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1、第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述1.1 1.1 热工自动化概况热工自动化概况热工自动化概况热工自动化概况 1.2 1.2 常见的热工自动化系统常见的热工自动化系统常见的热工自动化系统常见的热工自动化系统1.3 1.3 热工控制系统的组成热工控制系统的组成热工控制系统的组成热工控制系统的组成1.4 1.4 常规常规常规常规PIDPID调节器调节器调节器调节器1
2、.5 1.5 热工控制系统的运行评价热工控制系统的运行评价热工控制系统的运行评价热工控制系统的运行评价1.6 SAMA1.6 SAMA图图图图1热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University1-1 1-1 热工自动化概况热工自动化概况热工自动化概况热工自动化概况2热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North C
3、hina Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 一、自动化领域发生了革命性的变化一、自动化领域发生了革命性的变化一、自动化领域发生了革命性的变化一、自动化领域发生了革命性的变化 芯片技术：芯片技术：芯片技术：芯片技术：促进了自动化技术由促进了自动化技术由“ “模拟模拟” ”向向“ “数字数字” ”时代时代 的飞跃；的飞跃； 网络信息技术网络信息技术网络信息技术网络信息技术：分布式工业自动控制系统（分布式工业自动控制系统（DCS: DCS: Distributed Control System Distrib
4、uted Control System）为实现先为实现先 进的工业自动化系统提供了强有力的硬进的工业自动化系统提供了强有力的硬 件、软件平台。件、软件平台。3热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论：自动化技术由基于微分方程、传递函自动化技术由基于微分方程、传递函 数的古典理论阶段进入基于状态空间数的古典理论阶段进入基于状态空间
5、法和最优化方法的现代理论阶段，进法和最优化方法的现代理论阶段，进 而，逐步发展到基于专家系统、模糊而，逐步发展到基于专家系统、模糊 控制和人工神经网络的智能时代。控制和人工神经网络的智能时代。 信息处理技术信息处理技术信息处理技术信息处理技术：数据高速传输、数据压缩存储、数据数据高速传输、数据压缩存储、数据 融合、数据挖掘等技术的发展，为实融合、数据挖掘等技术的发展，为实 现基于信息集成的生产过程的控制与现基于信息集成的生产过程的控制与 管理现代化奠定了基础。管理现代化奠定了基础。4热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述N
6、orth China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 二、电力的发展趋势二、电力的发展趋势二、电力的发展趋势二、电力的发展趋势 1. 1. 国国民民经经济济的的飞飞速速增增长长，增增加加了了对对能能源源的的需需求求量量，电电力力工工业业逐逐渐渐发发展展为为大大电电网网、大大机机组组、高高参参数数、高高度度自自动化。动化。 2. 2. 由于高参数、大容量机组发展迅速，装机数量日由于高参数、大容量机组发展迅速，装机数量日益增多，因此对机组自动化的要求也日益提高，以益增多，因此对机组自动化的要求也日益提高，
7、以“4C”“4C”（计算机、控制、通信、（计算机、控制、通信、CRTCRT）技术为基础的现代）技术为基础的现代火电机组热工自动化技术也相应得到了迅速发展。其中，火电机组热工自动化技术也相应得到了迅速发展。其中，具有代表性的是具有代表性的是8080年代微机分散控制系统（年代微机分散控制系统（DCSDCS）的问世）的问世和日益完善，并广泛应用于大机组的自动控制。和日益完善，并广泛应用于大机组的自动控制。5热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth
8、China Electric Power University 3. 3. “厂网分开，竞价上网厂网分开，竞价上网”的电力改革基本完成，的电力改革基本完成，形成了形成了“五大发电集团五大发电集团”：中国电力投资集团公司、中：中国电力投资集团公司、中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国国电集团公国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国国电集团公司、中国华电集团公司；司、中国华电集团公司；“两大电网两大电网”：国家电网公司、：国家电网公司、中国南方电网有限责任公司。中国南方电网有限责任公司。 4. 4. “七五七五”、“八五八五”期间，我国电力工业所建主期间，我国电力工业所建主力机组大多还是力机组
9、大多还是300MW300MW机组，但也开始建设机组，但也开始建设600MW600MW级机组。级机组。 5. 5. “九五九五”期间，我国电力建设的机组主力将逐步期间，我国电力建设的机组主力将逐步转为以转为以600MW600MW机组为主。机组为主。6热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 四、大型火电机组的特点四、大型火电机组的特点四、大型火电机组的特点四、大型火电机组的特点 1
10、. 1. 监监视视点点多多（600MW600MW机机组组I IO O点点多多达达3000300050005000个个，随随着着发发电电机机- -变变压压器器组组和和厂厂用用电电源源等等电电气气部部分分监监视视纳纳人人DCSDCS之后，之后，I IO O点已超过点已超过70007000个）个）; ; 2. 2. 参参数数变变化化速速度度快快和和控控制制对对象象数数量量大大（600W600W机机组组超超过过13001300个）个）; ; 3. 3. 各各个个控控制制对对象象特特性性时时变变、时时滞滞、相相互互间间关关联联耦耦合合、环境强干扰；环境强干扰； 4. 4. 由由高高度度计计算算机机化化的
11、的单单元元机机组组集集控控取取代代传传统统的的机机、炉炉、电电分分别别人人工工监监控控。自自动动化化系系统统的的功功能能也也已已从从单单台台辅辅机和局部热力系统发展到整个单元机组的检测与控制。机和局部热力系统发展到整个单元机组的检测与控制。 7热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 5. 5. 随随着着整整个个单单元元机机组组自自动动化化的的不不断断完完善善以以及及电电网网发发
12、展展的的需需要要，火火电电厂厂热热工工自自动动化化的的功功能能必必然然会会和和调调度度自自动动化化系系统统（automatic automatic dispatch dispatch systemsystem，ADSADS）相相协协调调而而实现电网的自动发电控制（实现电网的自动发电控制（AGCAGC）。）。 6. 6.厂厂级级实实时时监监控控信信息息系系统统（Supervisory Supervisory Information Information System System in in Plant Plant LevelLevel，简简称称SISSIS），是是集集过过程程实实时时监监测测
13、、优优化化控控制制及及生生产产过过程程管管理理为为一一体体的的厂厂级级自自动动化化信信息息系系统统, ,实现机组的安全经济运行的有效手段。实现机组的安全经济运行的有效手段。8热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 五、热工五、热工五、热工五、热工自动化的意义自动化的意义自动化的意义自动化的意义 1. 1. 在在在在机机机机组组组组正正正正常常常常运运运运行行行行过过过过程程程程
14、中中中中，自自自自动动动动化化化化系系系系统统统统能能能能根根根根据据据据机机机机组组组组运运运运行行行行要要要要求求求求，自自自自动动动动将将将将运运运运行行行行参参参参数数数数维维维维持持持持在在在在要要要要求求求求值值值值，以以以以期期期期取取取取得得得得较较较较高高高高的的的的效效效效率率率率（如如如如热热热热效效效效率率率率）和和和和较较较较低低低低的的的的消消消消耗耗耗耗（如煤耗、厂用电率等）。（如煤耗、厂用电率等）。（如煤耗、厂用电率等）。（如煤耗、厂用电率等）。 9热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述No
15、rth China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 2. 2. 在在机机组组运运行行工工况况出出现现异异常常，如如参参数数越越限限、辅辅机机跳跳闸闸时时，自自动动化化设设备备除除及及时时报报警警外外，还还能能迅迅速速、及及时时地地按按预预定定的的规规律律进进行行处处理理。这这样样，既既能能保保证证机机组组设设备备的的安安全全，又又能能保保证证机机组组尽尽快快恢恢复复正正常常运运行行，减减少少机机组的停运次数。组的停运次数。 例例如如，RUN RUN BACKBACK（自自动动快快速速减减负负荷荷）、R
16、UN RUN UPUP（强强增增负负荷荷），RUN RUN DOWNDOWN（强强减减负负荷荷）、FAST FAST CUT CUT BACKBACK（FCBFCB，负负荷荷快快速速切切回回或或称称快快速速甩甩负负荷荷）等功能。等功能。 10热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 3. 3. 当当机机组组从从运运行行异异常常发发展展到到可可能能危危及及设设备备安安全全或或人人身
17、身安安全全时时，自自动动化化设设备备能能适适时时采采取取果果断断措措施施进进行行处处理理，以以保保证证设设备备及及人人身身的的安安全全。如如锅锅炉炉主主燃燃料料跳跳闸闸（master master fuel fuel triptrip，MFTMFT）、汽汽轮轮机机监监测测系系统统（TSITSI）和和汽汽轮轮机机紧紧急跳闸系统（急跳闸系统（ETSETS）等。）等。 4. 4. 在在机机组组启启停停过过程程中中，自自动动化化设设备备又又能能根根据据机机组组启启动动时时的的热热状状态态进进行行相相应应的的控控制制，以以避避免免机机组组产产生生不不允允许许的的热热应应力力而而影影响响机机组组的的运运行
18、行寿寿命命，即即延延长长机机组组的的服服役役期期。如如汽汽轮轮机机的的计计算算机机应应力力估估算算和和寿寿命命管管理理系系统统，汽汽轮轮机机自自启停系统启停系统(turbine automatic system(turbine automatic system，TAS)TAS)。 11热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 5. 5. 随随着着电电网网的的发发展展，对对自自动动
19、发发电电控控制制（automatic automatic generation generation controlcontrol，AGCAGC）的的要要求求日日趋趋严严格格。AGCAGC是是现现代代电电网网控控制制中中心心的的一一项项基基本本和和重重要要的的功功能能，是是电电网网现现代代化化管管理理的的需需要要，也也是是电电网网商商业业化化运运营营的的需需要要。而而要要实实现现AGCAGC，单单元元机机组组必必须须有有较较高高的的自自动动化化水水平平，单单元元机机组组协协调控制系统必须能投入稳定运行。调控制系统必须能投入稳定运行。 自自动动化化技技术术对对于于提提高高机机组组的的安安全全经经
20、济济运运行行水水平平是是行行之之有有效效的的，大大型型火火电电机机组组离离开开了了高高度度的的自自动动化化，就就不不可可能做到安全经济运行。能做到安全经济运行。12热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University1-2 1-2 常见的常见的常见的常见的热工自动化系热工自动化系热工自动化系热工自动化系统统统统13热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化
21、概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 1. 1. 自动发电控制系统自动发电控制系统自动发电控制系统自动发电控制系统 （automatic generation control Systemautomatic generation control System，AGCAGC） 由由于于调调速速器器为为有有差差调调节节，因因此此对对于于变变化化幅幅度度较较大大、周周期期较较长长的的变变动动负负荷荷分分量量，需需要要通通过过改改变变汽汽轮轮发发电电机机组组的
22、的同同步步器器来来实实现现，即即通通过过平平移移调调速速系系统统的的调调节节静静态态特特性性，从从而而改改变变汽汽轮轮发发电电机机组组的的出力来达到调频的目的，称为二次调整。出力来达到调频的目的，称为二次调整。 当当二二次次调调整整由由由由电电网网调调度度中中心心的的能能量量管管理理系系统统来来实实现现遥遥控控自自动动控控制制时时，则则称称为为自自动动发发电电控控制制（AGCAGC）。）。14热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth Chin
23、a Electric Power University 2. 2. 厂级实时监控信息系统厂级实时监控信息系统厂级实时监控信息系统厂级实时监控信息系统 （Supervisory Supervisory Information Information System System in in Plant Plant LevelLevel，简称简称SISSIS） SIS SIS是发电厂的生产过程自动化和电力市场交易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市场交易的中间
24、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。控制枢纽。 实现全厂生产过程监控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实时处理全厂经济信息和成本核算 竞价上网处理系统竞价上网处理系统 实现机组之间的经济负荷分配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机组运行经济评估及运行操作指导15热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth C
25、hina Electric Power University 3. 3. 单元机组协调控制系统单元机组协调控制系统单元机组协调控制系统单元机组协调控制系统 （coordination control systemcoordination control system，CCSCCS） 协调控制是基于机、炉的动态特性，应用多变量控制协调控制是基于机、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。制的核心内
26、容。 4. 4. 锅炉炉膛安全监控系统锅炉炉膛安全监控系统锅炉炉膛安全监控系统锅炉炉膛安全监控系统 （furnace furnace safeguard safeguard supervisory supervisory systemsystem，FSSSFSSS）或或称称燃燃烧器管理系统（烧器管理系统（burner management systemburner management system，BMSBMS） 炉膛安全监视系统包括炉膛火焰监视，炉膛压力监视，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，燃烧器自动切换，紧急情况下的主炉膛吹扫，自动点火，燃烧器自动切换
27、，紧急情况下的主燃料跳闸等。燃料跳闸等。16热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 5. 5. 顺序控制系统顺序控制系统顺序控制系统顺序控制系统 （sequence control systemsequence control system，SCSSCS） 按照生产过程工艺要求预先拟定的顺序，有计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
28、的划、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。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。如汽轮机的自动启停程序控制、磨煤机程序控制。如汽轮机的自动启停程序控制、磨煤机自动启停程序控制、定期排污和定期吹灰的程序控自动启停程序控制、定期排污和定期吹灰的程序控制等。制等。17热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Ele
29、ctric Power UniversityNorth China Electric Power University 6. 6. 6. 6. 数据采集系统数据采集系统数据采集系统数据采集系统 （data acquisition systemdata acquisition system，DASDAS） 又称为计算机监控系统，其基本功能是对机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，经处理运算组整个生产过程参数进行在线检测，经处理运算后以后以CRTCRT画面形式提供给运行人员。该系统可进行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
30、自动报警，制表打印，性能指标计算，事件顺序记录，历史数据存储以及操作指导等。记录，历史数据存储以及操作指导等。18热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 7. 7. 汽轮机数字电液控制系统汽轮机数字电液控制系统汽轮机数字电液控制系统汽轮机数字电液控制系统 （digital electric hydraulic systemdigital electric hydraulic s
31、ystem，DEHDEH） 汽汽轮轮机机数数字字电电液液控控制制系系统统是是汽汽轮轮发发电电机机组组的的重重要要组组成成部部分分，除除完完成成汽汽轮轮机机转转速速、功功率率及及机机前前压压力力的的控控制制外外，还还可可实实现现机机组组启启停停过过程程及及故故障障时时的的控控制制和保护。和保护。 8. 8.给水泵汽轮机电液控制系统给水泵汽轮机电液控制系统给水泵汽轮机电液控制系统给水泵汽轮机电液控制系统 （machine electric hydraulic systemmachine electric hydraulic system，MEHMEH）19热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第
32、一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 9. 9. 旁路控制系统旁路控制系统旁路控制系统旁路控制系统 （bypass control systembypass control system，BPSBPS） 大大型型中中间间再再热热式式机机组组一一般般都都设设置置旁旁路路热热力力系系统统，其其目目的的是是在在机机组组启启、停停过过程程中中协协调调机机、炉炉的的动动作作，回回收收工工质质，保保护护再再热热器器等等。完完备备
33、的的旁旁路路控控制制系系统统是是充充分分发挥旁路系统功能的前提。发挥旁路系统功能的前提。 10. 10. 汽轮机自启动系统汽轮机自启动系统汽轮机自启动系统汽轮机自启动系统（TASTAS）20热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 11.11.汽汽汽汽轮轮轮轮机机机机监监监监视视视视仪仪仪仪表表表表（TSITSI）和和和和汽汽汽汽轮轮轮轮机机机机紧紧紧紧急急急急跳跳跳跳闸闸闸闸系
34、系系系统（统（统（统（ETSETS） 汽轮发电机属高速运转的大型机械设备，对其运汽轮发电机属高速运转的大型机械设备，对其运行参数的要求十分严格。大轴的振动、位移、热膨胀行参数的要求十分严格。大轴的振动、位移、热膨胀等参数直接影响到汽机的安全运行，必须精确测量并等参数直接影响到汽机的安全运行，必须精确测量并加以监视。以微处理器为核心的汽轮机监控系统，可加以监视。以微处理器为核心的汽轮机监控系统，可有效地解决参数检测与处理方面的困难。有效地解决参数检测与处理方面的困难。 12. 12.辅助系统的计算机程控系统辅助系统的计算机程控系统辅助系统的计算机程控系统辅助系统的计算机程控系统21热工自动化概述
35、-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University1-3 1-3 热工控制系统的热工控制系统的热工控制系统的热工控制系统的组成组成组成组成22热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University图图图
36、图 汽包水位自动控制系统示意图汽包水位自动控制系统示意图汽包水位自动控制系统示意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。完成控制任务，就形成了自动控制系统。一、自动控制系统的组成一、自动控制系统的组成一、自动控制系统的组成一、自动控制系统的组成23热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University图图图图
37、 汽包水位自动控制原理框图汽包水位自动控制原理框图汽包水位自动控制原理框图汽包水位自动控制原理框图24热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 1 1 1 1、变送器、变送器、变送器、变送器 用来测量被调量，并把被调量转换为与之成比例用来测量被调量，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。的某种便于传递和综合的信号。 2 2、执、执、执、执 行行行行 器器器器 根据
38、调节器送来的控制指令去推动调节机构，改根据调节器送来的控制指令去推动调节机构，改变调节量。变调节量。 3 3 3 3、调、调、调、调 节节节节 器器器器 接受被调量信号和给定值比较后的偏差信号，输接受被调量信号和给定值比较后的偏差信号，输出一定规律的控制指令给执行器。出一定规律的控制指令给执行器。 4 4、控制对象、控制对象、控制对象、控制对象 被控制的热工生产过程或设备。被控制的热工生产过程或设备。25热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNort
39、h China Electric Power University5 5 5 5、有关变量、有关变量、有关变量、有关变量给定值：给定值：给定值：给定值：被调量的给定值或与该给定值对应的电信号。被调量的给定值或与该给定值对应的电信号。被被被被 调调调调 量：量：量：量：表征热工过程是否符合规定工况的物理量。表征热工过程是否符合规定工况的物理量。扰扰扰扰 动：动：动：动： 生产过程中引起被调量偏离给定值的各种因素。生产过程中引起被调量偏离给定值的各种因素。调调调调 节节节节 量：量：量：量：由控制作用来改变并去控制被调量变化的物由控制作用来改变并去控制被调量变化的物 理量。理量。调节机构：调节机构
40、：调节机构：调节机构：接受控制作用去改变调节量变化的具体设备。接受控制作用去改变调节量变化的具体设备。26热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University二、自动控制系统的分类二、自动控制系统的分类二、自动控制系统的分类二、自动控制系统的分类 1 1 1 1按控制方式分类按控制方式分类按控制方式分类按控制方式分类 闭环控制系统闭环控制系统闭环控制系统闭环控制系统（也称（也称反馈控制系统反
41、馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统） 被控量信号反馈到控制设备的输入端，成为控制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。有闭合回路，只要被控量设备生产控制作用的依据。有闭合回路，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，直到被控量符合要求为止。作用，直到被控量符合要求为止。 特点：基于偏差，消除偏差，可克服各种扰动对特点：基于偏差，消除偏差，可克服各种扰动对被控量的影响，有较高精度，但控制不及时。被控量的影响，有较高精度，但控制不及时。 27热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动
42、化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 开环控制系统开环控制系统开环控制系统开环控制系统（也称（也称前馈控制系统前馈控制系统前馈控制系统前馈控制系统） 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。的输入端。 特点：按扰动进行控制，结构简单，精度差，特点：按扰动进行控制，结构简单，精度差，只能克服单一扰动。只
43、能克服单一扰动。 复合控制系统：复合控制系统：复合控制系统：复合控制系统：它是开环控制和闭环控制组合它是开环控制和闭环控制组合的一种控制系统。的一种控制系统。28热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University2 2按闭合回路的数目分类按闭合回路的数目分类按闭合回路的数目分类按闭合回路的数目分类 单回路控制系统单回路控制系统单回路控制系统单回路控制系统：只有一个被控量信号反馈到控制只有一
44、个被控量信号反馈到控制器的输入端。形成一个闭合回路。器的输入端。形成一个闭合回路。29热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 多回路控制系统多回路控制系统多回路控制系统多回路控制系统：具有一个以上的闭合回具有一个以上的闭合回路，控制器路，控制器( (调节器调节器) )除接受被控量反馈信号外，除接受被控量反馈信号外，还有另外的输出信号直接或间接地反馈到控制还有另外的输出信号直接或
45、间接地反馈到控制器的输入端。器的输入端。30热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University3 3按给定值分类按给定值分类按给定值分类按给定值分类 定值控制系统定值控制系统定值控制系统定值控制系统：给定值保持不变，从而被控量也相：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，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。最终使被控量
46、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。温控制系统等。 31热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University随动控制系统：随动控制系统：随动控制系统：随动控制系统：给定值按预先不能确定的一些随机因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。素而变化。因而被调量也跟随给定值而随机变
47、化。 如：单元机组负荷控制系统；军事上的火炮跟踪如：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。系统；导弹预测拦截系统。程序控制系统：程序控制系统：程序控制系统：程序控制系统：给定值按已知的时间函数变化。控制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。的任务是使被控量尽快与给定值相等。 例如：汽轮机自动启停系统例如：汽轮机自动启停系统TASTAS：汽轮机启动过：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。灰系统等。32热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述
48、热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University三、热工对象的动态特性三、热工对象的动态特性三、热工对象的动态特性三、热工对象的动态特性（1 1 1 1）有自平衡能力）有自平衡能力）有自平衡能力）有自平衡能力（2 2 2 2）无自平衡能力）无自平衡能力）无自平衡能力）无自平衡能力33热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power Unive
49、rsityNorth China Electric Power University 热工对象具有以下特点：热工对象具有以下特点：热工对象具有以下特点：热工对象具有以下特点： （1 1）被调量的变化大多是不振荡的。）被调量的变化大多是不振荡的。 （2 2）被调量在干扰发生的开始阶段有迟延和惯性。）被调量在干扰发生的开始阶段有迟延和惯性。 （3 3）在响应曲线的最后阶段，被调量可能达到一个）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）。而无法进入平衡状态（对象无自平衡
50、能力）。 （4 4）描述对象动态特性的特征参数有：放大系数）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。时间常数、迟延时间。 34热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University1-4 1-4 1-4 1-4 常规常规常规常规PIDPIDPIDPID调节器调节器调节器调节器35热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概
51、述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University一、常规一、常规一、常规一、常规PIDPIDPIDPID控制规律控制规律控制规律控制规律 接受被调量信号和给定值比较后的偏差信号，按接受被调量信号和给定值比较后的偏差信号，按比例比例比例比例- - - -积分积分积分积分- - - -微分控制规律微分控制规律微分控制规律微分控制规律输出控制指令给执行器。输出控制指令给执行器。36热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化
52、概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University37热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 1 1 1 1、比例调节规律比例调节规律比例调节规律比例调节规律 指调节器输出的控制作用指调节器输出的控制作用u u（t t）与其偏差输入信号）与其偏差输入信号e e( (t t) )
53、之间成比例关系，即之间成比例关系，即比例增益比例增益 工程中，常用比例带工程中，常用比例带 来描述其控制作用的强弱，即来描述其控制作用的强弱，即物理意义：在调节机构的位移改变时，被调量应有的物理意义：在调节机构的位移改变时，被调量应有的改变量。改变量。 38热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University比例调节器的阶跃响应曲线如下比例调节器的阶跃响应曲线如下: :对控制过程的影响对控制
54、过程的影响对控制过程的影响对控制过程的影响 39热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University结论：结论：结论：结论： 比例带大，则调节阀动作幅度小，被调量变化平比例带大，则调节阀动作幅度小，被调量变化平稳，超调量小，但残差较大，静态偏差随比例带的加稳，超调量小，但残差较大，静态偏差随比例带的加大而加大；大而加大； 减小比例带导致系统激烈振荡甚至不稳定，比例减小比例带导致系统激烈振荡甚
55、至不稳定，比例带设置必须有一定的稳定裕度。带设置必须有一定的稳定裕度。比例调节规律的特点：比例调节规律的特点：比例调节规律的特点：比例调节规律的特点： （1 1）动作快，调节及时、迅速；）动作快，调节及时、迅速； （2 2）对干扰有）对干扰有很强的抑制作用；（很强的抑制作用；（2 2）调节过程结束，被调量偏差）调节过程结束，被调量偏差仍存在，存在静态偏差，称为有差调节。仍存在，存在静态偏差，称为有差调节。 40热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityN
56、orth China Electric Power University 2 2、积分调节规律、积分调节规律、积分调节规律、积分调节规律 积分调节规律是调节器输出控制作用积分调节规律是调节器输出控制作用u u（t t）与其）与其偏差输入信号偏差输入信号e e（t t）随时间的积累值成正比，即）随时间的积累值成正比，即积分时间积分时间积分时间积分时间 积分作用曲线积分作用曲线积分作用曲线积分作用曲线特点：特点：特点：特点： 只要偏差存在，积分控制只要偏差存在，积分控制作用一直增加；消除稳态偏差，作用一直增加；消除稳态偏差，实现无差调节，其控制作用体实现无差调节，其控制作用体现在调节过程的后期。现
57、在调节过程的后期。 41热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power UniversityT Ti i对控制过程的影响对控制过程的影响对控制过程的影响对控制过程的影响 积分调节器的积分时间对控制过程的影响积分调节器的积分时间对控制过程的影响 非周期过程非周期过程非周期过程非周期过程衰减振荡过程衰减振荡过程衰减振荡过程衰减振荡过程 等幅振荡过程等幅振荡过程等幅振荡过程等幅振荡过程 42热工自动化概述-华北电
58、力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 结论：结论：结论：结论： 积分时间越小，积分速度越快，调节阀动作愈快，积分时间越小，积分速度越快，调节阀动作愈快，容易引起和加剧振荡。容易引起和加剧振荡。 积分调节作用是随时间而逐渐增强的，与比例调节积分调节作用是随时间而逐渐增强的，与比例调节作用相比过于迟缓，恶化了动态品质，使过渡过程的振作用相比过于迟缓，恶化了动态品质，使过渡过程的振荡加剧，甚至造成系统的
59、不稳定。荡加剧，甚至造成系统的不稳定。43热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 3 3 3 3、微分调节规律、微分调节规律、微分调节规律、微分调节规律 微微分分调调节节规规律律是是调调节节器器输输出出的的控控制制作作用用与与其其偏偏差差输输入入信信号号的的变变化化速速度度成成正正比比。对对于于定定值值控控制制系系统统，偏偏差差信信号的变化速度就是被调量的变化速度，即号的变化速
60、度就是被调量的变化速度，即 微分时间微分时间微分时间微分时间 加入微分调节作用实现加入微分调节作用实现超前调节超前调节超前调节超前调节，有利于克服动态，有利于克服动态偏差，将大大改善调节过程。微分调节作用的大小仅与偏差，将大大改善调节过程。微分调节作用的大小仅与偏差信号的变化速度有关，而与偏差值大小无关。偏差信号的变化速度有关，而与偏差值大小无关。44热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power Univ
61、ersity实际的微分调节规律具有惯性，传递函数为下式：实际的微分调节规律具有惯性，传递函数为下式：微分增益微分增益微分增益微分增益 实际微分调节的阶跃响应实际微分调节的阶跃响应实际微分调节的阶跃响应实际微分调节的阶跃响应 45热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 结论：结论：结论：结论： 微微分分作作用用的的引引入入使使系系统统控控制制过过程程的的稳稳定定性性和和准准确确性
62、性都都得得以以提提高高，可可适适当当减减小小静静态态偏偏差差，但但它它不不能能像像积积分作用那样消除稳态偏差。分作用那样消除稳态偏差。 调调节节过过程程开开始始时时，被被调调量量偏偏差差小小，但但其其变变化化速速度度却较大，可使执行机构产生较大的位移。却较大，可使执行机构产生较大的位移。 但但当当调调节节过过程程结结束束，执执行行机机构构位位置置最最后后总总是是回回复复到原来的数值。到原来的数值。46热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth
63、China Electric Power University 综上所述综上所述综上所述综上所述: : : : 比例调节作用是最基本的调节作用，使比例调节作用是最基本的调节作用，使“长劲长劲”，比例作用贯彻于整个调节过程之中；，比例作用贯彻于整个调节过程之中； 积分和微分作用为辅助调节作用。积分作用则体积分和微分作用为辅助调节作用。积分作用则体现在调节过节过程的后期，用以消除静态偏差，现在调节过节过程的后期，用以消除静态偏差，使使“ “后后劲劲” ”； 微分作用则体现在调节过程的初期，使微分作用则体现在调节过程的初期，使“前劲前劲” 。 47热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章
64、 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 4. PID(4. PID(比例比例比例比例- -积分积分积分积分- -微分微分微分微分) )控制特点控制特点控制特点控制特点 (1) (1) 缺点缺点 不适用于有大时间滞后的控制对象，参数变化不适用于有大时间滞后的控制对象，参数变化较大甚至结构也变化的控制对象，以及系统复杂、较大甚至结构也变化的控制对象，以及系统复杂、环境复杂、控制性能要求高的场合。环境复杂、控制性能要求高的场合。 (2
65、) (2) 优点优点: : PID PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，而且其配置几乎最优。将来的主要信息，而且其配置几乎最优。48热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 比例比例(P)(P)代表了当前的信息，起纠正偏差的作代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，使过程反应迅速。用，使过程反应迅速。 微分微分(D)(D)在信
66、号变化时有超前控制作用，代表在信号变化时有超前控制作用，代表了将来的信息。在过程开始时强迫过程进行，过程了将来的信息。在过程开始时强迫过程进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。加快系统的过渡过程。 积分积分(I)(I)代表了过去积累的信息，它能消除静代表了过去积累的信息，它能消除静差，改善系统静态特性。差，改善系统静态特性。 此三作用配合得当，可使动态过程快速、平稳、此三作用配合得当，可使动态过程快速、平稳、准确，收到良好的效果。准确，收到良好的效果。49热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自
67、动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University PIDPID控制适应性好，有较强鲁棒性。控制适应性好，有较强鲁棒性。 PIDPID算法简单明了，形成了完整的设计和参数调整算法简单明了，形成了完整的设计和参数调整方法方法, ,很容易为工程技术人员所掌握。很容易为工程技术人员所掌握。 许多工业控制回路比较简单，控制的快速性和精度许多工业控制回路比较简单，控制的快速性和精度要求不是很高，特别是对于那些要求不是很高，特别是对于那些l l2 2阶的系统，
68、阶的系统，PIDPID控制控制已能得到满意的结果。已能得到满意的结果。 PIDPID控制根据不同的要求，针对自身的缺陷进行了控制根据不同的要求，针对自身的缺陷进行了不少改进，形成了一系列改进的不少改进，形成了一系列改进的PIDPID算法。算法。 例如，为克服微分带来的高频干扰的滤波例如，为克服微分带来的高频干扰的滤波PIDPID控制，控制，为克服大偏差时出现饱和超调的为克服大偏差时出现饱和超调的PIDPID积分分离控制，为补积分分离控制，为补偿控制对象非线性因素的可变增益偿控制对象非线性因素的可变增益PIDPID控制等等。这些改控制等等。这些改进算法，在一些应用场合得到了很好的效果。进算法，在
69、一些应用场合得到了很好的效果。 50热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University比例带比例带积分时间积分时间微分时间微分时间性能指标性能指标整定参数整定参数衰减率衰减率超调量超调量静态偏差静态偏差振荡频率振荡频率 设定值扰动下整定参数对调节过程的影响设定值扰动下整定参数对调节过程的影响设定值扰动下整定参数对调节过程的影响设定值扰动下整定参数对调节过程的影响5 5 5 5、PIDPID
70、PIDPID参数对调节过程的影响分析参数对调节过程的影响分析参数对调节过程的影响分析参数对调节过程的影响分析51热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University二、数字二、数字二、数字二、数字PIDPIDPIDPID控制算法的改进控制算法的改进控制算法的改进控制算法的改进 1. 1. 积分项的改进积分项的改进积分项的改进积分项的改进 在实际使用中，这种基本的在实际使用中，这种基本的 PI
71、D PID控制算法往往还存控制算法往往还存在着一些缺陷。其中对控制系统影响比较大的一个问题在着一些缺陷。其中对控制系统影响比较大的一个问题就是积分器的饱和问题。就是积分器的饱和问题。 (1) (1) 积分器的饱和现象积分器的饱和现象积分器的饱和现象积分器的饱和现象 积分运算是通过对系统偏差的不断累加而实现的，积分运算是通过对系统偏差的不断累加而实现的，积分器的积分值代表着系统偏差的面积。由于计算机输积分器的积分值代表着系统偏差的面积。由于计算机输出接口（出接口（D DA A转换器）的字长是有限的，当系统在刚启转换器）的字长是有限的，当系统在刚启动的一段时间内，系统的偏差较大，积分器经过若干个动
72、的一段时间内，系统的偏差较大，积分器经过若干个采样周期的积分运算以后，其积分结果就会超过计算机采样周期的积分运算以后，其积分结果就会超过计算机输出接口所能表示的最大值，从而使调节器从线性工作输出接口所能表示的最大值，从而使调节器从线性工作区进入饱和区。区进入饱和区。52热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 进入饱和区以后，调节器便失去了调节能力，进入饱和区以后，调节器便失去了
73、调节能力，系统在调节器饱和输出值的作用下，以最大的加速系统在调节器饱和输出值的作用下，以最大的加速度运动，一直到系统出现较大幅度的，并且持续时度运动，一直到系统出现较大幅度的，并且持续时间较长的超调以后，在较大的负偏差的作用下，才间较长的超调以后，在较大的负偏差的作用下，才能将积分器从饱和区拉到线性区，这就是积分饱和能将积分器从饱和区拉到线性区，这就是积分饱和问题。问题。 被控对象的惯性越大，这种积分饱和现象就越被控对象的惯性越大，这种积分饱和现象就越严重。严重。 克服积分饱和现象的方法主要有克服积分饱和现象的方法主要有积分分离积分分离积分分离积分分离与与变变变变速积分速积分速积分速积分两种控
74、制方法两种控制方法53热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University (2) (2) (2) (2) 积分分离积分分离积分分离积分分离PIDPIDPIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法 为使数字调节器尽可能工作在线性区，可以采用为使数字调节器尽可能工作在线性区，可以采用积分分离的方法，即在系统的给定值附近画出一条带积分分离的方法，即在系统的给定值附近画出一条带域，其宽度为域，其宽
75、度为22，0 0，为积分器投入或切除的切，为积分器投入或切除的切换点，如下图所示。换点，如下图所示。图图图图. . . . 积分分离积分分离积分分离积分分离PIDPIDPIDPID切换原理图切换原理图切换原理图切换原理图 54热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 在系统启动的初期，系统的偏差较大时，暂时切在系统启动的初期，系统的偏差较大时，暂时切除积分作用（将积分系数置除积分
76、作用（将积分系数置0 0）；当系统的输出接近给）；当系统的输出接近给定值（进入到带域之内）时，再将积分器投入，即定值（进入到带域之内）时，再将积分器投入，即 为积分器分离值，为积分器分离值，为积分分离为积分分离PIDPID调节器的一调节器的一个设计参数，算法程序将系统的偏差个设计参数，算法程序将系统的偏差e e（k k）的绝对）的绝对值与值与进行比较，然后，作出使用进行比较，然后，作出使用PIDPID调节器还是使调节器还是使用用PDPD调节器的决策。调节器的决策。 55热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North Ch
77、ina Electric Power UniversityNorth China Electric Power University (3)(3)(3)(3)变速积分变速积分变速积分变速积分PIDPIDPIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法 在一般在一般PIDPID控制算法中，由于积分系数是一个常数，控制算法中，由于积分系数是一个常数，所以，在整个控制过程中，积分增量不变。而系统对积所以，在整个控制过程中，积分增量不变。而系统对积分项的要求是，系统偏差大时积分作用减弱以至全无，分项的要求是，系统偏差大时积分作用减弱以至全无，而在小偏差时则应加强，否则，积分系数取大了会产生而在小偏差时则应
78、加强，否则，积分系数取大了会产生超调，甚至积分饱和，取小了又迟迟不能消除静差。因超调，甚至积分饱和，取小了又迟迟不能消除静差。因此，根据系统的偏差大小改变积分的速度，这对于提高此，根据系统的偏差大小改变积分的速度，这对于提高调节品质是有益的。调节品质是有益的。 变速积分变速积分PIDPID的基本思想是设法改变积分项的累加速的基本思想是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差的大小相对应：偏差越大，积分越慢，度，使其与偏差的大小相对应：偏差越大，积分越慢，反之则越快。反之则越快。 56热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述Nor
79、th China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 2. 2. 2. 2. 微分项的改进微分项的改进微分项的改进微分项的改进 在数字在数字PIDPID算式中，其位置式的微分项算式中，其位置式的微分项特别是增量式的微分项中的二阶差分项，特别是增量式的微分项中的二阶差分项，对数据误差和干扰特别敏感，因此在数字对数据误差和干扰特别敏感，因此在数字PIDPID中，干扰中，干扰主要是通过微分项起作用的。主要是通过微分项起作用的。 但是由于微分作用在但是由于微分作用在PIDPID调节中往往是必要的（它调节中往往是必
80、要的（它可以近似补偿对象的一个极点，扩大稳定域，改善动态可以近似补偿对象的一个极点，扩大稳定域，改善动态性能），因此不能简单地将微分项弃去，应设法减小数性能），因此不能简单地将微分项弃去，应设法减小数据误差和干扰在微分项中的影响。下面介绍两种方法：据误差和干扰在微分项中的影响。下面介绍两种方法：四点中值差分法四点中值差分法四点中值差分法四点中值差分法和和不完全微分不完全微分不完全微分不完全微分PIDPID控制算法。控制算法。 57热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power U
81、niversityNorth China Electric Power University (1) (1) 四点中值差分法四点中值差分法四点中值差分法四点中值差分法 本这种方法中一方面将本这种方法中一方面将 取得略小于理想情况，取得略小于理想情况，另一方面，在组成差分时，不直接应用前后两次偏差，另一方面，在组成差分时，不直接应用前后两次偏差，而是用平均差作基准，再用加权求和构成近似微分项。而是用平均差作基准，再用加权求和构成近似微分项。如下图所示。如下图所示。图图. .插值法示意图插值法示意图 58热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概
82、述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University在图上取相邻几个采样周期的四个点在图上取相邻几个采样周期的四个点e e(k)(k)至至e e(k-3)(k-3)，设，设 特点：特点：特点：特点：在算式中增加的计算量是最少的，但要求存在算式中增加的计算量是最少的，但要求存储器存储储器存储e e变量的几个过去的数值。变量的几个过去的数值。59热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Elect
83、ric Power UniversityNorth China Electric Power University (2) (2) 不完全微分不完全微分不完全微分不完全微分PIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法 微分的引入改善了系统的动态性能，但也容易引入微分的引入改善了系统的动态性能，但也容易引入高频干扰。如果在控制算法中加入低通滤波，则性能可高频干扰。如果在控制算法中加入低通滤波，则性能可得到显著地改善。不完全微分得到显著地改善。不完全微分PIDPID的结构如下图所示。的结构如下图所示。不仅可以抑制干扰，还可克服完全微分的大幅度冲不仅可以抑制干扰，还可克服完全微分的大幅度冲击的缺点（
84、与实际击的缺点（与实际PIDPID控制效果相同）。控制效果相同）。60热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 3. 3. 3. 3.带死区（间隙）的带死区（间隙）的带死区（间隙）的带死区（间隙）的PIDPIDPIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法 在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制动在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制动作过于频繁，以消除由于频繁动作所引起的振荡
85、，有作过于频繁，以消除由于频繁动作所引起的振荡，有时采用所谓带有死区的时采用所谓带有死区的PIDPID控制系统，如下图所示。控制系统，如下图所示。 图图图图. . . .带死区的带死区的带死区的带死区的PIDPIDPIDPID控制系统控制系统控制系统控制系统61热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University1-5 1-5 热工控制系统的热工控制系统的热工控制系统的热工控制系统的运行评价
86、运行评价运行评价运行评价62热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University一、静态和动态的概念一、静态和动态的概念一、静态和动态的概念一、静态和动态的概念 静态静态静态静态：被控参数不随时间而变化的平衡状态叫被控参数不随时间而变化的平衡状态叫静态或稳态。静态或稳态。 动态动态动态动态：被控参数随时间而变化的不平衡状态叫被控参数随时间而变化的不平衡状态叫动态。动态。63热工自动化概述-华
87、北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University二、控制系统在受到干扰作用时的过渡过程二、控制系统在受到干扰作用时的过渡过程二、控制系统在受到干扰作用时的过渡过程二、控制系统在受到干扰作用时的过渡过程64热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth Chin
88、a Electric Power University图图图图. . 典型过渡过程曲线典型过渡过程曲线典型过渡过程曲线典型过渡过程曲线三、控制系统的评价三、控制系统的评价三、控制系统的评价三、控制系统的评价 稳定性、准确性、快速性稳定性、准确性、快速性 1. 1. 1. 1. 稳定性稳定性稳定性稳定性 指控制系统在受到干扰作用后，系统的平衡被破坏，指控制系统在受到干扰作用后，系统的平衡被破坏，在控制设备的控制作用下，控制系统能恢复到一个新的在控制设备的控制作用下，控制系统能恢复到一个新的平衡状态，称为稳定性。稳定的控制系统的被控参数和平衡状态，称为稳定性。稳定的控制系统的被控参数和控制参数的过
89、渡过程曲线最后趋于平衡；不稳定的控制控制参数的过渡过程曲线最后趋于平衡；不稳定的控制系统过渡过程曲线则是渐扩的，无法恢复平衡。系统过渡过程曲线则是渐扩的，无法恢复平衡。 65热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University稳定程度可以用稳定程度可以用衰减率衰减率衰减率衰减率这个指标来衡量这个指标来衡量 衰减率和系统稳定性之间的关系衰减率和系统稳定性之间的关系过渡过程为过渡过程为非周期非周
90、期非周期非周期过程过程过渡过程为过渡过程为等幅振荡等幅振荡等幅振荡等幅振荡过程过程过渡过程为过渡过程为衰减振荡衰减振荡衰减振荡衰减振荡过程过程 过渡过程为过渡过程为渐扩振荡渐扩振荡渐扩振荡渐扩振荡过程过程66热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 2 2 2 2、准确性、准确性、准确性、准确性 指被控参数的实际值与给定值之间的动态偏差和静态指被控参数的实际值与给定值之间的动态偏
91、差和静态偏差。最大动态偏差是指整个过渡过程中被控参数偏离给偏差。最大动态偏差是指整个过渡过程中被控参数偏离给定值的最大差值；静态偏差是过渡过程结束后被控参数与定值的最大差值；静态偏差是过渡过程结束后被控参数与给定值之间的差值。给定值之间的差值。 现场中希望两个偏差越小越好。现场中希望两个偏差越小越好。 3 3 3 3、快速性、快速性、快速性、快速性 指过渡过程的持续时间，即从干扰发生起至被控参数指过渡过程的持续时间，即从干扰发生起至被控参数又建立新的平衡状态为止的过渡时间。一般认为被控参数又建立新的平衡状态为止的过渡时间。一般认为被控参数进入偏离给定值范围内就基本稳定了。当然，过渡时间越进入偏
92、离给定值范围内就基本稳定了。当然，过渡时间越短，控制过程进行的就越快，系统品质也就越好。短，控制过程进行的就越快，系统品质也就越好。 以上三方面的品质指标有时往往是相互矛盾的，在实以上三方面的品质指标有时往往是相互矛盾的，在实以上三方面的品质指标有时往往是相互矛盾的，在实以上三方面的品质指标有时往往是相互矛盾的，在实际调试过程中应统筹兼顾！际调试过程中应统筹兼顾！际调试过程中应统筹兼顾！际调试过程中应统筹兼顾！67热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power Universit
93、yNorth China Electric Power University4 4 4 4、动态性能指标、动态性能指标、动态性能指标、动态性能指标68热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 延迟时间延迟时间 ： （Delay TimeDelay Time）响应曲线第一次达到稳态值的一半所需）响应曲线第一次达到稳态值的一半所需的时间。的时间。上升时间上升时间 （Rise Time
94、Rise Time）响应曲线从稳态值的）响应曲线从稳态值的10%10%上升到上升到90%90%，所，所需的时间。上升时间越短，响应速度越快需的时间。上升时间越短，响应速度越快 峰值时间峰值时间 （Peak TimePeak Time）：）： 响应曲线达到过调量的第一个峰值所需要的时间。响应曲线达到过调量的第一个峰值所需要的时间。 评价系统的响应速度；评价系统的响应速度；评价系统的响应速度；评价系统的响应速度；评价系统的响应速度；评价系统的响应速度；69热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Elect
95、ric Power UniversityNorth China Electric Power University 调节调节时间时间 ： （Settling TimeSettling Time） 响应曲线达到并永远保持在一个允许误差范围内，所需的最短响应曲线达到并永远保持在一个允许误差范围内，所需的最短时间。用稳态值的百分数（通常取时间。用稳态值的百分数（通常取5%5%或或2%2%）作。）作。 超调量超调量 （Maximum OvershootMaximum Overshoot）：指响应的最大偏离量）：指响应的最大偏离量h(tp)h(tp)于终值之差于终值之差的百分比，即的百分比，即同时反映响
96、应速度和阻尼程度的综合性指标。同时反映响应速度和阻尼程度的综合性指标。70热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University1-6 S1-6 S1-6 S1-6 SAMAAMA图图图图71热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth Chin
97、a Electric Power University SAMASAMA图是美国科学仪器制造协会（图是美国科学仪器制造协会（Scientific Scientific Apparatus Makers AssociationApparatus Makers Association）所采用的绘制图例，它）所采用的绘制图例，它易于理解，能清楚地表示系统功能，广范为自动控制易于理解，能清楚地表示系统功能，广范为自动控制系统所应用系统所应用。 自动信号处理功能自动信号处理功能 测量或信号显示功能测量或信号显示功能 手动信号处理功能手动信号处理功能 执行机构执行机构 FTLTPTTTZT 流量变送器流量
98、变送器 液位变送器液位变送器 压力变送器压力变送器 温度变送器温度变送器 位置反馈位置反馈 72热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 开方开方 乘法乘法 除法除法 偏量偏量 偏差偏差 加法加法 Kd/dtf(t)f(x)/N比例比例 积分积分 微分微分 时间函数时间函数 函数函数 均值均值73热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热
99、工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power UniversityTA手动切换操作手动切换操作 手动增减操作手动增减操作 手动设置操作手动设置操作 A/MTTR手动手动/ /自动切换自动切换 切换切换 跟踪跟踪 大选大选 小选小选 高限高限 H/LVA/D高报高报 低报低报 限速限速 限幅限幅 模数转换模数转换 低限低限 74热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power
100、UniversityNorth China Electric Power UniversityP/IP/II/PI/PV/IV/II/VI/VD/AD/A气压电流气压电流 电流气压电流气压 电压电流电压电流 电流电压电流电压 数模转换数模转换 R/VR/VMV/VMV/V热电阻电压热电阻电压 热电偶电压热电偶电压 信号来源信号来源 MOMOEHEH电动执行机构电动执行机构 液动执行机构液动执行机构 气动执行机构气动执行机构 f(x)f(x)执行机构执行机构 直行程阀直行程阀 角行程阀角行程阀 75热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热
101、工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University模拟信号模拟信号数字信号数字信号气信号气信号76热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University过程变量过程变量过程变量过程变量 功能功能功能功能 信号转换信号转换信号转换信号转换A: A: 分析分析 I: I: 指示指示 E/P
102、 E/P 电电/ /气转换气转换F: F: 流量流量 R: R: 记录记录 M/P M/P 脉冲脉冲/ /气压转换气压转换I: I: 电流电流 T: T: 变送器变送器 I/P I/P 电流电流/ /气压转换气压转换L: L: 液位液位 E E：测量元件：测量元件P: P: 压力压力 ：积分器：积分器S: S: 速度速度T: T: 温度温度HZ:HZ:频率频率Z: Z: 位置位置77热工自动化概述-华北电力大学第一章第一章第一章第一章 热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述热工自动化概述North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University78热工自动化概述-华北电力大学
