熱工控制系統(tǒng)第一章

1、能源與動力工程學(xué)院第一章第一章 熱工自動控制概論熱工自動控制概論主講：趙建立主講：趙建立能源與動力工程學(xué)院n 自動控制理論是自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，根據(jù)自動控自動控制理論是自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，根據(jù)自動控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，自動控制理論自動控制理論可分為以微分方程、傳可分為以微分方程、傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論和以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的和以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的現(xiàn)代現(xiàn)代控制理論控制理論。n 同時(shí)，隨著自動控制理論的發(fā)展，自動化技術(shù)逐步發(fā)展同時(shí)，隨著自動控制理論的發(fā)展，自動化技術(shù)逐步發(fā)展到基于專家系統(tǒng)、模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的到基于專家系統(tǒng)、模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)

2、絡(luò)的智能時(shí)代智能時(shí)代。能源與動力工程學(xué)院n前期控制前期控制(1400BC-1900)中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計(jì)時(shí)漏壺中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計(jì)時(shí)漏壺(1400BC-1100BC)希臘發(fā)明了采用浮球保持燃油液面高度的油燈希臘發(fā)明了采用浮球保持燃油液面高度的油燈(250BC)亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水的自動裝置亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水的自動裝置(100年年)中國張衡發(fā)明水運(yùn)渾象，研制出自動測量地震的候風(fēng)地動儀中國張衡發(fā)明水運(yùn)渾象，研制出自動測量地震的候風(fēng)地動儀(100年年)能源與動力工程學(xué)院中國馬鈞研制出利用齒輪傳動的自動指示方向的指南車中國馬鈞研制出利用齒輪傳動的自動指

3、示方向的指南車 (235年年)英國英國J.Watt利用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度利用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度(1788年年)能源與動力工程學(xué)院n經(jīng)典控制經(jīng)典控制(1935-1950) 美國美國N.Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服機(jī)構(gòu)，提出研制出用于船舶駕駛的伺服機(jī)構(gòu)，提出PID控制方控制方法法(1922) 美國美國E.Sperry以及以及C.Mason研制出火炮控制器研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控，氣壓反饋控制器制器(1929)能源與動力工程學(xué)院n現(xiàn)代控制現(xiàn)代控制(1950-今今) 美國美國MIT的的Servomechanism Laboratory研制第一臺數(shù)控機(jī)床研

4、制第一臺數(shù)控機(jī)床(1922) 現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時(shí)期的軍備競賽以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)。現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時(shí)期的軍備競賽以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)。能源與動力工程學(xué)院 美國美國 George Devol研制出第研制出第一臺工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)一臺工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)(1954) 蘇聯(lián)東方蘇聯(lián)東方-1號飛船載著加加林號飛船載著加加林進(jìn)入人類地球衛(wèi)星軌道，人類進(jìn)入人類地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時(shí)代開始宇航時(shí)代開始(1961)能源與動力工程學(xué)院第一節(jié)第一節(jié) 熱工自動控制的發(fā)展概況熱工自動控制的發(fā)展概況 電能的電能的“發(fā)、輸、供、用發(fā)、輸、供、用”必須同時(shí)進(jìn)行，并保持瞬時(shí)的平必須同時(shí)進(jìn)行，并保持瞬時(shí)的平衡。與此同時(shí)，參與衡。與

5、此同時(shí)，參與“發(fā)、輸、供、用發(fā)、輸、供、用”的所有設(shè)備構(gòu)成了部件的所有設(shè)備構(gòu)成了部件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布廣闊廣闊的動態(tài)大系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中發(fā)電的動態(tài)大系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組處于系統(tǒng)的最底層。機(jī)組處于系統(tǒng)的最底層。 電力生產(chǎn)過程分為發(fā)電側(cè)與輸配電側(cè)，相應(yīng)地，從實(shí)現(xiàn)自電力生產(chǎn)過程分為發(fā)電側(cè)與輸配電側(cè)，相應(yīng)地，從實(shí)現(xiàn)自動化的角度，可分為電站自動化和電力系統(tǒng)自動化。動化的角度，可分為電站自動化和電力系統(tǒng)自動化?？刂茖ο筇卣骺刂茖ο筇卣髂茉磁c動力工程學(xué)院一、電廠熱工控制技術(shù)的發(fā)展一、電廠熱工控制技術(shù)的發(fā)展1、目前機(jī)組特點(diǎn)、目前機(jī)組特點(diǎn) （1） 監(jiān)視點(diǎn)多監(jiān)視點(diǎn)多(600MW機(jī)組機(jī)組

6、I/O點(diǎn)多達(dá)點(diǎn)多達(dá)30005000個，隨著發(fā)電機(jī)個，隨著發(fā)電機(jī)-變壓器組和廠用電源等電氣部分監(jiān)視納入變壓器組和廠用電源等電氣部分監(jiān)視納入DCS之后，之后，I/O點(diǎn)已超過點(diǎn)已超過7000個個) （2）參數(shù)變化速度快和控制對象數(shù)量大參數(shù)變化速度快和控制對象數(shù)量大(600MW機(jī)組超過機(jī)組超過1300個個)，而各個控制對象又相互關(guān)聯(lián)，所以操作稍一失誤，所引起的后果十分嚴(yán)而各個控制對象又相互關(guān)聯(lián)，所以操作稍一失誤，所引起的后果十分嚴(yán)重。重。 大機(jī)組的監(jiān)視與控制操作任務(wù)也不能交運(yùn)行人員去完成大機(jī)組的監(jiān)視與控制操作任務(wù)也不能交運(yùn)行人員去完成(體力、腦力體力、腦力勞動強(qiáng)度，及時(shí)、人為操作失誤），因此必須由高度

7、計(jì)算機(jī)化的機(jī)組集勞動強(qiáng)度，及時(shí)、人為操作失誤），因此必須由高度計(jì)算機(jī)化的機(jī)組集控取而代之。控取而代之。 能源與動力工程學(xué)院 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，電廠熱工過程控制又經(jīng)歷了以隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，電廠熱工過程控制又經(jīng)歷了以下幾個計(jì)算機(jī)控制過程下幾個計(jì)算機(jī)控制過程: : (1) (1) 集中型計(jì)算機(jī)控制：集中型計(jì)算機(jī)控制：用一臺計(jì)算機(jī)對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行用一臺計(jì)算機(jī)對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行整體控制，因此對計(jì)算機(jī)的可靠性要求很高，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)事整體控制，因此對計(jì)算機(jī)的可靠性要求很高，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)事故，將使整個生產(chǎn)受到影響。故，將使整個生產(chǎn)受到影響。 (2) (2) 分散型計(jì)算機(jī)控制：分散型計(jì)算機(jī)

8、控制： 隨著微機(jī)的大批生產(chǎn)，成本的不隨著微機(jī)的大批生產(chǎn)，成本的不斷降低，逐漸把集中控制改為用微機(jī)進(jìn)行局部控制，克服了集中斷降低，逐漸把集中控制改為用微機(jī)進(jìn)行局部控制，克服了集中控制的一些缺點(diǎn)，但此時(shí)各系統(tǒng)之間很難協(xié)調(diào)起來?？刂频囊恍┤秉c(diǎn)，但此時(shí)各系統(tǒng)之間很難協(xié)調(diào)起來。 (3) (3) 計(jì)算機(jī)分散控制：計(jì)算機(jī)分散控制： 它把各系統(tǒng)之間、廠級管理、調(diào)度它把各系統(tǒng)之間、廠級管理、調(diào)度等用一臺功能很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行上位管理；而把各子系統(tǒng)用微機(jī)等用一臺功能很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行上位管理；而把各子系統(tǒng)用微機(jī)控制，充分發(fā)揮了集中控制和分散控制各自的優(yōu)點(diǎn)，是一種比較控制，充分發(fā)揮了集中控制和分散控制各自的優(yōu)點(diǎn)，是一種

9、比較合理的控制方法。合理的控制方法。能源與動力工程學(xué)院二、大型單元機(jī)組熱工自動控制系統(tǒng)的組成二、大型單元機(jī)組熱工自動控制系統(tǒng)的組成1 1、數(shù)據(jù)采集與管理、數(shù)據(jù)采集與管理包括對熱力過程中溫度、壓力、流量、液位、成分等熱工參數(shù)的測量；測量數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)之間的高速傳輸；生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)的高效存儲；歷史數(shù)據(jù)的快速檢索；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的報(bào)表打印；報(bào)警數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析與處理等。具有數(shù)據(jù)采集與管理功能的典型的系統(tǒng)主要有：數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)）據(jù)采集系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)）、DCSDCS數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫、SISSIS數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫、MISMIS數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫等。 系統(tǒng)基礎(chǔ)：分散控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)：“4C”

10、技術(shù)（計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、通信技術(shù)、CRT圖形顯示技術(shù)）能源與動力工程學(xué)院2、汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（、汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）3、汽輪機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)、汽輪機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)4、旁路控制系統(tǒng)、旁路控制系統(tǒng)5、鍋爐爐膛安全監(jiān)視系統(tǒng)、鍋爐爐膛安全監(jiān)視系統(tǒng)6、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能源與動力工程學(xué)院三、電廠熱工自動控制的基本內(nèi)容三、電廠熱工自動控制的基本內(nèi)容1、自動檢測、自動檢測 對生產(chǎn)過程及設(shè)備的參數(shù)、信號自動進(jìn)行轉(zhuǎn)換、加工處理并記錄下對生產(chǎn)過程及設(shè)備的參數(shù)、信號自動進(jìn)行轉(zhuǎn)換、加工處理并記錄下來。如：來。如：T T、p p、Q Q、H H等，是控制的基礎(chǔ)。等，是控制的基礎(chǔ)。2、遠(yuǎn)方控制與順序

11、控制、遠(yuǎn)方控制與順序控制 遠(yuǎn)方控制：遠(yuǎn)方控制：( (開關(guān)開關(guān)/ /按鈕按鈕) )對生產(chǎn)過程中重要的調(diào)節(jié)、截止機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程中重要的調(diào)節(jié)、截止機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制；遠(yuǎn)距離控制； 程序控制：機(jī)組在啟動、停止、增減負(fù)荷、事故處理時(shí)的自動化操程序控制：機(jī)組在啟動、停止、增減負(fù)荷、事故處理時(shí)的自動化操作。作。3、自動調(diào)節(jié)（閉環(huán)自動控制）、自動調(diào)節(jié)（閉環(huán)自動控制）4、自動保護(hù)、自動保護(hù)能源與動力工程學(xué)院第二節(jié)第二節(jié) 自動控制的基本概念自動控制的基本概念一、控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程一、控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程被調(diào)量被調(diào)量給定值給定值控制量（調(diào)節(jié)量）控制量（調(diào)節(jié)量）擾動擾動執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)1、人工調(diào)節(jié)、人工調(diào)節(jié)眼、腦、

12、手的作用？眼、腦、手的作用？被控對象（控制對象）被控對象（控制對象）眼眼腦腦手手能源與動力工程學(xué)院2、自動調(diào)節(jié)、自動調(diào)節(jié)測量變送器測量變送器調(diào)節(jié)器（控制器）調(diào)節(jié)器（控制器）執(zhí)行器執(zhí)行器能源與動力工程學(xué)院二、自動控制系統(tǒng)的組成二、自動控制系統(tǒng)的組成 被控被控(調(diào)節(jié)調(diào)節(jié))對象對象自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成的組成 測量變送器測量變送器 自動調(diào)節(jié)裝置自動調(diào)節(jié)裝置 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 執(zhí)行器執(zhí)行器三、自動控制系統(tǒng)方框圖三、自動控制系統(tǒng)方框圖相加點(diǎn)相加點(diǎn)分支點(diǎn)分支點(diǎn)環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)信號線信號線輸入量和輸出量輸入量和輸出量能源與動力工程學(xué)院第三節(jié)第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類一、按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類一、

13、按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類1 1、反饋（閉環(huán)）控制系統(tǒng)、反饋（閉環(huán)）控制系統(tǒng)特點(diǎn)：基于偏差，消除偏差；調(diào)節(jié)不及時(shí)；需對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定系分析。特點(diǎn)：基于偏差，消除偏差；調(diào)節(jié)不及時(shí)；需對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定系分析。n 反饋反饋：把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號：把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。若反饋的信號與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來的過程，稱為反饋。若反饋的信號與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負(fù)反饋；反之，則稱為正反饋。越小，則稱為負(fù)反饋；反之，則稱為正反饋。 n 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)：能對輸入量與輸出量進(jìn)行比較，并且將它們的偏

14、差作為：能對輸入量與輸出量進(jìn)行比較，并且將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預(yù)定關(guān)系的系統(tǒng)。由于引入了被反饋量的反控制手段，以保持兩者之間預(yù)定關(guān)系的系統(tǒng)。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制。饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制。 能源與動力工程學(xué)院2 2、前饋（開環(huán)）控制系統(tǒng)、前饋（開環(huán)）控制系統(tǒng)控制設(shè)備和對象之間在信號傳遞上沒有形成閉合回路，直接根控制設(shè)備和對象之間在信號傳遞上沒有形成閉合回路，直接根據(jù)擾動進(jìn)行控制，據(jù)擾動進(jìn)行控制，特點(diǎn)：調(diào)節(jié)及時(shí)，動作快；不需進(jìn)行穩(wěn)定性分析；特點(diǎn)：調(diào)節(jié)及時(shí)，動作快；不需進(jìn)行穩(wěn)定性分析；沒

15、有修正偏沒有修正偏差能力。差能力。閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動對被控制量產(chǎn)生的影響。精偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動對被控制量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、分析麻煩。度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、分析麻煩。開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) 順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。能源與動力工程學(xué)院3 3、前饋、前饋- -反饋復(fù)合控制系統(tǒng)反饋復(fù)合控制系統(tǒng)二、按給定值特點(diǎn)分類二、按給定值特點(diǎn)分類1、定值（恒值）控制系統(tǒng)：汽包水位、過熱汽溫、爐膛壓力2、隨

16、動控制系統(tǒng)：滑壓運(yùn)行時(shí)主汽壓設(shè)定值的形成3、程序控制系統(tǒng)：汽輪機(jī)自啟停三、按閉合回路數(shù)目分類三、按閉合回路數(shù)目分類1、單回路系統(tǒng)2、多回路系統(tǒng)能源與動力工程學(xué)院第四節(jié)第四節(jié) 典型輸入信號與控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)典型輸入信號與控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)一、典型輸入信號1 1、階躍函數(shù)、階躍函數(shù)2 2、斜坡函數(shù)、斜坡函數(shù)3 3、脈沖函數(shù)、脈沖函數(shù)4 4、正弦函數(shù)、正弦函數(shù)控制系統(tǒng)中最嚴(yán)格，控制系統(tǒng)中最嚴(yán)格，最苛刻的信號最苛刻的信號二、控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程發(fā)散振蕩等幅振蕩衰減振蕩非振蕩（非周期）能源與動力工程學(xué)院 可以歸結(jié)為可以歸結(jié)為穩(wěn)穩(wěn)定性定性（長期穩(wěn)定性）、（長期穩(wěn)定性）、準(zhǔn)準(zhǔn)確性確性（精度）和（精度）和快快速性速性（相對穩(wěn)定性）。（相對穩(wěn)定性）。 穩(wěn) 準(zhǔn)快三、控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)1 1、穩(wěn)定性、穩(wěn)定性衰減率衰減率131311yyyyy 穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。能源與動力工程學(xué)院2 2、準(zhǔn)確性、準(zhǔn)確性(1)最大動態(tài)偏差最大動