热工自动控制系统1.docx
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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。
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。
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。
当考虑被控对象参数在工作点附近波动时，可以假设被控对象具有线性输入输出关系，而以传递函数来表征。
这也是目前使用最广泛的对象特性描述方法。
控制对象用传递函数来表征时，其特性可以用放大系数K、惯性时间常数Tm、积分时间常数Ti和纯滞后时间来描述。
控制对象的传递函数可以归纳为以下几类：
（1）放大环节
G（s）=K，此类对象如线性阀门、杠杆系统等。
（2）
惯性环节
当T1=T2=…Tn时，有
此类对象一般伴有物质、能量的传递过程，如沿管道的加热过程等。
（3）积分环节
此类对象如水箱水位系统等。
（4）
纯滞后环节
此类对象反映物质流动或化学反映造成的纯滞后。
实际对象可能是放大环节、惯性环节、积分环节与纯滞后环节的串联。
如喷水减温系统过热器出口温度对减温水调节阀开度的传递函数为惯性环节与纯滞后环节的串联：
汽包水位对给水量的传递函数为积分环节与纯滞后环节的串联：
控制对象也可以按照输入、输出量的个数分类，当仅有一个输入U（s）和一个输出Y（s）时，称为单输入单输出对象，这是最简单的情况。
当对象具有多个输入和单个输出时，称为多输入单输出对象。
当对象具有多个输入和多个输出时，称为多输入多输出对象，这是最普遍的情况。
锅炉汽轮机系统，在一定条件下可以简化为二输入二输出系统，如图1-4所示。
其中B为进入锅炉的热量，T为汽轮机调门开度，N为实发功率，P为机前压力。
该图说明锅炉汽轮机系统为耦合系统，B既通过G11（s）影响P，又通过G12（s）影响N；T既通过G22（s）影响N，又通过G21（s）影响P。
设计上述对象的控制系统时，要用到多变量解耦理论与方法。
图1-4机炉控制对象
掌握控制对象特性对调节器参数整定十分有用。
二、执行器
执行器是控制系统中的重要部件，它根据控制器输出的控制信号，通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。
按照采用的动力方式，执行器可以分为电动执行器、气动执行器和液动执行器三大类。
图1-5调节阀的输入输出特性
执行器通常由执行机构和调节阀两部分组成，调节阀的特性有线性特性、等百分比特性和快开特性等三种，如图1-5所示。
执行器性能的好坏对控制系统控制效果将产生重要影响。
因此，使用前要对其进行调校，以减少死区、增加可调范围、缩小回差。
控制系统设计时还要加入阀门特性非线性补偿环节。
三、测量变送器
测量变送器由传感器和测量线路组成，它将过程参数转换为某种形式的信号，以便于传输、显示或计算。
生产过程中常用的测量变送器有测量温度的热电偶、热电阻，测量压力的压力变送器，测量流量的差压变送器及液位传感器、力传感器、应变传感器、振动传感器、火焰探测器等。
在计算机控制系统中，首先要将过程参数通过测量变送器转换为电信号，再经过隔离、调理及模数转换后变成数字量进入计算机。
四、控制器
数字控制器的核心为数字计算机，数字控制器的控制规律是由计算机程序来实现的。
由于计算机程序编写的灵活性，使得数字控制器比传统模拟控制器能实现更强大的功能。
1.1.3几个术语
被调量（被控量）：
被测量或被控制的变量，为系统输出。
通过检测可以得到的描述系统行为的变量，需要调节的参数，使某参数符合给定要求。
调节量（控制量）：
通过控制器或操作可改变的变量，为系统输入。
可以引起被调量变化，与被调量有因果关系。
SISO系统：
单输入单输出系统（SingleInputSingleOutput）；MIMO系统：
多输入多输出系统（Multi-InputMulti-Output）。
给定值（设定值）：
规定被调量按一定目标变化。
定值控制：
给定值保持不变。
随动控制：
给定值根据某一变量变化。
扰动量（干扰）：
引起被调量偏离给定值的各种因素。
内部扰动：
控制侧产生的扰动；外部扰动：
非控制侧产生的扰动。
模拟量：
连续变化的变量，温度、压力、流量、液位等。
开关量：
非连续变化的变量，接点的断开与闭合、继电器的激励与非激励、信号的高低、电机的起停等。
开环监视与闭环控制：
开环监视--过程参数只进行简单的显示、记录、处理等，不直接用于控制；闭环控制既反馈控制--通过控制信号通道与反馈信号通道构成一个闭环回路。
根据反馈信号与期望的偏差来修正控制信号，以达到干预被控对象的目的。
前馈控制与反馈控制：
前馈控制是以不变性原理为基础的一种控制方法，实质上是一种按照扰动进行补偿的开环系统，扰动信号分别通过对象的扰动通道与前馈通道来影响被调量，并使被调量保持不变；反馈控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。
所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。
在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通道，也存在从输出到输入的信号反馈通路，两者构成一个闭合的回路。
反馈控制是自动控制的主要形式。
常规控制与高级控制：
用PID等简单控制算法实现的控制叫常规控制；用高级控制算法实现的控制叫高级控制，如预估控制、状态观测器、智能控制等。
1.2控制系统性能指标
静态（或稳态）：
参数在一定意义下保持不变，平衡状态，是相对的。
动态：
系统处于两个平衡之间的过渡状态，参数是变化的。
系统受内扰与外扰的作用，会不断发生变化，如给定值变化、外界条件变化等。
会偏离稳定状态。
控制系统在受到干扰作用时的过渡过程可能有如图四种情况：
不振荡、衰减振荡、等幅振荡、渐扩振荡。
衡量一个控制系统的指标一般可归纳为三个方面：
稳定性、准确性和快速性。
控制系统的性能指标是衡量和比较控制系统优劣的准则。
这些准则体现了工业生产过程对控制的稳定性、准确性和快速性的要求。
以图1-7所示控制系统在给定扰动下的被调量阶跃响应曲线为例，说明几种性能指标的含义及计算方法。
一、率减比和率减率
率减比和率减率都是衡量一个过渡过程的率减程度的指标。
其中率减比等于两个相邻的同相波峰值之比，即
率减比
率减率是指经过一个周期后，波动幅度率减的百分数，即
率减率
率减比和率减率之间有简单的的对应关系，例如率减比为4:
1就相当于率减率0.75或75%。
为了保证控制系统有一定的稳定裕度，在过程控制中一般要求率减比为4:
1到10:
1，相当于率减率为75%到90%，这样，大约经过两个周期以后系统将趋于稳定了。
图1-7控制系统阶跃扰动及响应
二、最大动态偏差和超调量
最大动态偏差是指给定值阶跃扰动时，过渡过程开始后第一个波峰超过其新稳态值的幅度，即图中的y1。
最大动态偏差占被调量稳态变化幅度的百分数称为超调量。
最大动态偏差和超调量是控制系统动态准确性的一种衡量指标。
超调量
三、残余偏差
残余偏差是指过渡过程结束后，被调量新的稳态值y∞与新给定值r之间的差值，它是控制系统稳态准确性的衡量指标。
Ess=r-y∞
四、调节时间
调节时间ts是从过渡过程开始到结束所需的时间。
理论上它需要无限长的时间，但一般认为当被调量已进入其稳态值的5%（或2%）范围内，就算过渡过程已经结束。
调节时间是衡量控制系统快速性的指标。
五、积分型指标
积分型指标是衡量控制系统性能的综合性指标，它与误差的幅值及过渡过程时间有关，因此希望它愈小愈好。
常见的积分型指标有以下几种：
误差积分（IE）
绝对误差积分（IAE）
平方误差积分（ISE）
时间与绝对误差乘积积分（ITAE）
一个具体的控制系统，到底使用以上所述的哪个指标作为整定控制器参数的依据，与系统本身特点及控制要求有关。
一般来说，单项指标（率减比和率减率、最大动态偏差和超调量、残余偏差及调节时间）计算简单，容易理解，工程上使用最为广泛。
而积分型指标又具有精确、唯一的优点。
例如多种PID参数的组合均可以使闭环系统达到4:
1的率减比，而只有一种组合可以实现某一积分准则的最小。
因此，控制器参数寻优时往往使用积分型准则。
另外，使用不同积分准则整定出的控制系统，其过程响应曲线形状也是不尽相同的。
例如ISE指标中加大了对偏差的惩罚力度，所以以ISE准则最小整定出来的系统最大动态偏差较小，但调节时间较长；ITAE中考虑了调节时间的影响，因此以ITAE准则最小整定出来的系统调节时间最短，但最大动态偏差最大；IAE介于ISE与ITAE之间，其系统响应在很多情况下都接近4:
1的率减比。
根据火力发电厂分散控制系统运行检修导则[1]，火电厂主要热工控制系统性能指标应满足以下要求：
（1）内扰试验（包括定值扰动）。
内扰试验在70%负荷以上进行，扰动量宜为被调介质满量程的10%。
调节过程衰减率应在0.7～0.9，被调节量的峰值不应达到保护动作值（对于主蒸汽压力和负荷控制系统衰减率应在0.9～0.95）。
（2）外扰试验（负荷扰动）。
负荷扰动试验在机组负荷70%以上进行，负荷变化分慢、中、快三种工况，各工况下机组主要参数变化范围应按DL/T657执行。
机组主要参数变化范围见表1。
表1机组主要参数变化范围
负荷状态
给定负荷变化速率
稳态（＜1%min＝
慢速变化（3%min）
快速变化（5%min）
主汽压力（MPa）
±0.3
±0.5
±0.8
汽包水位（mm）
±25
±40
±60
新蒸汽温度（℃）
±4
±8
±10
再热汽温度（℃）
±5
±10
±12
炉膛压力（Pa）
±100
±200
±250
1.3热工控制对象建模方法
1.3.1系统建模
数学模型：
行为规律的数学描述。
静态模型与动态模型。
建立数学模型的过程称为建模。
一、建模目的
（1）改进系统或设备。
（2）制订启停及操作方案。
（3）仿真培训。
（4）控制方案设计。
（5）控制系统参数整定。
二、数学模型的表达式
微分方程模型：
线性、非线性
连续系统模型、离散系统模型
输入输出模型、状态空间模型
时域模型、频域模型。
模型的简化。
复杂系统模型建立困难，分段、线性化、主要因素等进行简化。
传递函数的定义。
三、建立数学模型的基本方法
（1）机理法建模。
物质平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程、相平衡方程、流动、传热化学等方程。
（2）测试法建模。
根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到模型。
主要用于建立输入输出模型。
经典法与现代法。
1.3.2热工过程动态特性的特点
（1）热工过程常见动态特性
有自平衡单容对象、有自平衡多容对象、无自平衡单容对象、无自平衡多容对象。
（2）纯迟延
传输迟延：
物体移动需要时间。
容积迟延：
多个容积迟延，分布参数时有无穷多个容积迟延（过热器等）。
纯迟延使控制更加困难。
τ/T>0.5时，控制较为困难。
也常用用ετ来衡量。
图1-8动态特性曲线
由
（自平衡过程）或
（非自平衡过程）
从响应开始到再经过τ时间后，被调量的变化量近似为
ετ值越大，则过程越接近一个纯迟延过程，控制起来越困难。
这一参数被用于控制器参数整定。
有时用τ/T作为表征对象纯迟延的指标。
（3）对象动态特性是不振荡的。
（4）被控对象往往具有非线性。
简化。
最简单的简化为一阶惯性加纯迟延：
1.3.3试验建模方法
一、由阶跃响应求取对象的传递函数
二、由脉冲响应求取对象传递函数
三、求取对象传递函数的面积法
四、最小二乘辨识法
五、闭环辨识。
1.4控制器设计与参数整定
1.4.1控制器设计
闭环系统极点在右半平面内。
极点配置。
1.4.2PID控制器
PID控制器参数对控制性能的影响
下面以标准PID算法为例，说明控制器参数，即比例系数Kp、积分时间Ti和微分时间Td对系统性能的影响。
一、比例作用Kp对控制性能的影响
（1）对动态特性的影响
比例系数Kp越大，比例作用越强。
在纯比例控制中，比例作用Kp加大，使系统动作灵敏，速度加快。
Kp偏大，振荡次数加多，调节时间加长。
当Kp太大时，系统将不稳定。
若Kp太小，又会使系统动作缓慢。
图1-9比较了不同Kp对动态特性的影响。
（2）对稳态特性的影响
加大比例作用Kp，在系统稳定的情况下，可以减少稳态误差ess，提高控制精度，但不能完全消除静态误差。
图1-9Kp对控制性能的影响
二、积分作用Ti对控制性能的影响
积分作用通常与比例作用或微分作用相结合，构成PI或PID控制。
积分作用对系统性能的影响如图1-10所示。
（1）对动态特性的影响
积分时间Ti越小，积分作用越强。
积分作用通常使系统的稳定性下降，Ti偏小时振荡次数较多，Ti太小，系统将不稳定。
Ti太大时，对系统的稳定性影响较小。
（2）对稳态特性的影响
积分作用能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。
调整积分作用Ti时，要综合考虑其对动态特性与稳态特性的影响。
图1-10Ti对控制性能的影响
三、微分作用Td对控制性能的影响
微分作用通常与比例作用或积分作用相结合，构成PD或PID控制。
微分作用对系统性能的影响如图1-11所示。
微分时间Td越大，微分作用越强。
微分作用可以改善控制系统的动态特性，如减少超调量σp，缩短调节时间ts，允许加大比例作用，使稳态误差减小，提高控制精度。
无论Td偏大还是偏小，都会引起超调量的增大、调节时间的加长。
四、控制规律的选择
实际应用中，往往是PID控制器中的各种作用相互补充，以达到最佳的控制效果。
一般来说，对于相同的控制对象，不同的控制规律，有不同的控制效果，图1-12曲线是不同控制规律时的过渡过程曲线。
针对一个具体的控制对象，选择控制规律的一般原则为：
（1）当控制对象为一阶惯性环节，且负荷变化不大，工艺要求不高时，可采用比例（P）控制。
如水箱水位的调节、串级调节系统的副回路等。
（2）当控制对象为一阶惯性加纯迟延环节，且负荷变化不大，控制精度要求不高时，可采用比例积分（PI）控制。
如压力、流量、液位的调节。
（3）对于纯滞后时间t较大，负荷变化较大，控制性能要求较高的场合，可采用比例积分微分（PID）控制。
如过热蒸汽温度控制、PH值控制等。
图1-11Td对控制性能的影响
图1-12不同控制规律的过渡过程曲线
1.4.3参数整定
PID控制器参数整定，是在控制器结构确定之后（P、PI、PD、PID）如何调整控制器参数（Kp、Ti、Td等）以达到给定的控制指标。
控制器参数的工程整定方法
一、临界比例度法
临界比例度法也叫稳定边界法，是一种闭环整定方法，于1942年由Ziegler及Nichols提出。
该方法首先将控制器设置为纯比例模式（Ti=∞，Td=0），比例带δ置较大值（δ=1/Kp），系统投入自动并使其稳定运行。
然后逐渐减小比例带，直到被控量y出现等幅振荡（见图1-13（a））。
根据此时的比例带δu（称为临界比例带）及振荡周期Tu（称为临界振荡周期）按照表1-2给出的经验公式重新整定控制器参数。
（a）临界振荡（b）率减振荡
图1-13临界振荡与率减振荡
表1-2临界比例度法整定PID参数
控制规律
δ
Ti
Td
P
2δu
-
-
PI
2.2δu
0.85Tu
-
PID
1.6δu
0.50Tu
0.13Tu
上表是按照4:
1的率减比进行整定的。
临界比例度法的优点是能得到精确的临界参数（临界比例带与临界振荡周期），且受测量噪声的影响较小。
但当被控系统不希望出现振荡现象时，该方法就不能使用。
另外，由于该方法需要不断地调整参数以使系统达到临界振荡状态，因此对于反应较慢的系统，整定过程需要花费较长的时间。
二、率减曲线法
率减曲线法也是一种闭环整定方法，试验过程与临界比例度法相似，所不同的是要通过调整比例带δ直到过程输出y出现图1-13（b）所示的4:
1率减振荡。
然后根据此时的比例带δv及振荡周期Tv按照表1-3给出的经验公式重新整定控制器参数。
表1-3率减曲线法整定PID参数
控制规律
δ
Ti
Td
P
δv
-
-
PI
1.2δv
0.5Tv
-
PID
0.8δv
0.3Tv
0.1Tv
三、动态特性曲线法
动态特性曲线法是一种开环整定方法，即利用被控对象的开环特性来整定PID参数。
我们知道，对处于稳态的系统加输入阶跃扰动时，系统的输出响应为如图1-14所示的S形曲线。
对于该阶跃扰动曲线，在拐点3处作曲线的切线，切线与扰动前输出稳态值的交点为2。
不难求出对象的迟延时间L及切线斜率Rr，根据这两个参数的Z-N整定方法如表1-4所示。
表1-4Z-N法整定PID参数
控制规律
K
Ti
Td
P
1/（RrL）
-
-
PI
0.9/（RrL）
3.3L
-
PID
1.2/（RrL）
2L
0.5L
图1-14特性曲线
大多数开环整定方法都要对响应曲线进行简化，而最常用的简化方法是将其近似为纯迟延与一阶惯性环节相串联，即：
其中G0为对象传递函数，
为静态增益，T0为惯性时间常数，L为纯迟延。
以L、T0及K0为对象特性参数的Z-N整定方法及改进后的柯恩-库恩（Cohen-Coon）整定方法如表1-5所示。
表1-5Z-N及Cohen-Coon整定方法
控制规律
Z-N方法
Cohen-Coon方法
P
K0Kp=（L/T0）-1.0
K0Kp=（L/T0）-1.0+0.333
PI
K0Kp=0.9（L/T0）-1.0
Ti/T0=3.33（L/T0）
K0Kp=0.9（L/T0）-1.0+0.082
PID
K0Kp=1.2（L/T0）-1.0
Ti/T0=2.0（L/T0）
Td/T0=0.5（L/T0）
K0Kp=1.35（L/T0）-1.0+0.27
四、基于偏差积分指标最小的整定方法
基于积分准则的控制器参数整定可用以下方程描述：
其中
Y=K0Kp（比例作用）或Y=T0/Ti（积分作用）或Y=Td/T0（微分作用），L、T0含义同前。
A,B=系数
对于不同的应用场合，即使使用同一准则，其整定结果也是有区别的。
表1-6与表1-7分别给出负荷扰动与定值扰动时的系数调整规则。
一般来说，基于负荷扰动的整定方法得出的稳定裕量较小，当将其应用到定值扰动时，输出响应会出现明显的振荡。
表1-6基于积分准则及负荷扰动的整定规则
准则
控制规律
模式
A
B
IAE
P
比例
0.902
-0.985
ISE
P
比例
1.411
-0.917
ITAE
P
比例
0.49
-1.084
IAE
PI
比例
积分
0.984
0.608
-0.986
-0.707
ISE
PI
比例
积分
1.305
0.492
-0.959
-0.739
ITAE
PI
比例
积分
0.859
0.647
-0.977
-0.68
IAE
PID
比例
积分
微分
1.435
0.878
0.482
-0.921
-0.749
1.137
ISE
PID
比例
积分
微分
1.495
1.101
0.560
-0.945
-0.771
1.006
ITAE
PID
比例
积分
微分
1.357
0.842
0.381
-0.947
-0.738
0.995
表1-7基于积分准则及定值扰动的整定规则
准则
控制规律
模式
A
B
IAE
PI
比例
积分
0.757
1.02
-0.861
-0.323
ITAE
PI
比例
积分
0.586
1.03
-0.916
-0.165
IAE
PID
比例
积分
微分
1.086
0.740
0.348
-0.869
-0.13
0.914
ITAE
PID
比例
积分
微分
0.965
0.796
0.308
-0.855
-0.147
0.929
动态特性法与基于偏差积分指标最小的整定方法都依赖于对象的数学模型，特别是用上述方法求取模型时，在选择切线点或作切线时会引入一定的误差，影响整定效果。
工程上试验曲线一般都不规则，求取模型难度更大。
因此常用面积法或最小二乘法来求取对象特性参数，关于这方面的内容请参阅有关资料。
六、参数整定示例
考虑一单输入单输出系统，其阶跃响应曲线如图1-14所示，求得模型参数为：
L=1.19分，T0=1.39分，K0=25%/单位，L/T0=0.857
当使用PI控制器时，利用不同方法整定出的控制器参数分别为
Z-N方法：
Kp=4.2，Ti=3.96
Cohen-Coon方法：
Kp=4.53，Ti=1.47
IAE负荷扰动方法：
IAE定值扰动方法：
各种方法对应的定值扰动曲线如图1-15所示。
图1-15参数整定比较
1.4.4PID控制器参数自整定
所谓自整定（Auto-Tuning），是指在系统闭环运行过程中自动整定控制器的参数。
具有自整定功能的控制器，一方面大大方便了工程应用，降低了对工程技术人员经验和技术水平的要求；更为主要的是，当被控过程特性发生变化时，控制器能够自动修改控制参数，维持系统具有较好的调节品质，从而使控制系统具备自适应的能力。
自整定系统的结构原理如图1-16所示，它主要由以下
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