自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、第一篇 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)在熱工過(guò)程控制中，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是最基本的，也是應(yīng)用最多的。即使是復(fù)雜控制系統(tǒng)，也是在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。因此學(xué)習(xí)和掌握簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是非常重要的。第一節(jié)概述一、常用術(shù)語(yǔ)1、 被調(diào)量表征生產(chǎn)過(guò)程是否正常運(yùn)行并需要加以調(diào)節(jié)的物理量，如水位h。2、 給定值按生產(chǎn)要求被調(diào)量必須維持的希望值，簡(jiǎn)稱給定值。在許多情況下給定值是不變的（如正常運(yùn)行時(shí)鍋爐的汽包水位、過(guò)熱蒸汽溫度等），但在有些情況下給定值是變化的，如汽輪機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速的給定值就應(yīng)不斷改變。3、 控制對(duì)象被調(diào)節(jié)的生產(chǎn)過(guò)程或設(shè)備稱為控制對(duì)象，如汽包。4、 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可用來(lái)改變進(jìn)入控制對(duì)象的物質(zhì)或能量的裝置稱為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

2、5、 控制量（調(diào)節(jié)量）由調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（閥門、擋板等）改變的流量（或能量），用以控制被調(diào)量的變化，稱為控制量，如給水量w。6、 擾動(dòng)引起被調(diào)量偏離其給定值的各種原因稱為擾動(dòng)。如果擾動(dòng)不包括在控制回路內(nèi)部（例如外界負(fù)荷），就稱為外擾。如果擾動(dòng)發(fā)生在控制回路內(nèi)部，稱為內(nèi)擾。其中，由于調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)開度變化造成的擾動(dòng)，稱為基本擾動(dòng)。變更控制器的給定值的擾動(dòng)稱為給定值擾動(dòng)，有時(shí)也稱控制作用擾動(dòng)。7、 控制過(guò)程（調(diào)節(jié)過(guò)程）原來(lái)處于平衡狀態(tài)的控制對(duì)象，一旦受到擾動(dòng)作用，被調(diào)量就會(huì)偏離給定值。要通過(guò)自動(dòng)控制儀表或運(yùn)行人員的調(diào)節(jié)作用使被調(diào)量重新恢復(fù)到新的平衡狀態(tài)的過(guò)程。二、自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成它由兩類設(shè)備構(gòu)成：一是起調(diào)節(jié)作

3、用的整套儀表和裝置，它包括傳感器、變送器、定值器、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器等，稱為廣義調(diào)節(jié)器。二是被調(diào)節(jié)器所控制的生產(chǎn)設(shè)備，即調(diào)節(jié)對(duì)象。由此可見(jiàn)，自動(dòng)控制儀表和控制對(duì)象通過(guò)信號(hào)的傳遞互相聯(lián)系起來(lái)就構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。運(yùn)用上述術(shù)語(yǔ)來(lái)表述，控制就是根據(jù)被調(diào)量偏離給定值的情況，適當(dāng)?shù)貏?dòng)作調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，改變控制量，最后抵消擾動(dòng)的影響，使被調(diào)量恢復(fù)到給定值。三、自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖是系統(tǒng)中各個(gè)元器件或設(shè)備的功能、信號(hào)傳遞和相互作用的一種圖解表示，可將調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)對(duì)象之間的相互聯(lián)系形象地表示出來(lái)。方框圖有四要素：信號(hào)線、信號(hào)相加點(diǎn)、信號(hào)分支點(diǎn)和環(huán)節(jié)。如圖所示：x（s）x1（s）x3（s）x2（s）x（s）x（s）w(s

4、)x（s）y（s）信號(hào)線相加點(diǎn)分支點(diǎn)環(huán)節(jié)特點(diǎn)單向性：在方框圖中信號(hào)只能沿信號(hào)線箭頭方向傳遞，不能倒回，否則將使輸入、輸出關(guān)系混亂。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)y調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)擾動(dòng)通道測(cè)量變送調(diào)節(jié)器r-第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)分類一、 按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類1、反饋控制系統(tǒng)工作原理是根據(jù)被調(diào)量與其給定值之間的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后達(dá)到減小或消除偏差，簡(jiǎn)單說(shuō)就是“按偏差調(diào)節(jié)”。為了取得偏差信號(hào)，必須要有被調(diào)量測(cè)量值的反饋信號(hào)，因而將系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉合回路。這種系統(tǒng)也稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。特點(diǎn)：一是按偏差調(diào)節(jié)，由于需要反復(fù)調(diào)節(jié)，所以控制過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，但可以克服各種擾動(dòng)對(duì)被調(diào)量的影響，最后消除偏差；二是如調(diào)節(jié)作用過(guò)強(qiáng)或相位不對(duì)，調(diào)節(jié)作用反復(fù)作用

5、的結(jié)果是使調(diào)節(jié)過(guò)程振蕩加劇，穩(wěn)定性降低，甚至失去穩(wěn)定。因此閉環(huán)系統(tǒng)需要進(jìn)行穩(wěn)定性分析；三是由于只有當(dāng)擾動(dòng)量引起被調(diào)量變化，產(chǎn)生偏差后調(diào)節(jié)器才開始動(dòng)作，即控制作用落后于擾動(dòng)，則控制作用不及時(shí)，使被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差較大。2、前饋控制系統(tǒng)工作原理是根據(jù)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，即利用擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的調(diào)節(jié)作用去補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被調(diào)量的影響，簡(jiǎn)單說(shuō)就是按“擾動(dòng)調(diào)節(jié)”或“擾動(dòng)補(bǔ)償”。y擾動(dòng)通道調(diào)節(jié)通道前饋調(diào)節(jié)器擾動(dòng)量是引起被調(diào)量y變化的原因，而前饋調(diào)節(jié)器在擾動(dòng)出現(xiàn)的同時(shí)就根據(jù)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，用此控制作用去抵消擾動(dòng)對(duì)被調(diào)量的影響。如果完全抵消，被調(diào)量就可保持不變。在前饋控制系統(tǒng)中，沒(méi)有被調(diào)量（及其他）的反饋信號(hào)，所以系統(tǒng)是

6、不閉合的，因此也稱開環(huán)控制系統(tǒng)。特點(diǎn)：一是按擾動(dòng)調(diào)節(jié)可以及時(shí)有效地制止被調(diào)量的變化，使控制過(guò)程時(shí)間短，但只能克服某種振動(dòng)；二是因?yàn)閷儆陂_環(huán)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)動(dòng)作一次完成，所以不存在穩(wěn)定性分析問(wèn)題；三是擾動(dòng)作用一發(fā)生就產(chǎn)生控制作用，前饋調(diào)節(jié)早于反饋調(diào)節(jié)，是一種及時(shí)調(diào)節(jié)，它使被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差大為減小，因此控制作用及時(shí)。前饋調(diào)節(jié)雖然顯著減小被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差，但由于沒(méi)有被調(diào)量的反饋信號(hào)，所以無(wú)法檢查調(diào)節(jié)效果。工業(yè)上不能單獨(dú)采用前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。3、前饋反饋控制系統(tǒng)在反饋控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入前饋控制就稱為前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。將經(jīng)常發(fā)生的主要擾動(dòng)（負(fù)荷）作為前饋信號(hào)，由于前饋信號(hào)快于被調(diào)量的偏差信號(hào)，故可以進(jìn)行“立

7、即”調(diào)節(jié)，及時(shí)克服主要擾動(dòng)對(duì)被調(diào)量的影響。利用反饋來(lái)克服其他擾動(dòng)，使系統(tǒng)的被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)時(shí)能準(zhǔn)確地控制在給定值。在復(fù)合控制系統(tǒng)中把前饋控制稱為粗調(diào)，把反饋控制稱為細(xì)調(diào)。只要充分利用前饋與反饋的優(yōu)點(diǎn)，可以提高控制質(zhì)量。二、 按給定值特點(diǎn)分類生產(chǎn)過(guò)程不同，被調(diào)量應(yīng)保持的希望數(shù)值也可能不同，可分為下面三種情況。1、定值控制系統(tǒng)給定值保持恒定，或給定值在某一很小范圍內(nèi)變化。如汽包水位控制系統(tǒng)、爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)等。2、隨動(dòng)控制系統(tǒng)給定值是按預(yù)先不能確定的一些隨機(jī)因素而變化（變化規(guī)律事先未知）的，因而要求其被調(diào)量以一定精度跟隨給定值變化。例如在鍋爐滑壓運(yùn)行時(shí)，主蒸汽壓力的給定值隨外界負(fù)荷而變化，其變化規(guī)律是

8、未知的，要求主蒸汽壓力（測(cè)量值）緊緊跟隨其給定值變化而變化。隨動(dòng)控制系統(tǒng)在熱工過(guò)程自動(dòng)控制中應(yīng)用日益增多，特別是在參與調(diào)峰調(diào)頻的大型單元機(jī)組控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，如鍋爐燃燒控制系統(tǒng)。3、程序控制系統(tǒng)這種系統(tǒng)的給定值是預(yù)定的時(shí)間函數(shù)，例如在汽輪機(jī)的自啟動(dòng)過(guò)程中，預(yù)先擬定轉(zhuǎn)速的給定值隨時(shí)間的變化規(guī)律。要求汽輪機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速按預(yù)先擬定的這個(gè)規(guī)律變化。第三節(jié) 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)在鍋爐汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)中，當(dāng)水位h等于給定值h0時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)蒸汽流量突然減小時(shí)，水位h將上升，這時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)作用使給水流量減小，直到調(diào)節(jié)系統(tǒng)又重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)為止。這時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的過(guò)程稱為調(diào)

9、節(jié)過(guò)程。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，被調(diào)量y隨時(shí)間變化的曲線稱為調(diào)節(jié)過(guò)程曲線。如圖所示。自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣，表示了控制系統(tǒng)克服外來(lái)干擾能力的大小。自動(dòng)控制系統(tǒng)所要克服的干擾有大有小，有的變化快，有的變化比較緩慢。一般來(lái)說(shuō)緩慢的干擾總是比突然的干擾更容易克服些。階躍干擾是最不利的干擾形式，也是一種最典型的最經(jīng)常出現(xiàn)的擾動(dòng)形式，是一種突然地從一個(gè)數(shù)值變化到另一個(gè)數(shù)值，而且一經(jīng)加上就持續(xù)下去不再消除的干擾。如果一個(gè)控制系統(tǒng)能很好地克服階躍干擾的影響，那么它對(duì)于其他形式的干擾，也就不難克服。因此把階躍干擾作為研究控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，階躍干擾如圖。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：0當(dāng)t0時(shí)1當(dāng)t0時(shí)x(t)=1(

10、t)=一、控制過(guò)程的基本形式當(dāng)系統(tǒng)受階躍干擾作用時(shí)，系統(tǒng)的控制過(guò)程如圖。a圖為發(fā)散的振蕩過(guò)程，被調(diào)量的變化幅度越來(lái)越大。圖b等幅振蕩。曲線a、b在連續(xù)控制系統(tǒng)中一般認(rèn)為它是不穩(wěn)定的和不允許的。但在雙位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，只要被調(diào)量的波動(dòng)幅值及波動(dòng)頻率在工藝所允許的范圍內(nèi)，能很快地趨向于一個(gè)新的平衡狀態(tài)，b 圖這種控制過(guò)程是比較理想的。曲線d是非振蕩的調(diào)節(jié)過(guò)程，又稱單調(diào)過(guò)程。這種控制過(guò)程是允許的，但由于控制過(guò)程時(shí)間太長(zhǎng)，一般認(rèn)為很不理想。綜上所述，曲線a和曲線b是穩(wěn)定的調(diào)節(jié)過(guò)程，而曲線c和d是穩(wěn)定的調(diào)節(jié)過(guò)程，大多數(shù)情況下都希望得到曲線c那樣的衰減振蕩過(guò)程。二、性能指標(biāo)1、靜態(tài)偏差在定值控制系統(tǒng)中，靜態(tài)偏

11、差是指被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的長(zhǎng)期偏差，即圖a中的y（）。靜態(tài)偏差是衡量控制系統(tǒng)準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)之一，它反映了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，靜態(tài)偏差的大小要根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)控制系統(tǒng)精度的要求來(lái)確定。2、最大動(dòng)態(tài)偏差ym或超調(diào)量在定值控制系統(tǒng)中，常用最大動(dòng)態(tài)偏差這個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量被調(diào)量偏離給定值的程度。被調(diào)量最大動(dòng)態(tài)偏差是指調(diào)節(jié)過(guò)程中被調(diào)量偏離給定值的最大暫時(shí)偏差，從圖中可知：ym= y1 +y（），對(duì)于穩(wěn)定的調(diào)節(jié)過(guò)程就是被調(diào)量偏離給定值的第一波峰的高度。一個(gè)符合要求的系統(tǒng)，應(yīng)該在實(shí)際可能出現(xiàn)的最大擾動(dòng)下，被調(diào)量的最大動(dòng)態(tài)偏差不應(yīng)超過(guò)正常生產(chǎn)的允許值。隨動(dòng)控制系統(tǒng)常用超調(diào)量這個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量被控制量偏離給定值的

12、程度。超調(diào)量可定義為它是第一個(gè)偏離穩(wěn)態(tài)值的波峰幅值y1與被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)值y（）之比，若ym或愈大，則表示被調(diào)量偏離生產(chǎn)規(guī)定的狀態(tài)愈遠(yuǎn)。3、衰減率和衰減比n衰減率是指每經(jīng)過(guò)一個(gè)波動(dòng)周期，被調(diào)量波動(dòng)幅值減少的百分?jǐn)?shù)?？啥x為：式中y3是偏離穩(wěn)態(tài)值的第三個(gè)波峰幅值。根據(jù)的數(shù)值，很容易判別調(diào)節(jié)過(guò)程的性質(zhì)和形式：若0，則調(diào)節(jié)過(guò)程為發(fā)散振蕩。若=0，則調(diào)節(jié)過(guò)程為等幅振蕩，這種系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定，在某些不利的因素影響下，它就可能變?yōu)榘l(fā)散振蕩。若00，pi3入口偏差增大，這就意味著必須增大1級(jí)噴水量才能使3下降，從而使溫差（3-2）減小。這樣就可以防止負(fù)荷增加時(shí)1級(jí)噴水量減少，達(dá)到1級(jí)噴水量和2級(jí)噴水量相差不大的

13、目的。同時(shí)，1級(jí)的多噴水量對(duì)3段過(guò)熱器出口汽溫來(lái)說(shuō)有超前控制的作用，因?yàn)樨?fù)荷增加時(shí)，3段過(guò)熱器出口汽溫1肯定是升高的。這樣各段過(guò)熱器噴水量接近均勻，保證了過(guò)熱器的安全運(yùn)行。第2段控制系統(tǒng)和一般串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)一樣，主調(diào)節(jié)器pi1主要維持主汽溫1為定值，pi2為副調(diào)節(jié)器，接受pi1的輸出信號(hào)和2級(jí)減溫器后的汽溫2，pi2的輸出去控制2級(jí)噴水量。將蒸汽負(fù)荷信號(hào)作為前饋信號(hào)分別送到pi2和pi4的入口，以消除煙氣側(cè)擾動(dòng)下過(guò)熱器噴水過(guò)程的滯后和慣性。七、300mw單元機(jī)組過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)實(shí)例1、過(guò)熱蒸汽流程汽包所產(chǎn)生的飽和蒸汽先流經(jīng)對(duì)流過(guò)熱器進(jìn)行低溫過(guò)熱，然后依次流經(jīng)前屏過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器和高溫對(duì)流過(guò)

14、熱器后送入汽輪機(jī)。民式過(guò)熱器和高溫對(duì)流過(guò)熱器均為左、右兩側(cè)對(duì)稱布置。在前屏過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器和高溫對(duì)流過(guò)熱器的入口分別裝設(shè)了1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)噴水減溫器以調(diào)整屏式過(guò)熱器出口汽溫和高溫段過(guò)熱器出口汽溫，其中2級(jí)和3級(jí)噴水減溫器均是左、右兩側(cè)對(duì)稱布置。2、控制系統(tǒng)方案第六篇汽包鍋爐給水自動(dòng)控制系統(tǒng)一、給水控制的任務(wù)是使鍋爐的給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，以維持汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)。二、給水控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性汽包水位是由汽包中的貯水量和水面下的汽泡容積所決定的，因此凡是引起汽包中貯水量變化和水面下的汽泡容積變化的各種因素都是給水控制對(duì)象的擾動(dòng)。其中主要的擾動(dòng)有：給水流量w、鍋爐蒸發(fā)量d、汽包壓力pb、爐膛

15、熱負(fù)荷等。給水控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指上述引起水位變化的各種擾動(dòng)與汽包水位間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。1、給水流量擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性給水流量是調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所改變的控制量，給水流量擾動(dòng)是來(lái)自控制側(cè)的擾動(dòng)，又稱內(nèi)擾。給水量流量擾動(dòng)下水位的階躍響應(yīng)曲線如圖所示。當(dāng)給水流量階躍增加后，水位的變化如曲線2所示，動(dòng)態(tài)特性表現(xiàn)為有慣性、無(wú)自衡能力的特點(diǎn)。當(dāng)給水流量突然增加后，給水流量雖然大于蒸發(fā)量，但由于給水溫度低于汽包內(nèi)飽和水的溫度，給水吸收了原有飽和水中的部分熱量使水面下汽泡容積減小，所以擾動(dòng)初期水位不會(huì)立即升高。當(dāng)水面下汽泡容積的變化過(guò)程逐漸平衡，水位就反應(yīng)出由于汽包中貯水量的增加而逐漸上升的趨勢(shì)，最后當(dāng)水面下汽泡容積

16、不再變化時(shí)，由于進(jìn)、出工質(zhì)流量不平衡，水位將以一定的速度直線上升。曲線1為不考慮水面下汽泡容積變化，僅考慮物質(zhì)不平衡時(shí)的水位反應(yīng)曲線，為積分環(huán)節(jié)的特性。曲線3為不考慮物質(zhì)不平衡關(guān)系，只考慮給水流量變化下水面下汽泡容積變化所引起的水位變化，可認(rèn)為是慣性環(huán)節(jié)的特性。用傳遞函數(shù)表示為：遲延時(shí)間，s；響應(yīng)速度，即給水流量改變一個(gè)單位流量時(shí)，水位的變化速度。也可采用響應(yīng)時(shí)間ta1/來(lái)表示水位對(duì)擾動(dòng)響應(yīng)的快慢。其物理意義為：當(dāng)擾動(dòng)量為100%時(shí)（從滿負(fù)荷突然變化到0），水位變化100%所需要的時(shí)間。如一臺(tái)410t/h鍋爐，其水位的允許最大變化范圍規(guī)定為200mm，若已知水位的響應(yīng)時(shí)間為30s，則當(dāng)鍋爐在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)突然停止供水時(shí)，汽包水位將在30s內(nèi)下降200mm?；蛘哒f(shuō)，如鍋爐給水流量突然減少10%，則水位將在30s內(nèi)下降20mm。和的大小與鍋爐的容量及參數(shù)有關(guān)。2、蒸發(fā)流量擾動(dòng)下的水位的動(dòng)態(tài)特性蒸汽流量擾動(dòng)主要來(lái)自汽輪發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷變化，屬外部擾動(dòng)。當(dāng)蒸汽流量時(shí)突然階躍增大時(shí)，由于汽包水位對(duì)象是無(wú)自平衡能力的，這時(shí)水位應(yīng)按積分規(guī)律下降，如圖