熱工過程自動調節期末復習PPT資料課件

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1、華南理工大學電力學院第一章 自動調節的基本概念 第一節 自動調節的實現方法 第二節 自動調節的常用術語 第三節 系統方框圖 第四節 自動調節系統的分類 第五節 自動調節系統的性能 自動調節的常用術語(一)被調對象指被控制的生產設備或生產過程。被調量表征生產過程是否正常而需要維持的物理量。給定值根據生產工藝要求，被調量應該達到的數值。擾動引起被調量偏離其給定值的各種原因。自動調節的常用術語(二)調節機關改變對象流入量或流出量的機構，如上例中給水控制閥。調節作用量由控制作用來改變,以控制被控量的變化,使被控量恢復為給定值的物理量。調節術語圖解被調對象被調量給定值擾動調節機關調節作用量 信號線：用箭

2、頭表示信號“x”的傳遞方向的連接線。匯交點(相加點、綜合點)：表示兩個信號“x1”與“x2”的代數和。分支點(引出點)：表示把信號“x”分兩路取出。環節：方框圖中的一個方框(代表能完成一定職能的元件)。方框圖的四個要素按調節系統結構分類四種典型的輸入函數Ax0(t)0t0t(t)階躍函數單位脈沖函數f0t(t)斜坡函數f0t(t)正弦函數典型調節過程主要性能指標 穩定性 準確性 動態偏差 靜態偏差 快速性13311MMM1MM0()()dIy tytmaxP100%yyMy第二章 自動調節系統的數學系統 第一節 系統和環節的特性 第二節 拉普拉斯變換 第三節 傳遞函數 第四節 脈沖響應和階躍響

3、應 第五節 基本環節及環節的連接方式系統和環節的特性 系統(或環節)特性：系統(或環節)的輸出與輸入信號的關系。靜態特性：平衡狀態時，輸出信號和引起它變化的輸入信號之間的關系。動態特性：在不平衡狀態時，輸出信號和引起它變化的輸入信號之間的關系。環節靜態特性舉例動態數學模型的建立當u1變化時：u1ii對C充電u2增大，至u2u1時充電結束 12201,tuuiuidtRC221duRCuudt同類環節與相似系統 同類環節：數學模型相同，環節因果關系類同。相似系統：具有相同形式的數學模型，而物理性質不同的系統。同類環節2212212RuukuRRRkRRbyxkxabka相似系統222222ddd

4、dddddddAxxAxFmtxxFKfmttxxmfKFtt022dd1dd1dddd1d(00ddd0)00RLtCrruiRiuLtui tCiLRii t utCqqqLRquittCt電氣系統質量-彈簧-摩擦系統近似線性化小偏差法 輸出量y是輸入量x的非線性函數則 在平衡點(x0,y0)處，將F(x)展開成泰勒級數令如果偏差x很小，可以略去級數中偏差的高次冪項2000000020000()()()()()()()2!0()(),()()2!()yF xFxF xF xF xxxxxyyyF xF xxxxFxyF xxxyF xxKx 拉普拉斯變換的性質和定理(一)線性性質 微分定理

5、 積分定理 1212L aftbftaF sbFs nnnd f tLs F sdt 00ttnnF sLf t dts拉普拉斯變換的性質和定理(二)初值定理終值定理 位移定理(左移)延遲定理(左移)卷積定理 0limlimtsf tsF s 0limlimtsf tsF s()atL ef tF sa ()TsL f tTeF s 120()()d LftF s Fs拉普拉斯反變換的部分分式展開法-s1，-s2，-sn，為R(s)=0的根 R(s)=0無重根12()()()()()()()nC sC sF sR sssssss1212()nnKKKF sssssss()lim()()()()

6、iiiiissssC sKss F sssR s121211212111000)()nnns ts ts tKKKf tLLLssssssK eK eK e R(s)=0有重根12111111()()()nrrrrrnKKKKKF sssssssssss111lim()()rssKssF s1211dlim()()(2 1)!drssKssF ss1-1111dlim()()(1)!drrrrssKssF srs傳遞函數 定義：在線性定常系統中，初始條件為零時，環節輸出信號的拉氏變換與輸入信號的拉氏變換之比，稱為環節的傳遞函數。特點：各項系數值完全取決于系統(或環節)的本身特性，與輸入信號大小

7、、形式無關。N階系統(或環節)：分母中S的最高階數等于n L c tC sG sR sL r t幾種典型的傳遞函數 RC電路 熱電偶測溫 質量-彈簧-摩擦系統 蓄水箱系統1()1()()1CsUsG sUsRC()()()1sE sKG ssRC2()()()AX sKG sFsmsfsK()()()1H sRG sQ sARs傳遞函數的性質 是復變量s的有理真分式函數，其分子多項式次數m低于或等于分母多項式次數n，所有系數均為實數；描述動態特性的數學模型，表征系統(或環節)的固有特性，與輸入信號的具體形式、大小無關，不能表達系統(或環節)的物理結構；只能一個輸入對一個輸出的關系；分母是系統的

8、特征方程，能判斷動態過程的基本特征。單位階躍響應函數設輸入信號為：若環節的傳遞函數為G(s)，則它的階躍響應為 RC電路單位階躍響應函數10()00tx tt 1111c tLC sLG s R sLG ss 1()1()1CUsG sU sRCs 11111()()11tRCCCutLUsLG sLeRCss 比例環節 特點：輸出信號c(t)與輸入信號r(t)之間的動態關系和靜態關系都是簡單的比例關系；輸入信號r(t)與輸出信號c(t)兩個時間函數具有完全相同的形式；輸出信號無遲延、無慣性、按比例(系數K)復現輸入信號變化。()()c tKr t C sG sKR s積分環節 特點：輸出量反

9、映輸入量對時間的積分；只有輸入量為零時，輸出量才不變化，且能保持在任何位置上；輸出的變化量相對于輸入的變化有遲延性。積分環節的階躍響應曲線01()()dtIc tr ttT 1IC sG sR sT s慣性環節(非周期環節)特點：輸入為階躍函數時，輸出按指數上升；從曲線起始階段看，與積分環節類似；從曲線的最后結果看(即從靜態看)，與比例環節類似；輸出量不能立即反映輸入量的變化，對輸入量的反應具有慣性。一階慣性環節的階躍響應曲線d()()()dcc tTc tKr tt 1C sKG sR sTs微分環節 理想微分環節特點：.輸出量與輸入量的變化速度成正比例。.對于輸入量的變化，輸出量具有“超前

10、”作用。實際微分環節()()Ddr tc tTdt DC sG sT sR sd()d()()ddDDDc tr tTc tK Ttt 11DDDDDDC sK T sKG sT sR sT sT s純遲延環節 特點：輸出量大小重復輸入量(變化規律完全相同)，但在時間上，輸出量落后輸入量一段時間0。c tf t sC sG seR s r tf t環節的基本聯接方式(一)串聯 并聯 23112312nnnC sRs RsRsG sGs Gs GsGsR sRs RsRs 1212()()nnCsCsCsC sG sGsGsGsR sR s環節的基本聯接方式(二)反饋 傳遞函數：負反饋時，當正向

11、環節放大倍數很大時，0()()()()()()()()()C sG s E sB sH s C sE sR sB s 001C sGsG sR sGs H s 0001111C sGsG sR sGs H sH sH sGs 10G s方框圖的等效變換變換必須是等效的，變換前后的傳遞函數保持不變。變換原則：相鄰相加點之間的移動；相鄰引出點之間的移動；相加點后移；相加點前移；引出點后移；引出點前移。相鄰相加點、引出點的交換原則 相鄰相加點之間可以任意交換次序。相鄰引出點的次序可以任意改變。()()()()()()()C sR sX sY sR sY sX s1234()()()()()()C s

12、R sR sR sR sR s環節前、后匯交點的移動 相加點后移：相加點點移到相鄰環節G(s)之后，在被移動支路中串聯G(s)。相加點前移：相加點移到相鄰環節G(s)之前，在被移動支路中串聯1/G(s)。()()()()()()()()C sR sQ s G sR s G sQ s G s1()()()()()()()()C sR s G sQ sR sQ sG sG s環節前、后引出點的移動 引出點后移：引出點移到相鄰環節G(s)之后，在被移動支路中串聯1/G(s)。引出點前移：引出點移到相鄰環節G(s)之前，在被移動支路中串聯G(s)。1()()()()()()()C sR s G sR

13、sR s G sG s()()()C sR s G s系統方框圖的等效變換在方框圖化簡過程中，必須滿足：(1)正向環節的傳遞函數的乘積必須保持不變；(2)閉合回路中傳遞函數的乘積必須保持不變。方框圖簡化的一般原則為移動匯交點或分支點，以減少交叉回路。12/25/2022第三章 熱工對象和自動調節器 第一節 熱工對象動態特性 第二節 調節器的動態特性 第三節 工業調節器調節規律的實現方法 第四節 工業調節器簡介12/25/2022具有一個被調量的對象010 110 220 33()()()()()()()()()C sGssGssGssGss12/25/2022具有幾個被調量的調節對象 調節對象

14、被劃分成若干個獨立的調節區域，每一個調節作用只對一個被調量其作用；具有多個被調量的調節對象有相應個數的調節作用，被調量或根據工藝生產過程的要求，互相之間必須保持一定的關系，或通過共同的調節對象相互起影響，但不能獨立調節12/25/2022 對象的自平衡能力：對象受到干擾作用后，平衡狀態被破壞，無需外加任何調節作用，依靠對象本身自動平衡的傾向，逐漸地達到新的平衡狀態的性質，稱為對象的自平衡能力。實質：對象輸出量變化對輸入量發生影響的結果，或者說，對象內部存在著負反饋。有自平衡能力的對象(一)12/25/2022有自平衡能力的對象(二)特征參數：自平衡率：時間常數Tc(飛升速度)：遲延時間：有自平

15、衡能力的對象：特征參數變化對階躍響應的影響0max()/dc tdt0()cat00()(1)nKG sT S12/25/2022有自平衡能力的對象(三)一階慣性對象 具有躍變特性且有自平衡能力對象00()(1)tTc tKe00()1KG sT S1100()(1)()(1)0.632()c TKecec2010()()()1KC sG sKsT S12/25/2022無平衡能力的對象 特征參數 傳遞函數0()dc tdtat001()(1)naG sT sT S1aT12/25/2022PID調節1PK1()(1)RPDIGsKT ST S/IPITKK/DDPTKK1()()()RPDK

16、sGsKK SE sS0d()()()()ddtPPPDIKe ttK e teK TTt12/25/2022比例(P)調節器 動態方程：傳遞函數：階躍響應曲線：整定參數：比例帶：當調節機構的位置改變100%時，偏差應有的改變量。1()()()PtK e te t()1()()RPsGsKE s12/25/2022比例積分(PI)調節器 動態方程：傳遞函數：階躍響應曲線 整定參數：、TI。積分時間TI：調節器的輸出為比例作用所造成的變化加倍所需要的時間。00111()()()()()ttPIItKe te t dte te t dtTT()11()(1)()RIsGsE sT s12/25/2

17、022比例微分(PD)調節器 理想PD調節器：動態方程：傳遞函數：響應曲線：整定參數：、Td。d()1d()()()()ddPDDe te ttKe tTe tTtt()1()(1)()RDsGsT sE s12/25/2022實際調節器 實際PD調節器 實際PID調節器d()1d()()()ddDDte tTte tTtt()11()(1)()1RDDsGsT sE sT s0d()11d()()()()ddtDDIte tTte te t dtTtTt12/25/2022調節器的調節規律 PID調節器的基本調節作用 比例調節作用(簡稱P作用)微分方程：傳遞函數：動作規律：根據偏差的大小進行

18、調節。特點：調節及時，能有效地抑制擾動；調節過程結束后有靜態偏差。1(t)=()=()PK e te t()1()()RPsGsKE s12/25/2022積分調節作用(簡稱I作用)微分方程：傳遞函數：動作規律：根據偏差的方向進行調節。特點：能實現無差調節；會造成過調，引起被調量振蕩。t01d()()()d()/dIItte tt ore tTTt()1()()RIsGsE sT s12/25/2022微分調節作用(簡稱D作用)微分方程：傳遞函數：動作規律：根據偏差的變化趨勢進行調節。特點：具有“超前”偏差變化量的作用。過程結束后 ，故不能單獨使用。d()()dDe ttTtd()00de t

19、t()()()RDsGsT sE s12/25/2022實際PID控制器 動態方程：傳遞函數：階躍響應曲線：整定參數：、Ti、Td。0d()11d()()()()ddtDDIte tTte te ttTtTdt()111()1()1RDDIDsGsT sTE sT ssK12/25/2022不同類型調節器時內擾階躍擾動的被調量響應曲線12/25/2022第四章 系統時域分析 第一節 概述 第二節 二階系統分析 第三節 調節系統的穩定性與代數判據12/25/2022瞬態響應和穩態響應調節系統微分方程：輸入信號為：輸出信號c(t)微分方程：非齊次微分方程解：c1(t)為齊次方程：的通解221002

20、d()d()()()ddc tc taaa c tb r ttt()1()r tt221002d()d()()1()ddc tc taaa c tbttt22102d()d()()0ddc tc taaa c ttt瞬態響應瞬態響應12()()()c tc tc t穩態響應穩態響應瞬態響應穩態響應系統對輸入的響應系統對輸入的響應002210001()lim()lim()ttsbbc tc tsC ssa sa sa sa12/25/2022二階系統分析 1.二階系統方框圖：2.二階系統的傳遞函數：特征方程式：隨著的不同，二階系統的特征根也不同。二階系統單位階躍響應曲線如圖4-2所示(P79)。

21、2222nnnC sG sR sss2220nnssnns)1(:22,1 特征根二階單位響應 無阻尼情況(=0)即特征方程的兩個根位于虛軸上 輸入為單位階躍 無阻尼二階系統單位階躍響應1,2nsj 222()nnKG ss2222211()()nnnKsG sKssss1()()(1 cos)nc tLc sKt欠阻尼情況(01)特征方程的兩個共軛復根 輸入為單位階躍 欠阻尼二階系統單位階躍響應21,21nndsjj 222()2nnnKG sss222222211()2()()nnnnnndndKsG sKssssss121()()1sin()1ntdc tLC sKet實部模值，衰減系數

22、，角頻率量綱實部模值，衰減系數，角頻率量綱阻尼振蕩阻尼振蕩頻率頻率arccos欠阻尼二階系統的單位階躍響應曲線 包絡線的方程 阻尼振蕩頻率d(特征根的虛部)振蕩周期 n=const，TK越長 21()11ntB tKe21(01)dn2221kdnT臨界阻尼情況(=1)特征方程的兩個相等的負實根 輸入為單位階躍 臨界阻尼二階系統單位階躍響應1,2ns 22()()nnKG ss2222111()()()()nnnnnKG sKsssss1()()1(1)ntnc tLC sKet過阻尼情況(01)特征方程的兩個共軛復根 輸入為單位階躍 欠阻尼二階系統單位階躍響應21,21nns 222()2n

23、nnKG sss2221()(1)(1)nnnnnKG ssss22(1)(1)2222()21(1)21(1)nnttKKc tKee過阻尼二階系統單位階躍響應22(1)22(1)22()21(1)21(1)nnttc tKKeKec2(t)c11(t)c12(t)二階其它傳遞函數形式 傳遞函數的分子部分不相同 分母部分是一樣的，即特征方程式相同 階躍響應特性的基本形式是一樣的1122()2nnK sG sss212222()2nnnK sKG sss12/25/2022時域性能指標（一）具有衰減振蕩的單位階躍響應曲線 上升時間tr：響應從穩態值的10%到第一次達到穩態值90%所需的時間。峰

24、值時間tp：輸出響應超過穩態值而達到第一個峰值所需時間。延遲時間td：輸出響應第一次達到穩態值的50%所需的時間。衰減率：221(1)100%e12/25/2022時域性能指標（二）調整時間ts：輸出量y(t)和穩態值y()之間偏差達到允許范圍(一般取2%或5%y()并維持在此允許范圍以內所需的最小時間。最大超調量Mp：暫態過程中輸出響應的最大值超過穩態值的百分數。即 振蕩次數N：()()100%()ppc tcMcsftNt12/25/2022時域性能指標（三）衰減指數21tg1dm222111mdemmm 21M1PM 或12/25/2022二階系統的暫態響應分析（一）1.典型二階系統方框

25、圖：2.典型二階系統的傳函：特征方程式：隨著的不同，二階系統的特征根也不同。二階系統單位階躍響應曲線如圖所示。2222nnnC sG sR sss2220nnssnns)1(:22,1 特征根12/25/2022二階系統的暫態響應分析（二）3.欠阻尼情況(01)的暫態響應分析：當輸入信號為單位階躍函數時，系統輸出量的拉氏變換為 21,21nndsjj 21()1sin1ntdc tet 22222211()22nnnnnnsC sssssss 12()1cossin1ntddc tLY sett 12/25/2022二階系統的暫態響應分析（三）4.欠阻尼二階系統、n和d之間的關系：極點到虛軸的

26、距離 ：極點到實軸的距離 n為極點到原點的距離。設os1與負實軸夾角為，則：dnnjjs22,112222221nnndn21ndnncos12/25/2022二階系統的暫態響應分析（四）5.欠阻尼情況(01)的暫態性能指標：(1)上升時間tr：(2)峰值時間tp：21()1sin11n rtrd rc tet 21rdnt()cos()sin0pddpndpt tdc tttdt21pdnt12/25/2022二階系統的暫態響應分析(五）(3)超調量Mp%：(4)調整時間ts：在達到穩態值之前，c(t)在兩條包絡線之間振蕩，包絡線衰減到0.05或0.02時系統穩定。即：21max221()(

27、)1sin1sin11n ptpdpec tc tet 21()()%100%100%()ppc tcMec12/25/2022二階系統的暫態響應分析（六）.5%誤差帶：.2%誤差帶：20.02 1n ste2105.0snte21133ln(1)2snnt21144ln(1)2snnt 210.050.021ntecc或系統的瞬態響應分量與特征根的關系穩定的充分必要條件 系統特征方程式所有的根(即閉環傳遞函數的極點)全部為負實數或具有負實部的共軛復數，即所有的極點分布在s平面虛軸的左側。12/25/2022穩定裕度 靠近邊界穩定狀態時，瞬態響應衰減得很緩慢，振蕩次數太多，（不希望）；將調節系

28、統整定到離邊界穩定狀態有一定“距離”的穩定區域中，即穩定性方面有一定的富裕度。12/25/202212/25/2022勞斯穩定判據（一）(1)寫出給定調節系統的特征方程式 (2)列出勞斯陣列：11100nnnna sasa sa246113572123431234412342121101nnnnnnnnnnnnnaaaasaaaasbbbbsccccsddddseesfsgs12/25/2022勞斯穩定判據（二）(3)根據勞斯陣列表中第一列各元素的符號，用勞斯判據來判斷系統的穩定性。12/25/2022勞斯穩定判據特殊情況（一）(4)兩種特殊情況：首元素為零 用一個很小的正數代替這個零，并據此

29、計算出陣列中其余各項。某一行中的所有元素都為零利用該行上面一行的系數構成一個輔助方程式，對輔助方程式求導后的系數列入該行，這樣陣列表中其余各項的計算可繼續下去。古爾維茨判據 調節系統的特征方程 調節系統穩定的必要和充分條件：特征方程的各項系數為正（即不缺項，不為負）；古爾維茨行列式 全部為正 計算高階行列式較麻煩，常用于判斷階次低的系統（五階以下）。12/25/202211100nnnna sasa sa(1,2,)KKn古爾維茨行列式12/25/202211a 13202aaaa 1353024130aaaaaaaa 13572102462213523024240000000nnnnnnaa

30、aaaaaaaaaaaaaaaaa 12/25/2022第五章 系統頻域分析 第一節 頻率特性的基本概念 第二節 基本環節的頻率特性 第三節 穩定性分析和判據基本概念 當輸入信號r為:輸出C在穩態時也為正弦信號:兩者的頻率相同，但振幅和相位角不同。當輸入信號的頻率改變時，輸出信號的振幅和相位角會發生變化。12/25/2022()sinrr tAt()sin()cc tAt頻率特性的數學本質（一）12/25/2022110110.()()()().mmmmnnnnb sbsbC sG s R sR sa sasa()sinrR tAt22()rR sAs110122101.().mmmmrnnn

31、nniiib sbsbC sAa sasascBDsssjsj1()()ins tjtjtiic tc eBeDe頻率特性的數學本質（二）12/25/2022()jtjtc tBeDe22()2()()()1()21()2rsjrsjrjGjrBG s AsjsG s AsjGjAjGjAecos()sin()jej頻率特性的數學本質（三）同理可得：12/25/202222()2()()1()2rsjjGjrDG s AsjsG jAe()()22()()()22()2cos()22()sin(sin()jtGjjtrcGjrrrA G jA G jc teeAAG jtG jAtG jtG

32、j me()arctanIG jR G(j)的虛部的虛部G(j)的實部的實部頻率特性的數學本質（四）輸出、輸入端相的振幅、震蕩比：輸出、輸入端的相位差：12/25/2022()()csjrAG jG sA()()()sjtG jtG jG s 頻率特性的數學本質 系統的頻率特性可以直接由 表示，為:幅頻特性：相頻特性：在已知系統或環節的傳遞函數時，只要令 ，就可以很方便地得到系統或環節的頻率特性。)()()()()(jjGjeMejGjG)()(jGM)()(jG()G jsj頻率特性的性質 頻率特性也是一種數學模型 與傳遞函數一樣，它描述了系統的內在特性，與外界因素無關。決定于系統結構和參數

33、。頻率特性描述的是一種穩態響應特性 可以用頻率特性來分析系統的穩定性、動態性能、穩態性能。9091頻率特性的求取根據定義求取根據定義求取 對已知系統的微分方程，把正弦輸入函數代入，求出其穩態解，取輸出穩態分量與輸入正弦量的復數比即可得到。根據傳遞函數求取根據傳遞函數求取 用s=j代入系統的傳遞函數即可得到。通過實驗的方法直接測得通過實驗的方法直接測得 頻率特性的表示方法幅頻特性和相頻特性幅相頻率特性 實頻特性和虛頻特性()()()cos()()sin()e():m():sjG jG sMjMRI 偶函數奇函數三種數學模型之間的關系93比例環節傳遞函數:頻率特性:幅頻特性：相頻特性：KsRsCs

34、G)()()(KKejGj0)()MK()K 傳遞函數:頻率特性:幅頻特性：相頻特性：積分環節12/25/20221()IG sT s211()jIIG jejTT1()IMT()2 微分環節（一）理想微分環節 傳遞函數：頻率特性：幅頻特性：相頻特性：()DG sT S2()jDDGjjTTe()DMT()2 l實際理想微分環節l傳遞函數：l頻率特性：l幅頻特性：l相頻特性：微分環節（二）12/25/20221)(STSKTsGDD22()1DDKTMT()arctan()2DT arctan()222()11DjTDDDDj KTKTG jej TT 傳遞函數：頻率特性：幅頻特性：相頻特性：

35、慣性環節1)(TSKsGarctan()22()11jTKKG jej TT22()1KMT()arctan()T 純遲延環節12/25/2022傳遞函數：頻率特性：幅頻特性：相頻特性：sesG)(jejG)()1M()線性系統穩定的充分必要條件 特征方程的根必須都具有負實部；所有特征根都必須落在復平面的左半平面，即落在虛軸的左側，只要有一個根落在復平面的右半平面，系統將是不穩定的。奈魁斯特判據 系統開環傳遞函數 開環特征方程：閉環特征方程：輔助函數：12/25/2022112()()1()()G sG sG s G s12()()()()()()KM sGsG s G snmN s1()()

36、()()()N s G sG sN sM s()()0N sM s()0N s()()()1()()KN sM sF sGsN s 開環系統穩定時（閉環系統穩定）輔助函數的頻率特性曲線旋轉角度：閉環系統穩定的必要條件是頻率特性 曲線在從零變化到正無窮時不包圍原點(0，j0)；()F j()()()()022F jN jM jN jnn 開環系統穩定時（閉環系統不穩定）輔助函數的頻率特性曲線旋轉角度：頻率特性 曲線若包圍原點(0，j0)閉環系統就是不穩定的。()F j()()()()(2)22F jN jM jN jnPnP 開環系統穩定時(閉環系統邊界穩定）頻率特性 曲線穿過原點(0，j0)點

37、閉環系統邊界穩定。()F j開環系統不穩定時（有K個正實部根）閉環系統穩定 閉環系統穩定的充要條件是頻率特性 曲線在從零變化到正無窮時逆時針包圍原點（0，j0）圈。閉環系統不穩定(具有P個正實數根)頻率特性 曲線在從零變化到正無窮時逆時針包圍原點（0，j0）點 圈。12/25/2022()F j2K()()()()(2)22F jN jM jN jnnKK()()()()(2)(2)()22F jN jM jN jnPnKKP()F j2KP開環特性頻率特性 和輔助函數 的關系12/25/2022()KGj()F j()1()KF jGj()()1KGjF j奈魁斯特判據的結論 開環系統穩定時

38、，閉環系統穩定的必要條件是開環系統頻率特性 曲線在從零變化到正無窮時不包圍點(-1，j0)；若包圍點(-1，j0)閉環系統就是不穩定的；穿過點(-1，j0)點閉環系統邊界穩定。開環系統不穩定時，閉環系統穩定的充要條件是頻率特性 曲線在從零變化到正無窮時逆時針包圍點（-1，j0）圈。12/25/2022()KGj()KGj2K12/25/2022第六章 自動調節系統的整定 第一節整定參數對調節質量的影響 第二節單回路調節系統的整定 第三節串級調節系統的整定指標與標準 評定調節系統品質的常用指標：穩態誤差 最大動態偏差 超調度 衰減率 過渡過程時間。衡量最佳整定的標準：穩定性 準確性 快速性。評價

39、方法和最佳調節過程標準 具體評價方法：觀察階躍擾動下的響應過程，判定效果。典型最佳調節過程的標準：保證調節過程衰減率 =0.75（或更高）的前提下，追求動態偏差、靜態誤差和調節時間最小。12/25/2022整定方法 整定調節器參數的方法很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法：理論計算整定法有對數頻率特性法、根軌跡法等；工程整定法有經驗法、衰減曲線法、臨界比例度法和響應曲線法等。比例帶對調節質量的影響 衰減率：比例帶越小，比例調節作用越強，振蕩越劇烈，衰減率減小 靜態偏差：比例帶越小，靜態偏差越小 動態偏差：比例帶越小，調節作用越強，動態偏差越小1()RGs0000()lim(

40、)()lim1()ssG sesR s G sKG s1eK1eK有自平衡能力無自平衡能力積分時間TI對調節質量的影響 靜態偏差=0 衰減率：積分作用加人后會使衰減率減小，比例帶數值適當提高。動態偏差：積分作用使動態品質變壞，在比例積分調節器中再加人微分調節作用11()1RIGsT s0000()lim()()lim0111()ssIG sesR s G sG sT s微分時間TD對調節質量的影響 穩定性 過分增加微分作用(太大)會使系統變得不穩定；微分時間TD的數值一般取積分時間TI的1/4左右。動態偏差和調節時間 相同衰減率，PID調節器的比例帶、積分時間和PI調節相比減小了，調節過程的動

41、態偏差和調節時間都減小了，從而改善了調節過程的動態品質。11()1RDIGsT sT s臨界比例帶法 在閉合的調節系統里，將調節器置于純比例作用下，從大到小逐漸改變調節器的比例度，得到等幅振蕩的過渡過程。此時的比例度稱為臨界比例度C，相鄰兩個波峰間的時間間隔，稱為臨界振蕩周期TC。臨界比例帶法步驟 將調節器的積分時間TI置于最大（TI=），微分時間置零（TD=0），比例度適當，平衡操作一段時間，把系統投入自動運行。將比例度逐漸減小，得到等幅振蕩過程，記下臨界比例度C和臨界振蕩周期TC值。根據C和TC值，采用經驗公式，計算出調節器各個參數，即、TI、TD的值。按“先P后I最后D”的操作程序將調節

42、器整定參數調到計算值上。若還不夠滿意，可再作進一步調整。臨界比例度法整定注意事項 有的過程調節系統，臨界比例度很小，使系統接近兩式調節，調節閥不是全關就是全開，對工業生產不利。有的過程調節系統，當調節器比例度調到最小刻度值時，系統仍不產生等幅振蕩，對此，就把最小刻度的比例度作為臨界比例度C進行調節器參數整定。衰減曲線法（一）選把過程調節系統中調節器參數置成純比例作用（TI=，TD=0）使系統投入運行。再把比例度從大逐漸調小，直到出現4：1衰減過程曲線，即衰減率=0.75。此時的比例帶為衰減率=0.75時的比例帶S，兩個相鄰波峰間的時間間隔，稱為衰減率=0.75衰減振蕩周期Ts。衰減曲線法（二）

43、根據S和Ts，使用公式，即可計算出調節器的各個整定參數值。按“先P后I最后D”的操作程序，將求得的整定參數設置在調節器上。再觀察運行曲線，若不太理想，還可作適當調整。衰減曲線法注意事項 反應較快的調節系統，要認定衰減率為0.75和讀出Ts比較困難，此時，可用記錄指針來回擺動兩次就達到穩定作為衰減率為0.75過程。在生產過程中，負荷變化會影響過程特性。當負荷變化較大時，必須重新整定調節器參數值。若認為衰減率0.75太慢，宜應用衰減率為0.9過程。對于衰減率為0.75的衰減曲線法整定調節器參數的步驟與上述完全相同，僅僅采用計算公式有些不同。圖表整定法 通過被調對象階躍響應曲線的特征參數，經查圖表求

44、取調節器各整定參數的。圖表整定法適用于典型的多容熱工被調對象。圖表整定法步驟 對被調對象作階躍擾動試驗，記錄階躍響應曲線，求取階躍響應曲線上的特征參數：自平衡率、飛升速度、遲延時間和時間常數Tc，然后通過整定參數表6-3或表6-4的計算公式計算調節器的各整定參數。表中的計算公式是依據衰減率=0.75制定的，若需要得到其它衰減率數值，計算公式要進行修正。12/25/2022第七章 汽包鍋爐給水自動調節系統 第一節 被調對象的動態特性 第二節 給水調節系統的類型 第三節 給水全程控制系統簡介主要的擾動(汽包水位變化原因)給水流量W 蒸汽流量D 鍋爐燃燒效率（爐膛熱負荷）汽包壓力Pb給水流量W擾動下

45、水位的動態特性 僅僅從物質平衡的角度來分析；僅僅從熱平衡的角度來分析。特點：有遲延、慣性、無自平衡能力。)1(1)()()(01sssssWsHsG蒸汽流量擾動下的水位的動態特性 虛假水位：對汽包而言，在其輸出流量(蒸汽流量)增加，輸人流量(給水流量)不變的情況下，汽包水位一開始不但不下降，反而上升。特點：無自平衡能力，“虛假水位”。sTsKsDsHsG1)()()(02爐膛熱負荷擾動下水位控制對象的動態特性 特點：有慣性、有時滯、無自平衡能力結論 蒸汽量擾動主要取決于汽輪機的運行工況，屬于外部擾動，鍋爐燃燒率擾動是一種間接的外部擾動。這兩種物理量是不可能作為調節汽包水位的調節手段的，調節作用

46、量只能選擇給水量?！疤摷偎弧爆F象來自于蒸汽量的變化，蒸汽量是不可調節的量（對調節系統而言），是一個可測量，系統中引入這些擾動信息來改善調節品質是非常必要的。單級三沖量給水自動調節系統 三沖量調節系統調節器依據汽包水位H、給水流量W和蒸汽流量D三個信號進行調節。單級三沖量給水調節系統方框圖 內回路由給水流量信號W局部反饋構成；外回路由汽包水位信號H反饋到系統調節器輸入端構成的；蒸汽流量信號D只是引入的前饋信號，在系統中該信號沒形成閉合回路，前饋調節ID不會影響系統的穩定性。內回路的分析與整定（一）內回路主要任務：當給水流量側產生自發性擾動時，必須迅速消除擾動，使被調量（汽包水位H）基本不受到自

47、發性擾動的影響；當內回路外部發生擾動汽包水位H 發生變化時，內回路要具有快速隨動的特性，使給水流量W盡快地起到調節汽包水位的作用。內回路的分析與整定（一）閉環傳遞函數：閉環特性方程：內回路近似方框圖1()1()1IzIIzWWIT sK KT sW sT sI sK KT s()0IzWWzWWT sK KK K 1()WWWI s 外回路的分析與整定 內回路近似方框圖代替到圖7-10，去除不影響調節系統穩定性的前饋信號通道，得到外回路系統方框圖。外回路可以看作是一個單回路調節系統，可采用整定單回路調節系統的方法來整定外回路。外回路傳遞函數：*1()RWWGs 要使靜態偏差為零，靜態時必須滿足

48、要使靜態偏差為零，靜態時必須滿足ID=IW，即即：wwDDWD 在正常運行時，可認為在正常運行時，可認為D=W，D=W，則有則有 D=W 因此，為了克服靜態偏差，蒸汽流量側分流器的因此，為了克服靜態偏差，蒸汽流量側分流器的分流系數分流系數D必須等于給水流量側分流器的分流系數必須等于給水流量側分流器的分流系數W。蒸汽流量側D的選擇單級三沖量給水自動調節系統的不足 分流系數W的數值同時影響內、外回路穩定性，內、外回路相互非獨立，整定參數不便。前饋信號能克服“虛假水位”帶來不利的影響。為實現無差調節，必須使D等于W，故前饋信號的強弱程度受到了限制，不能更好地改善調節過程的調節品質。12/25/202

49、2串級三沖量給水自動調節系統 串級系統：汽包水位通道串有2個調節器12/25/2022串級三沖量給水自動調節系統特點 串級系統實現自動調節比單級系統更加靈活，克服靜態偏 差完全由主調節器實現；分流系數D取值不必考慮靜態偏差的問題，D值可取得大一些，以利于更好地改善調節過程的調節品質；分流系數W取值影響內回路的穩定性，在外回路中，可通過主調節器的和Ti來整定，W的影響并不大，從而使內、外回路互不影響。12/25/2022串級三沖量調節器 串級三沖量調節系統中主調節器多采用PI調節器、副調節器多采用P調節器。其主調節器的調節量是副調節器的給定值、被調量是汽包水溫；副調節器的調節量給水流量、被調量是

50、給水流量。12/25/2022第八章 汽溫調節系統汽溫調節系統 第一節 過熱蒸汽溫度調節系統 第二節 再熱蒸汽溫度調節系統 第三節 大機組氣溫控制系統過程汽溫控制的任務 維持過熱器出口蒸汽溫度在允許范圍內，并且保護過熱器，使管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱器正常運行的溫度已接近鋼材允許的極限溫度，上限不允許超過規定值5。過熱蒸汽溫度每降低5，熱效率將會降低1%，下限不允許低于規定值5。12/25/2022過熱蒸汽溫度調節系統影響過熱蒸汽溫度變化的原因：影響過熱蒸汽溫度變化的原因：蒸汽流量變化 減溫水量變化 流經過熱器的煙氣溫度和流速變化 爐膛熱負荷變化 火焰中心位置變化 給水溫度變化 燃料成

51、分變化 過?？諝庀禂底兓饕娜N擾動：主要的三種擾動：蒸汽量 煙氣量 減溫水量。12/25/2022過熱汽溫控制對象的動態特性 特點 有滯后 有慣性 有自平衡能力，且/T較小。12/25/2022額定蒸汽額定蒸汽溫度溫度蒸汽量變化對汽溫變化的傳遞函數可用下式近似表示：不用蒸汽量作為過熱蒸汽溫度的調節量，蒸汽量代表鍋爐負荷，其大小由外部負荷決定。sDDeSTKsDssG1)()()(特點：有遲延、有慣性、有自平衡能力。一般不用煙氣側作為調節過熱蒸汽溫度的手段。改變煙量或煙溫時，會影響燃燒工況，與燃燒控制互相干擾;煙氣側擾動也將影響再熱蒸汽溫度。12/25/2022減溫水量擾動下（一）要求有足夠

52、的調節余量，一般在減溫器停運、鍋爐出力最大時汽溫要高于給定值約3040。導前區：導前汽溫2測點前至減溫器 惰性區：過熱器出口汽溫1測點到導前汽溫測點 12/25/2022被調對象傳遞函數12/25/2022)()()(202swssG)()()(2101sssG)()()()()(01021sGsGswssG減溫水量擾動下階躍相應曲線 特點：有遲延、有慣性、有自平衡能力的遲延較大。汽溫對象的傳遞函數12/25/20222)1()(2202nSTKsG1)1()(2101nSTKsGnTSKsGsGsG)1()()()(0102串級汽溫調節系統 系統構成及工作原理 副回路的任務 主回路的任務噴水

53、減溫器GPI(s)GP(s)G 01(s)G 02(s)KzKr2r1I0I1I2+-+-+I1WW1W2圖 8-6 串級汽溫調節系統原理框圖G02(s)導前區對象傳遞函數；G01(s)惰性區對象傳遞函數；r1和r2溫度1和2的變送器系數；Kz執行機構傳遞系數；K噴水調門傳遞系數；W1調節作用下減溫水量；W1擾動作用下減溫水量；W總減溫水量，W=W1+W221串級汽溫調節系統的分析與整定 設副調節器選用比例調節規律 此時可將除G02(s)以外的部分視為等效調節器，則等效副調節器為:21)(sGp2020222)()(1)()(rKKsGsGsGWsGuzp*222*11)(rKKsGzup22

54、*2rKKzu內回路分析 當內回路整定好后，可把它看作一個快速隨動系統，則 將主調節器GPI(s)以外均視為被調對象，則等效被調對象的傳遞函數為：2121rI即：整個內回路等效為一個比例環節。)()(0121*01sGrrsG根據單回路整定方法來整定外回路。外回路分析串級過熱氣溫調節器 其主多采用PI或PID調節器、副調節器多采用P或PI調節器；其主調節器的調節量是副調節器的給定值（即減溫器出口溫度的給定值）、被調量是過熱汽溫；副調節器的調節量減溫水量、被調量是減溫器出口溫度。采用導前汽溫微分信號的雙回路過熱汽溫控制系統 導前微分系統組成 動態時可使調節器的調節作用超前，將有助于調節器的動作迅

55、速性！穩態時可使過熱器出口汽溫等于給定值，改善調節品質。導前汽溫雙回路系統方框圖 可用等效串級系統整定和補償法整定兩種方法來整定12/25/2022 等效主調節器：SGsGDPI1)(1STKSTDDD1)11(1STKDD等效串級系統整定方法（一）比例帶積分時間DiDTTK11 等效副調節器 等效副調節器也為PI作用，其比例帶和積分時間分別為：21()()()(1)DPIDPIiKGsGs GsT SiiDTTK22/等效串級系統整定方法（二）補償后等效對象 設過熱器出口汽溫對象的傳遞函數為 導前區汽溫對象傳遞函數為 等效對象傳遞函數：補償法（一）0102()()()(1)nKG sG sG

56、sTs*21ddt210201*()()()()DGsGsGsGs20222*()()(1)nKKGsGsKT s22022()(1)nKGsT s補償法（二）設汽溫對象惰性區的傳遞函數是一階的，即n1=112/25/202211211111(1)DDnDK T sKT sTs1211111DDDK T sTsKT sTs1211DDTTKK22*()(1)nKGsT s補償法（三）當n2時，展開成冪級數 s項系數 s2項系數12/25/20221211 1DDK TKnT21111111221DDnTTnKKn022*()()KGsGsK21221111(1)2DDn nK TKT兩種汽溫自

57、動控制系統的比較（一）雙回路系統轉化為串級系統來看待時，其等效主、副調節器均是PI調節器；雙回路系統的副回路，其快速跟蹤和消除干擾的性能不如串級系統；在主回路中，串級系統的主調節器可具有微分作用，故控制品質也比雙回路系統為好，特別對于慣性遲延較大的系統，雙回路系統的控制質量不如串級系統。12/25/2022兩種汽溫自動控制系統的比較（二）串級控制系統主、副兩個控制回路的工作相對比較獨立，因此系統投運時的整定、調試直觀方便，而雙回路控制系統的兩個回路在參數整定時相互影響，不易掌握。從儀表硬件結構上看，采用導前汽溫微分信號的雙回路系統較為簡單。12/25/202212/25/2022第九章 汽包鍋

58、爐燃燒過程自動控制系統 第一節 概述 第二節 燃燒過程控制對象的動態特性 第三節 燃燒過程控制信號的測取 第四節 鍋爐燃燒控制的基本策略 第五節 燃燒過程控制實例概述 燃燒過程自動調節的任務：使進入鍋爐燃料的燃燒熱量與鍋爐的蒸汽負荷要求相適應，同時保證鍋爐燃燒過程安全經濟地運行。鍋爐燃燒調節內容：燃料量調節 送風量調節引風量調節燃料量調節 燃料量控制是使進人鍋爐的燃料燃燒所產生的蒸汽量滿足外部負荷要求信號。給煤量的多少影響：主汽壓力，送、引風量，汽包中蒸汽蒸發量及汽溫?？刂撇呗?機跟爐，鍋爐調機組負荷，汽輪機調汽壓，將電網的負荷要求作為鍋爐的負荷要求信號;爐跟機，汽輪機調機組負荷，鍋爐調汽壓，

59、取鍋爐出口汽壓作為鍋爐的負荷要求信號;機爐協調，負荷控制系統(主控系統)的鍋爐主控信號作為鍋爐的負荷要求信號。送風量控制 燃料量變化，及時改變進入爐膛的空氣量，以保證燃料的完全燃燒和排煙熱損失最小。燃燒過程的經濟性保證：最佳過量空氣系數 過?？諝庀禂担豪碚撚嬎?，測量測量爐膛出口煙氣中含氧量 引風量控制(負壓控制)引風量控制應使引風量與送風量相適應，并保持爐膛壓力在要求的范圍內 負壓控制的必要性：爐膛壓力低，即爐膛負壓高，使大量冷風漏入爐膛而降低爐膛溫度，并且會使引風機耗電加大和排煙熱損失加大 反之，爐膛壓力高，即爐膛負壓低，當出現爐膛壓力高于大氣壓力時，會使爐煙冒出，影響環境，甚至危及設備和人

60、身的安全。合理配風的必要性：合理的風粉配合就是要保持最佳的過?？諝庀禂?合理的一、二次風配合就是保證著火迅速、穩定和充分燃燒;合理的送、引風配合就是要保持適當的爐膛負壓 穩定燃燒 正常穩定燃燒：爐內具有光亮的金黃色火焰、火色穩定、火焰均勻且充滿燃燒室，但不觸及四周的水冷壁，火焰中心在燃燒室中部，火焰下部不低于冷灰斗的一半深度，著火點應在距燃燒器不遠的地方;火焰中不應有煤粉離析，也不應有明顯的星點(有星點表示爐溫過低或煤粉太粗)。燃燒過程不穩的危害：引起蒸汽參數的波動，甚至造成爐膛滅火事故;爐膛溫度過高或火焰中心偏斜將引起水冷壁及爐膛出口受熱面結渣，并可能會加大過熱器的熱偏差，局部管壁超溫，甚至

61、爆管。燃燒過程調節的特點 燃燒過程的調節系統燃燒過程的調節系統有三個被調量和三個有三個被調量和三個調節量。調節量。鍋爐的運行實踐表明，鍋爐的運行實踐表明，對燃燒過程的三個被對燃燒過程的三個被調量的調節存在著明調量的調節存在著明顯的相互影響。顯的相互影響。燃燒過程調節對象是一個多輸入多輸出的多變量相關調節對燃燒過程調節對象是一個多輸入多輸出的多變量相關調節對象。象。燃燒過程控制對象的動態特性 汽壓控制對象的動態特性 主要擾動：燃料量擾動（內擾）、汽輪機耗汽量的擾動（外擾）。dByQBQ汽壓控制對象的動態特性方框圖在燃燒率擾動下汽壓控制對象的動態特性 燃燒率擾動就是燃料控制機構開度B的改變，并且鍋

62、爐的送風和引風均作相應的改變。2()()1BsTTBgrTkmgrkTkTmpsKeRsRR C C sR C sR C sR C s2()()()1BsgrTmgrTdBgrTkmgrkTkTmKeRR C sRRpssRR C C sR C sR C sR C s()()()1()BgrTsTTBgrTgrTkK RRpsResRRRRC s()()()1()BgrTsdBgrTkK RRpsesRRC s1()()TTTDspsR負荷擾動下汽壓控制對象的動態特性 汽輪機調門開度作階躍擾動時汽壓控制對象的動態特性2()()1dTTBgrTkmgrkTkTmpsK RsRR C C sR C

63、 sR C sR C s2()()()1TgrTkTTBgrTkmgrkTkTmKRR C sRpssRR C C sR C sR C sR C s()()1()TgrTTTTTBgrTgrTgrTkK RRpsRK RsRRRRRRC s()()1()dTTBgrTkpsK RsRRC s爐煙含量動態特性 ttVO2%VkVT送風量擾動下氧量階躍響應曲線 sVVVVesTKsW1爐膛負壓動態特性 引風量擾動下負壓階躍響應曲線t tGPfG0 熱量信號在各種擾動下的響應曲線 調門開度作階躍變化，燃料量不變，蒸發量變化，汽包壓力微分信號與蒸汽量的變化相反，結果熱量信號不變。氧量一風燃比系統 煙氣

64、中氧量和隨負荷而變的定值送校正調節器校正調節器輸出信號校正送風量，保證鍋爐的燃燒經濟性。其他帶氧量校正的送風量控制子系統 串級系統12/25/2022非串級系統 這類送風量控制系統不采用串級方式，而是用氧量來校正送風量調節器定值信號或校正送風量反饋信號。氧量校正送風量12/25/2022氧量校正送風量給定值 在乘法器中理論送風量被氧量校正回路的輸出校正后作為送風量調節器的給定值信號，使給定值信號能適應負荷變化和煤質變化，保證鍋爐經濟燃燒。同樣系統中也設置了送風量的前饋控制，以克服送風控制通道的遲延現象。12/25/2022燃料、送風的交叉限制 在機組負荷變化時，燃料量和送風量很難配合得當變負荷

65、過程中小于燃料量，則會發生缺氧燃燒，燃燒不經濟且出現冒黑煙現象 在變負荷時，送風量應略富裕于燃料量，為此大型單元機組的燃燒控制系統中一般都采用了燃料、送風交叉限制措施。12/25/2022燃料、送風的交叉限制系統 隨著燃料量的減少，通過大選模塊，使送風量逐漸減少，從而實現減負荷時先減燃料、后減風的控制過程。保證變負荷過程中有一定的送風量裕量，燃料充分燃燒而不致于發生缺氧燃燒。系統中的低值限幅模塊限制送風量不低于最小允許風量;高值限幅模塊限制燃料量不大于最大燃料量值，以維持鍋爐燃燒工況的穩定。12/25/202212/25/2022第十章 單元機組主控制系統 第一節 概述 第二節 調節對象的動態

66、特性 第三節 負荷控制方式 第四節 前饋控制的應用 第五節滑壓運行機組的協調控制方案 第六節負荷指令處理 第七節單元機組主控系統實例 概 述 首要任務：保證機組出力適應電網的負荷變化要求、維持機組穩定運行。對外保證單元機組有較快的功率響應和有一定的調頻能力，對內保證主蒸汽壓力偏差在允許范圍內。負荷自動控制系統作用：接受外部負荷要求指令，并發出使機爐調節系統協調動作的指揮信號。指揮信號 負荷自動控制系統機爐調節系統發出的指揮信號分別稱為汽輪機主控制指令MT和鍋爐主控制指令MB。機、爐主控制指令MT、MB分別代表了汽輪機調門開度（或汽輪機功率）指令和鍋爐燃燒率（及相應的給水流量）指令。單元機組的自動調節系統(一)主控制系統 接受外部負荷要求指令，并發出使機爐調節系統協調動作的指揮信號的自動調節系統；相當于機爐調節系統的指揮機構，起上位控制作用；主控制系統的正常運行是建立在鍋爐和汽輪機各自的調節系統均完備的基礎之上的。單元機組的自動調節系統(二)機爐調節系統 燃料量、空氣量、汽溫、給水流量等調節系統和調速系統(或功頻電液調節系統)等等。機爐調節系統對于主控制系統相當子伺服機構，起下位控制的作