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1、分 散 控 制 系 统（自动控制系统基础知识）,华北电力大学 自动化系,概述,1、自动控制的概念 在热力生产设备上配置一些自动化装置，代替人的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行。这种在无人直接参与的情况下，由自动化仪表和装置来控制生产过程的办法就称为热力过程自动化。,2、热力生产过程自动化的组成1）自动检测：对反映热力生产过程运行状态的物理量、化学量以及表征设备工作状况的参数自动地检查、测量和监视。2）自动调节：自动调节就是依靠自动调节设备来实现调节作用。自动调节设备必须具备检测、定值、运算、执行等功能。热力设备安全经济运行，要求某些表征热力设备正常工作的物理量始终维持在某一规定值或预
2、定范围内、按预定的规律来变化，生产过程经常受到各种干扰，使被调量偏离规定值，需要进行相应的调节，使之保持或恢复到规定的范围内，保证生产过程的稳定。,3）自动保护：热力设备发生异常甚至发生事故时，为确保生产的安全，保证产品的质量，需要对某些关键性参数设置信号、联锁装置，事故发生前，信号系统能发出声、光信号，提醒操作人员采取措施。是一种安全装置。4）自动操纵（包括远方控制、程序控制或顺序控制）：根据预先规定的程序或条件自动地对生产设备进行某种周期性操作，把操作人员从重复性劳动中解放出来。,3、热力生产过程自动控制系统 热力生产过程自动化主要包括锅炉、汽轮机及其辅助设备的自动控制。自动控制的任务是使
3、锅炉、汽轮机适应负荷的需要，同时又能在安全、经济的工况下运行。,锅炉自动控制系统，锅炉自动调节的任务主要有：1）使锅炉供给的蒸汽量适应负荷变化的需要；2）使锅炉供给的蒸汽压力保持一定范围内；3）使过热蒸汽（和再热蒸汽）温度在一定范围内；4）保持汽包水位在一定范围（直流炉无）；5）保持燃烧的经济性；6）保持炉膛负压在一定范围内。为了实现上述调节任务，根据实际运行经验，组成以下几个相对独立的调节系统：1）给水自动调节系统；2）过热蒸汽（和再热蒸汽）温度自动调节系统；3）燃烧过程自动调节系统，包括燃料量调节、送风量调节、引风量调节系统。,汽机自动控制系统汽轮机自控系统主要有功率转速调节系统以及超速保
4、护，汽轮机的转速较高，生产对汽轮机维持一定的转速和适应负荷变化的要求都很严格，人工操作无法满足这样的要求汽轮机的自控属于汽轮机专业的范畴。辅机自动控制系统辅机自动控制系统主要有除氧给水系统、水处理系统等。,热工自动控制系统组成与分类,自控系统一般由以下几部分组成：受控对象（过程）：在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产过程、设备或机械等，如汽轮机、过热器等；被控变量：表征其工作状态的物理量，如汽轮机转速、主汽温度等；测量变送：对被控量进行测量（转换成标准信号）的装置，例如压力变送器、热电阻、热电偶等；调节器：把测定值和设定值进行比较运算，并输出控制指令的装置；执行器（调节阀）：把调节器的指令
5、成比例地转换为直线或角位移地装置；,自动控制系统的分类,按控制方式分类 1）闭环控制系统（也称反馈控制系统）：被控量信号反馈到控制设备的输入端，成为控制设备生产控制作用的依据。被控量与给定量有偏差，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。闭环控制系统基于偏差进行控制，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。a)定值控制系统 b)随动控制系统 c)程序控制系统,2）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。特点是按扰动进行控制，结构简单，精度差，只
6、能克服单一扰动。3）复合控制系统：开环控制和闭环控制组合的一种控制系统。,按闭合回路的数目分类 1）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。2）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，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。,主要自动化系统,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
7、统。它是单元机组自动控制的核心内容。,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，燃烧器自动切换，紧急情况下的主燃料跳闸等。,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
8、助系统的程序控制。,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。,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。完备的旁路控制系统是充分发挥旁路系统功能的前提。,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
9、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，历史数据存储以及操作指导等。,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
10、作指导,AGC：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）。,过程控制系统的性能指标,单项性能指标衰减率、超调量、稳态误差、调节时间,控制器,广义被控对象,给定值,被调量,稳态,稳态,动态,控制要求安全性积极性稳定性,评价指标稳定性准确性快速性,给定,
11、被调量,y1,y3,y,ess,ts,单项性能指标衰减率:=超调量:=稳态误差:ess=y-r调节时间:ts(进入稳态值5%范围内）,r,单项性能指标衰减率:反映了系统稳定性超调量:反映了动态准确性稳态误差ess:反映了静态准确性调节时间ts:反映了快速型,一般 对定值系统衰减率要求为75%对随动系统衰减率要求为90%,热工对象的动态特性,典型自衡对象传递函数表达式,典型非自衡对象传递函数表达式,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
12、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。,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。,阶跃响应获取应注意的问题,（1）合理选择阶跃扰动的幅度(一般为额定负荷10%20%)（2）实际阀门只能以有限速度移动（一般认为阶跃信号是在t1/2时加入）（3）试验前确保
13、被控对象处于稳定工况（4）若过程不允许同一方向扰动加入，则采用矩形脉冲扰动，可从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应。,2 确定自衡对象传递函数,典型自衡过程：一阶惯性环节,用有理分式表示的传递函数,选择哪种传递函数的形式，可依据以下两点：对被控对象的验前知识的掌握对建立数学模型准确性的要求,二阶或n阶惯性环节,（1）确定,参数,的作图法,t1/2处为扰动起点；在s型响应曲线找拐点，并作切线；记交点a、b和c,a,b,起点到a的距离为；a点到c点的距离为T；,c,（2）确定,参数的两点法,将响应曲线标幺,取y*(t1)=0.39，取y*(t2)=0.63，记t1和t2,取,验证,（3）确定,参数的两
14、点方法,将响应曲线标幺并去掉纯迟延的到y*(t),取y*(t1)=0.4，取y*(t2)=0.8，记t1和t2,若0.32t1/t20.46，则为二阶对象,若t1/t20.46，则为高阶对象见表1-1,n t1/t21 0.3172 0.463 0.5344 0.5845 0.6186 0.6407 0.666,n t1/t28 0.6849 0.69910 0.71211 0.72412 0.73413 0.74814 0.751,表1-1 高阶对象中n与比值t1/t2的关系,3由阶跃响应确定非自衡过程近似传递函数,一阶积分环节的多容过程,非自衡过程传递函数为：,一阶积分环节的纯迟延过程,*
15、当对象的阶数n6时，一般多容过程传递函数 描述,（1）一阶积分的多容过程,阶跃响应为,当y*(t)0时，记tta有：tanT Tta/n,渐近线方程：,当t0时，y*(t)0h,不能直接得到结果,可以直接得到结果,当ttanT时，y(ta)=y1(ta),值为：,由渐近线方程有：,*故y(ta)/oh与n为单值关系,表1-2,n、Ta、T参数的确定：n由y(ta)/0h的值经查表1-2确定；Tta/n；,非自衡过程,（2）有迟延的一阶积分对象,需要确定两个参数(T和)。在y（t）上作渐进线，取ta=。,渐近线方程：,控制器,PID 统计表明生产过程80%的控制可以用PID控制器构成单回路反馈控
16、制系统进行控制（简单控制系统）。,PID控制是比例积分微分控制的简称。是一种负反馈控制。即控制器与广义被控对象构成的系统为闭环负反馈系统。其作用是对输入偏差进行调节，从而缓解系统的不平衡，使系统输出稳定。,控制器包括求偏差和PID运算,1典型的传递函数为：,实际PID,理想PID,其中：KC：比例系数TI：积分时间TD：微分时间KD：微分增益,2PID调节的优点原理简单（适用和实现方便）适应性强（应用面宽）鲁棒性强（对过程变化不敏感）3调节器偏差的定义按仪表制造业的规定：,调节器偏差=测量值-给定值，即,控制系统偏差的定义：,4.调节器正反作用定义：,正作用：e(e)u，即KC为负反作用：e(
17、e)u，即KC为正,设置正反作用的目的：使控制系统构成负反馈系统,控制器（调节器）,5正反作用的判断方法(六边形法):,e（r-y）e(y-r),y,对象K为负，控制器作用应使u,正作用,例：过热蒸汽温度控制系统,比例调节,比例调节规律（P）,KC为比例增益，为比例带。,的物理意义：使调节阀开度改变100%（即从全关到全开）所需要的被调量的变化范围。,u0是偏差e=0时，调节器输出初始值。,*比例作用的线性关系只在一定范围其作用,比例调节的特点,调节作用及时。KC 调节作用增强,调节误差,自衡对象：,非自衡对象：,KC变化对系统控制性能指标的影响,KC,衰减率 稳态误差ess超调量 振荡频率,
18、KC增加,1.积分调节规律（I）,积分调节,TI为积分时间，S0为积分速度,积分调节的特点,无差调节,调节作用不及时,浮动调节调节阀开度与当时的被调量的数值本身没有直接关系。,积分作用使系统稳定性变差。TI 调节作用增强,TI变化对系统控制性能指标的影响,TIS0,衰减率 稳态误差ess=0超调量 振荡频率,TI增加,与P调节比较,系统稳定性下降静态：无稳态误差；动态：由于调节不及时较大在相同的稳定裕度下，振荡频率低，调节过程加长。,静态：I调节优于P调节，动态：P调节优于I调节,积分调节可消除稳态误差，但调节缓慢，动态超调量加大，而且使系统的稳定性变差。工业上不单独使用积分调节作用。,比例积
19、分调节,比例积分调节规律（PI）,无差调节（吸收了积分规律的优点）调节及时（吸收了比例规律的优点）浮动调节,对系统控制性能指标的影响,（KC不变）TI S0,衰减率 稳态误差ess=0超调量 振荡频率,（TI不变）KC,衰减率 稳态误差ess超调量 振荡频率,积分饱和现象,在有积分作用的调节器系统中，若用于某种原因（如阀门），被调量偏差一时无法消除，然而调节器还是要试图校正这个偏差，结果经过一段时间后，调节器将进入饱和状态，这种现象称为积分饱和。这种现象将导致调节滞后，对控制系统的稳定、以及达到预期的控制目标将产生不利的影响。,比例积分微分调节,1.微分调节（D）,微分调节是仅根据偏差的变化速
20、度来产生控制信号，偏差不变则没有控制输出。因此微分调节不单独使用,2.比例微分调节（PD）,单位阶跃响应,TD微分调节作用增强；有差调节，稳态误差与比例调节；超前调节，适当的微分可以减小超调量，也能减少振荡倾向一样。,比例积分微分调节（PID）,相同衰减率下，各调节规律比较,PID的调节效果最好（从超调量、过度过程时间、稳态误差），PI其次，PD次之（有差），P再次之，I调节最差,虽然PID的调节效果最好，并不意味着所有的系统都是合理的，因为它有三个参数要整定，如果整定不合适，则可能导致系统不稳定，适得其反。使用何种调节规律一般可按：先比例，再积分，然后才把微分加,*对象时间常数大或迟延时间长
21、，应引入D作用，若系统允许有残差，则可选PD调节；系统要求无差，则选PID规律。*对象的时间常数较小，受扰动影响不大，系统要求无差，则使用PI调节。（如锅炉水位控制等）*对象的时间常数较小，受扰动影响不大，系统不要求无差，则使用P调节。（如锅炉高加水位控制等）,*对象时间常数或迟延时间很长，受扰动影响也很大，简单控制系统已不能满足要求，应设计复杂控制系统。（如汽温控制系统）若广义对象的传递函数可近视表示为典型的自衡过程,，选择P或PI调节,，选择PD或PID调节,，用复杂控制。,控制系统整定的基本要求,控制系统的任务是指在控制系统的结构已经确定、控制设备与控制对象等都处在正常状态的情况下,通过
22、调整调节器的参数（、TI、TD)，使其与被控对象特性相匹配，以达到最佳的控制效果。,1.参数整定调整调节器参数的过程称为参数整定。当调节器的参数被整定到使控制系统达到最佳控制效果时，称为最佳整定参数。2.参数整定的依据性能指标1）单项性能指标：衰减率、超调量、过渡过程时间。=0.75适应于大部分允许有一些超调的工业过程。=1适用于被控对象的惯性较大，且不允许有过调的控制系统。,3.调节器参数整定的方法1）理论计算整定法：（根轨迹法、频率特性法）基于数学模型通过计算直接求得调节器的整定参数，整定过程复杂，且往往由于被控对象是近似的，故所求得的整定参数不可靠。2）工程整定法：临界比例带法、衰减曲线
23、法、图表整定法。这写方法通过并不复杂的实验，便能迅速获得调节器的近似最佳整定参数，因而在工程种得到广泛的应用。,工程整定方法,1.动态特性参数法（离线整定、开环整定）,自衡对象：,非自衡对象：,齐勒格(Ziegler)-尼科尔斯(Nichols)整定公式（=0.75）,齐勒格-尼科尔斯整定公式比较粗糙，经过不断改进，广为流传的是科恩-库恩公式（自衡对象=0.75）,2.稳定边界法（临界比例带法）闭环试验法,使调节器为纯比例规律，且比例带较大；,使系统闭环，待稳定后，逐步减小比例带，当系统出现等幅震荡时，计下,查表3.3,注意：适于临界稳定时振幅不大，周期较长（Tcr30s）的系统，对象的和T较
24、小不适用；T较大的单容对象因采用P调节时，系统永远稳定，也不适用对于非自衡对象，所得到的调节器参数将使系统的衰减率0.75对于自衡对象，所得到的调节器参数将使系统的衰减率0.75对于某些中性稳定对象，不能使用此法,3.衰减曲线法 闭环试验法,使调节器为纯比例规律，且比例带较大；,使系统闭环，待稳定后，逐步减小比例带，当系统出现衰减震荡时（=0.75，=0.9），计下,查表3.4,=0.75,=0.9,注意：对于扰动频繁而过程又较快的系统，Ts的测量不易准确，因此给参数整定带来误差。,4.经验法,先根据经验确定一组调节器参数，并将系统投入闭环运行，然后人为加入阶跃扰动（通常为调节器设定值扰动），
25、观察被调量或调节器输出曲线变化，并依照调节器各参数对调节过程的影响，改变相应的参数，一般先整定，再整定TI和TD，如此反复试验多次，直到获得满意的阶跃响应曲线为止。,表3.5 经验法调节器参数经验数据,表3.6 设定值扰动下整定参数对调节过程的影响,不同的整定方法按相同的衰减率整定，得到不相同参数整定值。,基本的数字PID控制算法,一般采用两种基本的数字PID控制算法：一种是理想PID控制算法，另一种是实际PID控制算法。两种PID控制算法的比例及积分运算都是一样的，其差别主要是微分项不同。,理想PID控制算法,理想PID算式的表达式有三种形式，即位置式、增量式和速度式。(1)位置式在计算机控
26、制系统中，计算机进行PID运算后，其输出指的是调节阀开度（位置）的大小，此种PID算式的形式称为位置式。,(2)增量式在计算机控制系统中，计算机进行PID运算后，其输出指的是调节阀开度（位置）的增量（改变量），此种PID算式的形式称为增量式。计算机进行PID运算的输出增量为相邻两次采样时刻所计算的位置值之差，,(3)速度式 在计算机控制系统中，计算机进行 PID运算后，其输出指的是直流伺服电机的转动速度，此种PID算式的形式称为速度式。,实际PID控制算法,由于实际计算机控制系统的采样回路都可能存在高频干扰，因此几乎所有的数字控 制回路都设置了一级低通滤波器（一阶滞后环节或一阶惯性环节）来限制
27、高频干扰的影响。因为低通滤波器的传递函数为,低通滤波器和理想PID算式相结合后的传递函数为,热工系统的主要控制方式,反馈控制是根据被调量与给定值的偏差值来控制的。反馈控制的特点是必须在被调量与给定值的偏差出现后，调节器才能对其进行调节来补偿干扰对被调量的影响。如果干扰已经发生，而被调参数还未变化时，调节器是不会动作的。即反馈控制总是落后于干扰作用。因此称之为“不及时控制”。反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定值之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。原因：（1）在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化
28、需要一定的时间。（2）从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量（被调量）发生变化又要经过一定的时间。,前馈控制 考虑到偏差产生的直接原因是干扰作用的结果，如果直接按扰动而不是按偏差进行控制，也就是说，当干扰一出现调节器就直接根据检测到的干扰大小和方向按一定规律去进行控制。由于干扰发生后被控量还未显示出变化之前，调节器就产生了控制作用，这在理论上就可以把偏差彻底消除。按照这种理论构成的控制系统称为前馈控制系统，前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制系统及时得多。若系统中的调节器能根据干扰作用的大小和方向就对被调节介质进行控制来补偿干扰对被调量的影响，则这种控制就叫做“前馈控制”或“扰动补
29、偿”。,KB：测量变送器的变送系数；WDZ（S）：干扰通道对象传递函数；WD（S）：控制通道对象传递函数；WB（S）：前馈调节器的传递函数。,前馈控制器的控制规律为：WB(S)=WDZ(S)/WD(S)上式说明前馈控制的控制规律完全是由对象特性决定的，它是干扰通道和控制通道传递函数之商，式中负号表示控制作用的方向与干扰作用相反。如果 WDZ(S)和WD(S)可以很准确测出，且WB(S)完全和上式确定的特性一致，则不论干扰信号是怎样的形式，前馈控制都能起到完全补偿的作用，使被调量因干扰而引起的动态和稳态偏差均为零。,前馈控制的局限性,(1).首先表现在前馈控制系统中不存在被调量的反馈，即对于补偿
30、的结果没有检验的手段。因而，当前馈作用并没有最后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的校正。(2).由于实际工业对象存在着多个干扰，为了补偿它们对被调量的影响，势必设计多个前馈通道，增加了投资费用和维护工作量。(3).当干扰通道的时间常数小于控制通道的时间常数时，不能实现完全补偿。(4).前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象令特性受负荷和工况等因素的影响而产生偏移，必然导致WDZ(S)和WD(S)的变化，因此一个事先固定的前馈模型不可能获得良好的控制质量。,串级控制,主参数(主变量)：串级控制系统中起主导作用的被调参数称为主参数。副参数(副变量)：给定值随主调节器的输出变化，主信
31、号数值变化的中间参数称为副参数。主调节器(主控制器)：根据主参数与给定值的偏差而动作，其输出作为副调节器的给定值的调节器称为主调节器，记为WT1(s)。副调节器：其给定值由主调节器的输出决定，并根据 副参数与给定值的偏差动作的调节器称为副调节器，记为WT2(s)主回路(外回路)：断开副调节器的反馈回路后的整个回路称为主回路。副回路：由副参数，副调节器及其所包括的一部分对象等(内回路)环节所组成的闭合回路称为副回路，副回路有时亦称随动回路。主对象：主参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号(惰性区)为副变量，输出信号为主参数，记为WD1(s)。副对象(导前区)：副参数所处的那一部分工艺设备，它的
32、输入信号为调节量，其输出信号为副参数(副变量)，记为WD2(s)。,串级控制仍然是一个定值控制系统，主参数在干扰作用下的控制过程与单回路控制系统的过程具有相同的指标和形式，但与单回路系统比较，串级控制系统具有以下特点：(1)串级控制系统具有很强的克服内扰的能力；(2)串级控制系统可减小副回路的时间常数，改善对象动态特性，提高系统的工作频率；(3)串级控制系统具有一定的自适应能力。,串级控制系统主副回路和主副调节器选择(1)主副回路的选择原则(i)副回路应该把生产过程的主要干扰包括在内，力求把变化幅度最大、最剧烈和最频繁的干扰包括在副回路内，充分发挥副回路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定
33、；(ii)选择副回路时，应力求把尽量多的干扰包括进去，以尽量减少它们对主参数的影响，提高系统抗干扰能力；(iii)主副对象的时间常数应适当匹配，串级控制系统与单回路控制系统相比，其工作频率提高了，但这与主副对象的时间常数选择是有关的。原则是两者相差大一些，效果好一些。(2)主、副回路调节器调节规律的选择原则（i）主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高的情况下，为使两者兼顾而采用串级控制方式，主、副调节器均可采用比例控制；（ii）要求主参数波动范围很小，且不允许有余差(稳态误差)，此时副调节器可采用比例控制，主调节器采用比例积分控制；（iii）主参数要求高，副参数亦有一定要求，
34、这时主副调节器均采用比例积分控制。,防止调节器积分饱和,产生积分饱和的原因：,外因是偏差长期存在内因是控制器有积分作用,串级控制系统当主、副调节器都采用PI调节时，很容易产生积分饱和现象。,主调节器产生积分饱和，将使控制不及时，系统输出超调量增加。,系统正常时，R2(s)=Y2(s)。则主调节器输出为：,将主调节器调整为积分外反馈。即,常规PI调节,当R2(s)Y2(s)时，则主调节器输出为：,比例调节（无积分）,偏置,抗积分饱和措施：,串级控制调节器作用方向,1）确定调节阀2）确定副对象特性3）确定副调节器的作用方向4）确定主对象特性5）确定主调节器的作用方向,气开阀副调正作用主调反作用,当
35、串级与单回路切换时，应考虑主调节器的作用方向的切换,由串级切为单回路时主调改为正作用,调节器的选型和整定,1.选型,1）副调节器一般选P调节，若主、副环频率相差很大，也可选PI。2）主调节器一般选PI调节,若主回路有主要扰动也可选PID。,2.参数整定,1）逐次逼近法。2）两步整定法。,采用串级调节控制的一般条件：*二次扰动较频繁；*较大迟延对象，且可分成特性相差较大的导前区和惰性区；*副回路的工作频率应选择主回路工作频率的310倍,导前微分控制,副回路：,主回路：,导前微分控制系统的特点,(1)引入导前微分信号缩短了迟延时间，等效地改善了控制对象的动态特性。(2)引入导前微分信号能减小动态偏
36、差，改善控制品质(3)导前微分控制系统有很强的克服内扰的能力,比值控制,在工业生产过程中，常需要保持两个变量（通常指流量）成比例变化。例如，在直流炉控制中，需保持燃料流量与给水流量成比例变化；在燃烧过程中，需保持燃料流量与空气流量成比例变化，以保证燃烧经济性，然而，目前尚无法直接或迅速地测量燃烧经济性。因此，在这些情况下，需采用比值控制系统，比值控制系统的作用，就在于维持两个变量之间的比值关系。,比值控制系统中所指的两个流量，通常将其中之一G1称作（或视作）主动流量，另一个流量G2则称作从动流量；通常主动流量G1不加控制（G1可能作为其他系统的控制变量，而由别的系统加以控制），以从动流量G2作
37、为系统的调节变量，通过改变G2，维持两个流量之间的比值关系。比值控制系统中的被调量是两个流量的比值RR=G2G1（或R=G1G2）比值R的求取，通常不是唯一的。,常见的比值控制系统为单回路的，可分为定值型与随动型两大类。除此之外，还有采用前馈一反馈复合控制的串级型比值控制系统的。定值型单回路比值控制系统,流量G1、G2经检测元件转换为信号IG1、IG2送入除法器后，输出IR即为代表G1、G2之间比值关系的函数的信号。IR=IG2IG1IR作为系统的被调量，送入调节器，与给定值I0相比较，其差值经调节器及执行机构控制作为系统调节变量的从动流量G2，以保持G1、G2之间的比值关系。若主动流量G1增
38、大，则除法器输出信号IR减小，调节器输出增大，使流量G2增加，IR增加。显然，G1作为主动流量，在此系统中是不加控制的。,随动型单回路比值控制系统,主动流量G1经检测装置转换为信号IG1，送入乘法器乘以系数K后，作为从动流量G2的给定值引入调节器，流量G2作为调节变量受调节器控制，其流量经检测装置后作为反馈信号送入调节器与给定值相平衡。因此，系统是一个典型的随动系统。,（i）定值型比值控制系统的特点是：G1、G2之比值作为被调量，可直接读出。但由于将比值运算环节包括在闭环之内，因此尽管采用线性检测装置，系统的开环增益仍随负荷而变；使系统整定比较困难，（ii）随动型比值控制系统的特点是：由于比值
39、运算环节没有包括在闭环之内，因此系统的品质指标比较稳定；尤其是采用线性检测装置后，使系统的特性与负荷（流量）无关。因此，系统的整定比较简便。（iii）以上两类系统在采用 PI规律调节器后，静态时都能确保G1、G2之比值为给定值，但若要保证G1、G2之比值为定值，则需确保流量转换系数r1、r2为常数。反之，在某些情况下，若G1、G2的测量精度不能保证；如燃烧过程中，燃煤量的连续准确测量有困难时，采用上述系统，仅维持流量信号IG1、IG2之间的比值关系，仍不能保证实际物理流量（如燃煤量与空气量）之间的比值关系不变，则需考虑引入校正信号组成串级型比值控制系统。,串级比值控制系统,串级比值控制系统属前
40、馈一反馈复合调节系统。主被调量S为能反映G1、G2之间实际比值关系的参数，通常为成分。主调节器PI1的作用是维持 S为给定值S0，即维持实际流量G1、G2之间为最佳比值。由于通常S对G1、G2的响应而有较大迟延，因而PI1的输出IT1不直接控制调节变量G2，仅对流量信号IG1、IG2之间比值关系起校正作用。,SAMA图(Scientific Apparatus Makers Association）,用SAMA图例表达回路方框图时，常将一些符号画在一起，这表示一个具体的仪表(或组件)具有哪些功能,包括所有控制设备的控制系统结构图，反映控制系统的全部控制功能和信号处理功能，反应设计者的设计思想。
41、4类基本功能图例,求测量和给定信号的偏差,例1.调节模块,对偏差值进行比例积分运算,手、自动切换功能,输出限幅,例2.显示操作器,SAMA图应表达如下的基本功能：1 信号处理1）现场信号和控制室信号进行转换；2）对信号的质量进行检验，检验其是否在有效的范围之内；3）重要参数应采用多点测量，综合处理；4）对测量信号补偿处理。2 自动控制1）反映控制原理图的控制结构；2）反映控制器的动态规律；3）反映控制器作用方向；4）在系统手动时，调节器应具备跟踪功能，以使系统实现无扰切换。,控制系统手/自动切换和手动操作 在控制系统中一般每一个执行器应配备一个操作器；操作器。根据系统需要手/自动切换、手动操作
42、及阀位显示、定值和测量值显示；控制系统手/自动切换的基本原则：1）系统正常时，由操作员在操作器上通过按“自动”按键使系统投入自动状态；而在系统有故障或控制系统控制品质差时，控制系统应由自动状态自动地切换到手动状态。2）在系统手动时，控制系统的输出由操作员在操作器上通过“”、“”按键操作输出。,一般操作器在下列情况应切至手动：操作器的输入和输出方向有信号异常，则操作器应切换到手动；操作员在操作器面板上按手动按键；调节器的入口偏差过大或测量值越限；阀位和控制输出偏差大或阀位达限值；3）调节器输出对应的操作器切至手动时，对应调节器的输出应切至跟踪状态，以使系统实现无扰切换。,在切换的前后，调节器输出
43、应与执行器的位置保持基本一致，这样，在切换过程中调节机构的位置不会跳变即不会对过程引起附加的扰动,手自动切换,自动控制系统中，需要手动自动双向无扰切换,手动/自动信号跟踪,4 信号报警对于关键参数，应根据工艺要求规定其高低报警值：通常设计的信号报警信号有：1）测量值越限；2）调节器的入口偏差过大；3）阀位和控制输出偏差；4）测量质量差；5）阀位达限值。*5 连锁保护连锁保护系统是指当生产出现严重故障时，为保证设备、人身的安全，使各个设备按一定的顺序紧急停止运转或运转在某个特定的状态。,例3.典型的控制回路,AI,AO,输出模块,输入模块,运算模块：,调解模块:,火电厂热工控制常用热工量字母代号,SAMA图例,谢 谢！,再 见,
