熱工控制系統(tǒng)1

第一篇簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是由一個(gè)被調(diào)量、一個(gè)控制量而且只用一個(gè)調(diào)節(jié)器、一個(gè)調(diào)節(jié)閥所組成的一個(gè)閉合回路。

在熱工過(guò)程控制中簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是最基本的，也是應(yīng)用最多的。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)框圖輸入量輸出量調(diào)節(jié)器被控對(duì)象本篇主要內(nèi)容

第一章講述控制系統(tǒng)的基本概念第二章討論熱工控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性第三章主要分析調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的特點(diǎn)第四章闡述單回路控制系統(tǒng)第一章

控制系統(tǒng)概述第一節(jié)概述

生產(chǎn)過(guò)程是否正常進(jìn)行，通常是用一些物理量來(lái)表征的,當(dāng)這些物理量偏離所希望維持的數(shù)值時(shí)，就表示生產(chǎn)過(guò)程離開(kāi)了規(guī)定工況，必須加以調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)的任務(wù)就是表征生產(chǎn)過(guò)程是否正常進(jìn)行的這些物理量保持在所希望的數(shù)值上。

人工調(diào)節(jié)汽包W給水給水調(diào)節(jié)閥省煤器水冷壁過(guò)熱器水位計(jì)蒸汽Dh汽包鍋爐給水人工調(diào)節(jié)示意圖人工/自動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)給水w蒸汽D測(cè)量單元調(diào)節(jié)單元給定單元執(zhí)行單元汽包鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)示意圖h人工/自動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)中的一些常用術(shù)語(yǔ)

1．被調(diào)量（被控制量）表征生產(chǎn)過(guò)程是否正常運(yùn)行并需要加以調(diào)節(jié)的物理量。2．給定值按生產(chǎn)要求被調(diào)量必須維持的希望值。3．控制對(duì)象（被控對(duì)象）被調(diào)節(jié)的生產(chǎn)過(guò)程或設(shè)備稱為控制對(duì)象。4．調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可用來(lái)改變進(jìn)入控制對(duì)象的物質(zhì)或能量的裝置稱為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。5．控制量（調(diào)節(jié)量）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。

6．?dāng)_動(dòng)引起被調(diào)量偏離其給定值的各種原因稱為擾動(dòng)。如果擾動(dòng)不包括在控制回路內(nèi)部(例外界負(fù)荷)，稱為外擾。如果擾動(dòng)發(fā)生在控制回路內(nèi)部，稱為內(nèi)擾。其中，由于調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)開(kāi)度變化造成的擾動(dòng)，稱為基本擾動(dòng)。變更控制器的給定值的擾動(dòng)稱為給定值擾動(dòng),有時(shí)也稱控制作用擾動(dòng)。7．控制過(guò)程（調(diào)節(jié)過(guò)程）原來(lái)處于平衡狀態(tài)的控制對(duì)象，一旦受到擾動(dòng)作用，被調(diào)量就會(huì)偏離給定值。要通過(guò)自動(dòng)控制儀表或運(yùn)行人員的調(diào)節(jié)作用使被調(diào)量重新恢復(fù)到新的平衡狀態(tài)的過(guò)程，稱為調(diào)節(jié)過(guò)程。8．自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制儀表和控制對(duì)象通過(guò)信號(hào)的傳遞互相聯(lián)系起來(lái)就構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。控制器廣義被控對(duì)象給定值被調(diào)量穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)第二節(jié)

自動(dòng)控制系統(tǒng)分類

一、按工作原理分類1．反饋控制系統(tǒng)2．前饋控制系統(tǒng)3．前饋─反饋控制系統(tǒng)（復(fù)合控制系統(tǒng)）-rλ擾動(dòng)通道調(diào)節(jié)通道調(diào)節(jié)器測(cè)量變送調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)y“按偏差調(diào)節(jié)”閉環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：可以消除被調(diào)量的靜態(tài)偏差缺點(diǎn)：要進(jìn)行穩(wěn)定性分析，控制過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)

1．反饋控制系統(tǒng)

2．前饋控制系統(tǒng)λ擾動(dòng)通道調(diào)節(jié)通道前饋調(diào)節(jié)器y“擾動(dòng)調(diào)節(jié)”或“擾動(dòng)補(bǔ)償”

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

優(yōu)點(diǎn)：控制過(guò)程時(shí)間短，不用進(jìn)行穩(wěn)定性分析缺點(diǎn)：不存在被調(diào)量的反饋，無(wú)法檢測(cè)偏差一般只能克服某種擾動(dòng)

-rλ擾動(dòng)通道調(diào)節(jié)通道調(diào)節(jié)器測(cè)量變送調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)y前饋調(diào)節(jié)器3．前饋-反饋控制系統(tǒng)前饋控制為粗調(diào)，反饋控制為細(xì)調(diào)

二、按給定值特點(diǎn)分類

1.定值控制系統(tǒng)給定值保持恒定，或給定值在某一很小范圍內(nèi)變化。2.隨動(dòng)控制系統(tǒng)

給定值是按預(yù)先不能確定的一些隨機(jī)因素而變化(變化規(guī)律事先末知)。3．程序控制系統(tǒng)

給定值是預(yù)定的時(shí)間函數(shù)。

第三節(jié)

控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)

◆自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣，表示了控制系統(tǒng)克服外來(lái)干擾能力的大小。

◆常把對(duì)階躍干擾的反映作為判別系統(tǒng)抗干擾能力好壞的標(biāo)準(zhǔn)。

◆一個(gè)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，可用控制系統(tǒng)在受到單位階躍輸入作用后，被調(diào)量在控制過(guò)程中的變化曲線來(lái)分析。

一、控制過(guò)程的基本形式

二、控制系統(tǒng)的性能品質(zhì)指標(biāo)

綜合性能指標(biāo)單項(xiàng)性能指標(biāo)時(shí)域指標(biāo)頻域指標(biāo)靜態(tài)偏差y()或e()最大動(dòng)態(tài)偏差ym或超調(diào)量

衰減率衰減比n

控制過(guò)程時(shí)間ts

其它指標(biāo)調(diào)節(jié)時(shí)間tS靜態(tài)偏差y()或e()最大動(dòng)態(tài)偏差ym或超調(diào)量

衰減率衰減比n

給定值1．靜態(tài)偏差y()或e()*定值控制系統(tǒng)中，靜態(tài)偏差是指被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的長(zhǎng)期偏差。*隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，靜態(tài)偏差是指被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)值與新給定值之間的長(zhǎng)期偏差。靜態(tài)偏差是衡量控制系統(tǒng)準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)之一，它反映了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。2．控制過(guò)程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）ts*對(duì)于定值控制系統(tǒng)，控制過(guò)程時(shí)間是指階躍響應(yīng)曲線由開(kāi)始起到最后一次進(jìn)入偏離穩(wěn)態(tài)值為±△范圍，并且以后不再越出此范圍的時(shí)間即

t≥ts時(shí)｜y（t）－

y（∞）｜≤

△，

△=

（

5%y（∞）或2%y（∞））*對(duì)于隨動(dòng)控制系統(tǒng)，控制過(guò)程時(shí)間是指被調(diào)量與其穩(wěn)態(tài)值之差不超過(guò)穩(wěn)態(tài)值的±5%或±2%所需要的時(shí)間，就認(rèn)為控制過(guò)程已經(jīng)結(jié)束。即t≥ts時(shí)｜y（t）－

y（∞）｜≤

±5%y（∞）或±2%y（∞）y1y3y∞esstsry1y3y∞靜差tsr定值控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)3．最大動(dòng)態(tài)偏差ym或超調(diào)量在定值控制系統(tǒng)中，常用最大動(dòng)態(tài)偏差ym這個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量被調(diào)量偏離給定值的程度。

ym＝y(tǒng)1＋y(∞)隨動(dòng)控制系統(tǒng)常用超調(diào)量這個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量被控制量偏離給定值的程度。超調(diào)量σ可定義為：4.衰減率衰減比n

衰減率是指每經(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)。式中y1—偏離穩(wěn)態(tài)值的第一個(gè)波峰幅值；

y3—偏離穩(wěn)態(tài)值的第三個(gè)波峰幅值。它常被工程上用來(lái)描述過(guò)渡過(guò)程為衰減振蕩時(shí)的衰減速度。若＜0，則調(diào)節(jié)過(guò)程是發(fā)散振蕩，這種系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。若＝0，則調(diào)節(jié)過(guò)程是等幅振蕩，這種系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定。若0＜＜1，則調(diào)節(jié)過(guò)程是衰減振蕩，這種系統(tǒng)是穩(wěn)定的?？梢詰?yīng)用。若＝1，則調(diào)節(jié)過(guò)程是不振蕩的衰減過(guò)程(非周期過(guò)程)，這種系統(tǒng)穩(wěn)定。

在0＜≤1的范圍內(nèi)，的數(shù)值還可表明系統(tǒng)穩(wěn)定裕量(富裕量或貯備量)的大小，一般?。?.75～0.90。

衰減比n是指振蕩過(guò)程的第一個(gè)波的振幅y1與第三個(gè)波的振幅y3之比，即n＝y(tǒng)1/y3它也是衡量系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，反映了振蕩的衰減程度。n<1表示系統(tǒng)不穩(wěn)定的，振幅愈來(lái)愈大；n＝1表示為等幅振蕩；n>1表示系統(tǒng)穩(wěn)定；n=4表示系統(tǒng)為4:1的衰減振蕩。在定值控制系統(tǒng)中，突出的要求是克服擾動(dòng)的性能。在隨動(dòng)控制系統(tǒng)中突出的要求是跟蹤性能。

衡量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣可以歸納為三個(gè)方面即穩(wěn)定性，準(zhǔn)確性、快速性。

穩(wěn)定性：穩(wěn)定的控制系統(tǒng)才可以采用（根據(jù)響應(yīng)曲線形狀、衰減率或衰減比）

準(zhǔn)確性：用動(dòng)態(tài)偏差和靜態(tài)偏差衡量

快速性：用調(diào)節(jié)時(shí)間衡量

各種積分指標(biāo)

IE（誤差積分）

優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，也稱為線性積分準(zhǔn)則局限：不能抑制響應(yīng)等幅波動(dòng)IAE（絕對(duì)誤差積分）

特點(diǎn)：抑制響應(yīng)等幅波動(dòng)ISE（平方誤差積分）

優(yōu)點(diǎn)：抑制響應(yīng)等幅波動(dòng)和大誤差局限：不能反映微小誤差對(duì)系統(tǒng)的影響ITAE（時(shí)間與絕對(duì)誤差乘積積分）優(yōu)點(diǎn)：著重