熱工控制系統(tǒng)課堂ppt-第一章-概論

熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)劉頎TelQ:77214683E-mail:cumtfluidliu@163.com(ThermalProcessAutomaticAdjustment)引言自動(dòng)化的作用:定義：設(shè)備+自動(dòng)化裝置

(代替部分勞動(dòng)，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行，用自動(dòng)化裝置管理生產(chǎn)過(guò)程方法-自動(dòng)化)

作用：

1.提高生產(chǎn)效率(速度、成本、產(chǎn)量、質(zhì)量，受人的觀察、控制、體力的限制);2.減輕勞動(dòng)強(qiáng)度工作條件（溫度、壓力、危險(xiǎn)、有毒）;3.保證生產(chǎn)安全(人員、設(shè)備操作不當(dāng));4.促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步(勞動(dòng)者素質(zhì)提高，腦體差別縮小)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成人工控制：眼、腦、手(速度、精度)；人在完成一項(xiàng)有目的的任務(wù)所經(jīng)歷的過(guò)程:眼睛觀察大腦分析決策、預(yù)期目標(biāo)眼睛：眼觀六路，耳聽(tīng)八方例：駕駛汽車大腦：分析綜合情況，決定怎么做手腳：執(zhí)行機(jī)構(gòu)油門加減（腳）剎車點(diǎn)剎/剎死？（腳）方向左右，轉(zhuǎn)向燈（手）系統(tǒng)組成：被控對(duì)象（設(shè)備）；測(cè)量元件與變送器；控制器；執(zhí)行器四部分自動(dòng)控制：檢測(cè)、控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)；指在無(wú)人直接參與情況下，通過(guò)自動(dòng)化儀表和自動(dòng)控制裝置（包括計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）完成火電廠熱力過(guò)程參數(shù)測(cè)量、信息處理、自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)保護(hù)。測(cè)量元件與變送器：測(cè)量并轉(zhuǎn)化統(tǒng)一信號(hào);控制器：比較得偏差、運(yùn)算輸出控制信號(hào);執(zhí)行器：根據(jù)控制器信號(hào)改變操作量;火電廠熱工自動(dòng)化定義：被控對(duì)象（設(shè)備）:需要監(jiān)控設(shè)備;第一章概論1.熱工過(guò)程自動(dòng)控制的發(fā)展2.熱工過(guò)程自動(dòng)控制的內(nèi)容和分類3.熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)本章內(nèi)容:熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展1.發(fā)展階段電廠生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化控制相對(duì)其他部門來(lái)說(shuō)有較長(zhǎng)的歷史和較高的水平,大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段:(1)初級(jí)就地階段機(jī)組容量小、參數(shù)低，機(jī)/爐/電各參數(shù)之間沒(méi)有或很少有聯(lián)系。時(shí)間：20世紀(jì)50年代前后；特點(diǎn)：主要憑生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用一般控制元件及機(jī)電式控制儀器；采用比較笨重基地式儀表，機(jī)/爐/電各自獨(dú)立分散局部自控；維持幾種主要的熱工參數(shù)，如溫度、壓力、流量及液位等在正常范圍內(nèi)，所用理論為古典控制理論。過(guò)程控制的目的：(2)儀表控制階段時(shí)間：20世紀(jì)50年代未至80年代;特點(diǎn)：出現(xiàn)了電動(dòng)單元組合儀表、巡回檢測(cè)裝置和組裝式儀表;實(shí)現(xiàn)機(jī)、爐作為單元整體來(lái)集中控制，儀表集中，便于監(jiān)視;機(jī)、爐啟、停運(yùn)行比較協(xié)調(diào)，可提高設(shè)備效率，適應(yīng)設(shè)備大型化發(fā)展。儀表發(fā)展，對(duì)過(guò)程控制及對(duì)象特性認(rèn)識(shí)的提高，機(jī)爐集中控制→機(jī)、爐、電集中控制，即單元機(jī)組集中控制。儀表有電動(dòng)單元組合儀表和組裝式儀表，所應(yīng)用理論為古典控制理論為主。電廠生產(chǎn)過(guò)程包括機(jī)組、主、輔機(jī)和全廠各輔助車間作為一個(gè)整體進(jìn)行控制。(3)計(jì)算機(jī)綜合控制階段時(shí)間:20世紀(jì)80年代至今;集成電路、計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，由分散的機(jī)組或車間控制向全車間甚至全企業(yè)的綜合自動(dòng)化發(fā)展。特點(diǎn):隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展，單元機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制分幾個(gè)過(guò)程：所用儀表有：氣動(dòng)儀表、電動(dòng)組合儀表、組裝式儀表及計(jì)算機(jī)。所用理論仍以古典控制理論為主，現(xiàn)代控制理論也在系統(tǒng)中得到應(yīng)用。用一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)機(jī)組的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行整體控制。（a）集中型計(jì)算機(jī)控制對(duì)計(jì)算機(jī)的要求過(guò)高，一旦計(jì)算機(jī)出事，影響整個(gè)機(jī)組的生產(chǎn)，實(shí)際上我國(guó)夸越了這個(gè)階段。缺點(diǎn):它把各機(jī)組之間、廠級(jí)管理、調(diào)度等用一臺(tái)功能很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行上位集中管理；微機(jī)大量生產(chǎn)，成本的降低，性能的提高，逐漸由集中控制改為用微機(jī)進(jìn)行局部控制，克服了上述控制的缺點(diǎn)，但各系統(tǒng)之間難以協(xié)調(diào)。（b）分散型計(jì)算機(jī)控制（c）分散控制系統(tǒng)而把各單元機(jī)組的各子系統(tǒng)用若干臺(tái)微機(jī)進(jìn)行分散控制，充分發(fā)揮了集中管理和分散控制各自的優(yōu)點(diǎn)，是一種比較理想的控制系統(tǒng)。代表了新世紀(jì)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展方向。（d）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)分散控制系統(tǒng)進(jìn)一步分散，將過(guò)程控制微機(jī)進(jìn)一步小型化。用現(xiàn)場(chǎng)總線將分散到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，執(zhí)行測(cè)控任務(wù)的智能變送器、智能執(zhí)行器等設(shè)備連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)集中管理，2.大型機(jī)組特點(diǎn)

1.監(jiān)視點(diǎn)多(600MW機(jī)組I/O點(diǎn)多達(dá)3000～5000個(gè)，隨著發(fā)電機(jī)-變壓器組和廠用電源等電氣部分監(jiān)視納入DCS之后，I/O點(diǎn)已超過(guò)7000個(gè))

2.參數(shù)變化速度快和控制對(duì)象數(shù)量大(600MW機(jī)組超過(guò)1300個(gè))，而各個(gè)控制對(duì)象又相互關(guān)聯(lián)，所以操作稍一失誤，所引起的后果是十分嚴(yán)重的。故傳統(tǒng)機(jī)、電、爐分別監(jiān)控不能適應(yīng)像600MW這樣大型單元機(jī)組監(jiān)控的要求。大機(jī)組的監(jiān)視與控制操作任務(wù)也不能交運(yùn)行人員去完成(體力、腦力勞動(dòng)強(qiáng)度，及時(shí)、人為操作失誤），因此必須由高度計(jì)算機(jī)化的機(jī)組集控取而代之。3.大型機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)作用

(1)在機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中，自動(dòng)化系統(tǒng)能根據(jù)機(jī)組運(yùn)行要求，自動(dòng)將運(yùn)行參數(shù)維持在要求值，以期取得較高的效率(如熱效率)和較低的消耗(如煤耗、廠用電率等)。

(2)機(jī)組運(yùn)行異常（如參數(shù)越限、輔機(jī)跳閘等）時(shí)，自動(dòng)化設(shè)備除及時(shí)報(bào)警外，還能迅速、及時(shí)地按預(yù)定的規(guī)律進(jìn)行處理。既能保證機(jī)組設(shè)備的安全,又能保證機(jī)組盡快恢復(fù)正常運(yùn)行,減少機(jī)組的停運(yùn)次數(shù)。例如:RUNBACK(自動(dòng)快速減負(fù)荷)、RUNUP(強(qiáng)增負(fù)荷)，RUNDOWN(強(qiáng)減負(fù)荷)、FASTCUTBACK(FCB，負(fù)荷快速切回或稱快速甩負(fù)荷)等功能。

(3)當(dāng)機(jī)組從運(yùn)行異常發(fā)展到可能危及設(shè)備安全或人身安全時(shí),自動(dòng)化設(shè)備能適時(shí)采取果斷措施進(jìn)行處理，以保證設(shè)備及人身的安全。如鍋爐主燃料跳間(masterfueltrip,MFT)、汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TSI)和汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)(ETS)等。

(4)在機(jī)組啟停過(guò)程中,自動(dòng)化設(shè)備又能根據(jù)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的熱狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的控制,以避免機(jī)組產(chǎn)生不允許的熱應(yīng)力而影響機(jī)組的運(yùn)行壽命，即延長(zhǎng)機(jī)組的服役期。如汽輪機(jī)的計(jì)算機(jī)應(yīng)力估算和壽命管理系統(tǒng)，汽輪機(jī)自啟停系統(tǒng)(turbineautomaticsystem,TAS)。

(5)隨著電網(wǎng)的發(fā)展,對(duì)自動(dòng)發(fā)電控制(automaticgenerationcontrol,AGC)的要求日趨嚴(yán)格。

AGC是現(xiàn)代電網(wǎng)控制中心的一項(xiàng)基本和重要的功能,是電網(wǎng)現(xiàn)代化管理的需要,也是電網(wǎng)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的需要。而要實(shí)現(xiàn)AGC,單元機(jī)組必須有較高的自動(dòng)化水平,單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)必須能投入穩(wěn)定運(yùn)行。必須指出：自動(dòng)化系統(tǒng)畢竟只能按照人們預(yù)先制定的規(guī)律進(jìn)行工作，而機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的情況卻是復(fù)雜、隨機(jī)的。自動(dòng)化系統(tǒng)一般情況下不需人工干預(yù),特定情況下卻要求人工給以提示或協(xié)調(diào)。無(wú)人值班的火電廠或火電機(jī)組雖經(jīng)嘗試,卻迄今未獲成功，也就是說(shuō)高度自動(dòng)化的火電機(jī)組并非不需要人的干預(yù)，而是需要人的更高層次的干預(yù)?？梢?jiàn)，自動(dòng)化水平高的機(jī)組，要求運(yùn)行人員也具有更高的技術(shù)和文化水平。熱工過(guò)程自動(dòng)控制的內(nèi)容自動(dòng)檢測(cè)自動(dòng)調(diào)節(jié)指正常運(yùn)行時(shí)操作的自動(dòng)化，即在一定的范圍內(nèi)自動(dòng)地適應(yīng)外界負(fù)荷或其他條件的變化，保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。如水位、汽溫、燃燒、輔助設(shè)備。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程及設(shè)備的參數(shù)、信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、加工處理并記錄下來(lái)。如：T、P、Q、U、I等，是控制的基礎(chǔ)。遠(yuǎn)方控制及程序控制遠(yuǎn)方控制：(開關(guān)/按鈕)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中重要的調(diào)節(jié)、截止機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制；程序控制：機(jī)組在啟動(dòng)、停止、增減負(fù)荷、事故處理時(shí)的自動(dòng)化操作。自動(dòng)保護(hù)利用自動(dòng)化裝置對(duì)機(jī)組狀態(tài)、參數(shù)和自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視，異常時(shí)報(bào)警、控制設(shè)備避免事故，保證人身和設(shè)備的安全。熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成調(diào)節(jié)器執(zhí)行器測(cè)量變送器控制對(duì)象給定值+H擾動(dòng)_圖1-1自動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖

控制系統(tǒng)組成:1.測(cè)量變送器2.調(diào)節(jié)器3.執(zhí)行器4.控制對(duì)象

5.被調(diào)量(需要調(diào)節(jié)物理量)8.調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(如閥門、檔板)6.調(diào)節(jié)量(控制被調(diào)量變化的量)7.擾動(dòng)(外擾動(dòng)、內(nèi)擾動(dòng))1.自動(dòng)控制系統(tǒng)組成2.大型火電廠自動(dòng)控制系統(tǒng)組成(1)單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(coordinationcontrolsystem,CCS)；

(2)鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(furnacesafeguardsupervisorysystem,FSSS)或稱燃燒器管理系統(tǒng)(burnermanagementsystem,BMS)；(3)順序控制系統(tǒng)(sequencecontrolsystem,SCS);(4)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(dataacquisitionsystem,DAS);

(5)汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(digitalelectrichydraulicsystem,DEH)和給水泵汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)(machineelectrichydraulicsystem,MEH);(6)旁路控制系統(tǒng)(bypasscontrolsystem,BPS);(7)汽輪機(jī)自啟動(dòng)系統(tǒng)(TAS)；(8)RUNBACK、RUNUP、RUNDOWN、FCB;(9)汽輪機(jī)監(jiān)視儀表(TSI)和汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)(ETS);(10)輔助系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)。上述大型火電機(jī)組的十項(xiàng)自動(dòng)化功能，尤以前五項(xiàng)最為重要，它們集中反映了機(jī)組的自動(dòng)化水平。表1-2列出了600MW機(jī)組及部分350Mw機(jī)組五大功能的熱控設(shè)備配置。自動(dòng)控制系統(tǒng)分類1.按控制方式分：控制設(shè)備和對(duì)象之間在信號(hào)傳遞上沒(méi)有形成閉合回路，直接根據(jù)擾動(dòng)進(jìn)行控制，又稱為“前饋控制”。圖1-2。圖1-2即反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中被調(diào)量的信號(hào)反饋到輸入端作為調(diào)節(jié)器產(chǎn)生控制作用依據(jù)，只要偏差存在就產(chǎn)生控制作用(圖1-1)。閉環(huán)控制系統(tǒng)：開環(huán)控制系統(tǒng)：復(fù)合控制系統(tǒng)：反饋+前饋，綜合了開環(huán)和閉環(huán)控制的各自優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)外界擾動(dòng)f作用于控制系統(tǒng)時(shí)，先按開環(huán)原理進(jìn)行粗調(diào)，再按閉環(huán)反饋進(jìn)行細(xì)調(diào)。圖1-3。圖1-3調(diào)節(jié)器執(zhí)行器測(cè)量變送器控制對(duì)象給定值+H擾動(dòng)_圖1-1自動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖2.按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分：反饋控制系統(tǒng)根據(jù)被調(diào)量與其給定值之間偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，“偏差調(diào)節(jié)”；“偏差調(diào)節(jié)”要反復(fù)調(diào)節(jié)，時(shí)間較長(zhǎng)，可克服擾動(dòng)影響；要進(jìn)行穩(wěn)定性分析；控制落后擾動(dòng)，作用不及時(shí)。工作原理：特點(diǎn)：前饋控制系統(tǒng)工作原理：根據(jù)根據(jù)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，補(bǔ)償或抵消影響，“擾動(dòng)調(diào)節(jié)”；特點(diǎn)：“擾動(dòng)調(diào)節(jié)”可及時(shí)制止被調(diào)量變化，控制時(shí)間短，只能克服某種擾動(dòng)影響；不要進(jìn)行穩(wěn)定性分析。3.按閉合回路數(shù)目分：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)只有一個(gè)被調(diào)量反饋到調(diào)節(jié)器輸入端，只形成一個(gè)閉合回路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，如圖1-1，也稱單級(jí)控制系統(tǒng)。多回路控制系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)控制性能，引入局部反饋，閉合回路不只一個(gè)，這就形成多回路控制系統(tǒng)，如圖1-4，由兩個(gè)調(diào)節(jié)器串接一起，也稱串級(jí)控制系統(tǒng)。圖1-44.按給定值的變化規(guī)律分：定值控制系統(tǒng)給定值保持恒定或在一小范圍內(nèi)變化。如汽泡水位控制系統(tǒng)、爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)。隨動(dòng)控制系統(tǒng)給定值的變化規(guī)律事先未知、不確定，要求保持被調(diào)量以一定精度跟隨給定值變化。如爐燃燒控制系統(tǒng)、滑壓運(yùn)行時(shí)主蒸汽P的給定值隨外界負(fù)荷變化而規(guī)律未知。程序控制系統(tǒng)給定值是預(yù)定的時(shí)間函數(shù)，如汽機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，預(yù)先擬定轉(zhuǎn)速的給定值隨時(shí)間的變化規(guī)律，要求汽機(jī)按此規(guī)律變化。指系統(tǒng)受外界干擾后的表現(xiàn)形式：（四種，如下圖）一、控制過(guò)程的基本形式控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)經(jīng)△t后，趨于新的平衡狀態(tài)，是比較理想過(guò)程。連續(xù)控制系統(tǒng)中一般認(rèn)為不穩(wěn)定，但在雙位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中只要振蕩幅值在允許范圍內(nèi)，可以采用。（1）發(fā)散振蕩：又稱單調(diào)過(guò)程，是過(guò)程允許的，但時(shí)間長(zhǎng)，不理想。不穩(wěn)定過(guò)程，系統(tǒng)盡量避免；（2）等幅振蕩：（3）衰減振蕩：（4）非振蕩：常用時(shí)域性能指標(biāo)，分為單項(xiàng)性能指標(biāo)和綜合性能指標(biāo)。反應(yīng)控制系統(tǒng)品質(zhì)的優(yōu)劣，可計(jì)算或觀察控制過(guò)程曲線得到。二、性能指標(biāo)常用性能指標(biāo)(如圖)：1.靜態(tài)偏差e(∞)定值控制系統(tǒng)：被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)值與新給定值之間的長(zhǎng)期偏差，圖e(∞)。隨動(dòng)控制系統(tǒng)：作用：衡量控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)，反應(yīng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，其大小根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)控制系統(tǒng)精度要求確定。指被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的長(zhǎng)期偏差，圖y(∞)。2.最大動(dòng)態(tài)偏差ym和超調(diào)量σ定值控制系統(tǒng)：ym用來(lái)衡量被調(diào)量偏離給定值的程度；被調(diào)量最大動(dòng)態(tài)偏差是指調(diào)節(jié)過(guò)程中被調(diào)量偏離給定值的最大暫時(shí)偏差，圖中ym=y1+y(∞)?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)滿足最大擾動(dòng)下，被調(diào)量的ym不應(yīng)超過(guò)正常生產(chǎn)的允許值。隨動(dòng)控制系統(tǒng)：σ用來(lái)衡量被控制量偏離給定值的程度。σ定義為：若ym或σ愈大，則表示被調(diào)量偏離生產(chǎn)規(guī)定的狀態(tài)愈遠(yuǎn)。3.衰減率ψ和衰減比n衰減率：指每經(jīng)過(guò)一個(gè)波動(dòng)周期，被調(diào)量波動(dòng)幅值減少的百分?jǐn)?shù)。定義式：其中y1,y3分別表示什么意思？

ψ用來(lái)描述過(guò)渡過(guò)程為衰減振蕩時(shí)的衰減速度，根據(jù)ψ可判別過(guò)程的性質(zhì)和形式：ψ<0，過(guò)程發(fā)散，系統(tǒng)不穩(wěn)定；

ψ=0，等幅振蕩過(guò)程，系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定，不利因素?cái)_動(dòng)可成發(fā)散；0<ψ<1，過(guò)程衰減振蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定；ψ=1，調(diào)節(jié)過(guò)程不振蕩（非周期過(guò)程），系統(tǒng)穩(wěn)定性高；由上可知，Ψ值可以判別系統(tǒng)穩(wěn)定性，衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)。ψ≤0系統(tǒng)不穩(wěn)定；0<ψ≤1時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定；還可表示系統(tǒng)穩(wěn)定裕量的大小，ψ