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1、1,第一章 热工自动化基础,1.1 概 述 1.2 热工被控对象 1.3 变送器 1.4 执行器 1.5 调节器 1.6 热工系统主要控制方式 1.7 热工控制系统评价指标 1.8 SAMA图,2,1-1 概 述,3,生产过程自动化是保持生产稳定、降低成本、改进劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段。 自动化水平是衡量一个国家的生产技术和科学水平先进与否的一项重要标志。电力工业中电厂热工过程自动化技术相对于其它民用工业部门有较长的历史和较高的自动化水平，电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志。,4,一、自动控制系统的组成 把工业生产过
2、程中的温度、压力、液位、浓度等状态参数作为被控参数的控制系统叫过程控制系统。,图 锅炉汽包水位人工控制示意图,任务：保证锅炉的安全运行，使汽包的水位稳定在一定的范围内。,室温手动 调节演示,5,图. 人工控制原理图,图. 汽包水位自动控制系统示意图,用自动化装置代替上述人工操作来完成控制任务，就形成了自动控制系统。,室温自动 调节演示,6,自动控制系统可以由以下几个部分组成： 测量变送器： 用来测量被调量，并把被调量转换为与之成比例的某种便于传递和综合的信号。 给定元件：用来设置被调量的给定值或与该给定值对应的电信号。,图 汽包水位自动控制原理框图,7,调 节 器：接受被调量信号和给定值比较后
3、的偏差信号，输出一定规律的控制指令给执行器。,8,执 行 器：根据调节器送来的控制指令去推动调节机 构，改变调节量。 调节机构：接受控制作用去改变调节量变化的具体设 备。 控制对象：被控制的热工生产过程或设备。 被 调 量：表征热工过程是否符合规定工况的物理量。 扰 动： 生产过程中引起被调量偏离给定值的各种因 素。 调 节 量：由控制作用来改变并去控制被调量变化的物 理量。,9,二、自动控制系统的分类 1按控制方式分类 闭环控制系统（也称反馈控制系统）：它的被控量信号反馈到控制设备的输入端，成为控制设备生产控制作用的依据。只要被控量与给定量之间有偏差，控制设备就要对控制对象施加作用，直到被控
4、量符合要求为止。 特点:基于偏差，消除偏差，可克服各种扰动对被控量的影响。由于控制作用落后于干扰，因此相对来讲控制不及时。,10,开环控制系统（也称前馈控制系统）： 控制设备和控制对象在信号关系上没有形成闭合回路的控制系统，其被控量没有反馈到控制设备的输入端。 特点: 按扰动进行控制，结构简单，精度差，只能克服单一扰动。 复合控制系统：开环控制和闭环控制组合的一种控制系统。,11,2按闭合回路的数目分类 单回路控制系统：只有一个被控量信号反馈到控制器的输入端。形成一个闭合回路。,图. 单回路控制系统的原理框图,12,多回路控制系统：具有一个以上的闭合回路，控制器(调节器)除接受被控量反馈信号外
5、，还有另外的输出信号直接或间接地反馈到控制器的输入端。例如串级控制系统和导前微分控制系统都是双回路控制系统。,图. 串级控制系统的原理框图,13,3按给定值分类 恒值控制系统：给定值保持不变，从而被控量也相应保持不变，主要矛盾是克服扰动对被控量的影响，最终使被控量与给定值相等。 主要的热工控制系统，如：给水控制系统、再热汽温控制系统等。,14,随动控制系统：给定值按预先不能确定的一些随机因素而变化。因而被调量也跟随给定值而随机变化。 如：单元机组负荷控制系统；军事上的火炮跟踪系统；导弹预测拦截系统。 程序控制系统：给定值按已知的时间函数变化。控制的任务是使被控量尽快与给定值相等。 例如：汽轮机
6、自动启停系统TAS：汽轮机启动过程中，要求汽轮机的转速按一定程序升降等；炉膛吹灰系统等。,15,三、主要自动化系统 1. SIS：厂级实时监控信息系统（Supervisory Information System in Plant Level，简称SIS） SIS是发电厂的生产过程自动化和电力市场交易信息网络化的中间环节，是发电企业实现发电生产到市场交易的中间控制层，是实现生产过程控制和生产信息管理一体化的核心，是承上启下实现信息网络的控制枢纽。 实现全厂生产过程监控 实时处理全厂经济信息和成本核算 竞价上网处理系统 实现机组之间的经济负荷分配 机组运行经济评估及运行操作指导,16,2. AG
7、C：自动发电控制系统，（automatic generation control System，AGC） 由于调速器为有差调节，因此对于变化幅度较大、周期较长的变动负荷分量，需要通过改变汽轮发电机组的同步器来实现，即通过平移调速系统的调节静态特性，从而改变汽轮发电机组的出力来达到调频的目的，称为二次调整。 当二次调整由由电网调度中心的能量管理系统来实现遥控自动控制时，则称为自动发电控制（AGC）。,17,3. BPS 旁路控制系统（bypass control system，BPS） 大型中间再热式机组一般都设置旁路热力系统，其目的是在机组启、停过程中协调机、炉的动作，回收工质，保护再热器等。
8、完备的旁路控制系统是充分发挥旁路系统功能的前提。,18,4. CCS 单元机组协调控制系统（coordination control system，CCS） 协调控制是基于机、炉的动态特性，应用多变量控制理论形成若干不同形式的控制策略，在机、炉控制系统基础上组织的高一级机、炉主控系统。它是单元机组自动控制的核心内容。,19,5. FSSS 锅炉炉膛安全监控系统（furnace safeguard supervisory system，FSSS）或称燃烧器管理系统（burner management system，BMS） 炉膛安全监视系统包括炉膛火焰监视，炉膛压力监视，炉膛吹扫，自动点火，燃烧
9、器自动切换，紧急情况下的主燃料跳闸等。,20,6. SCS 顺序控制系统（sequence control system） 按照生产过程工艺要求预先拟定的顺序，有计划、有步骤、自动地对生产过程进行一系列操作的系统，称之为顺序控制系统。顺序控制也称程序控制，在发电厂中主要用于主机或辅机的自动启停程序控制，以及辅助系统的程序控制。,21,7. DAS 数据采集系统（data acquisition system） 又称为计算机监控系统，其基本功能是对机组整个生产过程参数进行在线检测，经处理运算后以CRT画面形式提供给运行人员。该系统可进行自动报警，制表打印，性能指标计算，事件顺序记录，历史数据存储
10、以及操作指导等。,22,8. DEH 汽轮机数字电液控制系统（digital electric hydraulic system） 汽轮机数字电液控制系统是汽轮发电机组的重要组成部分，除完成汽轮机转速、功率及机前压力的控制外，还可实现机组启停过程及故障时的控制和保护。,23,1-2 热工被控对象,24,一、了解对象动态特性的意义 1. 热工对象是热工自动控制系统的重要组成部分，要设计一个合理的控制系统，必须了解对象的动态特性; 2. 要确定出控制器的最佳整定参数，也必须了解对象的动态特性。 3. 了解对象的动态特性，还可以对新设计的工艺设备提出要求，使之满足所需要的动态特性，为设计满意的控制系
11、统创造先决条件。,25,二、相关概念 1. 对象的动态特性: 就是对象的某一输入量变化时，其被控参数随时间变化的规律。其取决于工艺设备的结构、运行条件和内部物理的（或化学的）过程。 2. 理论建模：可以用机理分析的方法导出对象的动态特性； 3. 实验建模：用实验的方法获取对象的动态特性，是工程中常用的建模方法，目前有时域法、频域法和相关统计法等。 4. 时域法：是在对象的输入端加一阶跃扰动，记录响应曲线，经数据处理求得对象的传递函数，这种方法的特点是简单适用，因此为工程中所广泛采用。,26,5. 频域法：用通过实验求得对象的频率特性来研究对象的动态特性。但对一些惯性大的对象则因试验时间很长而影
12、响生产的正常进行，因此，这种频域法用的较少。 6. 相关统计法：是在对象的输入端加一伪随机信号，用相关计算求得对象的脉冲响应函数，这种方法的最大优点是不影响生产，因而越来越受到人们的重视。,27,三、影响对象动态特性的结构性质,影响对象动态特性的主要特征参数有容量系数、阻力和传递延迟，称为大多数对象所共有的结构性质。 1、容量系数 衡量对象储存物质（或能量）能力的一个特征参数。 2、阻力 物质（或能量）在传输过程中总是要遇到或大或小的阻力，因此需给予推动物质（或能量）流动的压差（如电位差、水位差、温度差等）。,28,对象的自平衡：不需要外来作用只依靠对象自身来恢复平衡的现象。显然，对象的阻力使
13、之在动态过程中表现出自平衡能力。 3、传输迟延 被调量的变化时刻落后于扰动发生时刻的现象称为对象的传递迟延。由于迟延是物质（或能量）在传输过程中因传输距离的存在而产生，所以又称为传输迟延或纯迟延。,在设计主设备及其控制系统时，应尽量避免或减小对象的传输迟延。,29,1. 有自平衡能力对象：不需要外来作用只依靠对象自身来恢复平衡，具有这种能力的被控对象。 2. 无自平衡能力对象：在受到扰动后，其被调量不能依靠对象自身能力使之趋于某一稳定值，而不管对象的容积多少及容量系数的大小。,四、热工对象的动态特性,30,热工对象具有以下特点： （1）被调量的变化大多是不振荡的。 （2）被调量在干扰发生的开始
14、阶段有迟延和惯性。 （3）在响应曲线的最后阶段，被调量可能达到一个新的平衡状态（对象有自平衡能力），也可能不断变化而无法进入平衡状态（对象无自平衡能力）。 （4）描述对象动态特性的特征参数有：放大系数 、时间常数、迟延时间。,31,五、阶跃响应曲线求取对象传递函数,时域法是目前应用最多的一种方法，其主要内容是：给对象人为加一阶跃扰动，记录下响应曲线，然后根据该响应曲线求取对象的传递函数。 由阶跃扰动作用下的对象的动态特性为阶跃响应曲线，即飞升曲线。阶跃响应曲线能比较直观的反映对象的动态特性；其次特征参数直接取自记录曲线而无需经过中间转换，试验方法也很简单。 1、阶跃响应曲线的测定 在系统处于稳
15、定工况下通过手动或摇控装置使调节阀作一次阶跃变化；与此同时，记录表记录下扰动量和被调量的变化过程。,32,（1）扰动量的确定。扰动量应足够大，减小其它干扰信号对测试结果的相对影响。然而扰动量又不宜过大，过大的扰动量会使对象本身的非线性因素增大，有时还会影响生产设备的正常运行。通常，扰动量一般为对象额定负荷下的10%15%。 （2）试验前应将对象调整到所需工况，并保持稳定运行一段时间。如果作负荷上升扰动试验，则应将对象输出调整到允许变动范围的下限值（或上限值）；反之，则应将对象输出调整到允许变动范围的上限值（或下限值）。 （3）扰动加入时应尽量的快。设扰动开始到结束所花时间为 ，在处理试验数据时
16、一般认为扰动是在 时刻加入的。,33,（4）要仔细记录阶跃响应曲线的起始部分，因为这一部分数据的准确性对确定对象动态特性参数的影响很大。对有自平衡能力对象，试验过程应在输出信号达到新的稳定值时结束。 （5）试验应在主要运行工况下（如额定负荷、平均负荷）进行，每一工况下应重复几次，至少要得到两条基本相同的曲线，以消除偶然性干扰的影响。 （6）应进行正反两个方向的试验，以检验对象的非线性。线性对象在正向扰动和反向扰动下，两条响应曲线应该是一样的。,34,2、有自平衡对象传递函数的求取 高阶对象的阶跃响应曲线呈“S”形，即响应起始段具有明显的迟延，曲线中间存在拐点，曲线最终趋于某一常量。,或,1.切线法,图. 标称化的单位阶跃曲线,放大系数K的确定方法仍由对象输出、输入值（稳
