第一章热控专业基本概念

第一章热控专业基布概念………………………………………………1第一节生产过程的自动控制……………………………………………………1第二节程序控制与热工保护…………………………………………………7第三节热控专业功能划分……………………………………………………10第四节控制系统的图例描述…………………………………………………13第一章热控专业基本概念第一节生产过程的自动控制一、人工控制和自动控制人工控制是指运行人员根据对生产过程热工参数变化原因的分析，手动操作某一阀门或挡板的开度，改变流入量或流出量，使参数恢复到给定值。图l-1为锅炉汽包水位进行人工控制的示意图。在锅炉运行过程中，水位H是否稳定在给定值，是给水流量W和蒸汽流量D是否平衡的标志。运行人员要经常注视水位指示值是否符合给定的水位值，若水位偏高或偏低，就要关小或开大给水控制阀门进行人工控制，直到水位H重新恢复到规定的数值H0，这一操作过程就称为控制，被控制的生产过程或设备称为被控对象。本例中汽包水位是表征锅炉工作过程是否正常运行的物理量之一，这种表征生产过程是否正常进行而需要加以控制的物理量称为被控量，被控量所应具有的数值称为给定值(或规定值、希望值)。对被控量的控制一般都是通过改变参与生产过程的某一物质的流量或能量来实现的，因此在生产设备上必须装有可用来改变进入被控对象的物质或能量的装置，这个装置称为执行机构。改变执行机构的位置从而控制被控量的作用称为控制作用。除控制作用外，引起被控量变化的其他因素称为扰动。汽包水位的变化由流入锅炉汽包的给水流量(即流入量)W的变化或蒸汽流量(即流出量)D的变化引起。显然，当汽包水位等于给定值时，流入量与流出量平衡时是不需要控制的。一旦由于外界负荷的变化，流出量发生变化时，流入量与流出量失去平衡，汽包水位就必然发生变化。这时运行人员应根据水位的高低去关小(或开大)给水控制阀门，使流入量与流出量重新达到平衡，被控量亦恢复到给定值。因此，控制的任务就是通过执行机构的动作产生控制作用来抵消扰动对被控量的影响，使被控量能经常等于给定值的。在图l-l的人工控制中，执行机构是由运行人员操作的，为了进行控制，运行人员必须做到以下几点：(1)了解情况。使用肉眼观察指示仪表的数值，以了解生产过程的运行情况。(2)分析决策。根据被控量的观测值与头脑中记忆的(或指示仪表上用红线划定的)规定值进行比较，按二者误差的大小、方向和变化速度等，迅速做出是否要进行控制和如何控制的判断。(3)执行操作。根据分析决策的结果，适当地操作执行机构。(4)运用反馈信号进行控制。一个元件或系统的输出信号被反送入输入端叫做反馈。一个熟练的运行人员在人工控制中，应该会运用反馈信号进行控制。即不仅知道如何操作执行机构，而且能估计到执行机构移动后的效果，恰当地变更控制的快慢和大小，既防止控制过头，又注意控制不足。重复上述步骤，直到被控量恢复到给定值为止，控制过程才告结束。随着机组容量的增大，参数不断提高，大容量、高参数、高自动化的大机组处于主导地位，人工控制愈来愈显得不可靠和不可能。故现代火电厂在生产过程中，为了保持被控量恒定或按预定规律变化，都采用一整套自动控制装置来代替运行人员的操作，这种用仪表进行的自动操作称为自动控制。从自动控制的要求来看，它必须具有如下三个方面功能的基本部件。(1)测量变送器。用来测量被控量的大小，并把原始的物理量参数(如水位、温度、压力和流量等)转变成某种便于远距离传送的，且与被控量成比例(或某种固定的函数关系)的测量信号。测量变送器代替人的眼睛，了解情况，传送信号。(2)控制器。接受测量变送器传来的被控量信号，并把它与给定值进行比较，当被控量与给定值有偏差时，发出一个反映偏差方向(正或负)和大小的信号。同时根据这个偏差信号按预定的规律进行运算，然后发出控制信号给执行器，控制器代替人的大脑进行比较、判断。(3)执行器。按照控制器发出的控制信号去驱动执行机构，执行机构代替人的手进行执行操作。把这套自动控制装置和被控对象连接起来，就构成一个自动控制系统，如图1-2所示。二、自动控制系统自动控制系统是由起控制作用的自动控制装置和被控制器控制的生产设备(控制对象)通过信号的传递、联系所构成的。简言之，控制对象和控制器通过信号的传递，相互联系组成控制系统。为了便于形象地研究系统，我们常常应用方框图这个工具。例如图1-2的汽包水位控制系统中，当负荷侧蒸汽阀门开度改变使锅炉负荷发生变化时，汽包水位的变化值通过变送器转换成控制装置所能接受的统一信号(如电流或电压信号)；在控制器中，这一信号首先与代表给定值H0的信号相比较，得到一个偏差信号；然后按预定的控制规律对偏差信号进行运算，得到需要的控制信号；该信号送至执行机构，使它去驱动给水控制阀门，改变进入汽包的给水流量，以抵偿蒸汽负荷变化对水位的影响。给水自动控制系统的这一信号传递过程可用图1-3的方框图来表示。图中每一个小方框代表控制对象或自动控制装置的一个部件或一个设备或几个设备的组合体，称为环节。环节之间用带有箭头的连接线表示信号的传递途径和方向。每一个环节均有输入信号(输入量)和输出信号(输出量)，输入量是引起输出量变化的原因，输出量是输入量变化的结果。因此方框图中的环节并不代表某一部件或某一设备的具体结构，而是代表这个部件或设备所具有的输入与输出之间的某种因果关系，这一因果关系(传递方向)是不可逆的。因此，同一个系统可以画出不同的方框图，可简可繁。如图1-3所示，如果按虚线把控制对象和控制装置分别用一个环节表示，则可画成图1-4的方框图。这个方框图表明引起水位H变化的原因有两个：负荷侧蒸汽阀门开度mD(扰动)和控制装置的执行机构位移m(控制作用)。水位H的变化又会引起执行机构位移m发生变化。根据这个方框图，我们所要研究的是在扰动mD或规定值H改变时，被控制量H和执行机构位移m的变化情况，至于控制器内部各部件输出信号的变化可以不考虑。也可把整个系统看做一个环节，如图1-4虚线所示，这时方框图只表明系统输出被控量H和输入扰动mD或规定值H0之间的关系。由此可见，自动控制系统的方框图可简可繁，应根据对控制系统研究的需要而定。三、自动控制系统的分类按控制系统的结构来分，分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有正向作用，而无反馈现象，控制器只是根据直接或间接反映扰动输入的信号来进行控制的，如图1-5所示。在这个系统中控制器接受了对象输入端的扰动信号X，一旦有扰动发生，控制器可按预定的控制规律对被控对象产生一个控制作用μ，以抵消扰动X对被控量Y的影响。这种控制方式也称为“前馈控制”。从理论上讲，只要按扰动进行的控制量合适，就可能及时抵消扰动的影响，而使被控量不变。但由于没有被控量的反馈，因此控制过程结束后，不能保证被控量等于给定值，在生产过程自动控制中，前馈控制是不能单独使用的，但用扰动补偿的方法来控制被控量的变化是十分有效的、可取的。闭环控制系统是指控制器和被控对象之间既有正向作用，又有反向联系的系统。由于系统是由被控量的反馈构成闭环回路的，故称为闭环控制系统，如图1-6所示。又由于它是按反馈原理工作的，故图1-6闭环控制系统方框图又称为反馈控制系统。闭环控制系统的控制目的是要尽可能地减少被控量与规定值之间的偏差，因此，它是根据被控量与其规定值的偏差，通过不断反馈，控制，最终消除误差的。闭环控制系统是自动控制中最基本的控制系统，但对于迟延较大的对象，控制过程中会出现数值较大、持续时间较长的被控量偏差。在反馈控制的基础上，加入对主要扰动的前馈控制，构成复合控制系统，也称前馈-反馈控制系统，如图1-7所示。所谓复合控制实质上是在闭环系统的基础上用开环通道提供一个时间上超前的输入作用，以提高系统的控制精度和动态性能的。当外界扰动X作用到控制系统而被控量Y还没有反映之前，先由前馈补偿装置进行粗调，尽快使控制作用ml在一开始就能大致抵消X的影响，使被控量Y不致于发生大的变化。如果由于ml的补偿作用不是恰到好处，则通过闭环回路来进行控制。因此，这类控制对于扰动作用X来说，能获得比一般闭环控制更好的控制效果。若按给定值变化的规律可分为定值控制系统、程序控制系统和随动控制系统。定值控制系统的规定值在运行中恒定不变，从而使被控量保持(或接近于)恒定。例如锅炉的汽压、汽温、水位等控制系统都是定值控制系统。程序控制系统的规定值是时间的已知函数。控制系统用来保证被控量按预先确定的随时间变化的数值来改变。例如火电厂锅炉、汽轮机的自启停都是程序控制系统。随动控制系统的规定值是时间的未知函数，只是按事先不能确定的一些随机因素来改变的。例如，在滑压运行的锅炉负荷控制回路中，主蒸汽压力的规定值是随外界负荷而变化的，其变化的规律是时间的未知函数。此控制回路的任务是使主蒸汽压力紧紧跟随主汽压力给定值而变，从而实现机组在不同负荷下以不同的主蒸汽压力进行滑压运行。随动控制系统在大型单元机组的自动控制中应用很广。四、自动控制系统的控制过程在自动控制系统中，被控量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳态或静态；被控量随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态，或称瞬态、暂态。当一个自动控制系统的输入恒定不变时，整个系统处于相对平衡的状态，系统的各个环节，如变送器、控制器和控制阀等暂不动作，它们的输出都处于相对静止状态。一旦系统受到扰动作用，被控量就会偏离规定值，系统处于动态过程，在动态中，被控量随时间变化的过程称为自动控制系统的控制过程，亦即系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程，如图1-8所示，该过程反映了控制系统工作品质的好坏。评价控制系统的好坏，通常是在相同的典型输入信号作用下，比较它们输出信号的过渡过程曲线所表现出来的特征，这些特征也与输入信号的种类有关。在热工过程自动控制中，最常用的是单位阶跃输入，其数学表达式为（1-1）单位阶跃输入的函数如图1-9所示。)0t(1)0t(0)(1)(时当时当ttx闭环控制系统在阶跃扰动的作用下，经过控制能够达到新的平衡状态，这就叫做稳定控制过程。这种新的平衡状态的被控量可能就在扰动前的数值上，也可能是一个新的数值。稳定的控制过程又分为衰减振荡和非周期过程两种，如图1-10(a)和(b)所示。对稳定要求较高的过程(如燃烧过程)，应采取接近于图(b)的形式；对快速性要求较高，被控量动态误差要求小的过程，(如给水过程)，应采取图(a)的形式表示。如果闭环控制系统受扰后，其输出量的过渡过程呈发散振荡或等幅振荡的形式，就称为不稳定的控制过程，如图l-10(c)和(d)所示。图(d)不但不能达到新的平衡，而且偏差时正时负，振幅越来越大，直到发生破坏作用或受到限幅保护装置的干涉为止，这种控制系统是不稳定的；图(C)不能达到新的平衡，被控量和控制作用都作等幅振荡，这种情况称为边界稳定，也属于不稳定的范畴。五、自动控制系统的性能指标自动控制系统的性能一般从三个方面，即稳定性、准确性和快速性来衡量。(1)稳定性。一个自动控制系统能否应用，稳定性是必要条件，不稳定的系统在生产上是不能采用的，只有稳定的系统才能完成正常的控制任务。控制系统的稳定程度一般可用衰减率来表示。衰减率是指每经过一个周期，被控量波动幅值的相对衰减量，即（1-2）由图1-1l，根据的数值，便可很容易地判断控制过程的性质。若0，则为发散振荡过程；=0，则为等幅振荡过程；01，则为衰减振荡过程；=1，则为非周期过程。在实际生产过程中，不仅要求系统是稳定的，还要求有一定的“稳定裕量”，以保证在每次控制过程中振荡次数不致过多(约2～3次)。一般=0．75～0．90。(2)准确性。它是指被控量偏差的大小，包括动态偏差和静态偏差。动态偏差是指控制过程中被控量偏离规定值的最大偏差值；静态偏差是指控制过程结束后被控量与规定值之间的残余偏差，最大静态偏差往往出现在负荷变动幅度最大的时候，为了提高生产设备对变动负荷的自适应能力，有意造成静态偏差。例如单元机组中的锅炉出口汽压就可能在低负荷时维持较高的数值，而在高负荷