熱工控制第一章+基本理論

熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)2011年春季學(xué)期教師：王永忠第一章熱工過程自動(dòng)控制基本理論

第一節(jié)概述一、熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)在火電廠的作用

1提高機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。

2提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

3減少運(yùn)行人員，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

4改善勞動(dòng)條件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化。安全可靠是機(jī)組運(yùn)行的首要要求。隨機(jī)組容量增大，需監(jiān)控的項(xiàng)目顯著增多。如一臺(tái)500MW的機(jī)組，需監(jiān)控的項(xiàng)目達(dá)1200個(gè)，需操作的項(xiàng)目達(dá)4000多個(gè)。僅啟動(dòng)過程，就需監(jiān)控500多個(gè)項(xiàng)目，進(jìn)行400余項(xiàng)操作。自動(dòng)控制能保證機(jī)組在良好的狀態(tài)下運(yùn)行，可以減少事故停機(jī)的損失和設(shè)備檢修費(fèi)用，提高熱效率，降低熱耗和煤耗。二、火電廠自動(dòng)控制的基本內(nèi)容

1自動(dòng)檢測(cè)

2自動(dòng)調(diào)節(jié)

3遠(yuǎn)方控制及程序控制(或稱順序控制)

4自動(dòng)保護(hù)

三、火電廠自動(dòng)保護(hù)對(duì)象主要包括有鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)本體、輔助設(shè)備、局部工藝過程等。

自動(dòng)檢測(cè)是對(duì)生產(chǎn)過程及設(shè)備的參數(shù)、信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、加工處理、顯示并記錄下來的過程。檢測(cè)參數(shù)有溫度、壓力、流量、液位、電流、電壓、轉(zhuǎn)速、頻率、振動(dòng)、氣體成分、汽水品質(zhì)等。檢測(cè)裝置有測(cè)量?jī)x表、記錄儀表、巡回檢測(cè)裝置、工業(yè)電視等。自動(dòng)調(diào)節(jié)是在一定范圍內(nèi)自動(dòng)適應(yīng)外界負(fù)荷變化或其它條件變化，使生產(chǎn)過程正常進(jìn)行?；痣姀S自動(dòng)調(diào)節(jié)主要包括鍋爐水位調(diào)節(jié)、氣溫調(diào)節(jié)、燃燒調(diào)節(jié)、輔助設(shè)備調(diào)節(jié)等。遠(yuǎn)方控制是指通過開關(guān)或按鈕，對(duì)生產(chǎn)過程中重要的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和截止機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。程序控制主要指機(jī)組或局部系統(tǒng)在啟動(dòng)、停機(jī)、增減負(fù)荷、事故處理時(shí)的一系列操作自動(dòng)化。指對(duì)主機(jī)、輔助設(shè)備、公用系統(tǒng)等自動(dòng)控制，主要包括以下四個(gè)方面的內(nèi)容：指利用自動(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，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)或自動(dòng)切除某些系統(tǒng)和設(shè)備，防止事故擴(kuò)大，保證人身和設(shè)備安全。四、熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)分類1按給定值特點(diǎn)，熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)分：定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。2按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)或信號(hào)的饋送方式分：反饋控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)和前饋－反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)是最常見的控制系統(tǒng)，控制是按被調(diào)量與給定值的偏差起作用的，又稱閉環(huán)控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)指系統(tǒng)的給定值是時(shí)間的函數(shù)。如汽輪機(jī)自啟動(dòng)過程，擬定轉(zhuǎn)速的給定值隨時(shí)間而進(jìn)行規(guī)律性變化，要求汽輪機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速按預(yù)先擬定的這個(gè)規(guī)律進(jìn)行變化。特點(diǎn)：①系統(tǒng)按偏差調(diào)節(jié)，因此控制過程較長(zhǎng)；②閉環(huán)系統(tǒng)需進(jìn)行穩(wěn)定性分析；③控制作用落后于擾動(dòng)，控制作用不及時(shí)。定值控制系統(tǒng)指系統(tǒng)的給定值保持恒定或在較小的范圍內(nèi)變動(dòng)。是現(xiàn)階段熱工控制系統(tǒng)中廣泛使用的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，如鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)。隨動(dòng)控制系統(tǒng)指系統(tǒng)的給定值按預(yù)先不能確定的一些隨機(jī)因素而變化，要求被調(diào)量以一定精度跟隨給定值而變化。如鍋爐燃燒控制系統(tǒng)；鍋爐滑壓運(yùn)行時(shí)，主蒸汽壓力的給定值隨外界負(fù)荷而變化。前饋控制系統(tǒng)指系統(tǒng)根據(jù)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，即利用擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的調(diào)節(jié)作用去補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被調(diào)量的影響。

擾動(dòng)通道

調(diào)節(jié)通道

前饋控制器

λ

y特點(diǎn)：①按擾動(dòng)調(diào)節(jié)可以及時(shí)有效地制止被調(diào)量的變化，控制作用及時(shí)，使控制過程時(shí)間短；②屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，不存在穩(wěn)定性分析問題；③前饋控制主要用于克服生產(chǎn)過程中主要的、可測(cè)的擾動(dòng)。④前饋控制系統(tǒng)一般只能實(shí)現(xiàn)局部補(bǔ)償而不能保證被調(diào)量的恒定不變。GfGoGd

前饋－反饋控制系統(tǒng)指在反饋控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上加入前饋控制系統(tǒng)。在復(fù)合控制系統(tǒng)中把前饋控制稱為粗調(diào)，把反饋控制稱為細(xì)調(diào)。這是目前廣泛應(yīng)用的控制系統(tǒng)。其方框圖見書P40圖1.37

3按控制方式分：開環(huán)控制系統(tǒng)（又稱前饋控制系統(tǒng)）、閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）和復(fù)合控制系統(tǒng)

4按閉合回路的數(shù)目分類：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)和多回路控制系統(tǒng)。

單回路控制系統(tǒng)指只有一個(gè)被控量信號(hào)反饋到控制器的輸入端，形成一個(gè)閉合回路。多回路控制系統(tǒng)指具有一個(gè)以上的閉合回路，控制器（調(diào)節(jié)器）除接受被控量反饋信號(hào)外，還有另外的輸出信號(hào)直接或間接地反饋到控制輸入端。如串級(jí)控制系統(tǒng)屬于多回路控制系統(tǒng)。五

串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)是指在單回路控制的基礎(chǔ)上增加一個(gè)或多個(gè)控制內(nèi)回路，用來控制可能引起被控量發(fā)生變化的因素，從而抑制被控對(duì)象的時(shí)滯特性，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。串級(jí)控制在結(jié)構(gòu)上有兩個(gè)閉環(huán)回路：主回路（主調(diào)節(jié)器）和副回路（副調(diào)節(jié)器）。主回路中主調(diào)節(jié)器有獨(dú)立的給定值，其輸出作為副回路的輸入，起細(xì)調(diào)的作用；副回路的輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，起粗調(diào)的作用；從而完成控制過程。要求副回路時(shí)間常數(shù)小，響應(yīng)速度快。圖1-23串級(jí)控制系統(tǒng)的框圖5.1采用串級(jí)控制系統(tǒng)需滿足的條件：對(duì)象必須可以分段；中間信號(hào)（副參數(shù)）必須可以測(cè)量；副對(duì)象和主對(duì)象的時(shí)間常數(shù)相差比例大，對(duì)應(yīng)的主回路的響應(yīng)速度比較慢。副回路具有快速作用，因此串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路的擾動(dòng)有較強(qiáng)的克服能力存在的副回路慣性由副回路調(diào)節(jié)，改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作效率。串級(jí)系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)偏差比單回路系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差小得多。主回路是一個(gè)定值系統(tǒng)，副回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，其定值來自主調(diào)節(jié)器的輸出。主調(diào)節(jié)器不斷糾正副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器使系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)縮短，很快克服擾動(dòng)，改善動(dòng)態(tài)特性。5.2串級(jí)控制的優(yōu)點(diǎn)（特點(diǎn)）主調(diào)節(jié)器：對(duì)控制生產(chǎn)的要求較高，一般不允許被調(diào)量存在靜差。因此一般選擇采用PI調(diào)節(jié)器，當(dāng)控制對(duì)象惰性的容積數(shù)較多且有主要擾動(dòng)落在副回路以外，可以選用PID控制方式。因?yàn)橹髡{(diào)節(jié)器是減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，同時(shí)提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，保證被調(diào)量滿足系統(tǒng)控制的要求，主要是實(shí)現(xiàn)精確控制作用。副調(diào)節(jié)器：一般采用P調(diào)節(jié)方式，因?yàn)楦闭{(diào)節(jié)器在控制系統(tǒng)中主要承擔(dān)粗調(diào)的作用，也可以采用PI控制器。5.3串級(jí)控制系統(tǒng)中主副調(diào)節(jié)器的選擇5.4串級(jí)控制中主副回路的選擇六

解耦控制（P38)

所謂解耦控制系統(tǒng)，就是采用某種結(jié)構(gòu)，尋找合適的控制規(guī)律來消除系統(tǒng)中各控制回路之間的相互耦合關(guān)系，使每一個(gè)輸入只控制相應(yīng)的一個(gè)輸出，每一個(gè)輸出又只受到一個(gè)控制的作用。不確定性是解耦控制工程實(shí)際中普遍存在的棘手現(xiàn)象。解耦控制是多變量系統(tǒng)控制的有效手段。解耦控制方法（P37-40）傳統(tǒng)解耦控制方法：以現(xiàn)代頻域法為代表。是通過解耦補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)，是解耦補(bǔ)償器與被控對(duì)象組成的廣義系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣為對(duì)角陣，從而把一個(gè)有耦合影響的多變量系統(tǒng)化為多個(gè)無(wú)耦合的單變量系統(tǒng)。

自適應(yīng)解耦控制方法：以多變量自適應(yīng)解耦控制方法為代表。是將被控對(duì)象的解耦、控制和辨識(shí)結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)時(shí)變系統(tǒng)的在線精確解耦控制。是將耦合項(xiàng)作為可測(cè)干擾，采用自校正前饋控制的方法，對(duì)耦合進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)補(bǔ)償。

智能解耦控制方法：在非線性系統(tǒng)解耦控制方面應(yīng)用廣泛。主要包括模糊解耦控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制、魯棒控制。

此外，還可以分為斷續(xù)控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)斷續(xù)控制系統(tǒng)指所要控制的變量是開關(guān)量（開或關(guān)，大或小，有或無(wú)）。主要用于系統(tǒng)中設(shè)備的自動(dòng)啟、停或自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)及周期性工作。連續(xù)控制系統(tǒng)指所控制的變量是連續(xù)的變量。生產(chǎn)過程中各種過程參數(shù)的控制都屬于連續(xù)控制系統(tǒng)。五、熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成（以簡(jiǎn)單反饋控制系統(tǒng)為例）

基本反饋控制系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)為：

1.設(shè)定值（或給定值）

2．調(diào)節(jié)對(duì)象（被控對(duì)象）

表征調(diào)節(jié)對(duì)象是否正常運(yùn)行并需加以調(diào)節(jié)的物理量，稱為被調(diào)量（或被控變量）

引起被調(diào)量偏離其給定值的各種原因稱為擾動(dòng)由調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（閥門、擋板等）改變的流量（或能量），用以控制被調(diào)量的變化，稱為控制量（或調(diào)節(jié)量）設(shè)定值通常選擇表征系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量或運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，即按生產(chǎn)要求被調(diào)量必須維持的希望值。設(shè)定值一般保持恒定，或者隨時(shí)間而改變。如汽包水位、過熱蒸汽溫度，汽輪機(jī)啟動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)速等。對(duì)于鍋爐，為了實(shí)現(xiàn)給水自動(dòng)控制，就要建立以汽包水位作被控對(duì)象，而以給水流量（調(diào)節(jié)量）和蒸汽流量、燃燒率等擾動(dòng)作為輸入信號(hào)的給水調(diào)節(jié)對(duì)象。對(duì)于具有一個(gè)被調(diào)量和一個(gè)調(diào)節(jié)量的調(diào)節(jié)對(duì)象稱為單變量對(duì)象，所構(gòu)成的系統(tǒng)稱為單變量系統(tǒng)。而具有一個(gè)以上被調(diào)量和一個(gè)以上調(diào)節(jié)量的調(diào)節(jié)對(duì)象稱為多變量對(duì)象。3．調(diào)節(jié)器

4．執(zhí)行器

調(diào)節(jié)器可以分為模擬式和數(shù)字式兩種

執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成

在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，以設(shè)定值與被調(diào)量的測(cè)量信號(hào)作為輸入，按照某種規(guī)律對(duì)偏差信號(hào)實(shí)施運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果作為輸出以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的裝置稱為調(diào)節(jié)器。模擬式調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)在時(shí)間上都是連續(xù)的，一般采用通用的調(diào)節(jié)規(guī)律（常用比例、積分、微分調(diào)節(jié)規(guī)律，即調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)是對(duì)偏差信號(hào)實(shí)施的比例、積分、微分運(yùn)算后的結(jié)果，簡(jiǎn)稱PID調(diào)節(jié)規(guī)律）。數(shù)字式調(diào)節(jié)器需用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)所需的調(diào)節(jié)規(guī)律。其被調(diào)量是以在時(shí)間上離散的信號(hào)輸入到調(diào)節(jié)器中，而調(diào)節(jié)器所輸出的調(diào)節(jié)信號(hào)在時(shí)間上也是離散的。如計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的位移去帶動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。圖1.4典型的熱工過程控制系統(tǒng)圖1.3單變量反饋控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖圖中r一設(shè)定值；e一偏差；u一調(diào)節(jié)量；y一被調(diào)量yi，…，v。一擾動(dòng)。擾動(dòng)通道納入了廣義被調(diào)對(duì)象中。第二節(jié)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性一、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)系統(tǒng)是指有特定輸入和輸出的設(shè)備或裝置的一種模型。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱系統(tǒng)。在動(dòng)態(tài)過程中，系統(tǒng)的輸入、輸出和狀態(tài)變量都是時(shí)間的函數(shù)，它們之間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

圖1.6動(dòng)態(tài)系統(tǒng)示意圖u1，u2，…——輸入變量y1，y2，…——輸出變量輸入變量是使動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化的原因，輸出變量是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)在輸入作用下的響應(yīng)（效果），而狀態(tài)變量則是聯(lián)系輸入和輸出的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部變量。二、影響對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的結(jié)構(gòu)性質(zhì)1容量系數(shù)

2阻力

3傳遞延遲

圖1.7有自平衡能力的單容對(duì)象是衡量對(duì)象儲(chǔ)存物質(zhì)或能量能力的一個(gè)特征參數(shù)。

指被調(diào)量變化的時(shí)刻落后于擾動(dòng)發(fā)生的時(shí)刻的現(xiàn)象稱為對(duì)象的傳遞延遲，或稱純延遲。以延遲時(shí)間表示。(P11)

阻力的存在是系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程中表現(xiàn)出自平衡的能力。單容控制對(duì)象指只有一個(gè)貯存物質(zhì)或能量的容積，其可用一階微分方程描述。

三、有自平衡能力單容對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性

1單容對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性

（1）階躍響應(yīng)

，，；；（2）動(dòng)態(tài)方程和傳遞函數(shù)

水箱在時(shí)間內(nèi)，存水量為：，產(chǎn)生水位變化，則故：令：，，則：對(duì)于閥1：——控制閥的比例系數(shù)閥2：阻力得到：（3）特征參數(shù)，包括：

時(shí)間常數(shù)表示的意義：表征對(duì)象在受到擾動(dòng)后，被調(diào)量再次進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間的長(zhǎng)短。（2）放大系數(shù)K表1-1工業(yè)調(diào)節(jié)器的典型調(diào)節(jié)規(guī)律第三節(jié)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律及動(dòng)態(tài)特性

一、基本調(diào)節(jié)作用（注意掌握各自的傳遞函數(shù)及特點(diǎn)）1比例（P）作用比例調(diào)節(jié)作用的傳遞函數(shù)為

工業(yè)中常用比例帶來描述其控制作用的強(qiáng)弱:其物理意義指調(diào)節(jié)閥開度的全范圍改變，即在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的位移改變100％時(shí)，被調(diào)量應(yīng)有的改變量。如，表示調(diào)節(jié)器輸出變化100％時(shí)，需要其輸入信號(hào)變化20％。比例作業(yè)特點(diǎn)：（1）調(diào)節(jié)及時(shí)、迅速（2）當(dāng)調(diào)節(jié)器只有比例作用時(shí)，調(diào)節(jié)量u和偏差e成正比關(guān)系。（3）屬于有差調(diào)節(jié)。即調(diào)節(jié)結(jié)束后偏差依然存在。2積分（I）作用

積分作用是調(diào)節(jié)器的輸出控制作用u與偏差輸入信號(hào)e對(duì)時(shí)間的積分成比例．即：傳遞函數(shù)為：調(diào)節(jié)器控制作用輸出的變化速度：在調(diào)節(jié)過程中，調(diào)節(jié)量的大小與偏差對(duì)時(shí)間的積分成比例，而調(diào)節(jié)量的變化速度卻與偏差的大小成比例。因此，當(dāng)調(diào)節(jié)對(duì)象受到擾動(dòng)的初期．被調(diào)量變化速度快而偏差小，此時(shí)調(diào)節(jié)量的變化速度慢而動(dòng)作幅度小，調(diào)節(jié)動(dòng)作不及時(shí)，而當(dāng)被調(diào)量達(dá)到最高（或最低）值時(shí)，偏差值大、變化速度等于零，此時(shí)調(diào)節(jié)量的變化量已經(jīng)比較大而且還以更快的速度向同一方向變化。因此在熱工過程的自動(dòng)控制中很少采用只具有積分作用的調(diào)節(jié)器。積分調(diào)節(jié)作用的特點(diǎn)：（1）積分調(diào)節(jié)作用不及時(shí)；（2）積分控制作用在積分時(shí)間越小時(shí)越強(qiáng)；（3）消除穩(wěn)態(tài)偏差，實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)結(jié)束后不存在偏差，控制作用體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的后期；（4）只要有偏差e存在，輸出u就隨時(shí)間而不斷改變；當(dāng)偏差e等于零時(shí)，調(diào)節(jié)過程才結(jié)束（重新達(dá)到平衡）。3微分調(diào)節(jié)（D）作用比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)作用的共同點(diǎn)是在偏差出現(xiàn)后才產(chǎn)生控制作用。微分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與偏差輸入信號(hào)的變化速度成正比，對(duì)于定值控制系統(tǒng)，偏差信號(hào)的變化速度是被調(diào)量的變化速度，動(dòng)態(tài)方程式為：傳遞函數(shù)式為：特點(diǎn)：在控制過程的開始階段微分作用較強(qiáng)，具有超前調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，適用于慣性較大的對(duì)象；調(diào)節(jié)作用的大小與偏差值的變化速度成正比，而與偏差值無(wú)關(guān)，因此不能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)控制。在控制系統(tǒng)中能提高控制過程的穩(wěn)定性。上述三個(gè)調(diào)節(jié)作用是基本的，比例作用能單獨(dú)執(zhí)行，并使控制過程趨于穩(wěn)定；積分作用在較少情況下單獨(dú)使用，使控制過程產(chǎn)生振蕩；微分作用不能單獨(dú)執(zhí)行，但能提高控制過程的穩(wěn)定性。二、工業(yè)上應(yīng)用的調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)特性

1比例（P）調(diào)節(jié)器

比例調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)方程式與比例作用的動(dòng)態(tài)方程式相同，即：比例調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：比例帶的作用：比例調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)：比例調(diào)節(jié)器的輸出u對(duì)輸入e的響應(yīng)無(wú)延遲、無(wú)慣性。因此比例調(diào)節(jié)器在控制系統(tǒng)中是使控制過程穩(wěn)定的因素。2.在控制對(duì)象的負(fù)荷發(fā)生變化后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須移動(dòng)到一個(gè)與負(fù)荷相適應(yīng)的位置才能使控制對(duì)象再度平衡。調(diào)節(jié)的結(jié)果是有差調(diào)節(jié)，因而比例調(diào)節(jié)器稱為有差調(diào)節(jié)器。2比例積分（PI）調(diào)節(jié)器

比例作用和積分作用相加組成比例積分作用調(diào)節(jié)器，這是工程上應(yīng)用廣泛的一類調(diào)節(jié)器?？梢哉J(rèn)為是在比例作用的基礎(chǔ)上適當(dāng)加入積分作用，使調(diào)節(jié)結(jié)束后偏差消失?？刂破鞯妮敵龌騽?dòng)態(tài)方程為：調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：比例積分調(diào)節(jié)器中有兩個(gè)參數(shù)—比例增益或比例帶）和積分時(shí)間（或）可供自調(diào)整，以與不同的對(duì)象特性相匹配。其中積分時(shí)間的具體數(shù)值表示出調(diào)節(jié)器中比例作用和積分作用的比值。有兩個(gè)特殊情形：PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線方程式為：PI調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)：（1） 積分時(shí)間越小，積分作用越強(qiáng)；反之，越大，積分作用越弱。（2） 比例帶不僅影響比例作用的強(qiáng)弱，而且影響積分作用的強(qiáng)弱。（3） 是在“粗調(diào)”的基礎(chǔ)上加上“細(xì)調(diào)”，使控制過程結(jié)束后沒有靜態(tài)偏差。具有比例作用及時(shí)和積分作用消除偏差的優(yōu)點(diǎn)。3比例微分（PD）調(diào)節(jié)器比例作用和微分作用相加組成比例微分作用調(diào)節(jié)器。理想比例微分調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)方程式為：PD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：微分作用是輔助的調(diào)節(jié)規(guī)律，它在系統(tǒng)平衡（被調(diào)量變化速度為零）時(shí)不起作用。但由于微分作用對(duì)各種干擾信號(hào)反應(yīng)敏感，因此適用于測(cè)量干擾小的熱工參數(shù)（如溫度）的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。比例微分作用調(diào)節(jié)器在靜態(tài)時(shí)仍具有比例調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)，即調(diào)節(jié)結(jié)果是有偏差存在的。PD調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)：（3） 偏差不變化時(shí)微分作用消失，控制過程結(jié)束后存在靜態(tài)偏差。（1） 當(dāng)調(diào)節(jié)對(duì)象受到擾動(dòng)的初期，被調(diào)量一開始變化，微分作用最強(qiáng)，輸出信號(hào)u（t）立即升至無(wú)限大并瞬間消失，余下比例作用的響應(yīng)曲線。（2） 存在超前調(diào)節(jié)，這種提前于比例作用的動(dòng)作有利于減少被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差，而且由于微分作用的輸出與被調(diào)量的變化速度成比例，也有利于加快調(diào)節(jié)的過程。實(shí)際比例微分調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)方程為：指實(shí)際PD調(diào)節(jié)器的微分慣性時(shí)間常數(shù)。傳遞函數(shù)為：表明實(shí)際PD調(diào)節(jié)器比理想的PD調(diào)節(jié)器增加了一些慣性。4比例積分微分（PID）控制器比例作用、積分作用和微分作用相加組成比例積分微分作用調(diào)節(jié)器。理想的比例積分微分調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)表達(dá)式為：傳遞函數(shù)為：從工程實(shí)用的觀點(diǎn)，比例積分微分調(diào)節(jié)器可以看作是在比例積分作用調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上適當(dāng)加入微分作用。當(dāng)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)中采用PID調(diào)節(jié)器時(shí)，與采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)相比較，可以減小被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差和縮短調(diào)節(jié)過程時(shí)間。三、PID控制器1PID控制器的優(yōu)點(diǎn)2PID控制器的缺陷3理想PID控制的算法采用微分控制作用能預(yù)測(cè)偏差的變化趨勢(shì)，提前進(jìn)行調(diào)控，抑制偏差增大，避免了被調(diào)量的超調(diào)，減小被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差和縮短調(diào)節(jié)過程時(shí)間，有效改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的質(zhì)量指標(biāo)。在控制非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的過程中，控制效果不理想。理想PID算法的常用傳遞函數(shù)形式為：或位置算法在離散控制系統(tǒng)中，進(jìn)行離散化處理進(jìn)行計(jì)算。離散PID算法主要有三類：位置算法、增量算法、速度算法。理想PID位置算法為，對(duì)于小采樣周期，用離散化方法把它轉(zhuǎn)換成差分方程，當(dāng)積分用矩形面積近似時(shí)的算法稱為位置算法：或——積分時(shí)間常數(shù)——微分時(shí)間常數(shù)——采樣周期位置算法的缺點(diǎn)：計(jì)算求和項(xiàng)時(shí)，需作k次加法計(jì)算，增大計(jì)算量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；控制器的運(yùn)算錯(cuò)誤和硬件故障將導(dǎo)致控制閥的劇烈振蕩，引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。增量算法當(dāng)積分用梯形面積近似時(shí)，可以得到同樣形式的增量算式，是指相鄰兩次采樣時(shí)刻的位置差，即：設(shè)則上式變?yōu)椋涸谠隽靠刂扑惴ㄖ休敵霰硎究刂破鞯母淖兞浚捎迷隽靠刂扑惴▽p少控制器的運(yùn)算量，有利于系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)控制周期之間的變化量進(jìn)行幅度限制。增量算法的優(yōu)點(diǎn)：速度算法將增量控制算法除以采樣周期，即得速度算法：從應(yīng)用角度看，采用增量算法和速度算法，在手動(dòng)和自動(dòng)之間的切換較方便。同時(shí)這兩種算法不會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)到極限位置，仍然不能消除偏差時(shí)，由于積分作用，即使PID差分方程式所得的運(yùn)算結(jié)果繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)已無(wú)相應(yīng)的動(dòng)作，這就叫積分飽和。三種算法的選擇，一方面要考慮執(zhí)行器的形式，另一方面要考慮應(yīng)用時(shí)的方便性。4控制精度和采樣周期的確定對(duì)采樣周期的選擇主要考慮以下因素：

①對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性采用周期的選擇應(yīng)考慮時(shí)間常數(shù)和純延遲時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)只是慣性時(shí)間常數(shù)起作用時(shí)，即或，可選當(dāng)系統(tǒng)中純延遲時(shí)間占主導(dǎo)地位時(shí)，時(shí)，?、趫?zhí)行機(jī)構(gòu)的性能③系統(tǒng)擾動(dòng)信號(hào)的頻率要求采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)象的擾動(dòng)信號(hào)的周期。④對(duì)控制質(zhì)量的要求

控制精度越高，采用周期越短。采用周期的選擇必需大于使由計(jì)算機(jī)精度造成的“積分殘差”減小到可以接受的程度。

離散PID算法較模擬PID算法的優(yōu)點(diǎn)：參數(shù)整定無(wú)數(shù)間的關(guān)聯(lián)問題，等效的選取范圍大，積分作用和微分作用的改進(jìn)更靈活。但采用離散PID控制的品質(zhì)較連續(xù)控制的低，其原因是控制作用的實(shí)現(xiàn)要延遲半個(gè)采樣周期。采樣：把時(shí)間連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成時(shí)間離散、幅度連續(xù)的信號(hào)，在某些特定時(shí)刻獲取的信號(hào)叫做采樣，一般都是每隔相等的一小段時(shí)間采樣一次，其時(shí)間間隔稱為采樣周期，它的倒數(shù)稱為采樣頻率。為了提高控制質(zhì)量，采樣周期的選擇非常重要，采樣周期越小，數(shù)字模擬越精確，控制效果越接近于實(shí)際。首先要求采樣周期的確定要遵循香農(nóng)采樣定理5理想PID算法的改進(jìn)目前主要有模糊PID控制系統(tǒng)、專家PID控制系統(tǒng)、基于遺傳算法整定的PID控制系統(tǒng)、帶純滯后環(huán)節(jié)PID控制系統(tǒng)和神經(jīng)PID控制系統(tǒng)。算法的改進(jìn)方法有：（1）積分算法的改進(jìn)：園整誤差問題和積分分離園整誤差指在算法程序中增加一個(gè)求和單元，當(dāng)輸出控制增量出現(xiàn)機(jī)器零時(shí)，將偏差保留在求和單元內(nèi)進(jìn)行疊加，直到其累加結(jié)果使輸出控制作用的增量大于機(jī)器零后，在產(chǎn)生一次輸出控制的同時(shí)，將累加器清零。積分分離

指由于PID控制中的積分作用隨時(shí)間而逐步增強(qiáng)，相對(duì)于單純的比例控制，產(chǎn)生時(shí)間滯后，這種滯后是造成很大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的系統(tǒng)振蕩。在離散PID控制算法中采用了兩種方法進(jìn)行處理：（1）當(dāng)積分控制作用輸出與比例控制作用輸出同向時(shí)，才引入積分作用；（2）當(dāng)偏差的絕對(duì)值小于某一界限后，方引入積分控制，在大偏差的情況下（e(k)>1/2|RK|）將積分作用切除，采用PD控制。這就是所謂的積分分離法。（2）微分算法改進(jìn)：微分先行算法和不完全微分算法微分先行

指只對(duì)被控變量的測(cè)量值求導(dǎo)，而不對(duì)給定值求導(dǎo)。這樣在改變給定值時(shí)不會(huì)造成輸出的突變，而被控量的變化通常是比較緩和的，從而避免了執(zhí)行器的劇烈動(dòng)作。控制算法為：不完全微分算法對(duì)于設(shè)定值經(jīng)常迅速改變的系統(tǒng)，為了減小調(diào)節(jié)器輸出（即調(diào)節(jié)量）的大幅度變化。設(shè)定值不包括在微分項(xiàng)內(nèi)，增量算法改為：式中第四節(jié)單回路反饋控制系統(tǒng)的工作原理及參數(shù)整定（一）單回路控制系統(tǒng)的組成調(diào)節(jié)器和控制對(duì)象是單回路控制系統(tǒng)的兩個(gè)主要組成部分。單回路控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖所示，它是由測(cè)量變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器及控制對(duì)象組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)檢測(cè)中需注意以下幾點(diǎn)：1被調(diào)量的選擇在熱工生產(chǎn)過程中主要是溫度、壓力、流量、化學(xué)成分等。一般情況下需維持的參數(shù)就是被調(diào)量，如鍋爐過熱蒸汽溫度控制就是維持鍋爐過熱器出口蒸汽溫度。但有些參數(shù)不能直接獲得，這是需采取間接方式測(cè)量，如磨煤機(jī)入口介質(zhì)的溫度來代替原煤的干燥度。2控制量的選擇原則上選擇工藝允許作為控制手段的變量作為控制量，如鍋爐負(fù)荷控制系統(tǒng)，其被調(diào)量是主蒸汽壓力，而影響主蒸汽壓力的主要因素是汽輪機(jī)進(jìn)氣量和鍋爐燃料量，前者是電力生產(chǎn)要求確定的，因而不能作為控制量而選擇燃料量作為系統(tǒng)的控制手段。3控制通道和擾動(dòng)通道主要因素來源于調(diào)節(jié)器的特性和受控對(duì)象的特性。擾動(dòng)通道：擾動(dòng)信號(hào)以傳遞函數(shù)形式對(duì)被調(diào)量信號(hào)產(chǎn)生影響的通道?？刂仆ǖ溃赫{(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)以傳遞函數(shù)形式影響被調(diào)量信號(hào)變化的通道。4影響系統(tǒng)控制質(zhì)量的主要因素（二） 對(duì)象特性對(duì)控制過程的影響描述對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的特征參數(shù)有對(duì)象的放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T和延遲時(shí)間。1干擾通道特征參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響在圖1.25的單回路控制系統(tǒng)方框圖中，設(shè)控制器為比例控制規(guī)律，其放大系數(shù)為，干擾通道和控制通道的放大系數(shù)為則擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)為：控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為：因此：在單位階躍擾動(dòng)下即作用下，控制系統(tǒng)過渡過程結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)靜態(tài)上式說明，干擾通道的放大系數(shù)越大，在擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差、穩(wěn)態(tài)誤差越大。因此要求擾動(dòng)通道的放大系數(shù)越小越好。越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小。偏差：（2）時(shí)間常數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響令擾動(dòng)通道放大系數(shù)，且擾動(dòng)通道為一階慣性環(huán)節(jié)，則擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)為：被調(diào)量對(duì)擾動(dòng)的傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程為：式中為擾通道的時(shí)間常數(shù)。擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)的變化將影響系統(tǒng)穩(wěn)定性裕量和動(dòng)態(tài)偏差，當(dāng)干擾通道的時(shí)間常數(shù)增大時(shí)，控制作用減弱，使系統(tǒng)穩(wěn)定性裕量增大，使控制過程的動(dòng)態(tài)偏差減小；相反，當(dāng)干擾通道的時(shí)間常數(shù)控制作用增強(qiáng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定性裕量減小。因此擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)越大越好，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕量。減小時(shí)，（3）延遲時(shí)間對(duì)控制質(zhì)量的影響當(dāng)擾動(dòng)通道存在延遲時(shí)間時(shí)，則相當(dāng)于一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)了一個(gè)延遲環(huán)節(jié)，這時(shí)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：即：據(jù)延遲定理得到：——無(wú)延遲時(shí)間的被調(diào)量——平移了延遲時(shí)間的被調(diào)量。由此可見擾動(dòng)通道延遲時(shí)間的存在僅使過渡過程增加了一個(gè)時(shí)間，并不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。2控制通道特征參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響（1）放大系數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響控制通道的放大系數(shù)是一種互補(bǔ)關(guān)系，對(duì)線性控制系統(tǒng)可以通過調(diào)整控制器的比例系數(shù)保證二者乘積滿足設(shè)計(jì)要求；對(duì)于非線性控制系統(tǒng)，其隨負(fù)荷變化而變化，需利用來補(bǔ)償，即采用非線性控制器。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定控制參數(shù)時(shí)，要使控制通道的放大系數(shù)大于擾動(dòng)通道的放大系數(shù)。（2）時(shí)間常數(shù)、延遲時(shí)間對(duì)控制質(zhì)量的影響①n階慣性對(duì)象對(duì)控制質(zhì)量的影響減小控制通道的時(shí)間常數(shù)，能提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量?？刂仆ǖ赖腡越短，表明系統(tǒng)的被調(diào)量對(duì)調(diào)節(jié)作用的反應(yīng)快，能迅速反映調(diào)節(jié)效果，控制過程的時(shí)間可縮短，控制質(zhì)量提高。慣性對(duì)象階次n越大對(duì)被調(diào)量的影響越慢，調(diào)節(jié)作用越慢，使控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差、控制過程的時(shí)間增大，穩(wěn)定性裕度減小。因此，控制通道的慣性對(duì)象階次n越小越好，這樣可使控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差、控制過程的時(shí)間減小，穩(wěn)定性裕度增大。②有延遲對(duì)象對(duì)控制質(zhì)量的影響控制通道存在延遲時(shí)，將對(duì)控制質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。延遲時(shí)間越大，動(dòng)態(tài)偏差、控制過程的時(shí)間越大。而時(shí)間常數(shù)越大，動(dòng)態(tài)偏差、控制過程的時(shí)間越小，穩(wěn)定性裕度增大。(三）PID參數(shù)整定（包括湊試法和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法）整定就是指確定調(diào)節(jié)器的比例帶、積分時(shí)間和微分時(shí)間。1．湊試法湊試法是模擬閉環(huán)試驗(yàn)，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。在湊試參數(shù)時(shí)，根據(jù)比例系數(shù)對(duì)控制過程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)實(shí)行先比例、后積分、再微分的步驟進(jìn)行整定。整定步驟為：（1）整定比例：將比例系數(shù)逐漸變大（提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度），觀察系統(tǒng)的響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)量小的響應(yīng)曲線。（2）引入積分環(huán)節(jié)：當(dāng)比例控制系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，需引入積分環(huán)節(jié)。首先將積分時(shí)間常數(shù)設(shè)置為較大值，略降上步得到的比例系數(shù)，減小積分時(shí)間，消除靜態(tài)誤差的影響。（3）引入微分環(huán)節(jié)：若引入比例積分控制器消除了靜差后，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)觀察反復(fù)調(diào)整仍不能達(dá)到滿意狀態(tài)，則引入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例-積分-微分控制器。首先將TD設(shè)置為0，在第二部基礎(chǔ)上增大TD，同時(shí)調(diào)整KP和Ti，逐步調(diào)整，直到得到滿意的控制效果。典型的是響應(yīng)曲線法。響應(yīng)曲線法是根據(jù)控制對(duì)象的飛升特性試驗(yàn)曲線求取對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，然后根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)公式，得到調(diào)節(jié)器的有關(guān)整定參數(shù)。利用響應(yīng)曲線法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)必須作對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線，但試驗(yàn)所得到的階躍響應(yīng)曲線準(zhǔn)確性不高，甚至有時(shí)不允許作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，因此，可采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)整定方法。2．臨界振蕩的試驗(yàn)整定方法(臨界曲線法，穩(wěn)定邊界法)這是一種把控制系統(tǒng)處在閉環(huán)條件下的試驗(yàn)整定方法，又稱N-Z法。試驗(yàn)整定的步驟如下：3衰減曲線法也是一種閉環(huán)整定方法。主要是調(diào)整比例帶直到被調(diào)量出現(xiàn)4：1或10：1的衰減振蕩。然后根據(jù)此時(shí)的比例帶和振蕩周期由衰減曲線法整定PID參數(shù)表確定控制器的參數(shù)。當(dāng)生產(chǎn)過程不允許出現(xiàn)等幅振蕩時(shí)，可將試驗(yàn)過程中的閉環(huán)控制過程改為有一定衰減率的衰減振蕩過程。然后利用在比例作用條件下產(chǎn)生

的控制過程時(shí)的調(diào)節(jié)器的比例帶

和振蕩周期

或者

的控制過程的比例帶

和振蕩周期

來選取相應(yīng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)。

采用衰減曲線法需注意以下幾點(diǎn)：（1） 加入的干擾幅值不能太大，一般定為額定值的5%。（2） 需在工藝參數(shù)穩(wěn)定情況下，施加干擾，否則不能得到正確的比例帶和振蕩周期值；（3） 對(duì)于反應(yīng)較快的系統(tǒng)，如流量、壓力等，在記錄曲線上嚴(yán)格得到4：1衰減曲線較難。一般認(rèn)為被控變量來回波動(dòng)兩次達(dá)到穩(wěn)定，就近似認(rèn)為達(dá)到4：1衰減過程。最佳整定參數(shù)應(yīng)使這些偏差積分指標(biāo)最小，不同積分指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出被控量響應(yīng)曲線略有不同。采用偏差積分指標(biāo)，可以利用最小參數(shù)整定法尋找最佳的PID控制器參數(shù)。4動(dòng)態(tài)特性法適用于開環(huán)情形下進(jìn)行的參數(shù)整定。根據(jù)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，求取系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。然后查表根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算比例帶、積分時(shí)間和微分時(shí)間。計(jì)算過程中，用等效純延遲時(shí)間代替參數(shù)整定公式中的純延遲時(shí)間。所謂等效純延遲時(shí)間指被控對(duì)象的純延遲時(shí)間加采樣周期的一半的時(shí)間，即：5基于偏差積分值最小的整定方法常用的偏差積分指標(biāo)有三種：IAE，ISE，ITAE

（四）PID控制器參數(shù)自整定所謂自整定是指控制器的參數(shù)可根據(jù)用戶的需要自動(dòng)整定，將過程動(dòng)態(tài)性能的確定和控制器參數(shù)的計(jì)算方法結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的自整定。包括3個(gè)部分：過程擾動(dòng)的產(chǎn)生、擾動(dòng)響應(yīng)的評(píng)估、控制器參數(shù)的計(jì)算。與手動(dòng)整定步驟相同。自整定一般分為兩類：基于模型的自整定（暫態(tài)響應(yīng)、頻率響應(yīng)和參數(shù)估計(jì)）和基于規(guī)則的自整定（基于經(jīng)驗(yàn)）。（五）PID控制器在熱工系統(tǒng)中的應(yīng)用（1）汽包水位在給水量W作用下的動(dòng)態(tài)特性圖1.21所示是鍋爐汽包水位在給水量作用下水位階躍響應(yīng)曲線，圖中