山东建筑大学 热工控制系统课件全

热工控制系统魏建平热能工程学院热工控制系统2授课计划概论过程控制和热工自动化控制系统的组成与分类控制系统的性能指标控制对象的动态特性控制仪表SAMA表示的控制系统图常规控制规律单回路控制系统串级控制系统前馈-反馈控制系统比值控制系统大迟延控制系统、分程控制系统汽包锅炉蒸汽温度控制系统汽包锅炉给水控制系统锅炉燃烧过程控制系统单元机组协调控制系统热工控制系统3第一次课：概论过程控制和热工自动化控制系统的组成与分类控制系统的性能指标控制对象的动态特性控制仪表SAMA表示的控制系统图热工控制系统4一、概论-过程控制和热工自动化1、过程控制与热工控制自动化→工业自动化→过程控制→热工控制过程控制是工业自动化的一个分支，过程指按照一定流程连续不间断生产的工业生产过程（如汽车）、热工过程（如火电厂）、化工过程（如造纸厂）等。热工控制系统52、特点系统庞大，被控对象复杂，控制方案多样被控过程惯性大、延迟大、非线性等，控制难度大生产环境特殊，安全、经济性要求高参数控制为主要控制方式，参数主要有温度、压力、流量、液位、成分等自动化仪表控制热工控制系统63、发展控制理论的发展经典控制理论、现代控制理论、智能控制技术装备的发展初期、基地式仪表、电动单元组合仪表、计算机控制计算机控制直接数字控制DDC（Directdigitalcontrol）监督计算机控制SCC（supervisorycomputercontrol）集散控制DCS（distributedcontrolsystem）现场总线控制FCS（fieldbuscontrolsystem）热工控制系统7自动控制发展历史1）1788年，瓦特——蒸汽机转速调节机构热工控制系统82）1868年，英国物理学家马克斯威尔（J.C.Maxwell）——稳定3）1877年，劳斯(Routh)——稳定判据4）1895年，瑞典科学家胡尔维茨——稳定判据5）1892年，俄罗斯数学力学家A.M.Lyapunov——稳定6）1928年，贝尔实验室的哈罗德.布莱克（HaroldBlack）——负反馈7）1932年，美国通信工程师H.奈奎斯特（HarryNyquistNyquist）——电子电路中负反馈放大器的稳定性条件8）1948年，美国数学家维纳——《控制论》9）1954年，钱学森——《工程控制论》热工控制系统9LyapunovMaxwellLaplaceWienerNyquistRouthNicholsShannon热工控制系统10电厂中央控制室热工控制系统11计算机组态图热工控制系统124、火电机组热工过程自动化的内容自动检测：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。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。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。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。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。热工控制系统135、火电机组热工过程按功能划分数据采集与处理系统（DAS=DataAcquisitionSystem）顺序控制系统（SCS=SequenceControlSystem）模拟量控制系统（MCS=ModulatingControlSystem）协调控制系统（CCS=CoordinateControlSystem）燃烧器管理系统（BMS=BurnerManageSystem）数字电液控制系统（DEH=DigitalElectro-HydraulicControlSystem）小机电液控制系统（MEH=MachineElectricHydraulicSystem）汽机旁路控制系统（BPS=BypassControlSystem）汽机紧急跳闸系统（TTS=TurbineTripSystem）汽机检测仪表系统（TSI=TurbineSuperviseInstrument）热工控制系统146、对热工自控设备和系统的要求工作可靠，在任何情况下，都有操作手段的双向平衡无扰切换专用的监控装置，对工况监视、报警、联锁设备的抗干扰能力强使用和维护方便热工控制系统15一、概论-控制系统的组成与分类1、控制系统的组成2W给水53416蒸汽D图1-1锅炉给水人工调节示意图1.过热器；2.汽包；3.省煤器；4.水冷壁；5.给水调节阀；6.水位计。h热工控制系统16给水w蒸汽D测量单元调节单元给定单元执行单元1235图1-2汽包锅炉给水自动调节示意图6h1.过热器；2.汽包；3.省煤器；5.给水调节阀；6.水位计热工控制系统17热工控制系统18被控对象（对象或过程）被控参数（被控量或被调量）干扰（扰动）内扰（如给水压力变化）外扰（如蒸汽流量变化）控制量（调节量）测量元件测量值给定值偏差调节机构闭环和开环给定值r控制器调节阀对象测量变送器偏差e执行器控制量u调节介质干扰被控量热工控制系统19构成控制系统的四个主要部件：被控对象测量变送器控制器调节机构（执行器）热工控制系统202、控制系统的分类分类方法很多（如按结构、按工艺参数、按控制任务、按装置、按闭环等），每一种分类方法只反映控制系统某一方面的特点按系统结构反馈控制系统前馈控制系统前馈-反馈控制系统按给定值定值控制系统随动控制系统程序控制系统热工控制系统21一、概论-控制系统的性能指标1、控制系统的基本形式热工控制系统222、性能指标热工控制系统23稳态误差（静态偏差）超调量（最大动态偏差）衰减比和衰减率衰减率是指每经过一个波动周期，被调量波动幅值减少的百分数。常被工程上用来描述过渡过程为衰减振荡时的衰减速度。衰减比n是指振荡过程的第一个波的振幅y1与第三个波的振幅y3之比，即n＝y1/y3，它也是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标，反映了振荡的衰减程度。调节时间133111yyyyy热工控制系统24三个衡量控制系统调节品质的性能指标：稳定性准确性快速性热工控制系统25二、控制对象的动态特性1、热工对象的动态特性对控制的意义一个控制系统构成的好坏，在很大程度上取决于对被控对象动态特性了解的程度建立热工控制对象数学模型的目的：1）.设计过程控制系统和整定控制器参数2）.指导设计生产工艺设备3）.进行仿真试验研究4）.培训运行操作人员热工控制系统26通道控制通道干扰通道影响对象动态特性的结构性质：1.容量系数2.阻力3.传递迟延给定值r控制器调节阀对象测量变送器偏差e执行器控制量u调节介质干扰被控量热工控制系统27热工控制对象的动态特点（1）有一定的迟延和惯性（2）阶跃响应曲线的最后阶段表明，被控量可能达到新的平衡，也可能不再平衡有自平衡能力无自平衡能力（3）热工对象不是振荡环节热工控制系统282、有自平衡的单容对象对象在受到扰动后，其被调量不能依靠自身能力使之趋于某一稳定值μ11Q2QksR2Fh图2-2有自平衡单容对象000tttt10Q20QQ2Q1Q0t0t0hhdh()hdG图2-3有自平衡单容对象的阶跃响应曲线热工控制系统29从水位h的数值看，在扰动开始后并没有立即上升，而是经历一段时间慢慢上升到稳态值。从反映输入这个角度来看，水槽这个单容水箱对象是具有惯性。被控对象受到扰动后平衡被破坏，不需外来的调节作用，而依靠被调量自身变化使对象重新恢复平衡，该对象具有自平衡特性热工控制系统30有自平衡的单容对象的传函：P()()1HsksTS热工控制系统313、具有纯迟延的对象0Q图2-13具有纯迟延的单容对象2Qh1Q000tttQ1Q0t0h0Q图2-14(a)有迟延单容对象的阶跃响应曲线th0t010Q00Q热工控制系统32传函：P0()()1sHsKesTs热工控制系统334、有自平衡的多容对象图2-9有自平衡双容对象0Q1R2Q2R1h2h1F2F000tttQ2Q1Q0t10h0Q图2-10(a)有自平衡双容对象阶跃响应曲线t1h0tt2h0tcTcbpa20h10Q20Q00Q热工控制系统34传函：212()()(1)(1)HsKsTsTs热工控制系统355、有自平衡能力的对象1）.对象的自平衡能力：对象受到干扰作用后，平衡状态被破坏，无需外加任何控制作用，依靠对象本身自动平衡的倾向，逐渐地达到新的平衡状态的性质，称为对象的自平衡能力。实质：对象输出量变化对输入量发生影响的结果，或者说，对象内部存在着负反馈。2）.特征参数：(1)自平衡率ρ：(2)时间常数Tc(飞升速度ε)：(3)迟延时间τ：3）.特征参数变化对阶跃响应的影响：tcKgT1K热工控制系统36热工控制系统37热工控制系统38热工控制系统396、无自平衡的单容对象1Q2QkFh图2-7无自平衡单容对象μ000tttt10Q20QQ2Q1Q0t0t0hhaT图2-8无自平衡单容对象响应曲线0热工控制系统40无自平衡的单容对象的传函：P()1()aHssTS热工控制系统417、无自平衡能力多容对象0Q1Q图2-12(a)无自平衡双容对象2Q1h2h1F2F泵000tttQ2Q1Q0t20h0Q图2-12(b)无自平衡双容对象的阶跃响应曲线t2h0t10Q20Q00Q000热工控制系统42传函：2()1()(1)aHssTsTs热工控制系统438、无自平衡能力延迟时间响应速度热工控制系统44热工控制系统45热工控制系统469、近似传函有自平衡能力无自平衡能力()(1)ncKWsTs1()(1)nacWsTsTs热工控制系统47三、控制仪表1、概述分类（按控制仪表与自动控制系统中的检测、变送、显示等各部分的组合方式不同分类）基地式仪表：将测量、变送、显示及控制等功能集于一身的一种控制仪表基地式的名称是指它和后来出现的“单元组合式”仪表相比，比较适于在现场作就地检测和调节之用而得来的结构比较简单,常用于单机控制系统。单元组合式仪表：把整套仪表按照其功能和使用要求，分成若干独立作用的单元，各单元之间用统一的标准信号联系。使用时，针对不同的要求,将各单元以不同的形式组合，可以组成各种各样的自动检测和控制系统。（即“积木式”）DDZ-Ⅰ型——电子管器件为主要器件（0～10mA）DDZ-Ⅱ型——晶体管等分立元件为主要器件（0～10mA）DDZ-Ⅲ型——线性集成电路作为核心器件（4～20mA）热工控制系统484～20mA的优点4～20mA标准型号具有下述优点：与电压信号（0～5V）比较，电流信号更适合远传电流做信号，仪表可以采用两线制与0～10mA电流信号比较，4～20mA电流零点为4mA，便于判断是数值为0，还是仪表故障（断线）热工控制系统492、电动单元组合式仪表特点：可以用有限的单元组成各种各样的控制系统,具有高度的通用性和灵活性。可以通过转换单元,把气动表、电动表,甚至液动表联系起来,混合使用。由于各单元独立作用,所以在布局、安装、维护上也更合理、更方便。仪表大都采用力平衡或力矩平衡原理,工作位移小、无机械摩擦、精度高、使用寿命长、性能较好。由于零部件的标准化、系列化,有利于大规模生产,降低了成本,提高了产量和质量。有利于发展新品种,采用新工艺、新技术。热工控制系统50单元组合仪表一般可以分为八大类单元：变送单元(B)显示单元(X)给定单元(G)辅助单元(F)控制单元(T)计算单元(J)转换单元(Z)执行单元(K)单元组合仪表控制系统调节单元变送单元给定单元显示单元调节对象执行单元调节量被调量热工控制系统51四、SAMA表示的控制系统图SAMA图是美国科学仪器制造协