熱工控制第一章+基本理論

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

第一節(jié)概述一、熱工自動控制系統(tǒng)在火電廠的作用

1提高機組運行的安全可靠性。

2提高機組運行的經(jīng)濟性。

3減少運行人員，提高勞動生產(chǎn)率。

4改善勞動條件，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。安全可靠是機組運行的首要要求。隨機組容量增大，需監(jiān)控的項目顯著增多。如一臺500MW的機組，需監(jiān)控的項目達1200個，需操作的項目達4000多個。僅啟動過程，就需監(jiān)控500多個項目，進行400余項操作。自動控制能保證機組在良好的狀態(tài)下運行，可以減少事故停機的損失和設(shè)備檢修費用，提高熱效率，降低熱耗和煤耗。二、火電廠自動控制的基本內(nèi)容

1自動檢測

2自動調(diào)節(jié)

3遠(yuǎn)方控制及程序控制(或稱順序控制)

4自動保護

三、火電廠自動保護對象主要包括有鍋爐、汽輪發(fā)電機本體、輔助設(shè)備、局部工藝過程等。

自動檢測是對生產(chǎn)過程及設(shè)備的參數(shù)、信號進行轉(zhuǎn)換、加工處理、顯示并記錄下來的過程。檢測參數(shù)有溫度、壓力、流量、液位、電流、電壓、轉(zhuǎn)速、頻率、振動、氣體成分、汽水品質(zhì)等。檢測裝置有測量儀表、記錄儀表、巡回檢測裝置、工業(yè)電視等。自動調(diào)節(jié)是在一定范圍內(nèi)自動適應(yīng)外界負(fù)荷變化或其它條件變化，使生產(chǎn)過程正常進行?；痣姀S自動調(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，對生產(chǎn)過程中重要的調(diào)節(jié)機構(gòu)和截止機構(gòu)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。程序控制主要指機組或局部系統(tǒng)在啟動、停機、增減負(fù)荷、事故處理時的一系列操作自動化。指對主機、輔助設(shè)備、公用系統(tǒng)等自動控制，主要包括以下四個方面的內(nèi)容：指利用自動化裝置對機組狀態(tài)、參數(shù)和自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)視，當(dāng)發(fā)生異常時，發(fā)出報警信號或自動切除某些系統(tǒng)和設(shè)備，防止事故擴大，保證人身和設(shè)備安全。四、熱工自動控制系統(tǒng)分類1按給定值特點，熱工自動控制系統(tǒng)分：定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。2按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點或信號的饋送方式分：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)的給定值是時間的函數(shù)。如汽輪機自啟動過程，擬定轉(zhuǎn)速的給定值隨時間而進行規(guī)律性變化，要求汽輪機的實際轉(zhuǎn)速按預(yù)先擬定的這個規(guī)律進行變化。特點：①系統(tǒng)按偏差調(diào)節(jié)，因此控制過程較長；②閉環(huán)系統(tǒng)需進行穩(wěn)定性分析；③控制作用落后于擾動，控制作用不及時。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。是現(xiàn)階段熱工控制系統(tǒng)中廣泛使用的一種自動控制系統(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)；鍋爐滑壓運行時，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)擾動信號進行調(diào)節(jié)，即利用擾動信號產(chǎn)生的調(diào)節(jié)作用去補償擾動對被調(diào)量的影響。

擾動通道

調(diào)節(jié)通道

前饋控制器

λ

y特點：①按擾動調(diào)節(jié)可以及時有效地制止被調(diào)量的變化，控制作用及時，使控制過程時間短；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、可測的擾動。④前饋控制系統(tǒng)一般只能實現(xiàn)局部補償而不能保證被調(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：單回路控制系統(tǒng)和多回路控制系統(tǒng)。

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

串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)是指在單回路控制的基礎(chǔ)上增加一個或多個控制內(nèi)回路，用來控制可能引起被控量發(fā)生變化的因素，從而抑制被控對象的時滯特性，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。串級控制在結(jié)構(gòu)上有兩個閉環(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)行機構(gòu)，起粗調(diào)的作用；從而完成控制過程。要求副回路時間常數(shù)小，響應(yīng)速度快。圖1-23串級控制系統(tǒng)的框圖5.1采用串級控制系統(tǒng)需滿足的條件：對象必須可以分段；中間信號（副參數(shù)）必須可以測量；副對象和主對象的時間常數(shù)相差比例大，對應(yīng)的主回路的響應(yīng)速度比較慢。副回路具有快速作用，因此串級控制系統(tǒng)對進入副回路的擾動有較強的克服能力存在的副回路慣性由副回路調(diào)節(jié)，改善了對象的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作效率。串級系統(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。主回路是一個定值系統(tǒng)，副回路是一個隨動控制系統(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)時間常數(shù)縮短，很快克服擾動，改善動態(tài)特性。5.2串級控制的優(yōu)點（特點）主調(diào)節(jié)器：對控制生產(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)控制對象惰性的容積數(shù)較多且有主要擾動落在副回路以外，可以選用PID控制方式。因為主調(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，因為副調(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串級控制系統(tǒng)中主副調(diào)節(jié)器的選擇5.4串級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，使每一個輸入只控制相應(yīng)的一個輸出，每一個輸出又只受到一個控制的作用。不確定性是解耦控制工程實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。是通過解耦補償器的設(shè)計，是解耦補償器與被控對象組成的廣義系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣為對角陣，從而把一個有耦合影響的多變量系統(tǒng)化為多個無耦合的單變量系統(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。是將被控對象的解耦、控制和辨識結(jié)合起來，以實現(xiàn)時變系統(tǒng)的在線精確解耦控制。是將耦合項作為可測干擾，采用自校正前饋控制的方法，對耦合進行動、靜態(tài)補償。

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）。主要用于系統(tǒng)中設(shè)備的自動啟、?；蜃詣颖Ｗo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、熱工自動控制系統(tǒng)的組成（以簡單反饋控制系統(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)對象（被控對象）

表征調(diào)節(jié)對象是否正常運行并需加以調(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由調(diào)節(jié)機構(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，或者隨時間而改變。如汽包水位、過熱蒸汽溫度，汽輪機啟動過程中的轉(zhuǎn)速等。對于鍋爐，為了實現(xiàn)給水自動控制，就要建立以汽包水位作被控對象，而以給水流量（調(diào)節(jié)量）和蒸汽流量、燃燒率等擾動作為輸入信號的給水調(diào)節(jié)對象。對于具有一個被調(diào)量和一個調(diào)節(jié)量的調(diào)節(jié)對象稱為單變量對象，所構(gòu)成的系統(tǒng)稱為單變量系統(tǒng)。而具有一個以上被調(diào)量和一個以上調(diào)節(jié)量的調(diào)節(jié)對象稱為多變量對象。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)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)兩部分組成

在自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，以設(shè)定值與被調(diào)量的測量信號作為輸入，按照某種規(guī)律對偏差信號實施運算，并將運算結(jié)果作為輸出以驅(qū)動執(zhí)行器的裝置稱為調(diào)節(jié)器。模擬式調(diào)節(jié)器的輸入信號和輸出信號在時間上都是連續(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)器的輸出信號是對偏差信號實施的比例、積分、微分運算后的結(jié)果，簡稱PID調(diào)節(jié)規(guī)律）。數(shù)字式調(diào)節(jié)器需用計算機來實現(xiàn)所需的調(diào)節(jié)規(guī)律。其被調(diào)量是以在時間上離散的信號輸入到調(diào)節(jié)器中，而調(diào)節(jié)器所輸出的調(diào)節(jié)信號在時間上也是離散的。如計算機控制系統(tǒng)。執(zhí)行機構(gòu)接受調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)信號產(chǎn)生相應(yīng)的位移去帶動調(diào)節(jié)機構(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。擾動通道納入了廣義被調(diào)對象中。第二節(jié)控制系統(tǒng)的動態(tài)特性一、系統(tǒng)的動態(tài)特性

動態(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。動態(tài)系統(tǒng)簡稱系統(tǒng)。在動態(tài)過程中，系統(tǒng)的輸入、輸出和狀態(tài)變量都是時間的函數(shù)，它們之間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的動態(tài)特性。

圖1.6動態(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態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化的原因，輸出變量是動態(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)系輸入和輸出的動態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部變量。二、影響對象動態(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象是衡量對象儲存物質(zhì)或能量能力的一個特征參數(shù)。

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

阻力的存在是系統(tǒng)在動態(tài)過程中表現(xiàn)出自平衡的能力。單容控制對象指只有一個貯存物質(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象的動態(tài)特性

1單容對象的動態(tài)特性

（1）階躍響應(yīng)

，，；；（2）動態(tài)方程和傳遞函數(shù)

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

時間常數(shù)表示的意義：表征對象在受到擾動后，被調(diào)量再次進入穩(wěn)定狀態(tài)所需時間的長短。（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）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)機構(gòu)的位移改變100％時，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，需要其輸入信號變化20％。比例作業(yè)特點：（1）調(diào)節(jié)及時、迅速（2）當(dāng)調(diào)節(jié)器只有比例作用時，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e對時間的積分成比例．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)量的大小與偏差對時間的積分成比例，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)對象受到擾動的初期．被調(diào)量變化速度快而偏差小，此時調(diào)節(jié)量的變化速度慢而動作幅度小，調(diào)節(jié)動作不及時，而當(dāng)被調(diào)量達到最高（或最低）值時，偏差值大、變化速度等于零，此時調(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：（1）積分調(diào)節(jié)作用不及時；（2）積分控制作用在積分時間越小時越強；（3）消除穩(wěn)態(tài)偏差，實現(xiàn)無差調(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就隨時間而不斷改變；當(dāng)偏差e等于零時，調(diào)節(jié)過程才結(jié)束（重新達到平衡）。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的變化速度成正比，對于定值控制系統(tǒng)，偏差信號的變化速度是被調(diào)量的變化速度，動態(tài)方程式為：傳遞函數(shù)式為：特點：在控制過程的開始階段微分作用較強，具有超前調(diào)節(jié)的特點，適用于慣性較大的對象；調(diào)節(jié)作用的大小與偏差值的變化速度成正比，而與偏差值無關(guān)，因此不能單獨實現(xiàn)控制。在控制系統(tǒng)中能提高控制過程的穩(wěn)定性。上述三個調(diào)節(jié)作用是基本的，比例作用能單獨執(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使用，使控制過程產(chǎn)生振蕩；微分作用不能單獨執(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)器的動態(tài)特性

1比例（P）調(diào)節(jié)器

比例調(diào)節(jié)器的動態(tài)方程式與比例作用的動態(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：比例調(diào)節(jié)器的輸出u對輸入e的響應(yīng)無延遲、無慣性。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.在控制對象的負(fù)荷發(fā)生變化后，執(zhí)行機構(gòu)必須移動到一個與負(fù)荷相適應(yīng)的位置才能使控制對象再度平衡。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?？刂破鞯妮敵龌騽討B(tài)方程為：調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：比例積分調(diào)節(jié)器中有兩個參數(shù)—比例增益或比例帶）和積分時間（或）可供自調(diào)整，以與不同的對象特性相匹配。其中積分時間的具體數(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：（1） 積分時間越小，積分作用越強；反之，越大，積分作用越弱。（2） 比例帶不僅影響比例作用的強弱，而且影響積分作用的強弱。（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。具有比例作用及時和積分作用消除偏差的優(yōu)點。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）時不起作用。但由于微分作用對各種干擾信號反應(yīng)敏感，因此適用于測量干擾小的熱工參數(shù)（如溫度）的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。比例微分作用調(diào)節(jié)器在靜態(tài)時仍具有比例調(diào)節(jié)器的特點，即調(diào)節(jié)結(jié)果是有偏差存在的。PD調(diào)節(jié)器的特點：（3） 偏差不變化時微分作用消失，控制過程結(jié)束后存在靜態(tài)偏差。（1） 當(dāng)調(diào)節(jié)對象受到擾動的初期，被調(diào)量一開始變化，微分作用最強，輸出信號u（t）立即升至無限大并瞬間消失，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作有利于減少被調(diào)量的動態(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。實際比例微分調(diào)節(jié)器的動態(tài)方程為：指實際PD調(diào)節(jié)器的微分慣性時間常數(shù)。傳遞函數(shù)為：表明實際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)器的動態(tài)表達式為：傳遞函數(shù)為：從工程實用的觀點，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，與采用PI調(diào)節(jié)器時相比較，可以減小被調(diào)量的動態(tài)偏差和縮短調(diào)節(jié)過程時間。三、PID控制器1PID控制器的優(yōu)點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)測偏差的變化趨勢，提前進行調(diào)控，抑制偏差增大，避免了被調(diào)量的超調(diào)，減小被調(diào)量的動態(tài)偏差和縮短調(diào)節(jié)過程時間，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，進行離散化處理進行計算。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的算法稱為位置算法：或——積分時間常數(shù)——微分時間常數(shù)——采樣周期位置算法的缺點：計算求和項時，需作k次加法計算，增大計算量和數(shù)據(jù)存儲空間；控制器的運算錯誤和硬件故障將導(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，可以得到同樣形式的增量算式，是指相鄰兩次采樣時刻的位置差，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?，采用增量控制算法將減少控制器的運算量，有利于系統(tǒng)對兩個控制周期之間的變化量進行幅度限制。增量算法的優(yōu)點：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，在手動和自動之間的切換較方便。同時這兩種算法不會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。如果執(zhí)行機構(gòu)已經(jīng)到極限位置，仍然不能消除偏差時，由于積分作用，即使PID差分方程式所得的運算結(jié)果繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行機構(gòu)已無相應(yīng)的動作，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)用時的方便性。4控制精度和采樣周期的確定對采樣周期的選擇主要考慮以下因素：

①對象的動態(tài)特性采用周期的選擇應(yīng)考慮時間常數(shù)和純延遲時間。當(dāng)系統(tǒng)只是慣性時間常數(shù)起作用時，即或，可選當(dāng)系統(tǒng)中純延遲時間占主導(dǎo)地位時，時，取②執(zhí)行機構(gòu)的性能③系統(tǒng)擾動信號的頻率要求采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對象的擾動信號的周期。④對控制質(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算機精度造成的“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：參數(shù)整定無數(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現(xiàn)要延遲半個采樣周期。采樣：把時間連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)化成時間離散、幅度連續(xù)的信號，在某些特定時刻獲取的信號叫做采樣，一般都是每隔相等的一小段時間采樣一次，其時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)。算法的改進方法有：（1）積分算法的改進：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求和單元，當(dāng)輸出控制增量出現(xiàn)機器零時，將偏差保留在求和單元內(nèi)進行疊加，直到其累加結(jié)果使輸出控制作用的增量大于機器零后，在產(chǎn)生一次輸出控制的同時，將累加器清零。積分分離

指由于PID控制中的積分作用隨時間而逐步增強，相對于單純的比例控制，產(chǎn)生時間滯后，這種滯后是造成很大的超調(diào)和長時間的系統(tǒng)振蕩。在離散PID控制算法中采用了兩種方法進行處理：（1）當(dāng)積分控制作用輸出與比例控制作用輸出同向時，才引入積分作用；（2）當(dāng)偏差的絕對值小于某一界限后，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：微分先行算法和不完全微分算法微分先行

指只對被控變量的測量值求導(dǎo)，而不對給定值求導(dǎo)。這樣在改變給定值時不會造成輸出的突變，而被控量的變化通常是比較緩和的，從而避免了執(zhí)行器的劇烈動作?？刂扑惴椋翰煌耆⒎炙惴▽τ谠O(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)器和控制對象是單回路控制系統(tǒng)的兩個主要組成部分。單回路控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖所示，它是由測量變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器及控制對象組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)檢測中需注意以下幾點：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量，如磨煤機入口介質(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進氣量和鍋爐燃料量，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控制通道和擾動通道主要因素來源于調(diào)節(jié)器的特性和受控對象的特性。擾動通道：擾動信號以傳遞函數(shù)形式對被調(diào)量信號產(chǎn)生影響的通道。控制通道：調(diào)節(jié)器輸出的控制信號以傳遞函數(shù)形式影響被調(diào)量信號變化的通道。4影響系統(tǒng)控制質(zhì)量的主要因素（二） 對象特性對控制過程的影響描述對象動態(tài)特性的特征參數(shù)有對象的放大系數(shù)K、時間常數(shù)T和延遲時間。1干擾通道特征參數(shù)對控制質(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)為則擾動通道的傳遞函數(shù)為：控制對象的傳遞函數(shù)為：因此：在單位階躍擾動下即作用下，控制系統(tǒng)過渡過程結(jié)束時，系統(tǒng)靜態(tài)上式說明，干擾通道的放大系數(shù)越大，在擾動作用下系統(tǒng)的動態(tài)偏差、穩(wěn)態(tài)誤差越大。因此要求擾動通道的放大系數(shù)越小越好。越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小。偏差：（2）時間常數(shù)對控制質(zhì)量的影響令擾動通道放大系數(shù)，且擾動通道為一階慣性環(huán)節(jié)，則擾動通道的傳遞函數(shù)為：被調(diào)量對擾動的傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程為：式中為擾通道的時間常數(shù)。擾動通道的時間常數(shù)的變化將影響系統(tǒng)穩(wěn)定性裕量和動態(tài)偏差，當(dāng)干擾通道的時間常數(shù)增大時，控制作用減弱，使系統(tǒng)穩(wěn)定性裕量增大，使控制過程的動態(tài)偏差減??；相反，當(dāng)干擾通道的時間常數(shù)控制作用增強，使系統(tǒng)穩(wěn)定性裕量減小。因此擾動通道的時間常數(shù)越大越好，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕量。減小時，（3）延遲時間對控制質(zhì)量的影響當(dāng)擾動通道存在延遲時間時，則相當(dāng)于一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)了一個延遲環(huán)節(jié)，這時系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：即：據(jù)延遲定理得到：——無延遲時間的被調(diào)量——平移了延遲時間的被調(diào)量。由此可見擾動通道延遲時間的存在僅使過渡過程增加了一個時間，并不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。2控制通道特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響（1）放大系數(shù)對控制質(zhì)量的影響控制通道的放大系數(shù)是一種互補關(guān)系，對線性控制系統(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)計要求；對于非線性控制系統(tǒng)，其隨負(fù)荷變化而變化，需利用來補償，即采用非線性控制器。在系統(tǒng)設(shè)計確定控制參數(shù)時，要使控制通道的放大系數(shù)大于擾動通道的放大系數(shù)。（2）時間常數(shù)、延遲時間對控制質(zhì)量的影響①n階慣性對象對控制質(zhì)量的影響減小控制通道的時間常數(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，控制過程的時間可縮短，控制質(zhì)量提高。慣性對象階次n越大對被調(diào)量的影響越慢，調(diào)節(jié)作用越慢，使控制系統(tǒng)的動態(tài)偏差、控制過程的時間增大，穩(wěn)定性裕度減小。因此，控制通道的慣性對象階次n越小越好，這樣可使控制系統(tǒng)的動態(tài)偏差、控制過程的時間減小，穩(wěn)定性裕度增大。②有延遲對象對控制質(zhì)量的影響控制通道存在延遲時，將對控制質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。延遲時間越大，動態(tài)偏差、控制過程的時間越大。而時間常數(shù)越大，動態(tài)偏差、控制過程的時間越小，穩(wěn)定性裕度增大。(三）PID參數(shù)整定（包括湊試法和試驗經(jīng)驗法）整定就是指確定調(diào)節(jié)器的比例帶、積分時間和微分時間。1．湊試法湊試法是模擬閉環(huán)試驗，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。在湊試參數(shù)時，根據(jù)比例系數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行先比例、后積分、再微分的步驟進行整定。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)計要求時，需引入積分環(huán)節(jié)。首先將積分時間常數(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)動態(tài)觀察反復(fù)調(diào)整仍不能達到滿意狀態(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)控制對象的飛升特性試驗曲線求取對象的動態(tài)特性參數(shù)，然后根據(jù)一些經(jīng)驗公式，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)必須作對象的階躍響應(yīng)曲線，但試驗所得到的階躍響應(yīng)曲線準(zhǔn)確性不高，甚至有時不允許作階躍擾動試驗，因此，可采用現(xiàn)場試驗整定方法。2．臨界振蕩的試驗整定方法(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)條件下的試驗整定方法，又稱N-Z法。試驗整定的步驟如下：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，可將試驗過程中的閉環(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：（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兩次達到穩(wěn)定，就近似認(rèn)為達到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動態(tài)特性法適用于開環(huán)情形下進行的參數(shù)整定。根據(jù)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，求取系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)。然后查表根據(jù)經(jīng)驗公式計算比例帶、積分時間和微分時間。計算過程中，用等效純延遲時間代替參數(shù)整定公式中的純延遲時間。所謂等效純延遲時間指被控對象的純延遲時間加采樣周期的一半的時間，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)用戶的需要自動整定，將過程動態(tài)性能的確定和控制器參數(shù)的計算方法結(jié)合起來實現(xiàn)控制器參數(shù)的自整定。包括3個部分：過程擾動的產(chǎn)生、擾動響應(yīng)的評估、控制器參數(shù)的計算。與手動整定步驟相同。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）和基于規(guī)則的自整定（基于經(jīng)驗）。（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