热工过程自动控制 课件ch01讲解

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1、热工过程自动控制 授课教师: 吕凤 Email: dolores10 目的与任务 v 热工过程自动控制是热能与动力工程本科生必修的学科基 础教育课，以能源动力系统为背景，介绍自动控制的基本 原理，详细讨论了在能源动力系统控制中占有统治地位的 PID控制的分析、整定方法。介绍了高度自动化的大型火 电组的主要控制系统。 v 该门课应使学生全面系统地掌握自动控制技术领域的基本 概念、基本规律和基本分析与设计方法，以便将来胜任实 际工作，具有从事相关工程和技术工作的基本素质，同时 具有一定的分析和解决有关自动控制实际问题的能力。 北京理工大学珠海学院 参考资料 选用教材: 杨献勇主编，热工过程自动控制

2、，清华大学出版社. 参考教材: 1 丁柯柯主编. 热工过程自动调节，中国电力出版社. 2 边立秀，周俊霞编著.热工控制系统,中国电力出版社. 上课时间: 星期一,1-2节; 星期四,3-4节 课程安排 章节及名称学时 第1章 热工过程自动控制概述2 第2章 自动控制系统的数学描述 6 第3章 系统分析 8 第4章 热工过程自动调节系统的分析和整 定 8 第5章 火力发电厂大型单元机组自动控 制系统 16 自动控制基础实验4 44 考核方式 v 考核性质：考试课，百分制 v 考核形式：闭卷、笔试 v 考试用时：期末120 分钟 v 考核模式：二段制模式 v 成绩评定方法： 期末总评成绩平时成绩3

3、0+实验 成绩 5%+期末成绩65 v 补考方法： 总评成绩低于60 分的学生，须参加学校统 一组织的补考。 v 补考总成绩平时成绩30+实验成绩 5%+补考成 绩65 I.前期控制(Early Control)(1400B.C. - 1900) (0) 中国，埃及和巴比伦出现自动计 时漏壶(1400B.C. 1100B.C.)。孙武著 孙子兵法(600B.C.) (1) 秦昭王时，李冰主持修筑都江堰体现的系 统观念和实践(300B.C.) 西汉漏壶 自动控制的发展 (3) 中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(132年) (2) 亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置

4、(100年) 绪论-自动控制的发展 (4) 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年) (5) 中国明代宋应星所著天工开物 记载有程序控制思想(CNC)的提花织 机结构图(1637年) 绪论-自动控制的发展 (6) 英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年) (7) 英国J. C. Maxwell发表“论调速器”(On Governors)论文(1868年) 自动控制的发展 II.经典控制前期(The Pre-classical Period)(1900-1935) (1) 美国福特(Ford Motor)汽车公司 建成最早的汽车装配流水线(1913) (2

5、) 美国N. Minorsky研制出用于船 舶驾驶的伺服结构，提出PID控制 方法(1922) (3) 美国MIT的Vannevar Bush研制成第一台大型模拟计算机 (Differential Analyzer)(1928) V. Bush 绪论-自动控制的发展 (4) 美国H.S. Black提出放大器性能的负反馈方法(Negative Feedback Amplifier) (1927) H. S. Black 绪论-自动控制的发展 (5) 自动控制的基础为闭环控制。 闭环控制系统的结构框图： 绪论-自动控制的发展 III. 经典控制(Classical Control)(1935-1

6、950) (1) 美国贝尔实验室的H. Bode(1938)，以及 Nyquist(1940)提出频率响应法 (2) 美国Taylor仪器公司的J. G. Ziegler和N. B. Nichols提出PID参数的最佳调整法(1942) (3) 美国MIT的N. Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤 波理论(1942)，发表控制论(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制 论学科的诞生。 N.B. Nichols N. Wiener N. Wiener, shown here in 1954 with Yuk Wing Lee (left) and Ama

7、r G. Bose, discussing an aspect of statistical communication theory 绪论-自动控制的发展 1.2 现代控制理论 60-70年代形成 MIMO系统 基于: 冷战时期空间技术，计算机技术 目标: 最优控制 基本方法: 状态方程 （时域） 1.3 智能控制技术 90年代开始发展，主要是基于专家系统、模糊 控制和神经网络等智能领域的控制技术 1.4 正在发展的各个领域 近年来，现代控制理论的进展主要集中于自适应 控制、大系统理论、H鲁棒控制、非线性控制(微分几何 ，混沌，变结构) 及相关课题。 (1) 世界第一颗人造地球卫星(Sput

8、nik)由苏联发射成功(1957) Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space 1957. Laika. Sputnik 2 绪论-自动控制的发展 (2) 美国George Devol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两 年后，被称为机器人之父的Joseph Engelberger创立了第一家 机器人公司，Unimation 绪论-自动控制的发展 (3) 第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996) 绪论-自动控制的发展 （4）我国的神舟九号和天空一号 绪论 自动控制在热工过程的应用：

9、 北京理工大学珠海学院 绪论-应用 实现热工过程自动化的意义： v提高机组运行的安全可靠性 v提高机组运行的经济性 v减少人员运行，提高劳动生产率 v改善劳动条件 绪论-意义 v火电厂自动化主要包括主机、辅助设备、公用系 统等的自动化。 1）自动检测 Eg：温度、压力、液位、转速 2）自动调节 Eg：锅炉水位调节、汽温调节、燃烧调节、辅助设备调节 3）远方控制及程序控制 Eg: 锅炉点火、吹灰、定期排污等 4）自动保护 Eg: 锅炉、汽轮发电机本体、辅助设备、局部工艺过程 北京理工大学珠海学院 目录 热工过程自动控制概述1 自动控制系统的数学描述2 系统分析3 热工过程自动调节系统的分析和整定

10、4 火力发电厂大型单元机组自动控制系统5 北京理工大学珠海学院 目录 热工过程自动控制概述 1 北京理工大学珠海学院 CH1 热工过程自动控制概述 v 自动调节 调节：就是为了达到一定的目的 ，对和生产过程有关系的设备 进行操作. 人工调节：利用人来完成所需要 的操作过程 自动调节：由仪器、仪表完成的 这一操作过程 任务：在干扰发生时，能避免或 减少运行工况发生的偏离，使 生产过程维持在希望的状态 v 顺序控制 在生产过程的启动或停止时，按 照预先拟定的条件和程序，完 成多个设备的启停操作在事 故发生时，也自动采取保护措 施，按顺序启动或停止相应的 设备 控制逻辑 产品的核心 北京理工大学珠海

11、学院 锅炉汽包水位控制： 1.1 自动控制系统的基本结构 参数测量设备；比较和控制设备；调节机关和执行机构 北京理工大学珠海学院 自动控制系统的基本结构： 1.1 自动控制系统的基本结构 北京理工大学珠海学院 v (1)被控量：表征生产过程是否正常而需要控制的物理量。 v (2)扰动：引起被控量偏离其给定值的各种原因。 v (3)对象的输入和输出：被控对象的生产过程以所有扰动 作为输入，以被调量作为输出。 v (4)调节量：通过调节器来改变某一个量，使被调量回到期 望值。 v (5)给定值：根据生产工艺要求，被控量应该达到的数值。 v (6)偏差：期望值和实际被调量之间的差值。 1.2 自动控

12、制系统的基本参数 北京理工大学珠海学院 v 稳态工况 平衡状态：运动中的自动调节系统，其输入信号和输出 信号都不随时间变化时。 系统的静态特性：在系统处于平衡状态时，输出信号和 引起它变化的输入信号之间的关系。 静态特性的描述：1）描述系统各变量之间关系的数学 方程为代数方程；2）在输入、输出为直角坐标图上， 用曲线来表示。 系统的静态特性表达式可以是线性方程或非线性方程。 不是所有的环节都有静态特性，比如：积分环节 1.3 控制系统的静态特征和动态特征 系统的动态特性 系统的静止状态被破坏，系统中各变量随时间发 生变化，微分方程是表征系统动态特性的一种最 基本的数学方程,它不仅包含变量本身,

13、也包含这 些变量的导数. 在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统 的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的， 是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用 去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺 生产所要求控制的技术指标上。 北京理工大学珠海学院 1.按给定值的形式分类 (1)定值控制系统: 给定值为常数 例如:汽包锅炉给水自动调节系统中的主蒸汽温度 (2)程序控制系统: 给定值按预定规律变化 给定值是时间的函数,需要有专门程序发送装置 例如:金属热处理的炉温自动调节系统 (3)随动控制系统: 给定值随机变化 其数值决定于一些外来因素的变化 例如:

14、锅炉燃烧过程自动调节时,负荷决定燃料,燃料决定空气量,负荷的变 化是不能预订的 1.4 控制系统的分类 北京理工大学珠海学院 (1)闭环控制系统: 信号沿箭头方向形成一个闭环,主要标志是反馈,因 此也称反馈系统. 主要特点: a)它是基于偏差的控制，因此，只有当偏差存在时，才会产生控制作 用 b)各种扰动，系统都会产生控制作用 c)在调节结束时，可使被控量等于或接近给定值 d)调节的速度相对缓慢 1.4 控制系统的分类 2.按调节系统的工作方式分类 北京理工大学珠海学院 (2)开环控制系统:调节系统中不存在反馈回路，调节器只是 根据直接或间接反映扰动的输入信号进行调节 工作原理：调节器接受了被

15、调对象受到的扰动信号，按预 定的调节规律立即对被调对象产生一个调节作用，以抵消 扰动信号对被调量的影响 特点： a)由于扰动影响被控量的同时，调节器的调节作用已产生， 所以调节速度相对比较快. b)由于没有被控量的反馈，所以调节结束时不能保证被控量 等于给定值 1.4 控制系统的分类 北京理工大学珠海学院 闭环系统 VS 开环系统 1.4 控制系统的分类 基于反馈 调节缓慢 调节精确 基于扰动 调节快速 调节粗略 北京理工大学珠海学院 (3) 前馈反馈系统:在扰动发生时,反馈还没有发生时,先由 前馈部分依据扰动信号进行粗调,尽快使调节作用一开始就 能大致抵消扰动的作用的影响,而被控量和给定值出

16、现的一 些偏差,则可以由反馈部分进行细调. 较快的调节速度 较高的调节质量 1.4 控制系统的分类 北京理工大学珠海学院 3.按系统的复杂程度分类(p8) 单回路控制系统VS多回路控制系统 4.按系统的动态特性分类 线性系统 VS 非线性系统 时变系统 VS 定常系统 5.按系统中信号的形式分类 连续系统 VS 离散系统 6.按系统中被调量和调节量的数目分类 单输入,单输出系统 VS 多输入,多输出系统 1.4 控制系统的分类 北京理工大学珠海学院 1.评价系统质量的主要特征: 稳定,快速,准确 (1)稳定性 1.5 控制系统的质量评定 非周期衰减过程 衰减震荡过程 等幅震荡过程 发散震荡过程 X ？ 临界稳定状 态 北京理工大学珠海学院 1.5 控制系统的质量评定 (1)稳定性 判断的指标: 1)衰减率:每经过一个波动周期,被调量波动幅度减少的百 分数 Y1,y3分别是偏离稳定态值的第一,第三个波峰幅值 该值还可以表征系统稳定裕量,一般取0.750.9. 北京理