热工控制系统第四章 第一讲
热工自动控制系统1
热工自动控制理论与技术牛玉广北方联合电力公司华北电力大学2006年7月目录第一章热工自动控制基础1.1 自动控制的基本概念1.1.1过程控制、程序控制与运动控制●过程控制：对流程工业生产过程的控制，广泛应用于电力、冶金、石化、轻工等行业。
●程序控制（顺序控制或开关控制）：根据预先规定的顺序和条件，使生产工艺过程中的设备自动地依次进行操作。
非流程工业控制（制造业等）。
●运动控制：机器人控制等。
1.1.2 过程控制系统的组成在无人直接参与下可使生产过程或其它过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。
给定值图1-1典型的输出反馈控制系统典型的控制系统结构如图1-1所示。
它是由控制对象、测量环节、调节器和执行器构成输出反馈控制系统。
当图中控制器由模拟仪表实现时，称为模拟（连续）控制系统；当控制器由计算机实现时，则称为计算机控制系统。
由于计算机内部使用数字量进行数据的存储、运算与处理，而生产过程输入输出多为连续模拟信号，因此，计算机控制系统中首先要解决计算机与生产过程间的信号转换问题。
实现这一功能的器件是多路开关、采样保持器、模数转换器、数模转换器和保持器，控制器则由计算机实现。
典型的输出反馈计算机控制系统结构如图1-2所示。
图1-2输出反馈计算机控制系统目前普遍采用DCS实现过程控制，其本质也是一个计算机控制系统。
控制器执行器传感/变送器生产过程输出反馈控制是状态反馈控制的特例。
计算机的使用使实现状态反馈控制成为可能，从而为现代控制理论应用于生产过程控制创造了条件。
状态反馈计算机控制系统的典型结构如图1-3所示。
图1-3状态反馈计算机控制系统控制系统的主要组成部分说明如下： 一、控制对象控制对象是指所要控制的装置或设备，如风机、水泵、阀门及锅炉、汽轮机、发电机等。
在控制系统分析与设计中，控制对象以数学模型形式来描述，其一般形式为微分方程。
当然，对于复杂控制对象，其完整准确的数学模型是难以获得的，工程上往往使用经过简化的、能满足控制要求的近似模型。
《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。
热工自动控制系统1
项目一 热工控制系统 基本知识
任务三 调节器的动作规律及其 对过渡过程的影响
任务三 调节器的动作规律及其对过渡过程的影响
一、比例调节规律（ P ) 二、积分调节规律( I )
1、开环控制（前馈控制）系统
特点：1）根据扰动大小对被控 量进行调节； 2）控制作用及时，结构 简单； 3）调节效果未知，控制 精度差，只能克服单一扰动。
闭环控制(反馈控制）系统 系统中的被调量反馈到输入端作为调节器产生控制作用的依据。 只要被调量的偏差存在，控制设备就不停地向控制对象施加控制作用， 直到被调量符合要求为止。单元机组自动控制系统大多属于闭环控制 系统。 1）根据被控量与给定值的偏差进行调节，控制精度高；
3、综合自动化阶段（计算机控制阶段）：
（1）集中型计算机控制：用一台计算机实现几十甚至几百个控制回路 和若干个过程变量的控制、显示及操作、管理等。 （2）分散型计算机控制：指控制过程采用的系统是一种控制功能分散、 操作管理集中、兼顾复杂生产过程的局部自治与整体协调的新型分布 式计算机控制系统（又称分散控制系统） （3）综合自动化：是一种集控制、管理、决策为一体的全局自动化模 式 计算机控制的发展： 1、集中型计算机控制：可靠性要求高，风险高。（DDC） 2、分散型计算机控制：微机局部控制，协调困难。
自动控制系统中常用术语
1、被控量（被调量）：表征生产过程是否符合要求需要 加以控制的物理量。 2、给定值：按生产要求被控量必须维持的希望值。 3、调节量：由控制作用改变并对被调量进行调节的物理 量。 4、扰动：引起被控量偏离给定值的各种原因。 按来源分为外扰和内扰。
热工过程自动控制
热工过程自动控制1. 什么是热工过程自动控制热工过程自动控制是指利用自动控制系统来监测和调整热工过程中的参数，以达到预定的目标。
这些参数可能包括温度、压力、流量等。
通过自动控制，可以提高热工过程的效率、稳定性和安全性。
2. 热工过程自动控制的原理是什么热工过程自动控制的原理基于控制系统的闭环反馈原理。
首先，通过传感器获取热工过程中的参数信息，如温度传感器可以测量温度值。
然后，将这些参数信息与预定的目标值进行比较，得到误差。
接下来，根据误差，控制器会采取相应的控制策略，如调整阀门开度或启动/停止加热器等，来实现热工过程的控制。
最后，通过执行器将控制信号转换为实际的操作，如控制阀门的开闭或调节加热器的功率。
3. 热工过程自动控制的优势是什么热工过程自动控制具有以下优势：- 提高效率：通过自动控制热工过程中的参数，可以优化操作条件，提高能源利用效率。
例如，根据实时需求调整加热器功率，避免能源的浪费。
- 提高稳定性：自动控制系统能够实时监测和调整热工过程中的参数，使其保持在预定的范围内。
这有助于防止过程变量的偏离和不稳定，提高过程的稳定性。
- 提高安全性：自动控制系统可以及时响应异常情况，并采取相应的措施来保护设备和人员的安全。
例如，在温度超过设定范围时，自动控制系统可以自动关闭加热器或启动冷却装置。
- 提高生产质量：通过自动控制热工过程，可以减少人为操作的误差，提高产品的一致性和质量。
4. 热工过程自动控制中常用的控制策略有哪些在热工过程自动控制中，常用的控制策略包括：- 比例控制：根据误差的大小，按比例调整控制信号。
这种控制策略适用于线性响应的系统，但可能会导致超调和稳定性问题。
- 积分控制：根据误差的累积值，进行控制信号的调整。
积分控制可以消除稳态误差，但可能导致系统的迟滞和震荡。
- 微分控制：根据误差的变化率，调整控制信号。
微分控制可以提高系统的响应速度，但对测量噪声敏感，可能引入噪声放大问题。
电厂热工控制系统讲座
(3) 调节器的最佳参数可按下表计算。
单回路调节系统的工程整定方法
衰减曲线法
(1) 使调节器只具有比例作用,将积分时间调至无穷大,微分时间调至零。
然后，将调节器的比例带放至比较大的位置，将闭环调节系统投入运行。 (2) 逐渐改变调节器的比例带值,由大逐渐变小,观察不同值下的调节过程 (可以人为加入扰动),直到调节过程处于（4:1）衰减振荡过程时，记下此时的 调节器比例带数值 s 和衰减振荡周期 Ts 。 (3) 调节器的最佳参数可按下表计算。 Td
图表法——无自平衡能力对象的整定参数
单回路调节系统的工程整定方法
临界比例带法 (1) 使调节器只具有比例作用,将积分时间 Ti 调至无穷大,微分时间 Td 调至 零。然后，将调节器的比例带放至比较大的位置，将闭环调节系统投入运行。 (2) 逐渐改变调节器的比例带值,由大逐渐变小,观察不同值下的调节过程， 直到调节过程出现等幅振荡为止。待闭环系统处在临界稳定状态，记下此时的调 节器比例带数值 K 和振荡周期 TK 。
1．合理选择阶跃扰动信号的幅值。过小的阶跃扰动幅度不能保证测试 结果的可靠性，而过大的扰动幅度则会使正常生产受到严重干扰甚至危及 生产安全。一般是取通过控制阀门流入量最大值的10%左右为宜。当生产
上限制较严时应降到5%，相反也可提高到20%，以不影响生产为准。
2 ．试验开始前确保被测过程处于某一选定的稳定工况。试验期间应设 法避免发生偶然性的其它扰动。通常同一实验应重复进行几次，至少要获
有自平衡能力被控对象
无自平衡能力被控对象
热工对象动态特性的获取
切线法求取对象的近似传递函数 K W（s） n (1 T0 s）
y () x0 2）求出 / Tc的数值； 3）查下表，即可得到与 / Tc 值相对应的 n 值 和 / T0 的数值，同时可求得T0。
第四章习题热工过程自动调节答案
第四章习题热工过程自动调节答案第四章习题热工过程自动调节答案第四章习题4-1 调节系统如图4-13所示，试分别求当K =10和K =20时，系统的阻尼比 ζ、无阻尼自然振荡频率ωn 、单位阶跃响应的超调量M p 、峰值时间t p 、衰减率ψ、调节时间t s 和稳态误差e (∞)，并讨论K 的大小对过渡过程性能指标的影响。
解:系统的闭环传递函数为2()10()()1010C s KG s R s S S K==++二阶系统传递函数的通用形式为'222()2nn nK G s S S ωζωω=++二式比较，可得, K ’=1 10n Kω 510K ζ=K =10时，10010nω==51000.5ζ== 由此可以求得：阻尼振荡频率2211010.5538.66(/)d rad s ωωζ=-=-==峰值时间 0.363()8.66p d t s ππω=== 超调量 210.57716.3%p M ee πζζπ---===衰减率 221 1.1541197.3%e e πζζπψ---=-=-=调节时间采用2%的误差带 ：440.8()5s nt s ζω≈==采用5%的误差带 ： 330.6()5s nt s ζω===稳态误差0'2220()1()1()lim 11[()]lim 1lim 21'0S S nS n n e c SC s S G s SK S S K ωζωω→→→∞=-∞=-=-⋅=-++=-=K =20时，200102nω==520024ζ==阻尼振荡频率2110210.12513.23(/)d rad s ωωζ=-=-=峰值时间 0.237()13.23p d t s ππω=== 超调量 210.25839.3%p M e e πζζπ---===衰减率 2210.5161180.4%e e πζζπψ---=-=-=调节时间采用2%的误差带 ： 440.8()5s nt s ζω≈==采用5%的误差带 ： 330.6()5s nt s ζω===稳态误差()1'0e K ∞=-=4-2 调节系统如图4-14所示，试分别求出当系统的瞬态响应为ψ=0.75和ψ=0.9时的 δ 值。
热工控制系统B思考题与习题
热工控制系统B思考题与习题第一章控制系统概述1. 什么叫自动控制系统？2．自动控制系统主要由哪几部分组成？每一部分的作用是什么？3．控制对象、被控制量、控制量和给定值是如何定义的？请举例说明。
4．自动控制系统的主要分类方法有哪几种？说明各种分类方法的特点，指出各种分类方法所包括的系统是什么？各系统的特点是什么？5．什么叫前馈控制系统？什么叫反馈控制系统？6．什么叫反馈？什么叫负反馈？7、什么叫定值控制系统？对定值控制系统来说，系统的输入量是什么？举例说明日常生活中的定值控制系统。
8．什么叫随动控制系统？对随动控制系统来说，系统的输入量是什么？举例说明日常生活中的随动控制系统。
9．、对一个实际控制系统如何实现负反馈？10．说明汽包锅炉有哪些被控制量？相应的控制量、控制机构有哪些？锅炉运行过程中被控制量可能会受到哪些扰动？11．控制过程的基本形式有哪几种？它们各有什么特点？如何根据控制过程曲线来检验控制系统是否满足基本要求？哪种控制过程的基本形式符合热工控制过程的要求，给出稳定性指标的范围。
12．通常从哪三个方面衡量自动调节系统的工作品质，表示调节系统的工作品质的指标有哪几个？如何兼顾这些指标？13．举出反馈控制系统的实例，指出被控制量、控制量、控制机构、给定值、扰动，画出控制系统的示意图。
14．水位自动控制系统的两种方案如下图所示，在运行中，希望水位高度H维持不变：（1）说明各系统的工作原理。
（2）画出各系统的方框图，并说明控制对象、被控制量、给定值、扰动各是什么？（3）试说明两系统各属于何种结构的控制方式。
（4）当水箱出口水流量q2变化时，各系统能否使水位高度保持不变？试从原理上定性说明。
第二章控制对象的动态特性1．为什么要研究对象动态特性？2．热工控制对象一般有哪几种类型？每种类型的特点是什么？写出相对应的传递函数。
3．热工控制对象的特征参数有哪些？是如何定义的，物理意义是什么？4．写出表示有自平衡能力对象动态特性的两套特征参数和它们之间的关系。
热工自动控制系统详解PPT文档47页
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29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
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30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
热工自动控制系统详解
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26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 —，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
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28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
热工自动控制系统1.
热工自动控制理论与技术牛玉广北方联合电力公司华北电力大学2006年7月目录第一章热工自动控制基础1.1 自动控制的基本概念1.1.1过程控制、程序控制与运动控制●过程控制：对流程工业生产过程的控制，广泛应用于电力、冶金、石化、轻工等行业。
●程序控制（顺序控制或开关控制）：根据预先规定的顺序和条件，使生产工艺过程中的设备自动地依次进行操作。
非流程工业控制（制造业等）。
●运动控制：机器人控制等。
1.1.2 过程控制系统的组成在无人直接参与下可使生产过程或其它过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。
给定值图1-1典型的输出反馈控制系统典型的控制系统结构如图1-1所示。
它是由控制对象、测量环节、调节器和执行器构成输出反馈控制系统。
当图中控制器由模拟仪表实现时，称为模拟（连续）控制系统；当控制器由计算机实现时，则称为计算机控制系统。
由于计算机内部使用数字量进行数据的存储、运算与处理，而生产过程输入输出多为连续模拟信号，因此，计算机控制系统中首先要解决计算机与生产过程间的信号转换问题。
实现这一功能的器件是多路开关、采样保持器、模数转换器、数模转换器和保持器，控制器则由计算机实现。
典型的输出反馈计算机控制系统结构如图1-2所示。
图1-2输出反馈计算机控制系统目前普遍采用DCS实现过程控制，其本质也是一个计算机控制系统。
生产过程执行器传感/变送器输出反馈控制是状态反馈控制的特例。
计算机的使用使实现状态反馈控制成为可能，从而为现代控制理论应用于生产过程控制创造了条件。
状态反馈计算机控制系统的典型结构如图1-3所示。
图1-3状态反馈计算机控制系统控制系统的主要组成部分说明如下：一、控制对象控制对象是指所要控制的装置或设备，如风机、水泵、阀门及锅炉、汽轮机、发电机等。
在控制系统分析与设计中，控制对象以数学模型形式来描述，其一般形式为微分方程。
当然，对于复杂控制对象，其完整准确的数学模型是难以获得的，工程上往往使用经过简化的、能满足控制要求的近似模型。
热工B-热工控制系统第一章
能源与动力工程学院第一章热工自动控制概论主讲：赵建立主讲赵建立能源与动力工程学院第一节热工自动控制的发展概况电能的“发输供用”必须同时进行并保持瞬时的平控制对象特征电能的发、输、供、用必须同时进行，并保持瞬时的平衡。
与此同时，参与“发、输、供、用”的所有设备构成了部件众多、结构复杂、分布广阔的动态大系统。
在这个系统中发电机组处于系统的最底层机组处于系统的最底层。
电力生产过程分为发电侧与输配电侧，相应地，从实现自动化的角度，可分为电站自动化和电力系统自动化。
能源与动力工程学院一、电厂热工控制技术的发展1、目前机组特点个随着发电机（1）监视点多(600MW机组I/O点多达3000～5000个，随着发电机-变压器组和厂用电源等电气部分监视纳入DCS之后，I/O点已超过7000个)（2）参数变化速度快和控制对象数量大(600MW机组超过1300个)，而各个控制对象又相互关联所以操作稍失误所引起的后果十分严而各个控制对象又相互关联，所以操作稍一失误，所引起的后果十分严重。
大机组的监视与控制操作任务也不能交运行人员去完成(体力、脑力体力脑力劳动强度，及时、人为操作失误），因此必须由高度计算机化的机组集控取而代之。
控取代之能源与动力工程学院随着计算机技术的迅速发展，电厂热工过程控制又经历了以下几个计算机控制过程:(1) 集中型计算机控制：用一台计算机对整个生产过程进行整体控制因此对计算机的可靠性要求很高旦计算机出现事整体控制，因此对计算机的可靠性要求很高，一旦计算机出现事故，将使整个生产受到影响。
()分散计算机控制随着微机的大批产成本的不(2) 分散型计算机控制：随着微机的大批生产，成本的不断降低，逐渐把集中控制改为用微机进行局部控制，克服了集中控制的一些缺点，但此时各系统之间很难协调起来。
(3) 计算机分散控制：它把各系统之间、厂级管理、调度(3)计算机分散控制它把各系统之间厂级管理调度等用一台功能很强的计算机进行上位管理；而把各子系统用微机控制，充分发挥了集中控制和分散控制各自的优点，是一种比较合理的控制方法。