热工控制系统第二章(4)
热力发电厂第二章(叶涛主编)
t 1 (Tc T0 )
• 提高初温后的循环热效率 t 可改
写为：
wa
t
qo
wa qo
tF
1 wa
wa wa
t
qo 1
qo qo
1A
t
1A t
附加循环动力系数： A wa wa
t , F 1, 即 t t
提高蒸汽初温总是可提高热经济性
T
T 0 T 0 a
p
0 T 0
0
0
T
0
b
现代火电厂在上述pc、to值时，对应的p0值远低于该极限压力值。故从工程实际应用讲， 当t0、pc一定时提高p0是可提高ηt的 如表2-1所示
表2-1 p0与 ηt关系
P0 MPa 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0 24.0
h0 kJ/kg 3211 3138 3057 2956 2839 2654
氧化碳降低17.6%。
（二） 国内外超临界机组发展概况
1、国外超临界汽轮发电机组发展概况： 美国1965-1991年间，800MW以上超临界机组22台，最大单机容量1300MW；日 本1974-2002年间投运20台，单机容量1000MW； 前苏联和俄罗斯1967-1983年间投运8台，单机容量最大1200MW； 德国1997-2002年间投运5台，单机容量最大1000MW。
=–, % =-, %
3 2 1 0
20
t =t
0
rh
q ,n % q ,n
kJ/
650℃
(kwh) 8 800
3
600℃ 6 600
580℃
2
560℃ 4 400
q ,n % q ,n
火电厂热工知识讲解第2章锅炉侧控制
第二章锅炉侧控制第一节直流锅炉简介超临界机组指的是锅炉内工质的压力超过了临界点。
水的临界点是22.115MPa/374.15℃。
在临界点时饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的二相区存在，理论上认为，水的状态参数达到临界点时，水的汽化会在一瞬间完成。
由于在临界参数下汽水密度相等，因此在超临界压力下无法维持汽包锅炉的自然循环，直流锅炉成为唯一型式。
随着机组向大容量高参数方向发展，直流锅炉由于热效率高在火电厂中得到了愈来愈广泛的应用。
直流锅炉属于强制循环锅炉，其工质在给水泵压头作用下，顺序地通过加热段、蒸发段和过热段，一次性的将给水全部转变为过热蒸汽，它的循环倍率等于１。
直流锅炉在工作原理、运行和控制等方面都有其自身的特点：（1）强制循环直流锅炉的汽水流程如图2-1所示，工质从水变成过热蒸汽的加热流动完全靠给水泵的压头来驱动。
因此，较汽包锅炉而言，受热面可以任意布置，适应各种压力的锅炉。
（2）各受热段之间没有固定的界限直流锅炉没有汽包，因此加热段、蒸发段及过热面段没有严格的界限。
当锅炉的给水流量或燃烧率改变时，各个受热段的分界就发生移动。
例如当燃烧率增加时，蒸发段与过热段之间的分界向汽水流程的前面移动（加热段、蒸发段缩短，过热段伸长）；当给水流量增加时，蒸发段与过热段之间的分界则向后移动。
由于受热面界限的变化，锅炉的过热蒸汽温度会发生很大的变化，如图2-2所示。
当给水流量不变而燃烧率增加时，由于蒸发所需的热量不变，因而加热和蒸发的受热段缩短，过热受热段增加，所增加的燃烧热量全部用于使过热蒸汽加温，因此汽温将上升。
对于一般直流锅炉，燃烧率和给水流量的比例变化1将使过热蒸汽温度变化约8～10℃。
在实际运行中，负荷变化等原因引起燃料与给水流量的比例失调往往超过1％，从而使过热汽温发生很大的变化，所以只采用改变喷水流量作给水泵省煤器水冷壁过热器为调温手段将很难把出口汽温校正过来。
因此，对于直流锅炉来说，调节汽温的手段应是使燃烧率和给水流量保持适当比例（粗调）, 再采用喷水减温作为过热汽温的细调手段，以使过热汽温精确地等于给定值。
电厂热工自动控制系统
电厂热工自动控制系统电厂热工自动控制系统单元机组的自动调节系统¾ ¾ ¾ ¾ ¾机组功率－转速调节系统汽温控制系统（过热、再热）水位控制系统（凝汽器、除氧器、汽包）燃烧控制系统（燃料、风量、炉膛压力及一、二次风配比控制）其它单回路控制系统第一部分汽温控制系统一、过热汽温控制系统1. 任务温度过高，可能造成过热器、蒸气管道和汽轮机的高压部分金属损坏；温度过低，会引起电厂热耗上升，并使汽轮机轴向推力增大造成推力轴承过载，还会引起汽轮机末级叶片蒸汽湿度增加，降低汽轮机内效率，加剧对叶片的腐蚀控制要求：最大控制偏差不超过±10℃，长期偏差不超过±5℃规定要求：2. 静态特性过热器的传热形式、结构、布置将直接影响其静态特性。
大容量锅炉一般采用对流过热器、辐射过热器和屏式过热器交替串连布置。
过热器出口温度对流式3. 动态特性蒸汽流量变化、热烟气的热量变化、减温水流量变化相同点：均为有迟延的惯性环节辐射式不同点：特性参数有较大区别蒸汽流量变化扰动下，汽温的迟延和惯性较小烟气扰动与蒸汽流量扰动相似，汽温反映较快减温水流量扰动由于管道较长，汽温反应较慢4. 控制方案串级控制导前微分控制过热器减温器出口温度TE4001TE4025末级过热器出口温度TE4024LDC指令过热器减温水阀控制逻辑静态特性：纯对流特性动态特性：更容易受负荷、燃烧工况等干扰的影响，温度变化幅度较大调节手段：烟气再循环、尾部烟道挡板、喷燃器摆角、喷水减温烟气再循环：尾部烟道烟气抽至炉膛底部，降低炉膛温度，减少炉膛的辐射传热，从而提高炉膛出口烟气的温度和流速。
使再热器的对流传热加强，达到调温的目的。
优点：反应灵敏，调温幅度大。
缺点：系统结构复杂尾部烟道挡板：尾部烟道被分割为两部分，主烟道中布置低温再热器，旁路烟道中布置低温过热器，烟气挡板布置在温度较低的省煤器下面。
优点：结构简单，操作方便缺点:调温灵敏度差，幅度小，挡板开度与汽温不成线性关系。
《热工过程自动控制》课程教学大纲(本科)
热工过程自动控制Automatic Control of Thermal Process课程代码：02410069学分：3学时：48 （其中：课堂教学学时：44实验学时：4上机学时：0课程实践学时:0 ）先修课程：能源与动力工程控制基础适用专业：能源与动力工程教材：《热工过程自动控制》（自编讲义）一、课程性质与课程目标（一）课程性质《热工过程自动控制》是能源与动力工程专业教学计划中重要的专业技术基础课，它是在自动化技术、计算机技术、通讯技术、电子技术、传感技术、测量技术、先进制造技术、管理学等课程知识的基础上，将自动控制原理应用到热工过程的一门应用科学。
通过本课程的学习，使学生掌握热工过程自动控制的基本原理以及必要的理论知识和工程实践能力，为学生毕业后从事本专业以及相关专业方面的工作打下坚实的基础。
（二）课程目标课程目标1:能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析热工过程自动控制中的复杂工程问题。
课程目标2：能够针对热工过程自动控制中的复杂工程问题，选择恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，提出热工过程自动控制的解决方案、预期的实现目标以及控制质量的综合评定，并能够理解其局限性。
课程目标3：能够就热工过程自动控制中的复杂工程问题与业界同行进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达和解释。
（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系（认证专业专业必修课程填写）1.毕业要求3：系统掌握本专业领域宽广的、必需的技术理论基础，主要包括机械和力学理论（机械原理、机械设计、理论力学、材料力学）、能源动力工程理论、热流体理论（热力学、流体力学、传热学）、电工电子和自动控制理论以及必要的计算机知识。
2.毕业要求4：掌握本专业领域方向所必需的专业知识和基本技能，了解学科前沿及发展趋势，并对其它相关专业方向的有关知识有一定了解。
3.毕业要求5：具有设计和实施工程实验的能力，并能够对实验结果进行分析。
热工过程自动控制
特点：1、积分调节作用与偏差的大小没有直接的关系，故一般不单独使用
2、积分调节作用反映了偏差的累计情况，调节作用随时间而逐渐增强，因此能有效地小炒股系统的静态偏差
3、改善静态品质的同时恶化了动态品质，使过渡过程的振荡加剧，甚至造成系统不稳定
★★★4、调节系统的动态偏差
动态偏差：指系统在过渡过程中e（t）的最大值，记为em，
em=x（t）-y（tp） tp—系统第一次达到最大值的时间
（1） 调节系统的动态偏差em决定于调节器的调节作用，调节作用越强，em值越小
（2） 在稳定性相同的条件下，是PI调节器动态偏差最大，使用PD调节器，动态偏差最小
反馈：系统的输出又通过某个环节作用到输入；
在自动控制系统中，主要运用负反馈，性质有
1如果前向传递函数具有足够大的放大系数，则闭环传递函数等于反馈回路传递函数的倒数，而与前向传递函数无关；
2在负反馈闭合回路中，不论输入输出取什么信号，其传递函数的分母一样，所不同的只是传递函数的分子
信号线：指标是信号的传递关系和传递方向，而不代表物质的流动
采用P调节器的系统，七阶跃响应只有一个主要振荡成分，而采用PI和PD调节器的系统，其阶跃响应除了有一个主要的振荡成分以外，还有一个主要的非周期成分。采用PI调节器的系统中的非周期成分，反映了积分作用消除静态偏差的过程，而采用PD调节器的系统中的非周期成分，反映了微分作用抑制动态偏差的过程。
（2） 有自平衡
飞升速度E
延迟时间t
自平衡能力系数P
时间常数Tc
描写有自平衡能力对象动态特性的特征参数有三种组合：①（E,P,t） ②（E，Tc，t） ③（Tc，P，t）
大学-热工过程自动控制课后答案
陈绍炳于向军编著《热工自动控制原理》习题参考答案长沙理工大学能源与动力工程学院 自动化教研室 石阳春E-mail: shiyc_110@第2章 线性自动控制系统的数学描述2－1 系统框图如图2－44所示，求输入为给定函数时的输出响应。
图2－44 系统框图解：(a) 212111)()(+=⋅+=S SS S U S Y ， 21)(SS U = 225.025.05.0)2(1)(22++−=+=S S S S S S Y ， ∴ te t t y 225.025.05.0)(−+−= (b)221212)()(+=⋅+=S S S S U S Y ， S S U 1)(=22)(+=S S Y ， ∴ te t y 22)(−=(c) )41)(21(1414212)()(++=+⋅+=S S S S S U S Y ， S S U 1)(=41162188)41)(21(1)(+−++=++=S S S S S S S Y ,∴421688)(tt e e t y −−−+=(d) 15225121512)()(+=⋅+++=S SS S U S Y ， S S U 1)(=(a) 输入u(t) = t(b) 输入u(t) = 1(t)(c) 输入u(t) = 1(t)(d) 输入u(t) = 1(t)(e) 输入u(t) = 1(t)(f) 输入u(t) = 1(t)15252)1(52)(+−=+=S S S S S Y ， ∴t e t y −−=5252)( (e) 01.0)1.0(01.01)110(1)101(11)101(1)()(2222++=++=+++=S S S S S U S Y ， S S U 1)(=01.0)1.0(1.05.001.0)1.0()1.0(5.05.0]01.0)1.0[(01.0)(222++×−+++−=++=S S S S S S S Y ∴ 10sin 5.010cos 5.05.0)(1010te t et y t t −−−−=或 )2(5.0)02.02.0(02.05.0]01.0)1.0[(01.0)(2002222ωζωω++×=++×=++=S S S S S S S S S Y ∴ )4510sin(21(5.0)(10°+−=−tet y t(f))1(3)13(2131212)()(++=+⋅+=S S S S U S Y ， S S U 1)(=13432)1(3)13(2)(++=++=S S S S S S Y ， ∴t e t y −+=3432)(2－2 由电阻R 和电容C 组成如图2－45所示的电路：图2－45 系统电路图⑴建立传递函数)()()(12S U S U S G =的表达式，说明为何种环节；⑵当输入u 1为单位阶跃函数时，画出输出u 2(t)响应曲线，并标出特征参数。
第一章 热工过程自动控制系统组成
图1-7 典型过渡过程曲线
66
华北电力大学
North China Electric Power University
稳定程度可以用衰减率这个指标来衡量
ψ= y m1 − y m 3 y = 1 − m3 ym1 y m1
式中 :
ym 1
y m3
被控参数从新稳定值算起的第一波峰值。 被控参数从新稳定值算起的第三波峰值。
比例线性关系
48
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North China Electric Power University
三、调 节 器 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。 1、比例调节 指调节器输出的控制作用 u（ t）与其偏差输入信号 ｅ（ｔ ）之间成比例关系，即 比例增益 u (t ) = K p e(t ) 比例调节器的传递函数：
U (s ) WP (s ) = = KP E (s )
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工程中，常用比例带 δ来描述其控制作用的强弱，即 1 δ= Kp 其物理意义是在调节机构的位移改变时，被调量应有的 改变量。 比例调节规律的特点： （１）动作快，调节及时、迅速； （２ ）对干扰 有很强的抑制作用；（３）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。
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五、系统评价指标 1. 静态和动态 静态：被控参数不随时间而变化的平衡状态叫静态或 稳态。 动态：被控参数随时间而变化的不平衡状态叫动态。 2. 控制系统在受到干扰作用时的过渡过程 控制的过 程就是克服干 扰的过程。一 个系统的优劣 图 １－６ 典型的过渡过程形式 ６ 典型的过渡过程形式 在稳态下难以 判别，只有在 过渡过程中才 能得以鉴别。
热工自动控制练习题(含参考答案)
热工自动控制练习题（含参考答案）一、单选题（共40题，每题1分，共40分）1、衰减振荡过程中，到达第一个峰值，所用时间叫(____)。
A、调节时间B、超调量C、上升时间D、峰值时间正确答案：D2、(____)是描述系统控制过渡过程进行快慢的指标。
A、调整时间B、上升时间C、峰值时间D、衰减时间正确答案：A3、串级三冲量给水控制系统维持汽包水位无静态偏差是靠（）来实现的A、副回路B、副控制器C、内回路D、主控制器正确答案：D4、三冲量给水自动控制系统中，给水量的扰动属于系统的（）。
A、内扰B、控制量C、外扰D、不确定正确答案：A5、被调量变化时刻落后于扰动发生时刻的现象称为对象的（）。
A、输出迟延B、信号迟延C、传输迟延D、不确定正确答案：C6、双闭环比值控制系统两个控制器均应选（）控制规律。
A、PB、PIC、PIDD、PD正确答案：B7、输入量变化，引起环节(____)发生变化。
A、扰动B、输出量C、测量值D、被调量正确答案：B8、采用烟气挡板控制再热汽温的控制系统中，主蒸汽流量作为（）信号。
A、前馈B、反馈C、极限值D、给定值正确答案：A9、系统频率特性和传递函数的关系为(____)。
A、频率特性与传递函数没有关系B、频率特性可以用图形表示，传递函数不能用图形表示C、传递函数的复变量s用jω代替后，就是相应的频率特性D、二者完全是一样的正确答案：C10、单闭环比值控制和双闭环比值控制是实现（）物料流量间的定比值控制A、多种B、三种C、两种D、以上都不对正确答案：C11、二阶欠阻尼系统的性能指标中只与阻尼比有关的是(____)。
A、调整时间B、峰值时间C、上升时间D、最大超调量正确答案：D12、电容两端电压为输入信号，电流为输出信号，则此环节为(____)环节。
A、比例B、惯性C、微分D、积分正确答案：C13、在无自平衡的单容对象中，其特征参数是由（）决定的。
A、不确定B、自平衡率C、阻力系数D、容量系数正确答案：D14、在动态过程中，利用前馈控制有效地减少被调量的（）。
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特征式
1 la lbl c ld lel f
总传输（即总传递函数）； 从输入节点到输出节点的前向通道总数； 第k个前向通道的总传输；
流图特征式；其计算公式为：
（正负号间隔）
式中：
流图中所有不同回路的回路传输之和；
所有互不接触回路中，每次取其中两个回 路传输乘积之和；
回路(闭通路)：通路与任一节点 相交不多于一次，但起点和终点为 同一节点的通路称为回路。
互不接触回路：回路之间没有公共节点时，这种回路称为互 不接触回路。
通路传输(增益)：通路中各支路传输的乘积称为通路传输或通 路增益。前向通路中各支路传输的乘积称为前向通路传输或前 向通路增益。
回路传输(增益)：回路上各支路传输的乘积称为回路传输或回 路增益。
2.4.2 信号流的性质
节点表示系统的变量。一般，节点自左向右顺序设置， 每个节点标志的变量是所有流向该节点的信号之代数 和，而从同一节点流向个支路的信号均用该节点的变 量表示。
支路相当于乘法器，信号流经支路时，被乘以支路增 益而变换为另一信号。
信号在支路上只能沿箭头单向传递，即只有前因后果 的因果关系。
一、信号流图及其等效变换
组成：信号流图由节点和支路组成的信号传递网络。见下图：
节点：节点表示变量。以小圆圈表示。
支路：连接节点之间的有向线段。支路上箭头方向表示信 号传送方向，传递函数标在支路上箭头的旁边，称支路传输。
上图中，两者都具有关系:
，支路对节点
来说是输出支路，对输出节点 y 来说是输入支路。
求
：
前向通道有二，分别为: 回路有三，分别为： 有两个不接触回路，所以：
利用梅逊增益公式求传递函数
基于信号流图
G(s)
1
n k 1
Pk k
R(s) 1
E(s)
G1
x1(s) G2
-1
x2(s) G3
x3(s) 1 C(s)
1
-G4
-G5
Δ 1 G1G2G4 G2G3
三个闭合回路都与前向通道相接触，因此余因子为1，由 梅森公式可得：
(二)求解上传递函数 时，与第一问不同之处是前向通道 传递函数乘积不同，而且该问中闭合回路L2 与此前向通道不 接触，因此：
方框图中有三个闭合回路L1,L2,L3，且都为负反馈，因此
例2-16 使用Mason公式计算下述结构图的传递函数。 [解]：在结构图上标出节点，如上。然后画出信号流图，如下：
2.4 系统信号流图及梅森公式
2.4.1 信号流图概念
方块图是一种很有用的图示法。对于复杂的控制系统，方 块图的简化过程仍较复杂，且易出错。Mason提出的信号流图， 既能表示系统的特点，而且还能直接应用梅森公式方便的写 出系统的传递函数。因此，信号流图在控制工程中也被广泛 地应用。
信号流图可以表示系统的结构和变量传送过程中的数学关 系。它也是控制系统的一种数学模型。在求复杂系统的传递 函数时较为方便。
局部应用梅逊公式， 简化求取过程！
G2 G1 2 G1G2
C R
( (
s s
) )
1
1 G1G2 G2 G1 2
G1G2
G2 G1 2 G1G2 1 G2 G1 3 G1G2
1 G1G2
所有互不接触回路中，每次取其中三 个回路传输乘积之和；
……
ห้องสมุดไป่ตู้
第k个前向通道的特征式的余子式；其值为 中除去与 第k个前向通道接触的回路后的剩余部分；
例2-13 求速度控制系统的总传输（不计扰动）。
[解]：前向通道有一条； 有一个回路；
例2-14 利用梅森公式求取如下图所示的闭环传递函数。
(a) 某系统的信号流图
③在比较点之前的引出点B，需设 置两个节点，分别表示引出点和 比较点，注意图中的e1，e2 。
2.4.4 梅森公式
用梅森公式可不必简化信号流图而直接求得从输入节点到输 出节点之间的总传输（即总传递函数） 。
其表达式为：
前向通路条数
式中：
P(s)
1
n k 1
Pk k
特征式对应于第K条 前向通路的余子式
[几个术语：
输入节点(源点)：只有输出支路 的节点。如： R，N。
输出节点(阱点)：只有输入支路 的节点。如： C。
混合节点：既有输入支路又有输出支路的节点。如：E，P， Q 。混合节点相当于结构图中的信号相加点和分支点。它上面 的信号是所有输入支路引进信号的叠加。
通路：沿支路箭头方向穿过各个相连支路的路线，起始点和 终点都在节点上。若通路与任一节点相交不多于一次，且起点 和终点不是同一节点称为开通路。起点在源点，终点在阱点的 开通路叫前向通路。
对于给定的系统,节点变量的设置是任意的，因此信号 流图不是唯一的。
2.4.3 信号流图的绘制
(1)由系统微分方程绘制信号流图 (2)由系统结构图绘制信号流图
例2-12 试绘制所示系统方块图的信号流图。
(a) 系统方块图
解：①用小圆圈表示各变 量对应的节点A1，A2 。 ②在比较点之后的引出点
只需在比较点后设置一个节 点便可。也即可以与它前面 的比较点共用一个节点。
P1 G1G2G3 Δ1 1
P2 G1G5 Δ2 1
C(s)
G1G2G3 G1G5
R ( s ) 1 G1G2G4 G2G3
基于方框图
G3
R(s)
G1
G2
H1 H2
Δ 1 G2H1 G1G2H2 G1H2 G2H1 G1H2
P1 G1G2 Δ1 1 C(s) P2 G3G2 Δ2 1
解：前向通路有3个
4个单独回路
互不接触回路
则
例2-15 利用梅森公式求取如图所示传递函数
和
。
解:(一)前向通路有1个，其传递函数为： 方框图中有三个闭合回路L1,L2,L3，且都为负反馈，因此
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2019/8/19
在这三个闭合回路L1,L2互不接触，故
可得方框图的特征式为：
P3 G1 Δ3 1 G2H1
C ( s )
G1G2 G3G2 G1( 1 G2H1)
R ( s ) 1 G2H1 G1G2H2 G1H2 G2H1 G1H2
R(s) E(s) _
C(s)
_
G1
_
G2
C
(s)
G2
G1
2 G1G2
E(s)
1 G1G2