热工控制系统.ppt

第一篇 简单控制系统简单控制系统是由一个被调量、一个控制量而且只用一个调节器、一个调节阀所组成的一个闭合回路。在热工过程控制中简单控制系统是最基本的，也是应用最多的。 简单控制系统框图 本篇主要内容 第一章 讲述控制系统的基本概念 第二章 讨论热工控制对象的动态特性 第三章 主要分析调节器的控制规律的特点 第四章 阐述单回路控制系统 第一章 控制系统概述 第一节 概述生产过程是否正常进行，通常是用一些物理量来表征的,当这些物理量偏离所希望维持的数值时，就表示生产过程离开了规定工况，必须加以调节。调节的任务就是表征生产过程是否正常进行的这些物理量保持在所希望的数值上。 人工调节 自动调节 自动调节中的一些常用术语 1．被调量（被控制量）表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量。 2．给定值按生产要求被调量必须维持的希望值。 3．控制对象（被控对象） 被调节的生产过程或设备称为控制对象。 4．调节机构可用来改变进入控制对象的物质或能量的装置称为调节机构。 5．控制量（调节量）由调节机构(阀门、挡板等)改变的流量(或能量)，用以控制被调量的变化。 6．扰动引起被调量偏离其给定值的各种原因称为扰动。 如果扰动不包括在控制回路内部(例外界负荷)，称为外扰。如果扰动发生在控制回路内部，称为内扰。 其中，由于调节机构开度变化造成的扰动，称为基本扰动。变更控制器的给定值的扰动称为给定值扰动,有时也称控制作用扰动。 7．控制过程（调节过程）原来处于平衡状态的控制对象，一旦受到扰动作用，被调量就会偏离给定值。要通过自动控制仪表或运行人员的调节作用使被调量重新恢复到新的平衡状态的过程，称为调节过程。 8．自动控制系统自动控制仪表和控制对象通过信号的传递互相联系起来就构成一个自动控制系统。 第二节 自动控制系统分类 一、按工作原理分类1．反馈控制系统2．前馈控制系统3．前馈 ─ 反馈控制系统（复合控制系统） 第三节 控制系统的性能指标自动控制系统调节品质的优劣，表示了控制系统克服外来干扰能力的大小。常把对阶跃干扰的反映作为判别系统抗干扰能力好坏的标准。一个控制系统的调节品质，可用控制系统在受到单位阶跃输入作用后，被调量在控制过程中的变化曲线来分析。一、控制过程的基本形式 二、控制系统的性能品质指标 1．静态偏差y(?)或e(?) *定值控制系统中，静态偏差是指被调量的稳态值与给定值之间的长期偏差。 *随动控制系统中，静态偏差是指被调量的稳态值与新给定值之间的长期偏差。 静态偏差是衡量控制系统准确性的重要指标之一，它反映了控制系统的调节精度。 2．控制过程时间（调节时间）ts *对于定值控制系统，控制过程时间是指阶跃响应曲线由开始起到最后一次进入偏离稳态值为±范围，并且以后不再越出此范围的时间即 t≥ts 时 ｜ y（t）－ y（∞）｜≤ ，= （ 5% y（∞）或2% y（∞）） *对于随动控制系统，控制过程时间是指被调量与其稳态值之差不超过稳态值的±5%或±2%所需要的时间，就认为控制过程已经结束。即 t≥ts 时 ｜ y（t）－ y（∞） ｜ ≤ ±5%y（∞）或±2%y（∞） 3．最大动态偏差ym或超调量?在定值控制系统中，常用最大动态偏差ym这个指标来衡量被调量偏离给定值的程度。ym＝y1＋y(∞)随动控制系统常用超调量这个指标来衡量被控制量偏离给定值的程度。超调量σ可定义为： 4.衰减率?衰减比n衰减率是指每经过一个波动周期，被调量波动幅值减少的百分数。式中 y1—偏离稳态值的第一个波峰幅值；y3—偏离稳态值的第三个波峰幅值。 它常被工程上用来描述过渡过程为衰减振荡时的衰减速度。 若?＜0，则调节过程是发散振荡，这种系统是不稳定的。 若?＝0，则调节过程是等幅振荡，这种系统处于边界稳定。 若0＜?＜1，则调节过程是衰减振荡，这种系统是稳定的。可以应用。 若?＝1，则调节过程是不振荡的衰减过程(非周期过程)，这种系统稳定。 在0＜?≤1的范围内，?的数值还可表明系统稳定裕量(富裕量或贮备量)的大小 ，一般取?＝0.75～0.90。衰减比n是指振荡过程的第一个波的振幅y1与第三个波的振幅y3之比，即n＝y1/y3它也是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标，反映了振荡的衰减程度。 n1表示系统不稳定的，振幅愈来愈大； n＝1表示为等幅振荡； n1表示系统稳定； n=4表示系统为4:1的衰减振荡。在定值控制系统中，突出的要求是克服扰动的性能。在随动控制系统中突出的要求是跟踪性能。衡量控制系统调节品质的优劣可以归纳为三个方面即稳定性，准确性、快速性。稳定性：稳定的控制系统才可以采用（根据响应曲线形状、衰减率或衰减比）准确性：用动态偏差和静态偏差衡量快速性：用调节时间衡量 各种积分指标 IE（误差积分）优点：简单，也称为线性积分准则 局限：不能抑制响应等幅波动 IAE（绝对误差积分）特点：抑制响应等幅波动 ISE（平方误差积分）优点：抑制响应等幅波动和大误差 局限：不能反映微小误差对系统的影响 ITAE（时间与绝对误差乘积积分） 优点：着重惩罚过渡时间过长 思考题 * * 输入量 输出量 调节器 被控对象 汽包 W 给水 给水调节阀 省煤器 水冷壁 过热器 水位计 蒸汽 D h 汽包锅炉给水人工调节示意图 人工/自动 给水 w 蒸汽 D 测量单元 调节单元 给定单元 执行单元 汽包锅炉给水自动调节示意图 h 人工/自动 控制器 广义被控对象 给定值 被调量 稳态 稳态 动态 - r λ 扰动通道 调节通道 调节器 测量变送 调节机构 y “按偏差调节” 闭环控制系统 优点：可以消除被调量的静态偏差 缺点：要进行稳定性分析，控制过程时间长1．反馈控制系统2．前馈控制系统 λ 扰动通道 调节通道 前馈调节器 y “扰动调节”或“扰动补偿” 开环控制系统 优点：控制过程时间短，不用进行稳定性分析 缺点：不存在被调量的反馈，无法检测偏差一般只能克服某种扰动 - r λ 扰动通道 调节通道 调节器 测量变送 调节机构 y 前馈调节器3．前馈-反馈控制系统 前馈控制为粗调，反馈控制为细调 二、按给定值特点分类1. 定值控制系统给定值保持恒定，或给定值在某一很小范围内变化。2. 随动控制系统给定值是按预先不能确定的一些随机因素而变化(变化规律事先末知)。3．程序控制系统给定值是预定的时间函数。综合性能指标 单项性能指标 时域指标 频域指标 静态偏差y(?)或e(?) 最大动态偏差ym或超调量? 衰减率?衰减比n 控制过程时间ts 其它指标 调节时间 tS 静态偏差 y(?)或e(?) 最大动态偏差ym或超调量? 衰减率?衰减比n 给定值 y1 y3 y∞ ess ts r y1 y3 y∞静差 ts r 定值控制系统 随动控制系统