻环节W(s)之前，在被移动支路中串联W(s)。

2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE系统方框图的等效变换 在方框图化简过程中，必须满足：(1)正向环节的传递函数的乘积必须保持不变；(2)闭合回路中传递函数的乘积必须保持不变。方框图简化的一般原则为移动汇交点或分支点，以减少交叉回路。例1-6 求1-31所示系统的传递函数。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE例1-6(a)前相加点后移；(b)连续相加点互换；(c)求环节并联和反馈联接的传递函数；(d)求系统总传递函数。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE§1-3自动控制系统时域分析一、概述(一)典型输入信号：1.典型输入信号的选取原则：P272.常用的典型输入信号：

(二)时域性能指标：二、控制系统的稳定性分析三、控制系统的暂态响应分析

(一)一阶系统的暂态响应分析：(二)二阶系统的暂态响应分析：2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE时域性能指标

具有衰减振荡的单位阶跃响应曲线如图1-34所示。1.延迟时间td：输出响应第一次达到稳态值的50%所需的时间。2.上升时间tr：响应从零到第一次达到稳态值所需的时间。

3.峰值时间tp：输出响应超过稳态值而达到第一个峰值所需时间。4.调整时间ts：输出量y(t)和稳态值y(∞)之间偏差达到允许范围(一般取2%或5%y(∞))并维持在此允许范围以内所需的最小时间。5.最大超调量σp%：暂态过程中输出响应的最大值超过稳态值的百分数。即6.振荡次数N：2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE控制系统的稳定性分析1(一)线性系统稳定性的概念：(1)稳定性指系统受到扰动作用后偏离原来的平衡状态，在扰动作用消失后，经过一段过渡过程时间能回复到原来的平衡状态或足够准确地回到原来的平衡状态的性能。(2)稳定性取决于系统本身固有的特性，与扰动信号无关。(二)稳定的充分必要条件： 系统特征方程式所有的根(即闭环传递函数的极点)全部为负实数或具有负实部的共轭复数，即所有的极点分布在s平面虚轴的左侧。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE控制系统的稳定性分析2(三)劳斯稳定判据：1．劳斯稳定判据2．劳斯稳定判据的应用(1)检验稳定裕量：

例1-11(2)确定系统个别参数变化对稳定性的影响，以及为使系统稳定，这些参数应取值的范围。

例1-122/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE劳斯稳定判据1(1)写出给定控制系统的特征方程式

(2)列出劳斯阵列：2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE劳斯稳定判据2(3)根据劳斯阵列表中第一列各元素的符号，用劳斯判据来判断系统的稳定性。 例1-7设某系统的特征方程式为试用劳斯判据判断系统的稳定性。解：已知特征方程式全部系数都是正值，计算劳斯阵列如下：因为在劳斯阵列表中，左端第一列元素有负数，所以系统不稳定。又由于第一列元素符号改变两次，因此该系统有两个根在s平面的右半部。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE劳斯稳定判据特殊情况1(4)两种特殊情况：

①首元素为零：用一个很小的正数ε代替这个零，并据此计算出阵列中其余各项。例1-9 设某系统的特征方程式为试用劳斯判据判断系统的稳定性。解：劳斯阵列为当ε→0时，劳斯阵列第一列出现两次符号变化。系统不稳定，有两个根在虚轴右边。

2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE劳斯稳定判据特殊情况2②某一行中的所有元素都为零：

利用该行上面一行的系数构成一个辅助方程式，对辅助方程式求导后的系数列入该行，这样，阵列表中其余各项的计算可继续下去。例1-10 设系统特征方程式为：试用劳斯判据判断系统的稳定性。解：由特征方程式计算劳斯阵列时，发现其第三行的系数全部等于零，故根据第二行各系数求得辅助多项式：将辅助多项式求导，得新方程用新方程的系数[40]代换第三行的零元素，得出劳斯阵列表。由劳斯阵列表可见，该劳斯阵列第一列系数的符号均相同。这种情况表明，系统的特征根中没有正根，而有一对纯虚根存在。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE例1-11系统特征方程式为试利用稳定判据判别系统是否具有a＝1的稳定裕量。解：列劳斯阵列表可以看出，第一列中各项符号均为正，所以没有根在s右半平面。系统是稳定的。要求判断系统是否具有稳定裕量a＝1。将s＝z－1代入原特征方程式中，得2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE例1-11（续）新的特征方程式为列出劳斯阵列表由于零(ε)上面的系数符号与零(ε)下面的系数符号相同，表明系统没有在z右半平面的根。但由于z1行的系数为零，故有一对虚根存在。这说明原系统刚好有a＝1的稳定裕量。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE例1-12已知系统结构图如图1-36所示，试确定使系统稳定的K值范围。解：系统的闭环传递函数为闭环特征方程式为劳斯阵列表为为使系统稳定，必须使K＞0，6－K＞0，即K＜6。因此K的取值范围为：0＜K＜6系统临界放大系数为KL＝6

2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE一阶系统的暂态响应分析1 凡其动态特性可用一阶微分方程描述的系统称为一阶系统。1．一阶系统的标准形式：(1)微分方程：(2)传递函数：2．一阶系统的单位阶跃响应分析：P38

一阶系统单位阶跃响应曲线如图1-37所示。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE一阶系统的暂态响应分析23.一阶系统的暂态性能指标：P39(1)上升时间tr：(2)控制时间ts：①5%误差带：Δ＝y(∞)－y(t)＝5%y(∞)②2%误差带：Δ＝y(∞)－y(t)＝2%y(∞)2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE例1-13(1)求调整时间ts：

∴T＝0.1(s)→调整时间：ts＝3T＝0.3(s)(取5%误差带)(2)求满足ts≤0.1s反馈系数的值(设该值为Kt)：∴T＝0.01/Kt(s)ts＝3T＝0.03/Kt≤0.1s

→Kt≥0.3s

2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE二阶系统的暂态响应分析11.典型二阶系统方框图：2.典型二阶系统的传函：

特征方程式： 随着ζ的不同，二阶系统的特征根也不同。

二阶系统单位阶跃响应曲线如图1-40所示。2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE二阶系统的暂态响应分析23.欠阻尼情况(0＜ζ＜1)的暂态响应分析： 当输入信号为单位阶跃函数时，系统输出量的拉氏变换为

2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE二阶系统的暂态响应分析34.欠阻尼二阶系统σ、ζ、ωn和ωd之间的关系：

：极点到虚轴的距离：极点到实轴的距离∴ωn为极点到原点的距离。设os1与负实轴夹角为β，则：2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE二阶系统的暂态响应分析45.欠阻尼情况(0＜ζ＜1)的暂态性能指标：(1)上升时间tr：

(2)峰值时间tp：2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE二阶系统的暂态响应分析5(3)超调量σp%：(4)调整时间ts： 在达到稳态值之前，y(t)在两条包络线之间振荡，包络线衰减到0.05或0.02时系统稳定。即：

2/6/2023重庆电力高等专科学校CHONGQINGELECTRICPOWERCOLLEGE二阶系统的暂态响应分析6Ⅰ.5%误差带：Ⅱ.2%误差带：结论：P40例1-14例1-152/6/2023重庆