热控第一章热工自动化基础

第一章热工自动化根底§1.1概述§1.2热工被控对象§1.3变送器§1.4执行器§1.5典型输入信号与控制系统的性能目的§1.6调理器和控制规律§1.7热工系统的主要控制方式1§1.1概述2消费过程自动化是坚持消费稳定、降低本钱、改良劳动条件、促进文明消费、保证消费平安和提高劳动消费率的重要手段。自动化程度是衡量一个国家的消费技术和科学程度先进与否的一项重要标志。电力工业中电厂热工过程自动化技术相对于其它民用工业部门有较长的历史和较高的自动化程度，电厂热工自动化程度的高低是衡量电厂消费技术的先进与否和企业现代化的重要标志。在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，经过控制器使被控对象〔如机器设备、消费过程等〕自动地按照预定的规律运转。3一、自动控制系统的组成把工业消费过程中的温度、压力、液位、浓度等形状参数作为被控参数的控制系统叫过程控制系统。图1-1锅炉汽包水位人工控制表示图义务：保证锅炉的平安运转，使汽包的水位稳定在一定的范围内。图1-2人工控制原理图4图1-3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。图1-4汽包水位自动控制原理框图5自动控制系统可以由以下几个部分组成：丈量变送器：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。给定元件：用来设置被调量的给定值或与该给定值对应的电信号。调理器：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。6执行器：根据调理器送来的控制指令去推进调理机构，改变调理量。调理机构：接受控制造用去改动调理量变化的详细设备。控制对象：被控制的热工消费过程或设备。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。7二、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〕：它的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据。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。由于控制造用落后于干扰，因此相对来讲控制不及时。8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：开环控制和闭环控制组合的一种控制系统。92．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。图1-5单回路控制系统的原理框图10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。例如串级控制系统和导前微分控制系统都是双回路控制系统。图1-6串级控制系统的原理框图113．按给定值分类恒值控制系统：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。12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。例如：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；炉膛吹灰系统等。13三、主要自动化系统1.SIS：厂级实时监控信息系统〔SupervisoryInformationSysteminPlantLevel，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142.AGC：自动发电控制系统〔automaticgenerationcontrolSystem，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〕。3.BPS：旁路控制系统〔bypasscontrolsystem，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。154.CCS：单元机组协调控制系统〔coordinationcontrolsystem，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。5.FSSS：锅炉炉膛平安监控系统〔furnacesafeguardsupervisorysystem，FSSS〕或称熄灭器管理系统〔burnermanagementsystem，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。166.SCS：顺序控制系统〔sequencecontrolsystem〕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。7.DAS：数据采集系统〔dataacquisitionsystem〕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。178.DEH：汽轮机数字电液控制系统〔digitalelectrichydraulicsystem〕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。18四、一些重要的根本概念1.数学模型：描画控制系统变量〔物理量〕之间动态关系的数学表达式。常用数学模型有微分方程，传送函数，构造图，信号流图，频率特性以及形状空间描画等。例如对一个微分方程，假设知初值和输入值，对微分方程求解，就可以得出输出量的时域表达式。据此可对系统进展分析。所以建立控制系统的数学模型是对系统进展分析的第一步也是最重要的一步。192.传送函数：线性定常系统在零初始条件下输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。设线性定常系统可以由下述n阶线性常微分方程描画：式中：c(t)是系统输出量，r(t)是系统输入量，a和b是与系统构造和参数有关的常系数。

20设r(t)和c(t)及其各阶系数在t=0时的值均为零，即零初始条件，那么对上式中各项分别求拉氏变换，并令C(s)＝L[c(t)]，R(s)=L[r(t)]，可得s的代数方程为：于是，由定义得系统传送函数为：21传送函数是研讨线性系统动态特性的重要工具，利用这一工具，可以大大简化对系统动态性能的分析过程。例如对于初始条件为零的系统，不用先解微分方程，而是直接根据系统传送函数的某些特征，利用传送函数的零点和极点来研讨系统的性能。另一方面也可以把对系统性能的要求，转换成对传送函数的要求，从而为系统的设计提供简便的方法。3.方框图：表示变量之间数学关系的流程图称为函数构造图或方框图。方框图的组成元素：方框、信号线、比较点、分支点22§1.2热工被控对象23一、了解对象动态特性的意义1.热工对象是热工自动控制系统的重要组成部分，要设计一个合理的控制系统，必需了解对象的动态特性；2.要确定出控制器的最正确整定参数，也必需了解对象的动态特性；3.了解对象的动态特性，还可以对新设计的工艺设备提出要求，使之满足所需求的动态特性，为设计称心的控制系统发明先决条件。24二、相关概念1.对象的动态特性:就是对象的某一输入量变化时，其被控参数随时间变化的规律。其取决于工艺设备的构造、运转条件和内部物理的〔或化学的〕过程。2.实际建模：可以用机理分析的方法导出对象的动态特性；3.实验建模：用实验的方法获取对象的动态特性，是工程中常用的建模方法，目前有时域法、频域法和相关统计法等。4.时域法：在对象的输入端加一阶跃扰动，记录呼应曲线，经数据处置求得对象的传送函数，这种方法的特点是简单适用，因此为工程中所广泛采用。255.频域法：用经过实验求得对象的频率特性来研讨对象的动态特性。但对一些惯性大的对象那么因实验时间很长而影响消费的正常进展，因此，这种频域法用的较少。6.相关统计法：是在对象的输入端加一伪随机信号，用相关计算求得对象的脉冲呼应函数，这种方法的最大优点是不影响消费，因此越来越遭到人们的注重。26三、影响对象动态特性的构造性质影响对象动态特性的主要特征参数有容量系数、阻力和传送延迟，称为大多数对象所共有的构造性质。1、容量系数衡量对象储存物质〔或能量〕才干的一个特征参数。2、阻力物质〔或能量〕在传输过程中总是要遇到或大或小的阻力，因此需给予推进物质〔或能量〕流动的压差〔如电位差、水位差、温度差等〕。对象的自平衡：不需求外来作用只依托对象本身来恢复平衡的景象。显然，对象的阻力使之在动态过程中表现出自平衡才干。273、迟延迟延分为纯迟延和容积迟延。被调量的变化时辰落后于扰动发生时辰的景象称为对象的传送迟延。由于迟延是物质〔或能量〕在传输过程中因传输间隔的存在而产生，所以又称为传输迟延或纯迟延。在设计主设备及其控制系统时，应尽量防止或减小对象的传输迟延。28水箱2Q0h1水箱1Q1Q2h2R1R2图1-7有自平衡才干双容对象表示图图1-8双容水箱被控对象动态特性分析由呼应曲线可见,水箱1的惯性使得水箱2的水位变化在时间上落后于扰动量，对象特性的这种迟延称为容积迟延。291.有自平衡才干对象：不需求外来作用只依托对象本身来恢复平衡，具有这种才干的被控对象。四、热工对象的动态特性302.无自平衡才干对象：在遭到扰动后，其被调量不能依托对象本身才干使之趋于某一稳定值，而不论对象的容积多少及容量系数的大小。31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。32五、阶跃呼应曲线求取对象传送函数时域法是目前运用最多的一种方法，其主要内容是：给对象人为加一阶跃扰动，记录下呼应曲线，然后根据该呼应曲线求取对象的传送函数。由阶跃扰动作用下的对象的动态特性为阶跃呼应曲线，即飞升曲线。阶跃呼应曲线能比较直观的反映对象的动态特性；其次特征参数直接取自记录曲线而无需经过中间转换，实验方法也很简单。1、阶跃呼应曲线的测定在系统处于稳定工况下经过手动或摇控安装使调理阀作一次阶跃变化；与此同时，记录表记录下扰动量和被调量的变化过程。33〔1〕扰动量确实定。扰动量应足够大，减小其它干扰信号对测试结果的相对影响。然而扰动量又不宜过大，过大的扰动量会使对象本身的非线性要素增大，有时还会影响消费设备的正常运转。通常，扰动量普通为对象额定负荷下的10%～15%。〔2〕实验前应将对象调整到所需工况，并坚持稳定运转一段时间。假设作负荷上升扰动实验，那么应将对象输出调整到允许变动范围的下限值〔或上限值〕；反之，那么应将对象输出调整到允许变动范围的上限值〔或下限值〕。〔3〕扰动参与时应尽量的快。设扰动开场到终了所花时间为，在处置实验数据时普通以为扰动是在时辰参与的。34〔4〕要仔细记录阶跃呼应曲线的起始部分，由于这一部分数据的准确性对确定对象动态特性参数的影响很大。对有自平衡才干对象，实验过程应在输出信号到达新的稳定值时终了。〔5〕实验应在主要运转工况下〔如额定负荷、平均负荷〕进展，每一工况下应反复几次，至少要得到两条根本一样的曲线，以消除偶尔性干扰的影响。〔6〕应进展正反两个方向的实验，以检验对象的非线性。线性对象在正向扰动和反向扰动下，两条呼应曲线应该是一样的。35无迟延一阶对象在阶跃扰动下，其传送函数方式为：C(0)C(∞)TM0.632c(∞)特征参数T和K可在阶跃呼应曲线上作图求取:(1).作稳态值的渐近线C()，那么:(2).作呼应曲线起始点的切线交C()线于M，那么线段OM在时间轴上的投影为时间常数T。呼应曲线起始点的切线有时作不准，此时,可在呼应曲线上找出c(t1)=0.632c(∞)的时间t1，那么T＝t1.2、有自平衡对象传送函数的求取〔一〕切线法36图1-9有自平衡才干被控对象阶跃呼应曲线有自平衡才干被控对象的传送函数3738〔二〕两点法〔1〕以有自平衡才干二阶对象为例，其传送函数为：图1-10有自平衡才干二阶被控对象阶跃呼应曲线39〔a〕〔b〕〔c〕40〔2〕以有自平衡才干高阶被控对象为例：41无自平衡才干对象的传送函数方式为：由图可以看出，有自平衡才干和无自平衡才干的对象的阶跃呼应曲线区别在于曲线的后部，前者曲线趋一条不变的程度线，而后者曲线趋于一条不断上升的直线。3、无自平衡对象传送函数的求取:图1-11无自平衡才干被控对象阶跃呼应曲线42当时，即阶次时：无自平衡才干被控对象传送函数可以简化为：434、求对象传送函数的半对数法一种图解法，它利用实验测得的阶跃呼应曲线数据画出半对数坐标图，然后由半对数坐标图求出对象的时间常数。综上所述，对象的传送函数大多用有迟延一阶惯性环节或二阶惯性环节来近似，传送函数的阶次普通不高于三阶。对无自平衡对象常用积分环节和一阶惯性环节串联来描画。44§1.3变送器45一、定义变送器是将各种工艺变量〔如温度、压力、流量、液位〕和电、气信号〔如电压、电流、频率、气压等信号〕转换成相应的便于传输的一致规范信号的安装。基于反响原理任务，包括丈量部分〔即输入转换部分〕、放大器和反响部分。如：差压变送器、温度变送器。46二、变送器特性被测变量上限被测变量下限输出信号上限输出信号下限变送器k如：温度变送器的输入量程为400~600ºC,输出范围为4-20mA47目的是使变送器输出的上限与丈量范围的上限相对应。♦适用于大范围物理量的丈量；♦正确选择丈量范围；图1-12量程调整原理图三、量程调整48零点迁移原理图四、零点调整使变送器的丈量起始点为零。五、零点迁移把丈量起始点由零迁移到某一值。49差压变送器精度为0.5级，量程为0～10Kpa，被测差压范围是6～10KPa；调整前：变送器输出最大误差为：10x0.5%=0.05Kpa(50Pa)；调整后〔零点迁移，迁移量6KPa，量程为4KPa〕；变送器输出最大误差为：4x0.5%=0.02Kpa(20Pa)；50§1.4执行器51一、定义执行器在现代消费过程自动化中起着非常重要作用。人们常把它称为实现消费过程自动化的“手足〞。在自动控制系统中接受调理器的控制信号，自动地改动操作变量，到达对被调参数〔如温度、压力、液位等〕进展调理的目的，使消费过程按预定要求正常进展。执行器根据执行机构运用的任务能源不同可分为三大类：气动执行器、电动执行器、液动执行器。521、气动执行器以紧缩空气为能源的执行器。主要特点：构造简单，输出推力大、动作可靠、性能稳定、维护方便、价钱廉价、本质平安防爆等。它不仅能与气动调理仪表配套运用，还可经过电／气转换器或电／气阀门定位器与电动调理仪表或工业控制计算机配套运用。因此，广泛用于化工、石油、冶金、电力等工业部门。在目前的实践运用中气动执行器的运用数量约为90％。532、电动执行器以电为能源的执行器。主要特点：能源取用方便，信号传输速度快，传送间隔远；便于集中控制；停电时执行器坚持原位不动，不影响主设备的平安；灵敏度和精度较高；与电动调理仪表配合方便，安装接线简单。缺陷是构造复杂、体积较大、推力小、价钱贵，平均缺点率高于气动执行器。适用于防爆要求不高及缺乏气源和运用数量不太多的场所。3、液动执行器运用较少。54二、执行器特性输入信号上限输入信号下限输出信号上限输出信号下限执行器k55例如：电／气转换器是电动单元组合仪表中的一个转换单元，它能将电动控制系统的规范信号〔0～10mADC或4～20mADC〕转换为规范气压信号〔0.2×105～1.0×105Pa或0.4×105～2.0×105Pa〕。56§1.5典型输入信号与控制系统的性能目的57一、典型输入信号：〔1〕阶跃函数图1-13阶跃函数阶跃函数的数学表达式阶跃函数的拉普拉斯变换或

图1-14斜坡函数〔2〕斜坡函数斜坡函数的数学表达式斜坡函数的拉普拉斯变换或59

〔a〕方波函数〔b〕脉冲函数图1-15方波函数和脉冲函数〔3〕方波函数和脉冲函数单位脉冲函数的拉普拉斯变换60图1-16正弦函数〔4〕正弦函数正弦函数的数学表达式正弦函数的拉普拉斯变换61〔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控制的过程就是抑制干扰的过程。一个系统的优劣在稳态下难以判别，只需在过渡过程中才干得以鉴别。二、几种典型的过渡过程62〔a〕非振荡过程；〔b〕衰减振荡过程；〔c〕等幅振荡过程；〔d〕发散振荡过程图1-17调理过程呼应曲线的根本方式63三、控制系统的性能目的〔一〕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，称为稳定的控制系统。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式中:被控参数重新稳定值算起的第一波峰值。被控参数重新稳定值算起的第三波峰值。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发散振荡过程652、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，过渡时间越短，控制过程进展的就越快，系统质量也就越好。以上三方面的质量目的有时往往是相互矛盾的，在实践调试过程中应统筹兼顾！66♦稳态误差：假设在稳态时，系统的输出量与输入量不能完全吻合，就以为系统有稳态误差。这个误差表示系统的准确度。♦稳态特性：稳态误差是系统控制精度或抗扰动才干的一种度量。〔二〕稳态性能目的67〔三〕动态性能目的68峰值时间〔PeakTime〕：呼应曲线到达过调量的第一个峰值所需求的时间。评价系统的呼应速度；延迟时间：〔DelayTime〕呼应曲线第一次到达稳态值的一半所需的时间。评价系统的呼应速度；评价系统的呼应速度；上升时间〔RiseTime〕呼应曲线从稳态值的10%上升到90%，所需的时间。上升时间越短，呼应速度越快69调理时间〔SettlingTime〕:呼应曲线到达并永远坚持在一个允许误差范围内，所需的最短时间。允许误差范围普通是稳态值的百分数〔通常取5%或2%〕。同时反映呼应速度和阻尼程度的综合性目的。⑤超调量〔MaximumOvershoot〕：指呼应的最大偏离量h(tp)于终值之差的百分比，即70§1.6调理器和控制规律71一、常规PID控制规律常规PID控制即比例-积分-微分控制规律。721、比例调理规律指调理器输出的控制造用u〔t〕与其偏向输入信号e(t)之间成比例关系，即比例增益比例调理器的传送函数：工程中，常用比例带δ来描画其控制造用的强弱，即其物理意义是在调理机构的位移改动时，被调量应有的改动量。73比例调理器的阶跃呼应曲线如下:δ对控制过程的影响图1-18比例作用曲线74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。752、积分调理规律积分调理规律是调理器输出控制造用u〔t〕与其偏向输入信号e〔t〕随时间的积累值成正比，即传送函数：积分时间图1-19积分作用曲线特点：只需偏向存在，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。76图1-20Ti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77结论：1.积分调理作用是不及时的。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。2.只需偏向信号存在，调理器输出的旨在消除对系统影响的控制造用就不断添加，且其增长的速度一直为初始速度。3.控制造用在积分时间Ti越小时越强，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。4.积分调理规律的另一特点就是消除稳态偏向，实现无差调理。783、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，即微分时间传送函数式为参与微分调理作用实现超前调理，有利于抑制动态偏向，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。79实践的微分调理规律具有惯性，传送函数为下式：微分增益图1-21实践微分调理的阶跃呼应80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恢复到原来的数值，不能顺应负荷的变化。81图1-22过渡过程曲线曲线1由于比例调理规律具有调理及时的特点，所以调理过程时间较曲线2短，动态偏向也较曲线2小。而比例调理为有差调理。经过减小调理器的比例带可减小静态偏向，但会使系统的稳定性下降。曲线3是能消除静态偏向，实现无差调理。然而积分作用的调理不及时，又使调理过程的动态偏向加大，过渡过程时间加长〔与曲线1相比〕，相对而言又使系统的稳定性下降。曲线5是比例积分微分调理器的控制过程。微分调理是一种超前调理方式，其本质是阻止被调量的一切变化。适当的微分作用可减小动态偏向、缩短调理过程时间，这样可适当减小比例带和积分时间。82综上所述:比例调理规律具有调理及时的特点，但比例调理为有差调理，因此调理过程终了时存在稳态偏向。经过减小调理器的比例带可减小稳态偏向，但会使系统的稳定性下降。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；积分调理规律能消除稳态偏向，所以能最终消除扰动对被调量的影响，实现无差调理。但积分作用的调理不及时，又使调理过程的动态偏向加大，过渡过程时间加长，因此，在积分作用引入到比例调理器后，调理器的比例带应适当加大，以弥补积分作用对控制过程稳定性的影响。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，用以消除静态偏向，使“后劲〞；微分调理是一种超前调理方式，其本质是阻止被调量的一切变化。适当的微分作用可收到减小动态偏向，缩短调理过程时间的效果，这样在采用比例积分微分调理器时，又可适当减小比例带和积分时间。微分作用那么表达在调理过程的初期，使“前劲〞。834.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。84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。8586●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l～2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了很好的效果。87在火力发电消费过程中，热工自动控制系统的稳定优化运转非常关键，而随着机组运转工况的变化、大小修工程的实施，热工对象特性必将发生变化，为了实现热工系统稳定优化运转，控制器参数需求重新整定。在热工过程控制中，PID控制算法以其鲁棒性较好、易于实现和被工程技术人员熟习掌握等特点，至今仍被工程控制界所广泛采用。常规PID控制器参数的优化整定成为热工控制系统维护的重要任务之一。5、PID控制器的整定88调理器的参数整定就是合理地设置调理器的各个参数，在热工消费过程中，通常要求控制系统具有一定的稳定裕量，即要求过程有一定的衰减率ψ；在这一前提下，要求调理过程有一定的快速性和准确性，换言之稳定性是首要的。所谓准确性就是要求控制过程的动态偏向〔以超调量MP表示〕和静态偏向〔ess〕尽量地小，而快速性那么是要求控制过程的时间尽能够地短。控制系统参数整定有实际计算方法、工程整定方法。实际计算方法：基于一定的性能目的，结合组成系统各环节的动态特性，经过实际计算求得调理器的动态参数设定值；工程整定法：源于实际分析，结合实验、工程实践阅历等一套工程上的方法。89〔1〕广义频率特性法广义频率特性法是经过调整调理器的动态参数，使控制系统的开环频率特性具有规定相对稳定度的衰减频率特性，从而使闭环系统呼应满足规定衰减率的一种参数整定方法。特点：利用广义频率特性法计算调理器的参数，其前提是获得对象的传送函数，这一点给工程实践运用带来困难。此外，该方法计算任务量也较大。90〔2〕临界比例带法临界比例带法又称边境稳定法，其要点是将调理器设置成纯比例作用，将系统投入自动运转并将比例带由大到小改动，直到系统产生等幅振荡为止。这时控制系统处于边境稳定形状，记下此形状下的比例带值〔即临界比例带〕以及振荡周期，然后根据阅历公式计算出调理器的各个参数。特点：临界比例带法无需知道对象的动态特性，直接在闭环系统中进展参数整定。91详细步骤：1)将调理器的积分时间置于最大，即；置微分时间；置比例带于一个较大的值。2)将系统投入闭环运转，待系统稳定后逐渐减小比例带，直到系统进入等幅振荡形状。普通振荡继续4～5个振幅即可，实验记录曲线如以下图所示：图1-23等幅振荡曲线3)据记录曲线得振荡周期，此形状下的调理器比例带为，然后按下表计算出调理器的各个参数。4)将计算好的参数值在调理器上设置好，作阶跃响应实验，察看系统的调理过程，适当修正调理器的参数，直到调理过程称心为止。9293临界比例带法在实践运用中有一定的局限性：有些消费过程根本不允许产生等幅振荡，如火力发电厂锅炉汽包水位控制；此外，某些惯性较大的单容对象配比例调理器又很不容易产生等幅振荡过程，得不到临界形状下的调理器比例带及振荡周期，那么无法运用临界比例带法。94〔3〕衰减曲线法衰减曲线法是在总结临界比例带法根底上开展起来的，它利用比例作用下产生的4：1衰减振荡(Ψ=0.75)过程时的调理器比例带及过程衰减周期，或10：1衰减振荡(Ψ=0.9)过程时调理器比例带及过程上升时间，据阅历公式计算出调理器的各个参数。95详细步骤：(1)将调理器的积分时间置于最大，即；置微分时间；置比例带于一个较大的值，将系统投入闭环运转；(2)在系统处于稳定形状后做阶跃扰动实验，察看控制过程。假设过渡过程衰减率大于0.75，应逐渐减小比例带值，并再次实验，直到过渡过程曲线出现4：1的衰减过程。对于Ψ=0.9的调理过程，也一样做上述实验，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；衰减曲线96在上图所示的衰减曲线上求取Ψ=0.75的振荡周期或Ψ=0.9时的上升时间，结合此过程下的调理器比例带，按上表计算出调理器的各个参数。(3)按计算结果设置好调理器的各个参数，作阶跃扰动实验，察看调理过程，适当修正调理器的参数，直到称心为止。〔4〕阅历法根据阅历进展参数试凑的方法，首先根据阅历设置一组调理器参数，然后将系统投入闭环运转，待系统稳定后作阶跃扰动实验，察看调理过程；假设过渡过程不令人称心，那么修正调理器参数，再作阶跃扰动实验，察看调理过程；反复上述实验，直到调理过程称心为止。97详细步骤：(1)调理器的积分时间放到最大，微分时间置于最小，据阅历设置比例带值。将系统投入闭环运转，稳定后作阶跃扰动实验，察看调理过程，假设过渡过程有希望的衰减率()那么可，否那么改动比例带值，反复上述实验。(2)将调理器的积分时间由最大值调整到某一值，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，普通为纯比例作用的1.2倍。作阶跃扰动实验，察看调理过程，修正积分时间反复实验，直到称心为止。98(3)坚持积分时间不变，改动比例带，看调理过程有无改善，假设有改善那么继续修正比例带，如无改善那么反向修正比例带，直到称心为止。坚持比例带不变修正积分时间，同样反复凑试直到称心为止。如此反复凑试，直到有一组适宜的积分时间和比例带。(4)对于采用三参数的调理器，在进展完上述调整实验后，将微分时间由小到大的调整，察看每次实验过程，直到称心时为止。这种方法运用得当，同样可以获得称心的调理器参数，获得最正确的控制效果。而且此方法省时，对消费影响小。99〔5〕动态参数法动态参数法是在系统处于开环形状下，作对象的阶跃扰动实验，根据记录下的阶跃呼应曲线求取一组特征参数(无自平衡才干对象)或(有自平衡才干对象)，再根据阅历公式计算出调理器的各个参数。1〕有自平衡才干对象过呼应曲线拐点P作切线交稳态渐近线于A，交时间轴于C；过A点作时间的垂线交于B，那么：1002〕无自平衡才干对象作呼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，那么：由此，按下表阅历公式计算出调理器整定参数。101对象特征参数和的乘积反映了控制难易的程度；越大，对象就越不好控制，因此调理器的比例带应该取大一些，即与成正比。对于比例积分调理，由于积分作用的参与使系统的稳定性下降，因此比例带为纯比例作用时的比例带的1.2倍；对于采用比例积分微分调理，由于微分作用提高了系统的稳定性，因此比例带可为纯比例作用时比例带的0.8倍。102§1.7热工系统的主要控制方式103一.反响控制反响控制是根据被调量与给定值的偏向值来控制的。反响控制的特点是必需在被调量与给定值的偏向出现后，调理器才干对其进展调理来补偿干扰对被调量的影响。假设干扰曾经发生，而被调参数还未变化时，调理器是不会动作的。即反响控制总是落后于干扰作用。因此称之为“不及时控制〞。

104缘由：〔1〕在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后，因此从干扰产生到被调量发生变化需求一定的时间。〔2〕从偏向产生到调理器产生控制造用以及支配量改动到被控量〔被调量〕发生变化又要经过一定的时间。可见，这种反响控制方案的本身决议了无法将干扰对被控量的影响抑制在被控量偏离设定值之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。105二.前馈控制1.根本原理思索到偏向产生的直接缘由是干扰作用的结果，假设直接按扰动而不是按偏向进展控制，也就是说，当干扰一出现调理器就直接根据检测到的干扰大小和方向按一定规律去进展控制。由于干扰发生后被控量还未显示出变化之前，调理器就产生了控制造用，这在实际上就可以把偏向彻底消除。按照这种实际构成的控制系统称为前馈控制系统，显然，前馈控制对于干扰的抑制要比反响控制系统及时得多。假设系统中的调理器能根据干扰作用的大小和方向对被调理介质进展控制来补偿干扰对被调量的影响，这种控制就叫做“前馈控制〞或“扰动补偿〞。106前馈控制系统的原理框图如以下图图中，KB：丈量变送器的变送系数；WDZ〔S〕：干扰通道对象传送函数；WD〔S〕：控制通道对象传送函数；WB〔S〕：前馈调理器的传送函数。1072.前馈控制系统的特点理想的情况下，针对某种扰动的前馈控制系统可以完全补偿因扰动而引起的对被调量的影响。实现对干扰完全补偿的关键是确定前馈控制器〔前馈调理器〕的控制造用，显然WB(S)取决于对象控制通道和干扰通道的特性。由上图可得：Y(s)=[WDZ(S)+KBWB(S)WD(S)]Z(S)令KB=1那么有：Y(s)/Z(S)=WDZ(S)+WB(S)WD(S)式中：Z(S)是干扰；Y(s)是干扰引起的输出。在理想的情况下，经过前馈控制以后，被调量不变，即实现了所谓“完全补偿〞，此时：Y(s)/Z(S)=WDZ(S)+WB(S)WD(S)=0108所以，前馈控制器的控制规律为：WB(S)=-WDZ(S)/WD(S)上式阐明前馈控制的控制规律完全是由对象特性决议的，它是干扰通道和控制通道传送函数之商，式中负号表示控制造用的方向与干扰作用相反。假设WDZ(S)和WD(S)可以很准确测出，且WB(S)完全和上式确定的特性一致，那么不论干扰信号是怎样的方式，前馈控制都能起到完全补偿的作用，使被调量因干扰而引起的动态和稳态偏向均为零。1093.前馈控制的局限性(1).首先表如今前馈控制系统中不存在被调量的反响，即对于补偿的结果没有检验的手段。因此，当前馈作用并没有最后消除偏向时，系统无法得知这一信息而作进一步的校正。(2).由于实践工业对象存在着多个干扰，为了补偿它们对被调量的影响，势必设计多个前馈通道，添加了投资费用和维护任务量。(3).当干扰通道的时间常数小于控制通道的时间常数时，不能实现完全补偿。(4).前馈控制模型的精度也遭到多种要素的限制，对象令特性受负荷和工况等要素的影响而产生偏移，必然导致WDZ(S)和WD(S)的变化，因此一个事先固定的前馈模型不能够获得良好的控制质量。110三、复合控制1.根本原理工程实践中，为抑制前馈控制的局限性从而提高控制质量，对一两个主要扰动采取前馈补偿，而对其它引起被调参数变化的干扰采用反响控制来抑制。以这种方式组成的系统称为前馈一反响复合控制系统。前馈-反响复合控制系统既能发扬前馈调理控制及时的优点，又能坚持反响控制对各种扰动要素都有抑制造用的优点，因此得到了广泛的运用。111前馈一反响复合控制系统的原理方框图如下：1122.复合控制系统特点〔1〕引入反响控制后，前馈控制中的完全补偿条件不变。没有参与反响作用时完全补偿的条件为：WB(S)=-WDZ(S)/WD(S)加上反响后有：X(S)=0，Z(S)=0，运用不变性原理有：113即WB(S)=-WDZ(S)/WD(S)而假设不加前馈作用，即假设WB(S)=0，显然，由于WDZ(S)≠0，因此扰动对系统输出是有影响的。〔2〕复合控制系统补偿控制的控制规律不仅与对象控制通道和干扰通道的传送函数有关，还与反响调理器的位置有关。114假设复合控制系统的组成如以下图所示，反响调理器与上图相比，不是放在前馈信号前面，而是放在它的后面，那么有：115可得完全补偿的条件：〔3〕复合控制时，扰动对输出的影响要比纯前馈时小得多。设系统为定值控制，即X(S)=0，专门讨论扰动Z(S)对系统的影响。由于前馈控制不能够完全补偿，即Y(S)的第二项不能够完全为零，令其为△(S)，那么，纯前馈控制时：Y1(s)=[WDZ(S)+KBWB(S)WD(S)]Z(S)=△(S)Z(S)参与反响后，那么116由于1+WT(S)WD(S)≥l，因此

对于其他未经过补偿的扰动作用也有类似的结果。〔4〕前馈补偿对于系统的稳定性没有影响。这一点是显而易见的，由于前馈无论加在什么位置，它都不构成回路，系统的输入-输出传送函数的分母均坚持不变，因此不会影响系统的稳定性。＜117四、串级控制1.根本原理主调理器的输出是副调理器的输入。原理框图如以下图所示：图1-24串级控制系统原理方框图118主参数(主变量)：串级控制系统中起主导作用的被调参数称为主参数。副参数(副变量)：其给定值随主调理器的输出而变化，能映主信号数值变化的中间参数称为副参数。这是一个为了提高控制质量而引起的辅助参数。119主调理器：根据主参数与给定值的偏向而动作，其输(主控制器)出作为副调理器的给定值的调理器称为主调理器，记为WT1(s)副调理器：其给定值由主调理器的输出决议，并根据(副控制器)副参数与给定值(即主调理器输出)的偏向动作的调理器称为副调理器，记为WT2(s)主回路(外回路)：断开副调理器的反响回路后的整个回路称为主回路。120副回路：由副参数，副调理器及其所包括的一部分对象等(内回路)环节所组成的闭合回路称为副回路，副回路有时亦称随动回路。主对象：主参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号(惰性区)为副变量，输出信号为主参数，记为WD1(s)副对象(导前区)：副参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号为调理量，其输出信号为副参数(副变量)，记为WD2(s)1212.串级控制系统的特点串级控制依然是一个定值控制系统，主参数在干扰作用下的控制过程与单回路控制系统的过程具有一样的目的和方式，但与单回路系统比较，串级控制系统具有以下特点：(1)串级控制系统具有很强的抑制内扰的才干(2)串级控制系统可减小副回路的时间常数，改善对象动态特性，提高系统的任务频率(3)串级控制系统具有一定的自顺应才干1223.串级控制系统主副回路和主副调理器选择(1)主副回路的选择原那么(i)副回路应该把消费过程的主要干扰包括在内，力求把变化幅度最大、最猛烈和最频繁的干扰包括在副回路内，充分发扬副回路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定;(ii)选择副回路时，应力求把尽量多的干扰包括进去，以尽量减少它们对主参数的影响，提高系统抗干扰才干;(iii)主副对象的时间常数应适当匹配，串级控制系统与单回路控制系统相比，其任务频率提高了，但这与主副对象的时间常数选择是有关的。原那么是两者相差大一些，效果好一些。123(2)主、副回路调理器调理规律的选择原那么〔i〕主参数控制质量要求不非常严厉，同时在对副参数的要求也不高的情况下，为使两者兼顾而采用串级控制方式，主、副调理器均可采用比例控制。〔ii〕要求主参数动摇范围很小，且不允许有余差(稳态误差)，此时副调理器可采用比例控制，主调理器采用比例积分控制。〔iii〕主参数要求高，副参数亦有一定要求，这时主副调理器均采用比例积分控制。124五、导前微分控制1.根本原理引入导前微分信号送入调理器。原理框图如以下图所示：图1-25导前微分控制系统原理方框图导前区对象惰性区对象内扰副回路：主回路：125在导前微分控制系统中，当控制量发生阶跃扰动时，I1、I2变化如左图所示。迟延时间缩短后，可控性变好，控制质量将得到改善。图1-26在控制量扰动时各信号2.导前微分控制系统的特点(1)引入导前微分信号缩短了迟延时间，等效地改善了控制对象的动态特性。126(2)引入导前微分信号能减小动态偏向，改善控制质量图1-27阀门开度阶跃扰动下汽温特性曲线1、2分别为θ1、θ*自平衡飞升特性曲线；曲线3、4为加导前微分信号前后θ*的调理曲线；曲线5、6那么为加导前微分信号前后θ1的过渡过程曲线。127由于迟延时间和惯性都减小了，因此在调理器参数一样的情况下，参与微分信号可以减小过渡过程时间，改善控制质量。(3)导前微分控制系统有很强的抑制内扰的才干128六、比值控制坚持两个变量按照一定比例变化的控制，称作比值控制。在工业消费过程中，常需求坚持两个变量〔通常指流量〕成比例变化。例如，在化工消费中，需坚持添加剂与主要成分之间的比例关系，以保证混合物的成分恒定。由于此时主要被调量——混合物的成分经常是无法直接测定的，因此不能采用前面所引见的反响系统来进展控制。在电厂的直流炉控制中，需坚持燃料量与给水量成比例变化，以坚持主蒸汽温度的稳定；在熄灭过程中，需坚持燃料量与空气量成比例变化，以保证熄灭经济性。129这类系统普遍的特点是：无法直接丈量所需求控制的性能目的〔比如，目前尚无法直接或迅速地丈量熄灭经济性〕，只能经过控制2个量的比值来维持最优性能。因此，在这些情况下，需采用比值控制系统，比值控制系统的作用，就在于维持两个变量之间的比值关系。1301.根本思绪比值控制系统中所指的两个流量，通常将其中之一G1称作〔或视作〕自动流量，另一个流量G2那么称作从动流量。通常自动流量G1不加控制〔G1能够作为其他系统的控制变量，而由别的系统加以控制〕，以从动流量G2作为系统的调理变量，经过改动G2，维持两个流量之间的比值关系。比值控制系统中的被调量是两个流量的比值RR=G2／G1〔或R=G1／G2〕比值R的求取，通常不是独一的。1312.主要类型常见的比值控制系统为单回路的，可分为定值型与随动型两大类。除此之外，还有采用前馈一反响复合控制的串级型比值控制系统的。图1-28(a)构造图图1-28(b)方框图〔一〕、单回路比值控制系统(1).定值型单回路比值控制系统132(i)任务原理流量G1、G2经检测元件转换为信号IG1、IG2送入除法器后，输出IR即为代表G1、G2之间比值关系的函数的信号。IR=IG2／IG1IR作为系统的被调量，送入调理器，与给定值I0相比较，其差值经调理器及执行机构控制造为系统调理变量的从动流量G2，以坚持G1、G2之间的比值关系。假设自动流量G1增大，那么除法器输出信号IR减小，调理器输出增大，使流量G2添加，IR添加。显然，G1作为自动流量，在此系统中是不加控制的。133(ii)系统分析设系统中采用线性检测安装，其转换系数r1、r2为常数。因此：IG1＝r1G1，IG2＝r2G2同样，假设系统中采用线性调理机构，其斜率Kμ为常数。假设采用PI规律调理器，静态时有：I0-IR=0得：(G1／G2)=〔r1／r2〕I0显然，由于r1、r2为常数，I0为给定值，因此静态时，G1、G2之间比值为定值，改动给定值I0，可以调整G1、G2之间的比值。134(2).随动型单回路比值控制系统(i)任务原理随动型单回路比值控制系统如以下图所示。自动流量G1经检测安装转换为信号IG1，送入乘法器乘以系数K后，作为从动流量G2的给定值引入调理器，流量G2作为调理变量受调理器控制，其流量经检测安装后作为反响信号送入调理器与给定值相平衡。因此，系统是一个典型的随动系统。图1-29(a