热控第一章_热工自动化基础

NorthChinaElectricPowerUniversity1第一章热工自动化基础§1.1概述§1.2热工被控对象§1.3变送器§1.4执行器§1.5典型输入信号与控制系统的性能指标§1.6调节器和控制规律§1.7热工系统的主要控制方式NorthChinaElectricPowerUniversity2§1.1概述NorthChinaElectricPowerUniversity3生产过程自动化是保持生产稳定、降低成本、改进劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段。自动化水平是衡量一个国家的生产技术和科学水平先进与否的一项重要标志。电力工业中电厂热工过程自动化技术相对于其它民用工业部门有较长的历史和较高的自动化水平，电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志。在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象（如机器设备、生产过程等）自动地按照预定的规律运行。NorthChinaElectricPowerUniversity4一、自动控制系统的组成把工业生产过程中的温度、压力、液位、浓度等状态参数作为被控参数的控制系统叫过程控制系统。图1-1锅炉汽包水位人工控制示意图任务：保证锅炉的安全运行，使汽包的水位稳定在一定的范围内。图1-2人工控制原理图NorthChinaElectricPowerUniversity5图1-3汽包水位自动控制系统示意图用自动化装置代替上述人工操作来完成控制任务，就形成了自动控制系统。图1-4汽包水位自动控制原理框图NorthChinaElectricPowerUniversity6自动控制系统可以由以下几个部分组成：测量变送器：用来测量被调量，并把被调量转换为与之成比例的某种便于传递和综合的信号。给定元件：用来设置被调量的给定值或与该给定值对应的电信号。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。NorthChinaElectricPowerUniversity7执行器：根据调节器送来的控制指令去推动调节机构，改变调节量。调节机构：接受控制作用去改变调节量变化的具体设备。控制对象：被控制的热工生产过程或设备。被调量：表征热工过程是否符合规定工况的物理量。扰动：生产过程中引起被调量偏离给定值的各种因素。调节量：由控制作用来改变并去控制被调量变化的物理量。NorthChinaElectricPowerUniversity8二、自动控制系统的分类1．按控制方式分类闭环控制系统（也称反馈控制系统）：它的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。只要被控量与给定量之间有偏差，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。特点:基于偏差，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。NorthChinaElectricPowerUniversity9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:按扰动进行控制，结构简单，精度差，只能克服单一扰动。复合控制系统：开环控制和闭环控制组合的一种控制系统。NorthChinaElectricPowerUniversity102．按闭合回路的数目分类单回路控制系统：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。图1-5单回路控制系统的原理框图NorthChinaElectricPowerUniversity11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。图1-6串级控制系统的原理框图NorthChinaElectricPowerUniversity123．按给定值分类恒值控制系统：给定值保持不变，从而被控量也相应保持不变，主要矛盾是克服扰动对被控量的影响，最终使被控量与给定值相等。主要的热工控制系统，如：给水控制系统、再热汽温控制系统等。NorthChinaElectricPowerUniversity13随动控制系统：给定值按预先不能确定的一些随机因素而变化。因而被调量也跟随给定值而随机变化。例如：单元机组负荷控制系统；军事上的火炮跟踪系统；导弹预测拦截系统。程序控制系统：给定值按已知的时间函数变化。控制的任务是使被控量尽快与给定值相等。例如：汽轮机自动启停系统TAS：汽轮机启动过程中，要求汽轮机的转速按一定程序升降等；炉膛吹灰系统等。NorthChinaElectricPowerUniversity14三、主要自动化系统1.SIS：厂级实时监控信息系统（SupervisoryInformationSysteminPlantLevel，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作指导NorthChinaElectricPowerUniversity152.AGC：自动发电控制系统（automaticgenerationcontrolSystem，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）。3.BPS：旁路控制系统（bypasscontrolsystem，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。NorthChinaElectricPowerUniversity164.CCS：单元机组协调控制系统（coordinationcontrolsystem，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、炉主控系统。它是单元机组自动控制的核心内容。5.FSSS：锅炉炉膛安全监控系统（furnacesafeguardsupervisorysystem，FSSS）或称燃烧器管理系统（burnermanagementsystem，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。NorthChinaElectricPowerUniversity176.SCS：顺序控制系统（sequencecontrolsystem）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，以及辅助系统的程序控制。7.DAS：数据采集系统（dataacquisitionsystem）又称为计算机监控系统，其基本功能是对机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。NorthChinaElectricPowerUniversity188.DEH：汽轮机数字电液控制系统（digitalelectrichydraulicsystem）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。NorthChinaElectricPowerUniversity19四、一些重要的基本概念1.数学模型：描述控制系统变量（物理量）之间动态关系的数学表达式。常用数学模型有微分方程，传递函数，结构图，信号流图，频率特性以及状态空间描述等。例如对一个微分方程，若已知初值和输入值，对微分方程求解，就可以得出输出量的时域表达式。据此可对系统进行分析。所以建立控制系统的数学模型是对系统进行分析的第一步也是最重要的一步。NorthChinaElectricPowerUniversity202.传递函数：线性定常系统在零初始条件下输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。1011110111()()()()()()()()nnnnnnmmmmmmdddactactactactdtdtdtdddbrtbrtbrtbrtdtdtdt设线性定常系统可以由下述n阶线性常微分方程描述：式中：c(t)是系统输出量，r(t)是系统输入量，a和b是与系统结构和参数有关的常系数。NorthChinaElectricPowerUniversity21设r(t)和c(t)及其各阶系数在t=0时的值均为零，即零初始条件，则对上式中各项分别求拉氏变换，并令C(s)＝L[c(t)]，R(s)=L[r(t)]，可得s的代数方程为：10111011[]()[]()nnnnmmmmasasasaCsbsbsbsaRs于是，由定义得系统传递函数为：)()()()()(11101110sNsMasasasabsbsbsbsRsCsGnnnnmmmmNorthChinaElectricPowerUniversity22传递函数是研究线性系统动态特性的重要工具，利用这一工具，可以大大简化对系统动态性能的分析过程。例如对于初始条件为零的系统，不必先解微分方程，而是直接根据系统传递函数的某些特征，利用传递函数的零点和极点来研究系统的性能。另一方面也可以把对系统性能的要求，转换成对传递函数的要求，从而为系统的设计提供简便的方法。3.方框图：表示变量之间数学关系的流程图称为函数结构图或方框图。方框图的组成元素：方框、信号线、比较点、分支点NorthChinaElectricPowerUniversity23§1.2热工被控对象NorthChinaElectricPowerUniversity24一、了解对象动态特性的意义1.热工对象是热工自动控制系统的重要组成部分，要设计一个合理的控制系统，必须了解对象的动态特性；2.要确定出控制器的最佳整定参数，也必须了解对象的动态特性；3.了解对象的动态特性，还可以对新设计的工艺设备提出要求，使之满足所需要的动态特性，为设计满意的控制系统创造先决条件。NorthChinaElectricPowerUniversity25二、相关概念1.对象的动态特性:就是对象的某一输入量变化时，其被控参数随时间变化的规律。其取决于工艺设备的结构、运行条件和内部物理的（或化学的）过程。2.理论建模：可以用机理分析的方法导出对象的动态特性；3.实验建模：用实验的方法获取对象的动态特性，是工程中常用的建模方法，目前有时域法、频域法和相关统计法等。4.时域法：在对象的输入端加一阶跃扰动，记录响应曲线，经数据处理求得对象的传递函数，这种方法的特点是简单实用，因此为工程中所广泛采用。NorthChinaElectricPowerUniversity265.频域法：用通过实验求得对象的频率特性来研究对象的动态特性。但对一些惯性大的对象则因试验时间很长而影响生产的正常进行，因此，这种频域法用的较少。6.相关统计法：是在对象的输入端加一伪随机信号，用相关计算求得对象的脉冲响应函数，这种方法的最大优点是不影响生产，因而越来越受到人们的重视。NorthChi