自控2015課件第1章緒論

1、熱工自控原理張雨飛 參考書:現(xiàn)代控制工程 （第三版） 【美】 Katsuhico Ogata 著 盧伯英 于海勛 等譯 電子工業(yè)出版社 Matlab/Simulink與控制系統(tǒng)仿真 王正林 王勝開 陳國順 編 電子工業(yè)出版社 （2005）第1章 緒 論 1.1自動(dòng)控制的概念自動(dòng)控制的目的自動(dòng)控制的含義 一個(gè)正在進(jìn)行的過程或一個(gè)正在運(yùn)行的設(shè)備,不需要人直接干預(yù),能自動(dòng)地按預(yù)期要求進(jìn)行的一切技術(shù)手段都稱自動(dòng)控制。 動(dòng)態(tài)系統(tǒng) 性能指標(biāo)：是表征過程進(jìn)行或設(shè)備運(yùn)行性能“優(yōu)劣”的評價(jià)函數(shù)。第1章 緒 論火電廠熱工過程自動(dòng)控制主要包括（1）自動(dòng)檢測：自動(dòng)地檢查和測量反映生產(chǎn)過程運(yùn)行情況的各種物理量、化學(xué)量以

2、及生產(chǎn)設(shè)備的工作狀況，以監(jiān)視生產(chǎn)過程的進(jìn)行情況和趨勢，稱為自動(dòng)檢測。（2）順序控制：根據(jù)預(yù)先擬定的程序和條件，自動(dòng)地對設(shè)備進(jìn)行一系列的操作，稱為順序控制。順序控制也稱自動(dòng)操作，在發(fā)電廠中主要用于主機(jī)或輔機(jī)的啟動(dòng)和停止。（3）自動(dòng)保護(hù)：在發(fā)生事故時(shí)，自動(dòng)采取保護(hù)措施，以防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大或保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備使之不受嚴(yán)重破壞，稱為自動(dòng)保護(hù)。（4）自動(dòng)調(diào)節(jié)：自動(dòng)維持生產(chǎn)過程在規(guī)定的工況下進(jìn)行，稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)。 1.2 反饋控制的原理 加熱器出口溫度人工手動(dòng)控制控制任務(wù)：在滿足外界負(fù)荷（熱水用戶的用水量）需要的前提下，希望將加熱器出口水溫度控制在預(yù)期要求的溫度上 常用術(shù)語 （1）被控對象：被控制的生產(chǎn)過程稱為

3、被控對象。如圖1-1中的加熱器。（2）被調(diào)量（被控參數(shù)）：表征生產(chǎn)過程是否符合規(guī)定工況的物理量稱被調(diào)量或被控參數(shù)，如圖1-1中的加熱器出口水溫度。（3）給定值：希望被調(diào)量維持的數(shù)值稱為給定值或規(guī)定值。在很多情況下，給定值是不變的，在有些情況下給定值是按一定要求變化的，例如升溫、升壓、升速等過程中，溫度、壓力和速度定值就應(yīng)按要求改變。（4）擾動(dòng)：引起被調(diào)量變化的各種原因都稱為擾動(dòng)。在圖1-1中可能引起出口水溫度變化的原因，如：熱水用戶的用水量（外界負(fù)荷），加熱蒸汽流量，進(jìn)水溫度，蒸汽溫度等變化都是擾動(dòng)。常用術(shù)語（5）控制量（或調(diào)節(jié)量）：由控制（調(diào)節(jié)）作用改變?nèi)タ刂票徽{(diào)量變化的物理量稱控制量（或調(diào)

4、節(jié)量），如圖1-1中的蒸汽流量。（6）控制機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)機(jī)關(guān)）：接受控制（調(diào)節(jié)）作用去改變控制量（調(diào)節(jié)量）的設(shè)備稱控制（調(diào)節(jié)）機(jī)構(gòu)，如圖1-1中的蒸汽流量控制閥門。 反饋控制開環(huán)控制 信息傳輸沒有構(gòu)成閉合回路 用上述術(shù)語來表示，控制就是消除擾動(dòng)的影響，使被調(diào)量恢復(fù)到等于給定值。反饋控制 操作人員先從被控對象獲得信息（被調(diào)量的大?。?，經(jīng)過判斷、分析，確定控制作用又饋送到被控對象 . 閉環(huán)控制 信息傳輸構(gòu)成了一個(gè)閉合回路 開環(huán)控制開環(huán)控制 被控量對控制沒有影響的系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，無需將被控量與給定值比較，每個(gè)參考輸入量，有一個(gè)固定的工作狀態(tài)。比如洗衣機(jī)。擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，便不能完成既定任務(wù)。只有輸入輸出

5、關(guān)系固定、無擾動(dòng)的系統(tǒng)才能采用。構(gòu)造簡單，容易維護(hù)，成本低，無穩(wěn)定性問題。洗衣機(jī)的輸出品質(zhì):衣服清潔程度.(開環(huán)?)開環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)例穩(wěn)定?開環(huán)?閉環(huán)?精度?閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)例閉環(huán)?測量單元?控制器?執(zhí)行機(jī)構(gòu)?擾動(dòng)?方框圖 圖1-2 加熱器溫度人工調(diào)節(jié)方框圖 表示了在實(shí)現(xiàn)控制的過程中各個(gè)變量之間的關(guān)系 .負(fù)反饋 反饋控制:消除被調(diào)量與給定值偏差.控制作用正確方向是：被調(diào)量高于給定值時(shí),偏差為負(fù),控制作用應(yīng)向減小方向; 被調(diào)量低于給定值, 偏差為正,控制作用應(yīng)向加大方向.因此控制作用的方向與被調(diào)量的變化相反.調(diào)節(jié)過程與偏差 調(diào)節(jié)過程 從擾動(dòng)產(chǎn)生（如用水量增加），使被調(diào)量變化（出口水溫度降低），操作人

6、員改變調(diào)節(jié)機(jī)關(guān)（開大調(diào)節(jié)閥開度）增加蒸汽流量使被調(diào)量最終又回到給定值的過程 。動(dòng)態(tài)偏差 在調(diào)節(jié)過程中，被調(diào)量暫時(shí)偏離給定值 ，之差為動(dòng)態(tài)偏差。過渡過程時(shí)間 調(diào)節(jié)過程所經(jīng)歷的時(shí)間。動(dòng)態(tài)偏差的大小和過渡過程時(shí)間的長短取決于操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)和水平，也取決于控制作用對被調(diào)量影響的特性（對象特性）。 加熱器自動(dòng)控制圖1-3a 加熱器出口溫度自動(dòng)控制示意圖 組成自動(dòng)控制系統(tǒng)所需的設(shè)備 （1）測量單元：用來測量被調(diào)量，并把被調(diào)量轉(zhuǎn)換為與之成比例（或其他固定函數(shù)關(guān)系）的某種便于傳輸和綜合的信號(hào)。（2）給定單元：用來設(shè)定被調(diào)量的給定值，發(fā)出與測量信號(hào)同一類型的給定值信號(hào)。（3）調(diào)節(jié)單元：接受被調(diào)量信號(hào)和給定值

7、信號(hào)比較后的偏差信號(hào)，發(fā)出一定規(guī)律的調(diào)節(jié)指令給執(zhí)行器。 （4）執(zhí)行器：根據(jù)調(diào)節(jié)單元送來的調(diào)節(jié)指令去推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，改變調(diào)節(jié)量。 加熱器自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖 圖1-3b 加熱器出口溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖 速度控制系統(tǒng)工作原理圖過程與思考工作過程 工作于希望速度時(shí)，高壓油不進(jìn)入動(dòng)力油缸的任一側(cè)。 實(shí)際速度低于希望速度時(shí)，速度調(diào)節(jié)器離心力下降，導(dǎo)閥下移，油缸下方進(jìn)油，閥門開大，燃料增多，速度加大。實(shí)際速度高于希望速度時(shí)，速度調(diào)節(jié)器離心力上升，導(dǎo)閥上移，油缸上方進(jìn)油，閥門關(guān)小，燃料減少，速度減小。？控制對象 ？被控變量 ？給定值 ？干擾 ？控制量 溫度控制系統(tǒng)1.3 控制系統(tǒng)的方框圖目的：表示信號(hào)的傳輸關(guān)

8、系環(huán)節(jié) ，信號(hào)傳遞的基本單元 方向、傳遞關(guān)系 圖1-4 方框圖中的一個(gè)環(huán)節(jié) 合并方框圖 1.3 控制系統(tǒng)的方框圖（1）相加點(diǎn)符號(hào)，圖1-6（a） 2個(gè)信號(hào)的 代數(shù)相 加，且有相同量綱。（2）分支點(diǎn)符號(hào): 圖1-6（b）， 表示一個(gè)信號(hào)送到兩個(gè)地方。 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 一按控制變量分類按控制變量的類型可以分成兩類：1斷續(xù)控制系統(tǒng)：如果所要控制的變量是開關(guān)量（開或關(guān)，大或小，有或無），則稱為斷續(xù)控制系統(tǒng)。例如：控制系統(tǒng)按事件的邏輯關(guān)系來決定控制變量的開或關(guān)就是邏輯控制系統(tǒng)；如果根據(jù)規(guī)定的條件和程序來決定控制變量的開或關(guān)，就是順序控制系統(tǒng)。斷續(xù)控制系統(tǒng)主要用于設(shè)備的自動(dòng)起、停和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)

9、以及周期性工作中。2連續(xù)控制系統(tǒng)：所要控制變量是連續(xù)的變量，稱為連續(xù)控制系統(tǒng)。例如各種過程參數(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)都是連續(xù)控制系統(tǒng)。1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類二按信號(hào)的饋送方式分類 1.反饋控制系統(tǒng)：最基本常見控制系統(tǒng).信號(hào)形成一個(gè)閉合回路，稱閉環(huán)控制系統(tǒng)。但它時(shí)刻觀測被調(diào)量，所以可以保證被調(diào)量不會(huì)有太大的偏離。擾動(dòng)作用后要等到被調(diào)量發(fā)生變化并與給定值形成偏差才產(chǎn)生控制作用，控制作用是不及時(shí)的.1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類2前饋控制系統(tǒng)： 直接根據(jù)擾動(dòng)決定控制作用。沒有被調(diào)量的反饋信號(hào)，沒有形成閉合回路，開環(huán)控制。擾動(dòng)一產(chǎn)生，前饋控制器就作用，控制作用是很及時(shí)的。由于開環(huán)控制，控制效果無法檢查，所以調(diào)

10、節(jié)結(jié)束后，不一定能保證被調(diào)量等于給定值。擾動(dòng)信號(hào)必須是可以測量的。 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 為主要的外部擾動(dòng)， 1為其他外部擾動(dòng)。系統(tǒng)可以快速地通過前饋控制器消除主要的外擾（常稱擾動(dòng)補(bǔ)償作用）；同時(shí)，由反饋?zhàn)饔帽ＷC被調(diào)量在允許的范圍內(nèi)。3前饋反饋控制系統(tǒng)：在反饋控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加上主要擾動(dòng)的前饋控制構(gòu)成。1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類三按給定值信號(hào)的特點(diǎn)分類保持的被調(diào)量給定值的不同類型可分為：1恒值控制系統(tǒng)：在運(yùn)行時(shí)被調(diào)量的給定值恒定不變。這是熱工過程自動(dòng)調(diào)節(jié)中應(yīng)用最多的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)。(定值控制）2程序控制系統(tǒng)：被調(diào)量的給定值是預(yù)定的時(shí)間函數(shù)。例如，在汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)，希望轉(zhuǎn)速隨時(shí)間成一定的

11、函數(shù)關(guān)系變化。3隨動(dòng)控制系統(tǒng)：被調(diào)量的給定值決定于某些外來的因素而不是預(yù)先擬定的。例如：在汽輪機(jī)啟動(dòng)過程中，采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的最優(yōu)升速控制。汽機(jī)轉(zhuǎn)速的升速率不是預(yù)先給定的而是通過計(jì)算機(jī)按汽溫（主蒸汽、再熱蒸汽）、汽缸壁溫等具體情況再根據(jù)機(jī)組當(dāng)時(shí)的差膨、振動(dòng)等情況確定的，它是某個(gè)外部條件的控制函數(shù)。這樣的控制系統(tǒng)稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)。4比值控制系統(tǒng)：這種系統(tǒng)維持兩個(gè)變量之間的比值為一定數(shù)值。例如：在鍋爐的燃燒過程自動(dòng)控制中，要求空氣量的變化隨燃料量的變化而成比例變化，這樣才能保證經(jīng)濟(jì)燃燒。1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類四其它分類自動(dòng)控制系統(tǒng)還可根據(jù)其他特點(diǎn)分類，例如：1時(shí)間連

12、續(xù)系統(tǒng)和采樣控制系統(tǒng)：在反饋控制系統(tǒng)中，所有變量都是連續(xù)的時(shí)間函數(shù)，如被調(diào)量是連續(xù)地測量和連續(xù)地進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱為時(shí)間連續(xù)系統(tǒng)；而每隔一段時(shí)間測量一次被調(diào)量和給定值偏差并對生產(chǎn)過程進(jìn)行一次控制的系統(tǒng)稱為采樣控制系統(tǒng)。采樣控制系統(tǒng)中有一個(gè)或以上變量是在時(shí)間上離散的，工作原理則與時(shí)間連續(xù)系統(tǒng)基本相同。2線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)：控制系統(tǒng)可以用線性方程式來描述的系統(tǒng)為線性控制系統(tǒng)，而必須用非線性方程式來描述的系統(tǒng)稱為非線性控制系統(tǒng)。 1.5 控制系統(tǒng)的過渡過程 平衡狀態(tài) 如果系統(tǒng)處于某一起始平衡狀態(tài)，即各個(gè)變量都不隨時(shí)間變化，這種狀態(tài)也稱靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)。過渡過程 當(dāng)有擾動(dòng)發(fā)生時(shí)系統(tǒng)的平衡將被破壞，被調(diào)量發(fā)生

13、變化，通過控制系統(tǒng)的工作經(jīng)過一個(gè)控制過程，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到了一個(gè)新的平衡狀態(tài)，被調(diào)量又等于給定值，這個(gè)過程就是控制的過渡過程 。一個(gè)控制系統(tǒng)在不同類型的擾動(dòng)作用下，它的控制過渡過程是不同的。 1.5 控制系統(tǒng)的過渡過程典型的擾動(dòng)信號(hào) 單位階躍函數(shù)：1.5 控制系統(tǒng)的過渡過程(1)在給定值為單位階躍函數(shù)擾動(dòng)下,圖中(a)為衰減振蕩過程，被調(diào)量經(jīng)過一段時(shí)間振蕩后能很快趨向一個(gè)新的平衡狀態(tài)，這種過渡過程是比較理想的。稱穩(wěn)定過程 ,圖(a):圖(b)是非周期過程，也稱單調(diào)過程，被調(diào)量沒有振蕩，單調(diào)地趨向于一個(gè)新的平衡狀態(tài)，這種過程一般時(shí)間比較長。也是穩(wěn)定過程。 圖(b)：1.5 控制系統(tǒng)的過渡過程(2)1.5 控制系統(tǒng)的過渡過程(3)圖(c)為等幅振蕩，被調(diào)量不停地等幅振蕩，它令執(zhí)行機(jī)構(gòu)反復(fù)振蕩，達(dá)不到新的平衡狀態(tài)。這種過程稱為臨界過程。圖(c) ：1.5 控制系統(tǒng)的過渡過程(4)圖(d)中被調(diào)量不但不能達(dá)到新的穩(wěn)定，而且變化幅度越來越大，是一個(gè)擴(kuò)大振蕩過程，這是絕對不允許