热工过程自动调节

热工过程自动调节讲授：王峰明一.教材内容•1.自动控制原理•2.自动控制设备•3.自动控制系统二.学习方法•1.基本知识的掌握•2.基本技能的掌握•3.注意与现场联系三.参考资料•自动控制原理•自动调节原理•自动调节设备及系统•热工过程自动调节及系统四、几点要求第一章自动调节的基本概念1.1电厂自动化的内容控制(Control)、报警(Alarm)、监测(Monitor)和保护（Protection）简称CAMP。1.2自动调节的基本概念调节调节对象被调量给定值扰动调节作用量调节机构变送部件运算部件执行机构调节就是为了达到一定的目的,对和生产过程有关系的设备进行操作.利用人来完成所需要的操作过程叫人工调节.由仪器、仪表完成的这一操作过程称为自动调节.人工调节自动调节调节1、人工调节眼脑手调节对象是指被调节的生产过程或设备.调节对象被调量是指通过调节所要维持的物理量.被调量给定值是指根据生产要求，被调量所应该具有的值。给定值扰动是指能引起被调量变化的各种原因.它分为内扰和外扰两种.内扰是指发生在调节通道内的扰动.外扰是指发生在调节通道外的扰动.扰动内扰外扰调节变量是指在调节作用下，控制被调量变化的物理量。调节作用量调节机构是指在生产设备上用来改变调节变量的装置.调节机构测量变送部件(变送器)是指用来测量被调量,把物理参数转换成某种便于远距离传送,并与被调量成比例的测量信号.(变送器)运算部件(调节器)是指接受变送器来的被调量信号,并把它与给定值比较(调节器)执行机构是指按照调节器发出的调节信号使调节机构动作,改变调节作用.执行机构过热器汽包省煤器给水调节阀WD变送器比较运算执行器定值器hh0自动调节装置汽包锅炉给水自动调节示意图眼脑手1.3自动调节系统方框图变送器xY调节器调节对象关键词：1.相加点2.分支点3.环节4.信号线5.输入量和输出量6.流入量和流出量我们重视的是环节的特性，即环节输入量和输出量的因果关系（数学关系），具有相同因果关系的环节称为同类环节。R1R2u1u2u1u2电阻分压器xyxyab杠杆系统注意：•1、方框图中的每一方框表示一个环节，该方框并不是代表一个设备或部件的结构，而是反映作用于这个环节上的输入、输出信号间的内在因果关系。•2、方框图表示的是调节系统动态过程中信号传递与转换关系，而不是生产流程，箭头方向不是物质的流动方向。•3、对于每一个环节，信号的作用方向是不可逆的，具有单向传递性。•4、对同一个系统，方框图的形式不是唯一的。•5、“”称为比较点，相当于加法器。输入量加、减用“＋”、“－”表示。输出量是输入量的代数和。•6、“⊥”称为引出点，从该点引出的所有输出信号支路的信号均相等。•7、反馈：从系统的输出量c到调节器的输入，引了一个信号，该信号就称作反馈。如果它消弱了调节器的输入信号(r-c)，故为负反馈。•8、闭环调节系统：该系统的信号流向构成一个闭合回路。1.4自动调节系统的分类一.按给定值信号的特点分类1.恒值调节系统2.程序调节系统3.随机（动）调节系统二.按调节系统的结构分类1.闭环（反馈)调节系统2.前馈调节系统3.复合调节系统三.按调节系统闭环回路的数目分类1.单回路调节系统2.双回路调节系统3.多回路调节系统四.按被调量数目分类1.单输入单输出(SISO)调节系统2.多输入多输出(MIMO)调节系统五.按调节作用的形式分类1.连续调节系统2.离散调节系统六.按系统的特性分类1.线性调节系统2.非线性调节系统课后•请大家结合教材实例细心领会被调量给定值扰动被调对象调节作用量调节机关（机构）执行机构等概念的真正内涵1.5自动调节系统的性能一、典型输入函数1.阶跃函数2.斜坡函数3.脉冲函数4.正弦函数1.阶跃函数X(t)={0tt0X0t=t0tX(t)0x0(1).阶跃函数的数学表达式(2).单位阶跃函数1(t)X(t-t0)={X0=1(3).t=t0时刻出现的阶跃函数0t0X0t=0X(t)0x0t0t2.斜坡函数(1).斜坡函数的数学表达式X(t)={0t0vtt=ot0X(t)a=tg-1v(2).单位斜坡函数V=13.脉冲函数t0X(t)A/t00tX(t)-A/t0t0X(t)A/t0t0t0t0t0t0t0t0A.(t)(1).正阶跃函数(2).负阶跃函数(3).方波函数(4).脉冲函数X(t)=lim[1(t)-1(t-t0)]t00At0(5).单位脉冲函数A=1[(t)](1).正弦函数x(t)=Asint是振幅为A，角频率为ω的周期函数.ω4.正弦函数(2).正弦输出的幅值和相角都是正弦输入信号角频率ω的函数.称为频率特性二、典型的调节过程c(t)t0c(t)t0c(t)t0c(t)t0非周期调节过程衰减振荡过程等辐振荡过程渐扩振荡过程三、主要的性能指标1、稳定性调节系统的稳定性问题是由于闭环反馈作用引起的,而负反馈是自动调节系统稳定的必要条件.2.准确性1）.动态偏差是指整个调节过程中被调量偏离给定值的最大偏差值2）.静态偏差e∞是指调节过程结束后,被调量与给定值之间的偏差三.快速性第二章自动调节系统的数学模型一.静态特性二.动态特性三.动态特性的表示方法2.1系统和环节的特性环节(系统)的输出量和输入量在下的关系.一.静态特性平衡状态环节(系统)的输出量和输入量在中的关系.二.动态特性变动过程变动过程(1).图示法(2).微分方程法(3).传递函数法杠杆输入x(t)输出y(t)举例三.动态特性的表示方法ttX(t)Y(t)00x0y0(1).图示法d2y(t)dy(t)dt2dt6y(t)X(t)Y(t)=kx(t)(2).微分方程法TCS+1KY(S)X(S)Y(S)X(S)K(3)传递函数法2.2拉普拉斯变换微分方程代数方程微积分运算加减乘除（含有复变数S）一.拉普拉斯变换的定义二.拉普拉斯变换的定理三.拉普拉斯反变换一.拉普拉斯变换的定义设f(t)为时间函数,则f(t)的拉普拉斯变换被定义为:F(s)=L[f(t)]=∫f(t)应满足以下两个条件:(1)当t0时,f(t)=0(2)存在常数σ,使得当sσ时,函数e-stf(t)符合绝对可积的条件.01.拉普拉斯变换的定义∞f(t)e-stdt；S=δ+jω2.常见函数的拉普拉斯变换δ(t)1(t)tsintcosteωω11/s1/s2ω/(s2+ω2)s/(s2+ω2)1/（s+a）-at二.拉普拉斯变换的定理1.线性定理如果f(t)=af1(t)±bf2(t);且L[f1(t)]=F1(s),L[f2(t)]=F2(s)则F(s)=L[f(t)]=L[af1(t)]±L[bf2(t)]=aF1(s)±bF2(s))(1)(btateeabtf)]([tfL))((1)11(1)]()([1)(bSaSbSaSabeLeLabSFbtat例：若，求解：2.微分定理如果L[f(t)]=F(s),则L[df(t)/dt]=sF(s)L[d2f(t)/dt2]=s2F(s)3.积分定理如果L[f(t)]=F(s)则L[∫f(t)dt]=F(s)L[∫∫f(t)dt2]=F(s)1s1s2t0t0t04.位移定理如果f(t)=e-αtf1(t);且L[f1(t)]=F1(s),则F(s)=L[f(t)]=L[e-αtf1(t)]=F1(s+α)5.迟延定理如果f(t)=f1(t-τ);且L[f1(t)]=F1(s),则F(s)=L[f(t)]=L[f1(t-τ)]=e-τsF1(s)6.初值定理如果f(t)和df(t)/dt可以进行拉普拉斯变换，且limsF(s)存在，则f(0+)=limsF(s).S→∞S→∞7.终值定理如果f(t)和df(t)/dt可以进行拉普拉斯变换，且limf(t)存在，则f(∞)=limsF(s).t→∞S→0三、拉普拉斯反变换一）.用部分分式法求拉氏反变换例1.F(S)=(S+3)/(S2+3S+2);求f(t).解：F(S)=(S+3)/(S2+3S+2)=b1/(S+1)+b2/(S+2)如何求b1,b2?（1）b1/(S+1)+b2/(S+2)=∴b1+b2=1;2b1+b2=3∴b1=2;b2=-1∴F(S)=2/(S+1)-1/(S+2)∴f(t)=2e-t-e-2t（b1+b2)S+(2b1+b2)(S+1)(S+2)(2).F(S)=(S+3)/(S2+3S+2)=b1/(S+1)+b2/(S+2)两边同时乘以(S+1)，令S=-1则b1=[F(S).(S+1)-b2(S+1)/(S+2)]S=-1=2两边同时乘以(S+2)，令S=-2则b2=[F(S).(S+2)-b1(S+2)/(S+1)]S=-2=-1例2.F(s)=(S2+2S+3)/(S+1)3解：F(s)=b1/(S+1)3+b2/(S+1)2+b3/(S+1)b1=2;两边同时乘以(S+1)3,(S2+2S+3)=b1+b2(S+1)+b3(S+1)2两边求一阶导数2S+2=b2+2b3(S+1)令S=-1,则b2=0将上式再求一次导数2=2b3∴b3=1∴F(s)=2/(S+1)3+1/(S+1)∴f(t)=2t2e-t/2!+e-t=(t2+1)e-t补充：用拉普拉斯变换解线性微分方程例4.d2ydt2+5dydt+6y=6解:S2Y(S)+5SY(S)+6Y(S)=6/S(S3+5S2+6S)Y(S)=6Y(S)=6/(S3+5S2+6S)Y(S)=6S(S+2)(S+3)=1/S-3/(S+2)+2/(S+3)y(t)=1-3e-2t+2e-3tt∞,y(∞)=1练习5.F(S)=S/(S2+1)6.F(S)=S(S+1)2(S+2)7.F(S)=3S(S2+2S+3)8.d2y/dt2+4dy/dt+3y=101.f(t)=cosωt2.f(t)=e-2tsinωt3.f(t)=t+δ(t)4.f(t)=te-2td2ydt2+5dydt+6y=6；求y=？hq1q2RA2、单容液箱(1)输入q1,输出h;分别求传递函数；并求q1=q10时h的响应。R1Cu1u2R21、3、输入u1,输出u2.求传递函数。1.dsinωt/dt=ωcosωt2.应用位移定理2.3传递函数1.传递函数的定义零初始条件下系统（或环节）输出的拉普拉斯变换与输入拉普拉斯变换的比。G(s)=Y(s)/X(s)→Y(s)=G(s)X(s)举例某系统的微分方程为Tdy(t)dt+y(t)=Kx(t)试求系统的传递函数，并求出当输入x(t)为单位阶跃函数1(t)时系统的输出y(t).解对系统的微分方程在零初始条件下进行拉普拉斯变换有TsY(s)+Y(s)=KX(s)即系统的传递函数为G(s)=Y(s)X(s)=KTs+1Y(s)=K/(Ts+1)s;y(t)=K(1-e-t/T)补充：物理装置传递函数的推导hq1q2RA1.单容液箱①(1)输入q1,输出h;(2)输入q1,输出q2.（1）解：dh(t)/dt=[q1(t)-q2(t)]/Aq2(t)=h(t)/R将上面两式两边分别进行拉氏变换ASH(S)=Q1(S)-Q2(S)Q2(S)=H(S)/RASH(S)=Q1(S)-H(S)/R∴G(S)=H(S)/Q1(S)=R/(ARS+1)分别求传递函数。（2）∴G(S)=Q2(S)/Q1(S)=1/(ARS+1)hq1q2A2.单容液箱②输入q1,输出h;求传递函数。解：dh(t)/dt=q1(t)/A将上式进行拉氏变换ASH(S)=Q1(S)∴G(S)=H(S)/Q1(S)=1/ASRCu1u23.RC电路输入u1,输出u2.求传递函数。解：uR(t)=i(t)Ru1(t)-uR(t)=u2(t)i(t)=cdu2(t)/dtUR(S)=RI(S)U1(S)-UR(S)=U2(S)I(S)=CSU2(S)将上面两式两边分别进行拉氏变换U1(S)-RCSU2(S)=U2(S)∴G(S)=U2(S)/U1(S)=1/(RCS+1)h1q1q2R1