压水堆核电站控制(第三章)

第三章 控制系统 华北电力大学核科学与工程学院 自动控制的意义 1. 保证设备的正常运行； 2. 改进产品质量，提高生产效率，降低成本； 3. 在不适宜人类长时间工作的环境，或者不能接近的特 殊环境里，采用自动控制系统可以改善了工人的劳动条 件和保证操作人员的安全； 4. 完成许多人工、手动操作几乎难以达到的一些复杂而 频繁的操作过程，减轻人的劳动强度。
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自动控制系统的分类
控制作用与时间的关系分类 1. 连续控制系统(continuous control system)：系统中传 递的信号都是时间的连续函数，则称为连续系统。 2. 离散控制系统(discrete control system)：系统中至少有 一处，传递的信号是时间的离散信号(discrete signal)（脉 冲或数字形式, impulse / digital signal ），则称为离散系 统，或采样系统(sampling system)。
华北电力大学核科学与工程学院 特点：信号双向传递，既有正向控制作用，又有反馈作用， 系统输出量对控制量有直接影响。有较高精度，但是控制 速度较慢（跟系统的特性有关） 在闭环控制系统中, 对系统输出量不断地进行测量并反馈 到系统的输入端与输入量进行比较,产生偏差信号, 按偏差 实现控制。 不论何种原因引起的测量量偏离其给定值而 发生偏差时，就一定有相应的控制作用产生，使偏差得以 消除。 闭环控制又称为反馈控制。反馈控制系统具有抑制内部和 外部各种扰动对系统输出影响的能力。 如：压水堆中R棒控制系统，稳压器的压力和水位控制系 统、蒸汽发生器水位控制系统。
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自动控制系统的分类
给定值变化规律 1. 恒值控制系统(constant control system)：给定值为恒 值的系统称为恒值控制系统，或镇定系统。系统的任务是 尽量排除干扰的影响，以一定的准确度使系统输出量与给 定值一致。 2. 随动控制系统(follow-up control system)：给定值为事 先未知的时间函数的系统称为随动系统，或跟踪系统。系 统输入量总在变化，要求系统的输出量能够以一定的准确 度跟随输入量变化。雷达天线控制系统就是典型的伺服控 制系统。 3. 程序控制系统(Program control system)：给定值为事 先给定的时间函数的系统称为程序控制系统。
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dh RC h Rqi dt dh L RC h L Rqi dt RCsH s H s RQi s H s R G s Qi s RCs 1
1 st A L A Ae dt A e 0 0 s s R A RC 1 H s RA RCs 1 s s RCs 1
华北电力大学核科学与工程学院 比例控制规律 u(0)表示偏差为0控制器的输出，输入信号e(t)与输出信号 u(t)之间的关系
u (t ) u (0) K p e(t )
G (s ) U (s ) / E (s ) K p
u (t ) K p e(t )
e / (emax emin ) ? 1 u / (u max u min ) K p
ì0 t< 0 ï r (t ) = ï í ïA t ³ 0 ï î
r(t) A
t o
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控制规律函数表示 u=f(e) u表示控制器输出，e表示偏差信号。 不同的生产要求需要不同的控制规律。需要根据过渡过程 的品质要求，结合被控对象的特性，才能正确选用适当的 控制规律。 对自动控制系统性能的基本要求 1. 稳定性(stability)：系统开始处于平衡状态(Equilibrium State)，则由于受外力作用（扰动）之后，必将偏离原来 平衡状态，若扰动消失后，系统能够返回它的原来平衡状 态，那么就称这样的系统是稳定的，否则就是不稳定的。 稳定性是所有控制系统的最低要求。自动控制系统必须满 足一定的稳定裕度(stable margin)的要求。 2. 稳态特性(steady-state performance )：系统在动态过 程结束后，系统的稳定输出相对于输出期望值的偏离程度， 通常用稳态误差(steady-state error)表示。
华北电力大学核科学与工程学院 3. 动态响应，系统从初始状态到达最终状态的响应过程。对 于系统的阶跃响应，动态性能指标(Dynamic Performance Index)规定如下： 延迟时间td，响应曲线第一次达到稳态值一半所需的时间， 即c(td)=c(∞)/2。 上升时间(rise time)tr，过阻尼系统(Overdamped system)， 通常采用从0上升到100%所需的时间；对于欠阻尼系统 (underdamped system)，通常采用从稳态值的10%上升到 90%所需的时间。 峰值时间(peak time)tp，响应曲线(response curve)达到第 一个峰值所需的时间。 最大超调量(maximum overshoot)Mp，
t RA 1 e RC

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第三章 控制系统
控制：为了达到一定的目的，对作为生产过程的设备进行 操作。 人工控制：用人工来完成所需要的操作过程。 自动控制 所谓自动控制，是指在没人参与的情况下，利用控制器或 控制装置的作用使生产过程或控制对象的一个或多个物理 量（受控物理量）维持在一定给定水平或按照期望的规律 变化，以达到控制的目的。 自动控制的涵义既可以是最简的开和关，也可以是复杂的 计算机控制。自动控制的实质，就是利用控制装置模仿人 或代替人去对设备、系统或生产过程等进行各种操作的过 程。 自动控制系统 自动控制系统：由自动控制装置，包括测量部件、控制器 和执行机构等，与被控对象连接在一起构成了自动控制系 统。
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华北电力大学核科学与工程学院 积分控制规律 • 输出信号与输入信号之间的关系
u(t ) K I e(t )dt
0
t
K I 积分速度 (integral gain)
• 输出信号不仅与输入偏差信号的大小有关，而且还将取决 于偏差存在时间的长短。只有在偏差信号e为0情况下，积 分控制器的输出信号才能相对稳定。消除稳态偏差是积分 控制的主要优点。 • 传递函数
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c(tp) c(tp )-c(∞) c(∞) td 0.5c(∞) Δ Δ
Δ=0.02c(∞)或0.05c(∞)
tr tp ts
华北电力大学核科学与工程学院 控制器的种类：电动式、液动式、气动式，运用较多的为 电动式。 液压系统可以对大负载产生快速作用和精确定位。电和液 压的组合系统被广泛采用，如电厂的汽轮机控制。 PID(Proportional-Integral-Differential)控制：控制器的运算 部分以反馈或串接的组合方式来实现比例-积分-微分 （PID）运算功能。 • 原理简单，使用方便。 • 适应强。 • 鲁棒性(robustness)强：控制品质对被控对象特性的 变化不大敏感。
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按照系统的输入和输出信号的数量分类 1. 单输入单输出控制系统：输入输出量各有一个 2. 多输入多输出控制系统：输入或输出量多于一个 输出量是否对系统的控制作用发生影响 1. 开环控制系统(open-loop control system)
输入量 控制量 控制装置 被控对象 输出 j s e ds 1 s 2 j
1
1 1 1 1 1 h t L H s RA L L s s 1 RC
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d
r+ 测量部件 偏差信号：给定值信号与被调量信号的差，即e=r-y； e 控制器 u 执行器 调节单元 + +
y
被控对象
控制信号：由控制器运算规律对偏差信号进行运算得到的信号， 即u=f(e)；
控制信号被送到执行器，驱动调节单元，控制被控对象的输入 量，达到调节被调量的目的。
骣(t ) - c ( çc p Mp = ç ç ç ç 桫 c (¥ )
)÷
÷´ 100% ÷ ÷ ÷
调节时间(setting time)ts，系统受到扰动或输入信号作用 后，响应曲线进入稳态值的允许误差范围内并在以后都保 持在这一允许误差范围内，把进入这种进入误差范围所用 的时间称为调节时间。即有，|c(ts)-c(∞)|≤Δ。
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自动控制系统的分类
按描述系统运动的微分方程分类 1. 线性控制系统(linear control system)：描述系统运动的 微分方程是线性微分方程。如方程的系数为常数，则称为 定常线性自动控制系统(linear time-invariant system)；相 反，如系数不是常数而是时间t的函数，则称为变系数线 性自动控制系统(linear time-variant system)。线性系统的 特点是可以应用叠加原理，因此数学上较容易处理。 2. 非线性控制系统(nonlinear control system)：系统中至 少有一个元件具有非线性特性，描述系统的微分方程是非 线性微分方程。非线性系统一般不能应用叠加原理，因此 数学上处理比较困难，至今尚没有通用的处理方法。 注：严格地说，在实践中，理想的线性系统是不存在的， 但是如果对于所研究的问题，非线性的影响不很严重时， 则可近似地看成线性系统。同样，实际上理想的定常系统 也是不存在的，但如果系数变化比较缓慢，也可以近似地 看成线性定常系统。
特点：信号单向传递，在控制装置和被控对象之间只有正向 控制作用, 系统的输出量并不反馈(feedback)到控制装置的 输入端，系统输出量对控制装置不产生任何影响。有较高的 灵敏性和快速性。