熱工控制系統(tǒng)第04次課

1、熱工控制系統(tǒng)熱工控制系統(tǒng)魏建平魏建平熱能工程學(xué)院熱能工程學(xué)院第第4 4次課內(nèi)容次課內(nèi)容單回路系統(tǒng)單回路系統(tǒng)概述概述擾動(dòng)控制通道參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影擾動(dòng)控制通道參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響響測(cè)量變送環(huán)節(jié)測(cè)量變送環(huán)節(jié)執(zhí)行器（閥門特性）執(zhí)行器（閥門特性）PIDPID參數(shù)整定參數(shù)整定除氧水箱壓力和水位控制實(shí)例除氧水箱壓力和水位控制實(shí)例二、單回路控制系統(tǒng)二、單回路控制系統(tǒng)1 1、概述、概述2 2、被控對(duì)象特性對(duì)控制品質(zhì)的影響、被控對(duì)象特性對(duì)控制品質(zhì)的影響3 3、測(cè)量元件和變送器特性對(duì)控制質(zhì)量、測(cè)量元件和變送器特性對(duì)控制質(zhì)量的影響的影響4 4、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響5 5、單回路

2、控制系統(tǒng)的參數(shù)整定、單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定6 6、自動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)的一般步驟、自動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)的一般步驟7 7、單回路控制系統(tǒng)實(shí)例、單回路控制系統(tǒng)實(shí)例- -除氧器壓力除氧器壓力和水位控制和水位控制自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則原則性控制系統(tǒng)的擬定原則性控制系統(tǒng)的擬定提出性能指標(biāo)提出性能指標(biāo)確定控制系統(tǒng)形式確定控制系統(tǒng)形式控制系統(tǒng)的綜合控制系統(tǒng)的綜合確定控制規(guī)律及參數(shù)等確定控制規(guī)律及參數(shù)等控制系統(tǒng)的分析控制系統(tǒng)的分析分析計(jì)算性能指標(biāo)，與既定指標(biāo)比分析計(jì)算性能指標(biāo)，與既定指標(biāo)比較，進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)較，進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)被調(diào)量被調(diào)量y y的選擇的選擇直觀明確的被控量，如過(guò)熱蒸汽溫直觀明

3、確的被控量，如過(guò)熱蒸汽溫度控制度控制間接測(cè)量的物理量，如磨煤機(jī)入口間接測(cè)量的物理量，如磨煤機(jī)入口煤的干燥程度煤的干燥程度磨煤機(jī)出口介質(zhì)磨煤機(jī)出口介質(zhì)溫度溫度可直接測(cè)量，但信號(hào)不好，如燃燒可直接測(cè)量，但信號(hào)不好，如燃燒控制中送風(fēng)量的控制控制中送風(fēng)量的控制煙氣含氧煙氣含氧量（磁性測(cè)氧計(jì)（滯后大）量（磁性測(cè)氧計(jì)（滯后大）氧化氧化鋯測(cè)氧計(jì)）鋯測(cè)氧計(jì)）調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)量u u的選擇的選擇工藝合理性工藝合理性鍋爐主蒸汽壓力：汽機(jī)進(jìn)氣量、鍋鍋爐主蒸汽壓力：汽機(jī)進(jìn)氣量、鍋爐燃燒量爐燃燒量參數(shù)合理性參數(shù)合理性較大的放大系數(shù)，較大的放大系數(shù)，較小的慣性和滯后較小的慣性和滯后三、被控對(duì)象特性對(duì)控制品質(zhì)的影響三、被控對(duì)象特

4、性對(duì)控制品質(zhì)的影響1 1、干擾通道的特征參數(shù)對(duì)控制質(zhì)、干擾通道的特征參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響量的影響1 1）放大系數(shù)）放大系數(shù)KdKd對(duì)控制質(zhì)量的影響對(duì)控制質(zhì)量的影響 ( )cG s( )uG s( )dGsDREC( )(1)uunuKG sT s( )(1)ddmDKGsT s( )ccG sK( )( )( )( )E sD sE sR s( )1( )dDcuRKeK Ke 單位階躍擾動(dòng)單位階躍擾動(dòng)干擾通道的放大系數(shù)干擾通道的放大系數(shù)KdKd越大越大, ,在擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的在擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差、穩(wěn)態(tài)誤差動(dòng)態(tài)偏差、穩(wěn)態(tài)誤差( (靜態(tài)偏差靜態(tài)偏差) )越大；越大；因此因此擾動(dòng)通道放大系數(shù)

5、越小越好擾動(dòng)通道放大系數(shù)越小越好, ,這樣可使動(dòng)態(tài)偏這樣可使動(dòng)態(tài)偏差、穩(wěn)態(tài)誤差減小差、穩(wěn)態(tài)誤差減小, ,控制精度提高控制精度提高 2 2）時(shí)間常數(shù)）時(shí)間常數(shù)T TD D對(duì)控制質(zhì)量的影響對(duì)控制質(zhì)量的影響T Td d的變化將影響系統(tǒng)的變化將影響系統(tǒng)穩(wěn)定性裕度穩(wěn)定性裕度和動(dòng)態(tài)偏差，當(dāng)和動(dòng)態(tài)偏差，當(dāng)干擾通道的時(shí)間常數(shù)干擾通道的時(shí)間常數(shù)T Td d增大時(shí)增大時(shí), ,控制作用減弱，使控制作用減弱，使系統(tǒng)穩(wěn)定性裕度增大；當(dāng)干擾通道的時(shí)間常數(shù)系統(tǒng)穩(wěn)定性裕度增大；當(dāng)干擾通道的時(shí)間常數(shù)T Td d減小時(shí)減小時(shí), ,控制作用加強(qiáng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定性裕度減小?？刂谱饔眉訌?qiáng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定性裕度減小。因此擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)因此擾

6、動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)越大越好越大越好, ,這樣可使系統(tǒng)這樣可使系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕度提高。的穩(wěn)定性裕度提高。 擾動(dòng)通道放大系數(shù) 1111(1)dmcucuDC sGsD sG s GsG s GsT s1dcuKKK從物理意義上講從物理意義上講, ,具有慣性環(huán)節(jié)特性的具有慣性環(huán)節(jié)特性的擾動(dòng)通道擾動(dòng)通道, ,相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器, ,削削弱了擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)工作的影響弱了擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)工作的影響 擾動(dòng)通道階次的影響擾動(dòng)通道階次的影響3 3）遲延時(shí)間對(duì)控制質(zhì)量的影響）遲延時(shí)間對(duì)控制質(zhì)量的影響擾動(dòng)通道遲延時(shí)間擾動(dòng)通道遲延時(shí)間的存在僅使被的存在僅使被調(diào)量在時(shí)間軸上平移了一個(gè)調(diào)量在時(shí)間軸上平移了一個(gè)值即

7、過(guò)值即過(guò)渡過(guò)程增加了一個(gè)渡過(guò)程增加了一個(gè)時(shí)間。并不影響時(shí)間。并不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量系統(tǒng)的控制質(zhì)量 系統(tǒng)有多個(gè)擾動(dòng)系統(tǒng)有多個(gè)擾動(dòng) 擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)的位擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)的位置離輸出置離輸出(被調(diào)量被調(diào)量)越遠(yuǎn)越遠(yuǎn),對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量影響就越小量影響就越小 2 2、控制通道的特征參數(shù)對(duì)控制質(zhì)、控制通道的特征參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響量的影響 1 1）放大系數(shù)）放大系數(shù)KuKu對(duì)控制質(zhì)量的影響對(duì)控制質(zhì)量的影響 控制通道的放大系數(shù)控制通道的放大系數(shù)KcKu KcKu 是一種是一種互補(bǔ)關(guān)系互補(bǔ)關(guān)系, ,對(duì)線性控制系統(tǒng)對(duì)線性控制系統(tǒng)KcKuKcKu可可以通過(guò)調(diào)整控制器的比例系數(shù)以通過(guò)調(diào)整控制器的比例系數(shù)KcKc保

8、證保證兩者的乘積滿足設(shè)計(jì)的要求；兩者的乘積滿足設(shè)計(jì)的要求；( )1dDcuKeK K uKKPcKK2 2）時(shí)間常數(shù)、遲延時(shí)間對(duì)控制質(zhì)量的）時(shí)間常數(shù)、遲延時(shí)間對(duì)控制質(zhì)量的影響影響（1 1）n n階慣性對(duì)象對(duì)控制質(zhì)量的影響階慣性對(duì)象對(duì)控制質(zhì)量的影響 時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)T T：減小控制通道的時(shí)間常數(shù)，能：減小控制通道的時(shí)間常數(shù)，能提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量實(shí)際組成控制系統(tǒng)時(shí)實(shí)際組成控制系統(tǒng)時(shí), ,控制通道是由執(zhí)行器、變控制通道是由執(zhí)行器、變送器、對(duì)象串聯(lián)組成廣義對(duì)象。廣義對(duì)象內(nèi)部各送器、對(duì)象串聯(lián)組成廣義對(duì)象。廣義對(duì)象內(nèi)部各環(huán)節(jié)具有不同的時(shí)間常數(shù)。這些時(shí)間常數(shù)之間應(yīng)環(huán)節(jié)具有不同的時(shí)間

9、常數(shù)。這些時(shí)間常數(shù)之間應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi)相互錯(cuò)開(kāi) 階次階次n n：控制通道的慣性對(duì)象階次：控制通道的慣性對(duì)象階次n n越小越好越小越好（階次（階次n n越大對(duì)被調(diào)量的影響越慢，調(diào)節(jié)的越大對(duì)被調(diào)量的影響越慢，調(diào)節(jié)的也越慢，使控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差、控制過(guò)程也越慢，使控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差、控制過(guò)程的時(shí)間增大，穩(wěn)定性裕度減小的時(shí)間增大，穩(wěn)定性裕度減小 ）（2 2）有遲延對(duì)象對(duì)控制質(zhì)量的影）有遲延對(duì)象對(duì)控制質(zhì)量的影響響 遲延越大遲延越大, , 動(dòng)態(tài)偏差、控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)偏差、控制過(guò)程的時(shí)間越大時(shí)間越大 圖圖4-12時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)TcTc增大能提高系統(tǒng)的控制增大能提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量質(zhì)量 cT小結(jié)：小結(jié)：干擾通道的放大

10、系數(shù)越小越好干擾通道的放大系數(shù)越小越好控制通道的放大系數(shù)：如果被控對(duì)象是線性系控制通道的放大系數(shù)：如果被控對(duì)象是線性系統(tǒng)，則對(duì)控制質(zhì)量無(wú)影響；若是非線性系統(tǒng)，統(tǒng)，則對(duì)控制質(zhì)量無(wú)影響；若是非線性系統(tǒng)，有一定影響有一定影響控制通道的時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)小一些，在采取改控制通道的時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)小一些，在采取改善控制通道動(dòng)態(tài)特性的措施時(shí)，應(yīng)遵循時(shí)間常善控制通道動(dòng)態(tài)特性的措施時(shí)，應(yīng)遵循時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開(kāi)的原則；純遲延和時(shí)間常數(shù)的比值越小，數(shù)錯(cuò)開(kāi)的原則；純遲延和時(shí)間常數(shù)的比值越小，控制質(zhì)量越好控制質(zhì)量越好擾動(dòng)進(jìn)入控制系統(tǒng)的位置距離系統(tǒng)輸出越遠(yuǎn)越擾動(dòng)進(jìn)入控制系統(tǒng)的位置距離系統(tǒng)輸出越遠(yuǎn)越好，干擾通道的時(shí)間常數(shù)越大，擾動(dòng)對(duì)

11、被調(diào)量好，干擾通道的時(shí)間常數(shù)越大，擾動(dòng)對(duì)被調(diào)量的影響就越好，控制質(zhì)量越好；擾動(dòng)通道的純的影響就越好，控制質(zhì)量越好；擾動(dòng)通道的純遲延對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量無(wú)影響遲延對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量無(wú)影響四、測(cè)量元件和變送器四、測(cè)量元件和變送器1 1、變送器原理、變送器原理量程：量程：y y的范圍（的范圍（y yminminy ymaxmax）如如4 420mA20mAx x對(duì)應(yīng)的范圍（對(duì)應(yīng)的范圍（x xminminx xmaxmax）量程遷移量程遷移x xmaxmax y ymaxmax零點(diǎn)遷移零點(diǎn)遷移x xmin min y yminmin例如：例如：0 1004 2010 504 20CmACmA2 2、測(cè)量元件和變

12、送器特性對(duì)控制質(zhì)量的影響、測(cè)量元件和變送器特性對(duì)控制質(zhì)量的影響變送器時(shí)間常數(shù)較小，相當(dāng)于變送器時(shí)間常數(shù)較小，相當(dāng)于比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)，對(duì)控制品質(zhì)影響不大對(duì)控制品質(zhì)影響不大測(cè)量元件可等效為測(cè)量元件可等效為一階慣性環(huán)節(jié)一階慣性環(huán)節(jié)，其與，其與y(t)y(t)的關(guān)系見(jiàn)下圖。的關(guān)系見(jiàn)下圖。y(t)y(t)的幅值變化比的幅值變化比z(t)z(t)大大的多，而且兩者存在相位差。的多，而且兩者存在相位差?？朔y(cè)量變送的慣性：克服測(cè)量變送的慣性：采用快速測(cè)量元件采用快速測(cè)量元件采用微分單元采用微分單元正確選擇測(cè)量變送元件的安裝位置，正確選擇測(cè)量變送元件的安裝位置，保證其有較高的靈敏度和較小慣性保證其有較高的靈敏

13、度和較小慣性五、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響五、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響熱工常用調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：熱工常用調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥空氣煙氣擋板空氣煙氣擋板給煤機(jī)給煤機(jī)給粉機(jī)等給粉機(jī)等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一般時(shí)間常數(shù)很小，可以調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一般時(shí)間常數(shù)很小，可以認(rèn)為是一個(gè)認(rèn)為是一個(gè)比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)選用選用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥時(shí)，要特別注意調(diào)節(jié)閥時(shí)，要特別注意調(diào)節(jié)閥的工作流量特性與理想流量特性的的工作流量特性與理想流量特性的差別差別1 1、調(diào)節(jié)閥的流量方程、調(diào)節(jié)閥的流量方程體積流量體積流量質(zhì)量流量質(zhì)量流量1vppqnACnAp 常數(shù)閥的流通面積閥的阻力系數(shù)閥前后壓差流體密度1CnA閥的流通能力，反映了閥能通過(guò)的流量的大小mvqq

14、Cp閥的可調(diào)比閥的可調(diào)比閥的流量特性閥的流量特性流過(guò)閥門的介質(zhì)的相對(duì)流量與閥桿流過(guò)閥門的介質(zhì)的相對(duì)流量與閥桿的相對(duì)行程之間的關(guān)系的相對(duì)行程之間的關(guān)系maxmaxmaxminminmin=CpqCRpqCCp 不變maxmax( )Qf LqQqlLl相對(duì)流量相對(duì)流量相對(duì)開(kāi)度相對(duì)開(kāi)度2 2、閥的理想流量特性、閥的理想流量特性閥前后壓差不變時(shí)閥前后壓差不變時(shí)3 3、閥的工作流量特性、閥的工作流量特性（1 1）調(diào)節(jié)閥串聯(lián)在管道中的工作）調(diào)節(jié)閥串聯(lián)在管道中的工作流量特性流量特性PSP閥全開(kāi)總壓降比：maxmiminmaxn1SRQQQQ設(shè)時(shí)，閥門的可調(diào)最大流量為，最小流量為閥門理想可調(diào)范圍：100ma

15、x100minminmax1QQQRR SQQQS串實(shí)際中，閥門均處于的狀態(tài)，故實(shí)際可調(diào)范圍：隨壓降比隨壓降比S的減小，閥門在串聯(lián)管路中的可調(diào)范圍下降的減小，閥門在串聯(lián)管路中的可調(diào)范圍下降了了（2 2）調(diào)節(jié)閥在并聯(lián)管路中的工作）調(diào)節(jié)閥在并聯(lián)管路中的工作流量特性流量特性100QXQ總旁路系數(shù)：maxminmaxminQRQQQQQ并旁旁：管路總的最大流量：流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的最小流量：流經(jīng)旁路的流量maxmaxminmax100max=()1(1)QRQQQQQRRX并隨隨X值下降，即旁路增加時(shí)，并聯(lián)管路中調(diào)節(jié)閥可調(diào)范值下降，即旁路增加時(shí)，并聯(lián)管路中調(diào)節(jié)閥可調(diào)范圍急劇下降圍急劇下降六、單回路控制系統(tǒng)的參

16、數(shù)整定六、單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定PIDPID參數(shù)整定就是根據(jù)被控過(guò)程的參數(shù)整定就是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定特性確定PIDPID調(diào)節(jié)器的三個(gè)參數(shù)：調(diào)節(jié)器的三個(gè)參數(shù)：比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間的比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間的大小大小常用工程整定方法：常用工程整定方法：經(jīng)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)法臨界比例帶法臨界比例帶法衰減曲線法衰減曲線法響應(yīng)曲線法響應(yīng)曲線法七、自動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)的一般步驟七、自動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)的一般步驟準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備工作電氣線路和連接管路的檢查電氣線路和連接管路的檢查變送器、控制器（組態(tài)圖）、執(zhí)行變送器、控制器（組態(tài)圖）、執(zhí)行器的檢查器的檢查控制系統(tǒng)試投控制系統(tǒng)試投八、單回路控制系統(tǒng)實(shí)例八、

17、單回路控制系統(tǒng)實(shí)例- -除氧器壓力和水位控制除氧器壓力和水位控制8.1 8.1 除氧器壓力控制除氧器壓力控制除氧器除氧方法：加熱給水至沸點(diǎn)除氧器除氧方法：加熱給水至沸點(diǎn)（一定壓力下，氣體的溶解度隨溫度（一定壓力下，氣體的溶解度隨溫度的升高而變?。┑纳叨冃。┮驕囟葴y(cè)量遲延較大，而飽和溫度因溫度測(cè)量遲延較大，而飽和溫度與飽和壓力之間有確切的對(duì)應(yīng)關(guān)系，與飽和壓力之間有確切的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此采用壓力控制因此采用壓力控制對(duì)象特性：一階慣性環(huán)節(jié)對(duì)象特性：一階慣性環(huán)節(jié)8.1 8.1 除氧器壓力控制除氧器壓力控制1 1）除氧器壓力控制系統(tǒng)除氧器壓力控制系統(tǒng)定壓控制定壓控制 tt0P除氧器壓力對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性%

18、PTI/VKT V/IATIIZT蒸汽至給水泵排氣P除氧器壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)除氧器( )f x8.1 8.1 除氧器壓力控制除氧器壓力控制PTKTIIZT除氧器壓力控制系統(tǒng)30kPaAVA35kPa+_除氧器壓力+_AAIH/LBAIAOddt( )f x負(fù)荷波動(dòng)造成壓力的負(fù)荷波動(dòng)造成壓力的突然變化：突然變化：升高：因溫度變化滯升高：因溫度變化滯后于壓力，造成除氧后于壓力，造成除氧效果不好效果不好降低：造成給水泵壓降低：造成給水泵壓頭不足，給水汽化，頭不足，給水汽化，影響給水泵的安全影響給水泵的安全解決方案：設(shè)定除氧解決方案：設(shè)定除氧器最小壓力，一般為器最小壓力，一般為35kPa35kPa3530dppdt8.1 8.1 除氧器壓力控制除氧器壓力控制2 2）滑壓運(yùn)行除氧器壓）滑壓運(yùn)行除氧器壓力控制系統(tǒng)力控制系統(tǒng)除氧器加熱蒸汽閥全開(kāi)，除氧器加熱蒸汽閥全開(kāi)，除氧器壓力隨汽機(jī)負(fù)荷除氧器壓力隨汽機(jī)負(fù)荷變化而變化，壓力靠汽變化而變化，壓力靠汽機(jī)抽汽自然保持機(jī)抽汽自然保持當(dāng)汽機(jī)負(fù)荷較低時(shí)，需當(dāng)汽機(jī)負(fù)荷較低時(shí)，需要輔助汽源送入除氧器要輔助汽源送入除氧器以維持最低允許壓力以維持最低允許壓力8.2 8.2 除氧器除氧器水位水位控制控制除氧器水位控制系統(tǒng)除氧器水位控制系統(tǒng)儲(chǔ)水量要求可保證鍋爐額定負(fù)荷下