热工自动控制理论与技术

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1、热工自动控制理论与技术45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l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。l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）。l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。

2、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

3、实现过程控制，其本质也是一个计算机控制系统。45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

4、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Tm45、积分时间常数Ti和纯滞后时间t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

5、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

6、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mB为进入锅炉的热量，mT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，mB既通过G11(s)影响P，又通过G12(s)影响N；mT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。45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，

7、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

8、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