熱工自動控制系統(tǒng)培訓(xùn)指導(dǎo)

1、熱工自動控制系統(tǒng)培訓(xùn)指導(dǎo) 熱工自動控制系統(tǒng) 56學(xué)時 第一部分：基本概念 熱工測量及控制系統(tǒng)的基本知識 6學(xué)時 分散控制系統(tǒng)的基本知識 8學(xué)時 第二部分 ：單元機(jī)組自動控制系統(tǒng)分析 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) (CCS) 10學(xué)時 爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS) 8學(xué)時 汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH) 12學(xué)時 順序控制系統(tǒng)(SCS) 8學(xué)時 熱工報警和保護(hù)系統(tǒng) 4學(xué)時 第一部分：基本概念 火電廠生產(chǎn)過程： 一組數(shù)據(jù)： 300MW亞臨界機(jī)組： 鍋爐蒸發(fā)量： 1025t/h 主蒸汽溫度/壓力： 燃煤量(標(biāo)準(zhǔn)煤)： 約105t/h 爐膛尺寸： 600MW超臨界機(jī)組： 鍋爐蒸發(fā)量： 2008t/h 主蒸汽

2、溫度/壓力： 燃煤量(標(biāo)準(zhǔn)煤)： 約210t/h 爐膛尺寸： 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化是非常有必要的 火電廠熱力過程自動化可以分為四個部分： (1)熱工檢測：是自動化操作的依據(jù)。 (2)自動調(diào)節(jié)：是自動化操作的主體。 (3)遠(yuǎn)方控制及程序控制：是自動化操作的 重要補(bǔ)充。 (4)自動保護(hù)：是自動化操作的重要保障。第一章 熱工測量的基本知識 1.1 測量的定義及方法 一、測量概述： 測量就是利用測量工具，通過實(shí)驗(yàn)方法將被測量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量(測量單位)進(jìn)行比較，以確定被測量是標(biāo)準(zhǔn)量多少倍數(shù)的過程。其所得倍數(shù)就是測量值，可見，被測量由測量值和測量單位兩部分組成。 二、測量方法： 直讀法： 直接測量： 零值

3、法： 比較法： 微差法： 間接測量： 組合測量： 1.2 測量誤差 一、誤差的表示方法 1絕對誤差： 絕對誤差是被測參數(shù)的測量值與真實(shí)值之代數(shù)差。 XX0 絕對誤差有大小，有符號，有單位，稱為絕對誤差的三要素。 例： 1、哈爾濱北京，鐵路全長1388Km，測量結(jié)果為1389Km，求絕對誤差。 2、用m尺測量1m長的線段，測量結(jié)果為，求絕對誤差。 3、測量某爐膛的火焰溫度，測量結(jié)果為1001，實(shí)際為1000 ，求絕對誤差。 2、相對誤差 絕對誤差占所選取的參考值的百分比，稱為相對誤差。 如果參考值為真實(shí)值，則該相對誤差稱為實(shí)際相對誤差，記為： / X0 100 如果參考值為測量值，則該相對誤差稱

4、為標(biāo)稱相對誤差，記為： / X 100 如果參考值為測量儀表的量程，則該相對誤差稱為引用相對誤差，或者折合相對誤差，記為： / (XmaxXmin) 100 例：體溫計(jì)和高溫計(jì)，量程分別為3242，01000，如果同時有1 的絕對誤差，求引用相對誤差。 結(jié)果表明，引用相對誤差更能說明測量的準(zhǔn)確程度，因此是最常用的表示方法。 二、誤差的分類 1、系統(tǒng)誤差 在相同條件下多次重復(fù)測量同一被測量，如果每次測量值的誤差恒定不變（絕對值和符號均保持不變）或按某種確定的規(guī)律變化，這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。 系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因主要有： (1)測量儀器或測量系統(tǒng)本身不夠完善，如儀表本身刻度不準(zhǔn)、測量原理不完善等。

5、(2)儀表使用不當(dāng)，如測量人員操作不當(dāng)、讀數(shù)不準(zhǔn)等。 (3)測量時外界環(huán)境條件變化，如環(huán)境溫度、濕度、電磁場影響等。 由于系統(tǒng)誤差具有一定的規(guī)律性，測量時應(yīng)盡可能地設(shè)法消除此類誤差或?qū)y量結(jié)果加以修正，以提高測量的準(zhǔn)確程度。 2、隨機(jī)誤差 隨機(jī)誤差是指在相同條件下多次測量同一被測量時產(chǎn)生的絕對值和符號不可預(yù)知的隨機(jī)變化著的誤差，又稱偶然誤差。 大多數(shù)隨機(jī)誤差服從正態(tài)分布規(guī)律，因此可用求取算術(shù)平均值的方法予以消除隨機(jī)誤差。 3、粗大誤差 粗大誤差是指由于操作人員的操作錯誤、粗心大意及儀表的誤動作等原因而造成的誤差，也稱為疏失誤差。即明顯歪曲事實(shí)的誤差，稱為粗大誤差。 粗大誤差通常表現(xiàn)為數(shù)值較大且

6、無任何規(guī)律，含粗大誤差的測量值稱為壞值，應(yīng)當(dāng)剔除。為避免測量結(jié)果出現(xiàn)粗大誤差，要求操作人員在測量過程中避免失誤。 從以上分析可以看出，系統(tǒng)誤差決定了測量的正確度，而隨機(jī)誤差決定了測量的精密度。對于一個好的測量結(jié)果，應(yīng)該既精密又正確，一般用精確度或準(zhǔn)確度表示。如果某次測量的精確度很高，則說明本次測量的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差都不大。 1.3 熱工儀表概述 用來測量溫度、壓力、流量等熱工參數(shù)的儀表稱為熱工儀表。 一、儀表的組成 熱工儀表從其各部分的功能和作用上看，主要包括三個組成部分。 1感受件 感受件是儀表中直接與被測對象發(fā)生關(guān)系的部件，感受件通常也稱作敏感元件、一次件、一次儀表或傳感器。 感受件的性

7、能應(yīng)符合以下要求： (1)輸出信號與被測參數(shù)變化呈穩(wěn)定的單值函數(shù)關(guān)系，且最好是線性的。 (2)應(yīng)有較高的靈敏度。 (3)反應(yīng)快、遲延小。 (4)盡可能少的消耗被測介質(zhì)的能量。 2中間件 中間件是用來接受感受件的輸出信號并將其送到顯示件的部件。 中間件的主要作用有： (1)單純起傳輸作用。 (2)起信號放大作用。 (3)起變送作用。 3顯示件 顯示件接受中間件送來的信號，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闇y量人員可以識別的信號，它是與測量人員直接聯(lián)系的部件。可分為三種： (1)模擬顯示：由指針、光標(biāo)、色帶等反映被測參數(shù)的連續(xù)變化。 (2)數(shù)字顯示：直接用數(shù)字顯示被測參數(shù)的大小或高低。 (3)屏幕顯示：用計(jì)算機(jī)和電視屏

8、幕等顯示測量結(jié)果。還可以給出要求的圖形、數(shù)據(jù)表格、曲線等。 二、儀表的分類 (1)按被測參數(shù)不同，可分為溫度、壓力、流量、物位、成分分析儀表等。 (2)按用途不同，可分為標(biāo)準(zhǔn)用、實(shí)驗(yàn)室用、工程用儀表。 (3)按顯示特點(diǎn)不同，可分為指示式、積算式、記錄式、數(shù)字式、屏幕式。 (4)按工作原理不同，可分為機(jī)械式、電氣式、電子式、化學(xué)式、氣動式。 (5)按使用能源不同，可分為電動式、氣動式、液動式儀表。 三、熱工儀表的質(zhì)量指標(biāo) 為了正確地選擇和使用儀表，必須了解儀表的一系列指標(biāo)，熱工儀表的質(zhì)量指標(biāo)主要有基本誤差、準(zhǔn)確度等級、變差、靈敏度、不靈敏區(qū)等。這些質(zhì)量指標(biāo)是鑒別儀表的性能是否符合技術(shù)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)和

9、判定儀表是否合格的依據(jù)。 1、基本誤差： 在規(guī)定的技術(shù)條件下對儀表進(jìn)行檢定時，儀表所具有的最大誤差稱為儀表的基本誤差。 2允許誤差： 根據(jù)各類儀表的設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量不同，國家對每種儀表均規(guī)定了基本誤差的最大允許值，即允許誤差。它可用絕對誤差來表示，也可以用引用誤差來表示。 3、準(zhǔn)確度等級： 儀表的準(zhǔn)確度等級在數(shù)值上等于允許誤差去掉百分號后的絕對值。國家規(guī)定的準(zhǔn)確度等級系列有，等級別。數(shù)值越小，準(zhǔn)確度越高。通常準(zhǔn)確度等級用小圓圈內(nèi)的阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)志在儀表的刻度盤上。 4、變差： 儀表在規(guī)定的使用條件下，從正、反行程兩個方向測量同一參數(shù)，兩次測量值之差稱為該示值點(diǎn)上的變差，在儀表測量范圍內(nèi)，各示值點(diǎn)上

10、變差的最大值稱為儀表的變差，表示為： 一塊合格的儀表的基本誤差和變差均不應(yīng)超過允許誤差。 5、靈敏度： 靈敏度是指儀表輸出信號的變化量與產(chǎn)生該變化的被測信號的變化量之比。 即：SL/X 6、分辨率： 儀表指示器發(fā)生可見動作的被測量的最小值，稱為儀表的分辨率， 7、不靈敏區(qū)： 不能引起儀表輸出變化的被測輸入信號的最大變化范圍稱為儀表的不靈敏區(qū)或死區(qū) 第二章 自動控制系統(tǒng)概述2.1 自動控制系統(tǒng)的基本知識一、常用術(shù)語：1、調(diào)節(jié)對象：指被調(diào)節(jié)的生產(chǎn)過程或生產(chǎn)設(shè)備2、被調(diào)量：表征生產(chǎn)過程是否符合工藝要求的 物理量，也是調(diào)節(jié)作用所要維持為給定值或 維持在一定范圍內(nèi)的參數(shù)。3、給定值：被調(diào)量應(yīng)維持的數(shù)值。

11、4、擾動：引起被調(diào)量改變的各種因素。 擾動分為內(nèi)擾和外擾一個實(shí)例：要求水溫控制為40，調(diào)節(jié)手段為冷、熱水門。調(diào)節(jié)對象、被調(diào)量、給定值、內(nèi)擾、外擾？另一個實(shí)例： 用術(shù)語描述的自動調(diào)節(jié)過程： 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到外擾的作用，使被調(diào)量偏離了給定值，測量部件檢測到兩者的偏差，通過調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，產(chǎn)生一個相應(yīng)的內(nèi)擾，用來平衡外擾，并使被調(diào)量恢復(fù)到給定值，達(dá)到新的動態(tài)平衡，調(diào)節(jié)過程結(jié)束。自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方框圖 方框圖由環(huán)節(jié)、信號線、相加點(diǎn)、分支點(diǎn)四要 素組成。 (1)環(huán)節(jié)。方框圖中的方框，表示一個設(shè)備、元件或者一個生產(chǎn)過程，包括輸入量和輸出量。 (2)信號線。以箭頭方式傳遞的某種信號，用以反映各設(shè)備之間的邏輯

12、關(guān)系。 (3)相加點(diǎn)。相當(dāng)于加法器，表示兩個信號的代數(shù)和 (4)分支點(diǎn)。表示把一個信號送到兩個地方。22自動控制系統(tǒng)的分類 一按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(工作原理)分類1、反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)又稱閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 2、前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)又稱開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)3、復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)又稱前饋一反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 二按照給定值的變化規(guī)律分類 1、定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 給定值保持恒定 2、程序調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 給定值 按照已知規(guī)律變化 3、隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 給定值隨機(jī)變化 自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)一、自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過渡過程1、系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài) 被調(diào)量不隨時間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))，被調(diào)量隨時間變化的不平衡狀態(tài)稱

13、為系統(tǒng)的動態(tài)。2、系統(tǒng)的過渡過程 被調(diào)參數(shù)隨時間變化的過程稱為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程或過渡過程 階躍信號： t t0 時，X0； t t0 時，XX0幾種過渡過程：不穩(wěn)定的調(diào)節(jié)過程： 穩(wěn)定的調(diào)節(jié)過程 二、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)調(diào)節(jié)系統(tǒng)品質(zhì)好壞用穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性三個指標(biāo)來表示。 看一個過渡過程1、穩(wěn)定性：通常用衰減率來表示 衰減率是指每經(jīng)過一個周期，被調(diào)量波動幅值衰 減的百分?jǐn)?shù)，用表示，即 (y1y3)/ y1 1 y3/y1 0：調(diào)節(jié)過程是發(fā)散振蕩； = 0：調(diào)節(jié)過程是等幅振蕩； 01：調(diào)節(jié)過程是衰減振蕩； 1：調(diào)節(jié)過程是非周期過程。 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定的條件是012、準(zhǔn)確性 動態(tài)偏差 ：調(diào)節(jié)

14、過程中被調(diào)量偏離給定值的最 大短期偏差 靜態(tài)偏差：調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量與給定值 的長期偏差 3、快速性快速性常用過渡過程時間來表示 第三章 控制對象的動態(tài)特性 環(huán)節(jié)特性的表示方法： 環(huán)節(jié)動態(tài)特性的表示方法主要有以下三種：微分方程法、傳遞函數(shù)法、階躍響應(yīng)曲線 一、微分方程法 微分方程法是用微分方程來表示環(huán)節(jié)的輸出與輸入之間的變化關(guān)系。 如圖電路，ui為輸入， uc為輸出列出微分方程為又如圖單容水箱：q1為輸入，q2為輸出微分方程為：兩者比較，基本形式相同。 二、傳遞函數(shù) 傳遞函數(shù)是在用拉氏變換求解常系數(shù)線性微分 方程的過程中引申出來的概念。 傳遞函數(shù)的定義：在零初始條件下，輸出信號 的像函數(shù)y

15、(S)與輸入信號的像函數(shù)X(S)之比稱 為該環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。即 對上述兩個微分方程求解其 傳遞函數(shù)為：三、階躍響應(yīng)曲線 階躍響應(yīng)曲線比微分方程和傳遞函數(shù)更能夠?qū)σ粋€環(huán)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確、形象的描述 四、典型環(huán)節(jié)特性環(huán)節(jié)是指具有輸入量和輸出量的動態(tài)系統(tǒng)，具有典型意義的常用環(huán)節(jié)，定義為典型環(huán)節(jié)。 常見的基本環(huán)節(jié)有：比例、積分、一階慣性、理想微分、實(shí)際微分、二階環(huán)節(jié)和遲延環(huán)節(jié)。 3.2 控制對象的動態(tài)特性 熱工被調(diào)對象動態(tài)特性具有如下的特點(diǎn)：(1)有一定的慣性和遲延，不具備比例、微分特 性。(2)多數(shù)熱工被調(diào)對象是不振蕩的。體現(xiàn)為在某階躍輸入下，其輸出呈非周期變化。(3)熱工對象可分為多輸入單輸出對象

16、(即單變量對象，如汽包)和多輸入多輸出對象(即多變量對象，如燃燒被調(diào)對象)。一、單容有自平衡的對象有自平衡的單容對象就是前面介紹過的慣性環(huán)節(jié)。 微分方程為：微分方程的解為：傳遞函數(shù)為：階躍響應(yīng)曲線：特征參數(shù)：1、K值：放大倍數(shù)2、T值：時間常數(shù)3、值：自平衡率被調(diào)量變化1個單位引起的流量變化的數(shù)量 4、值：飛升速度單位階躍擾動下被調(diào)量的最大變化速度 綜上所述：其他參數(shù)的影響：二、單容無自平衡的對象特征參數(shù)： 三、多容有自平衡的對象微分方程：傳遞函數(shù)：階躍響應(yīng)曲線：四、多容無自平衡能力的對象微分方程：傳遞函數(shù)：五、純遲延對象階躍響應(yīng)：傳遞函數(shù)： 3.3 控制對象動態(tài)特性的求取 熱工對象的動態(tài)特性

17、一般是用實(shí)驗(yàn)方法來進(jìn)行確定，并對現(xiàn)場設(shè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)加工和處理，最后得到控制對象動態(tài)特性的近似數(shù)學(xué)表達(dá)式，即傳遞函數(shù)。 一、階躍響應(yīng)曲線的測試 階躍響應(yīng)試驗(yàn)在原理上比較簡單，而且階躍響 應(yīng)曲線特點(diǎn)很明顯，可以清楚地判斷環(huán)節(jié)的性 質(zhì)及定出特性參數(shù)。測試階躍響應(yīng)曲線的主要 步驟和注意事項(xiàng): (1)在開始擾動前，要把對象調(diào)整到預(yù)定的初始條件。使被調(diào)量的階躍響應(yīng)曲線在整個允許變動范圍內(nèi)變化。 (2)在加擾動前，要保證系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運(yùn)行工況。即在調(diào)整初始條件后要等待一個相當(dāng)長的時間，直到各有關(guān)流量和參數(shù)都達(dá)到穩(wěn)定為止才能開始試驗(yàn)。(3)由穩(wěn)定工況起，突然快速加上一次擾動。其擾動量的數(shù)值應(yīng)足夠

18、大(一般約為額定負(fù)荷的1020)，使階躍響應(yīng)足夠大。 (4)加擾動應(yīng)該是瞬時的，但實(shí)際上閥門只能以有限速度移動，這就要對試驗(yàn)結(jié)果作適當(dāng)修正。 (5)試驗(yàn)應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，直到輸出信號接近于它的最終平衡值為止。 (6)在試驗(yàn)過程中，除了指定的輸入量作一次階躍擾動外，應(yīng)該采取一切措施來防止其他擾動的發(fā)生，使其運(yùn)行工況盡可能不變。 (7)熱工對象是非線性的，它的動態(tài)特性隨著負(fù)荷的不同而異。 (8)在試驗(yàn)時，必須特別注意被調(diào)量離開初始穩(wěn)定狀態(tài)時的情況。 二、控制對象的近似傳遞函數(shù) 根據(jù)測定到的對象階躍響應(yīng)曲線，可以把它擬合成近似的傳遞函數(shù)。根據(jù)階躍響應(yīng)曲線求近似傳遞函數(shù)有切線法和兩點(diǎn)法。 (一)有自平衡能力

19、的對象 用測試法建立控制對象的數(shù)學(xué)模型，首要的問題就是選定模型的結(jié)構(gòu)，然后確定特征參數(shù)。1無遲延一階對象 無遲延一階對象的階躍 響應(yīng)曲線如圖所示，若 選定傳遞函數(shù)的形式為 特征參數(shù)T和K可通過在響 應(yīng)曲線上作圖的方法求出，其步驟是： (1)作穩(wěn)態(tài)值的漸近線y()， (2)作響應(yīng)曲線起始點(diǎn)的切線 2有遲延一階對象有遲延的一階對象可用遲延環(huán)節(jié)和一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)來等效，其傳遞函數(shù)的形式為 (1)切線法 參數(shù)、T，的計(jì)算方法是通過階躍曲線的拐點(diǎn)作切線。 (2)兩點(diǎn)法兩點(diǎn)法是在階躍響應(yīng)y(t)上適當(dāng)選擇兩點(diǎn)，然后把這兩個點(diǎn)的數(shù)值代入經(jīng)驗(yàn)公式，從而確定被控對象的遲延和時間常數(shù)。3、二階對象 二階對象與高階對象的方法同有遲延一階對象，也分為切線法和兩點(diǎn)法。 (二)無自平衡能力的對象無自平衡能力對象的階躍響應(yīng)與有自平衡能力對象的階躍響應(yīng)區(qū)別在響應(yīng)曲線的后部。前者曲線趨于一條不斷上升的直線，后者曲線趨于一條不變的水平直線。 近似傳遞函數(shù)： 3.4 調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律 調(diào)節(jié)器輸入量為偏差e，輸出量為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位置，動態(tài)特性是指調(diào)節(jié)器的輸出量與輸入量的動態(tài)關(guān)系，常稱作調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律。 常用的調(diào)節(jié)器按其控制規(guī)律