第一章熱工自動控制概論

1、能源與動力工程學(xué)院第一章第一章 熱工自動控制概論熱工自動控制概論主講：趙建立主講：趙建立能源與動力工程學(xué)院課程考察形式：課程考察形式： 小組作業(yè)（小組作業(yè)（simulink）；）； 課程論文；課程論文； 隨堂測驗；隨堂測驗； 結(jié)課考試。結(jié)課考試。能源與動力工程學(xué)院Open a window and look at nature.You may not see it but control is there.能源與動力工程學(xué)院n 自動控制理論是自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，根據(jù)自動自動控制理論是自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，根據(jù)自動控制技術(shù)的發(fā)展進程，控制技術(shù)的發(fā)展進程，自動控制理論自動控制理論可分為以微分

2、方程、可分為以微分方程、傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論和以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的和以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的現(xiàn)現(xiàn)代控制理論代控制理論。n 隨著自動控制理論的發(fā)展，自動化技術(shù)逐步發(fā)展到基隨著自動控制理論的發(fā)展，自動化技術(shù)逐步發(fā)展到基于專家系統(tǒng)、模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的于專家系統(tǒng)、模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能時代智能時代。能源與動力工程學(xué)院n前期控制前期控制(1400BC-1900)中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺(1400BC-1100BC)希臘發(fā)明了采用浮球保持燃油液面高度的油燈希臘發(fā)明了采用浮球保持燃油液面高度的油燈(250BC)亞歷山大的希羅

3、發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水的自動裝置亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水的自動裝置(100年年)能源與動力工程學(xué)院中國馬鈞研制出利用齒輪傳動的自動指示方向的指南車中國馬鈞研制出利用齒輪傳動的自動指示方向的指南車 (235年年)英國英國J.Watt利用離心式調(diào)速器控制蒸汽機的速度利用離心式調(diào)速器控制蒸汽機的速度(1788年年)能源與動力工程學(xué)院n經(jīng)典控制經(jīng)典控制(1935-1950) 美國美國N.Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服機構(gòu)，提出研制出用于船舶駕駛的伺服機構(gòu)，提出PID控制方法控制方法(1922) 美國美國E.Sperry以及以及C.Mason研制出火炮控制器研制出火炮控制器(192

4、5)，氣壓，氣壓反饋控制器反饋控制器(1929) 伺服控制系統(tǒng)最初用于船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領(lǐng)域，特別是自動車床、天線位置控制、導(dǎo)彈和飛船的制導(dǎo)等。 伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。 伺服控制系統(tǒng)屬于隨動控制。能源與動力工程學(xué)院n現(xiàn)代控制現(xiàn)代控制(1950-今今) 美國美國MIT的的Servomechanism Laboratory研制第一臺數(shù)控機床研制第一臺數(shù)控機床(1922) 現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時期的軍備競賽以及計算機技術(shù)的出現(xiàn)。現(xiàn)代控制起源于冷

5、戰(zhàn)時期的軍備競賽以及計算機技術(shù)的出現(xiàn)。能源與動力工程學(xué)院 美國美國 George Devol研制出第研制出第一臺工業(yè)機器人樣機一臺工業(yè)機器人樣機(1954) 蘇聯(lián)東方蘇聯(lián)東方-1號飛船載著加加林號飛船載著加加林進入人類地球衛(wèi)星軌道，人類進入人類地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時代開始宇航時代開始(1961)能源與動力工程學(xué)院第一節(jié)第一節(jié) 熱工自動控制的發(fā)展概況熱工自動控制的發(fā)展概況 電能的電能的“發(fā)、輸、供、用發(fā)、輸、供、用”必須同時進行，并保持瞬必須同時進行，并保持瞬時的平衡。與此同時，參與時的平衡。與此同時，參與“發(fā)、輸、供、用發(fā)、輸、供、用”的所有設(shè)的所有設(shè)備構(gòu)成了部件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布廣闊的動

6、態(tài)大系統(tǒng)。備構(gòu)成了部件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布廣闊的動態(tài)大系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中發(fā)電機組處于系統(tǒng)的最底層。在這個系統(tǒng)中發(fā)電機組處于系統(tǒng)的最底層。 電力生產(chǎn)過程分為發(fā)電側(cè)與輸配電側(cè)，相應(yīng)地，從實電力生產(chǎn)過程分為發(fā)電側(cè)與輸配電側(cè)，相應(yīng)地，從實現(xiàn)自動化的角度，可分為電站自動化和電力系統(tǒng)自動化。現(xiàn)自動化的角度，可分為電站自動化和電力系統(tǒng)自動化?？刂茖ο筇卣骺刂茖ο筇卣髂茉磁c動力工程學(xué)院一、電廠熱工控制技術(shù)的發(fā)展一、電廠熱工控制技術(shù)的發(fā)展目前機組特點目前機組特點 （1） 監(jiān)視點多監(jiān)視點多(600MW機組機組I/O點多達點多達30005000個，隨著發(fā)電機個，隨著發(fā)電機-變壓器組和廠用電源等電氣部分監(jiān)視納入變壓器

7、組和廠用電源等電氣部分監(jiān)視納入DCS之后，之后，I/O點已超過點已超過7000個個) （2）參數(shù)變化速度快和控制對象數(shù)量大參數(shù)變化速度快和控制對象數(shù)量大(600MW機組超過機組超過1300個個)，而各個控制對象又相互關(guān)聯(lián)，所以操作稍一失誤，所引起的后果十分嚴而各個控制對象又相互關(guān)聯(lián)，所以操作稍一失誤，所引起的后果十分嚴重。重。 大機組的監(jiān)視與控制操作任務(wù)也不能完全交由運行人員去完成大機組的監(jiān)視與控制操作任務(wù)也不能完全交由運行人員去完成(體體力、腦力勞動強度，不及時、人為操作失誤），因此必須由高度計算機力、腦力勞動強度，不及時、人為操作失誤），因此必須由高度計算機化的機組集控取而代之?；臋C組集

8、控取而代之。 能源與動力工程學(xué)院 隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，電廠熱工過程控制又經(jīng)歷了隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，電廠熱工過程控制又經(jīng)歷了以下幾個計算機控制過程以下幾個計算機控制過程: (1) 集中型計算機控制：集中型計算機控制：用一臺計算機對整個生產(chǎn)過程進行用一臺計算機對整個生產(chǎn)過程進行整體控制，因此對計算機的可靠性要求很高，一旦計算機出現(xiàn)事整體控制，因此對計算機的可靠性要求很高，一旦計算機出現(xiàn)事故，將使整個生產(chǎn)受到影響。故，將使整個生產(chǎn)受到影響。 (2) 分散型計算機控制：分散型計算機控制： 隨著微機的大批生產(chǎn)，成本的不斷隨著微機的大批生產(chǎn)，成本的不斷降低，逐漸把集中控制改為用微機進行局部控制

9、，克服了集中控降低，逐漸把集中控制改為用微機進行局部控制，克服了集中控制的一些缺點，但此時各系統(tǒng)之間很難協(xié)調(diào)起來。制的一些缺點，但此時各系統(tǒng)之間很難協(xié)調(diào)起來。 (3) 計算機分散控制：計算機分散控制： 它把各系統(tǒng)之間、廠級管理、調(diào)度等它把各系統(tǒng)之間、廠級管理、調(diào)度等用一臺功能很強的計算機進行上位管理；而把各子系統(tǒng)用微機控用一臺功能很強的計算機進行上位管理；而把各子系統(tǒng)用微機控制，充分發(fā)揮了集中控制和分散控制各自的優(yōu)點，是一種比較合制，充分發(fā)揮了集中控制和分散控制各自的優(yōu)點，是一種比較合理的控制方法。理的控制方法。能源與動力工程學(xué)院二、電廠熱工自動控制的基本內(nèi)容二、電廠熱工自動控制的基本內(nèi)容1、

10、自動檢測、自動檢測 對生產(chǎn)過程及設(shè)備的參數(shù)、信號自動進行轉(zhuǎn)換、加工處理并對生產(chǎn)過程及設(shè)備的參數(shù)、信號自動進行轉(zhuǎn)換、加工處理并記錄下來。如：記錄下來。如：T、p、Q、H等，是控制的基礎(chǔ)。等，是控制的基礎(chǔ)。2、遠方控制與順序控制、遠方控制與順序控制 遠方控制：（開關(guān)遠方控制：（開關(guān)/按鈕）對生產(chǎn)過程中重要的調(diào)節(jié)、截止機按鈕）對生產(chǎn)過程中重要的調(diào)節(jié)、截止機構(gòu)實現(xiàn)遠距離控制；構(gòu)實現(xiàn)遠距離控制； 程序控制：機組在啟動、停止、增減負荷、事故處理時的自程序控制：機組在啟動、停止、增減負荷、事故處理時的自動化操作。動化操作。3、自動調(diào)節(jié)（閉環(huán)自動控制）、自動調(diào)節(jié)（閉環(huán)自動控制）4、自動保護、自動保護能源與動力

11、工程學(xué)院第二節(jié)第二節(jié) 自動控制的基本概念自動控制的基本概念一、控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程一、控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程被調(diào)量被調(diào)量給定值給定值控制量（調(diào)節(jié)量）控制量（調(diào)節(jié)量）擾動擾動執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)1、人工調(diào)節(jié)、人工調(diào)節(jié)眼、腦、手的作用？眼、腦、手的作用？被控對象（控制對象）被控對象（控制對象）眼眼腦腦手手能源與動力工程學(xué)院2、自動調(diào)節(jié)、自動調(diào)節(jié)測量變送器測量變送器調(diào)節(jié)器（控制器）調(diào)節(jié)器（控制器）執(zhí)行器執(zhí)行器能源與動力工程學(xué)院二、自動控制系統(tǒng)的組成二、自動控制系統(tǒng)的組成 被控被控(調(diào)節(jié)調(diào)節(jié))對象對象自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成的組成 測量變送器測量變送器 自動調(diào)節(jié)裝置自動調(diào)節(jié)裝置 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 執(zhí)行器執(zhí)行器

12、三、自動控制系統(tǒng)方框圖三、自動控制系統(tǒng)方框圖相加點相加點分支點分支點環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)信號線信號線輸入量和輸出量輸入量和輸出量能源與動力工程學(xué)院第三節(jié)第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類一、按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類一、按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類1 1、反饋（閉環(huán)）控制系統(tǒng)、反饋（閉環(huán)）控制系統(tǒng)特點：基于偏差，消除偏差；調(diào)節(jié)不及時；需對系統(tǒng)進行穩(wěn)定系分析。特點：基于偏差，消除偏差；調(diào)節(jié)不及時；需對系統(tǒng)進行穩(wěn)定系分析。n 反饋反饋：把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號：把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。若反饋的信號與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來的過

13、程，稱為反饋。若反饋的信號與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負反饋；反之，則稱為正反饋。越小，則稱為負反饋；反之，則稱為正反饋。 n 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)：能對輸入量與輸出量進行比較，并且將它們的偏差作為：能對輸入量與輸出量進行比較，并且將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預(yù)定關(guān)系的系統(tǒng)。由于引入了被反饋量的反控制手段，以保持兩者之間預(yù)定關(guān)系的系統(tǒng)。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制。饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制。 能源與動力工程學(xué)院2 2、前饋（開環(huán)）控制系統(tǒng)、前饋（開環(huán)）控制系統(tǒng)控制設(shè)備和對象之間

14、在信號傳遞上沒有形成閉合回路，直接根控制設(shè)備和對象之間在信號傳遞上沒有形成閉合回路，直接根據(jù)擾動進行控制，據(jù)擾動進行控制，特點：調(diào)節(jié)及時，動作快；不需進行穩(wěn)定性分析；特點：調(diào)節(jié)及時，動作快；不需進行穩(wěn)定性分析；沒有修正偏沒有修正偏差能力。差能力。閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動對被控制量產(chǎn)生的影響。精偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動對被控制量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計、分析麻煩。度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計、分析麻煩。開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) 順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本

15、低。較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。能源與動力工程學(xué)院3 3、前饋、前饋- -反饋復(fù)合控制系統(tǒng)反饋復(fù)合控制系統(tǒng)二、按給定值特點分類二、按給定值特點分類1、定值（恒值）控制系統(tǒng)：汽包水位、過熱汽溫、爐膛壓力2、隨動控制系統(tǒng)：滑壓運行時主汽壓設(shè)定值的形成3、程序控制系統(tǒng)：汽輪機自啟停三、按閉合回路數(shù)目分類三、按閉合回路數(shù)目分類1、單回路系統(tǒng)2、多回路系統(tǒng)能源與動力工程學(xué)院第四節(jié)第四節(jié) 典型輸入信號與控制系統(tǒng)的性能指標典型輸入信號與控制系統(tǒng)的性能指標一、典型輸入信號1 1、階躍函數(shù)、階躍函數(shù)2 2、斜坡函數(shù)、斜坡函數(shù)3 3、脈沖函數(shù)、脈沖函數(shù)4 4、正弦函數(shù)、正弦函數(shù)控制系統(tǒng)中最嚴格，最苛刻的信號

16、控制系統(tǒng)中最嚴格，最苛刻的信號二、控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程發(fā)散振蕩等幅振蕩衰減振蕩非振蕩（非周期）能源與動力工程學(xué)院 可以歸結(jié)為可以歸結(jié)為穩(wěn)穩(wěn)定性定性（長期穩(wěn)定性）、（長期穩(wěn)定性）、準準確性確性（精度）和（精度）和快快速速性性（相對穩(wěn)定性）。（相對穩(wěn)定性）。 穩(wěn) 準快三、控制系統(tǒng)的性能指標1 1、穩(wěn)定性、穩(wěn)定性衰減率衰減率131311yyyyy 穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。能源與動力工程學(xué)院問題：最穩(wěn)定的系統(tǒng)是不是最好的系統(tǒng)？能源與動力工程學(xué)院2、準確性、準確性(1)最大動態(tài)偏差最大動態(tài)偏差ema