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热工自动控制系统的投运和优化一、自控基础知识1．手自动控制以电厂汽包炉的水位控制为例，控制的任务是保持汽包水位在正常值，使机组能安全运行。
为了维持汽包水位在正常值，就需要经常调整给水量的大小。
水位控制的任务可以用如下两种方法实现。
汽包水位自动控制汽包水位人工控制2．自控系统的分类按信号的结构特点，控制系统可以分为反馈控制系统、前馈控制系统和前馈—反馈复合控制系统。
反馈控制系统反馈控制系统是根据被控量和给定值的偏差进行控制，最终使偏差为零，达到被控量等于给定值的目的。
因为反馈控制系统是将被控量反馈到控制器的输入端，形成了闭合回路，所以反馈控制系统也一定是闭环控制系统。
一个复杂的控制系统，可能由多个反馈信号组成多个闭合回路，称为多回路反馈控制系统。
前馈控制系统前馈控制系统是根据可测量的扰动信号直接进行控制，扰动量是控制的依据。
由于它没有被控量的反馈信号，不形成闭合回路，所以这是一种开环控制系统，不能保证被控量的控制精度。
在实际生产过程的自动控制中，前馈控制系统通常不单独使用。
前馈与反馈的差别：1）调节的依据不同2）调节的效果不同3）系统的结构不同4）实现的可能性及经济性不同。
前馈-反馈复合控制系统 在反馈控制系统的基础上，增加了对于主要扰动的前馈控制，构成了前馈-反馈复合控制系统。
当扰动发生后，前馈控制器能及时消除外部扰动对被控量的影响。
另外，反馈控制器能保证被控量较精确地等于给3．自控系统的性能指标3.1动态过程单调过程被控量单调变化，缓慢地到达新的稳态值（即新的平衡状态）。
这是一种稳定的控制系统。
衰减振荡过程被控量的动态过程是一个振荡过程，但是振荡的幅度不断在衰减。
到过渡过程结束时，被控量能达到新的稳态值。
该系统也是一种稳定的控制系统。
不衰减振荡过程被控量持续振荡，始终不能达到新的稳态值。
称系统处于临界稳定状态。
如果振荡的幅度非常小，在生产过程允许的范围内，则认为是稳定的系统；如果振荡的幅度较大，生产过程不允许，则认为是一种不稳定的系统。
第一章引论1-1 试描述自动控制系统基本组成，并比较开环控制系统和闭环控制系统的特点。
答：自动控制系统一般都是反馈控制系统，主要由控制装置、被控部分、测量元件组成。
控制装置是由具有一定职能的各种基本元件组成的，按其职能分，主要有给定元件、比较元件、校正元件和放大元件。
如下图所示为自动控制系统的基本组成。
开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向作用，而没有反向联系的控制过程。
此时，系统构成没有传感器对输出信号的检测部分。
开环控制的特点是：输出不影响输入，结构简单，通常容易实现；系统的精度与组成的元器件精度密切相关；系统的稳定性不是主要问题；系统的控制精度取决于系统事先的调整精度，对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。
闭环控制的特点是：输出影响输入，即通过传感器检测输出信号，然后将此信号与输入信号比较，再将其偏差送入控制器，所以能削弱或抑制干扰；可由低精度元件组成高精度系统。
闭环系统与开环系统比较的关键，是在于其结构有无反馈环节。
1-2 请说明自动控制系统的基本性能要求。
答：自动控制系统的基本要求概括来讲，就是要求系统具有稳定性、快速性和准确性。
稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。
稳定性通常由系统的结构决定与外界因素无关。
对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值（例如恒温控制系统）。
对随动系统，被控制量始终跟踪参量的变化（例如炮轰飞机装置）。
快速性是对过渡过程的形式和快慢提出要求，因此快速性一般也称为动态特性。
在系统稳定的前提下，希望过渡过程进行得越快越好，但如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差过大，合理的设计应该兼顾这两方面的要求。
准确性用稳态误差来衡量。
在给定输入信号作用下，当系统达到稳态后，其实际输出与所期望的输出之差叫做给定稳态误差。
显然，这种误差越小，表示系统的精度越高，准确性越好。
当准确性与快速性有矛盾时，应兼顾这两方面的要求。
热工过程自动控制原理教学大纲（总学分：4 总上课时数：64 实验时数：10）东南大学能源与环境学院能源信息及自动化系一、课程的性质与目的本课程是动力工程系一门必修的主要的学科基础课。
课程针对热工过程的特点，介绍自动控制的基本原理，并结合上机仿真实验，加深对理论的理解。
目的是使学生掌握自动控制的基本原理和的基本分析方法，为进一步学习热工自动控制系统（或制冷自动控制系统）、计算机控制技术与系统等课程，以及将来从事自动化方面的工作打下扎实的理论基础。
二、课程内容的教学要求1.绪论（1）自动控制的基本概念：理解自动控制的含义和主要内容。
（2）反馈控制原理：掌握反馈控制的原理，特点，主要术语，人工调节到自动调节。
（3）方框图：了解方框图的概念、主要符号，会画出简单系统的方框图。
（4）控制系统分类：掌握按信号的馈送方式分类和按给定值分类两种分类方法，了解其它分类方法。
2.线性系统数学描述（1）微分方程描述：了解推导一个简单物理系统的微分方程描述的方法，理解线性、非线性微分方程及高阶微分方程的概念。
（2）拉普拉斯变换：掌握拉普拉斯变换及其运算规则，熟练掌握部分分式展开求拉普拉斯变换的方法。
（3）传递函数描述：深刻理解传递函数的定义，熟练进行传递函数与微分方程的互换。
（4）脉冲响应与阶跃响应：熟练掌握求解典型系统脉冲响应与阶跃响应的方法。
（5）基本环节与基本联接方式：掌握基本环节与基本联接方式，理解常见的几种环节。
（6）方框图变换与简单物理系统传递函数推导：熟练掌握方框图变换方法和梅森公式，会推导简单物理系统传递函数。
3.热工对象与自动调节器动态特性（1）对象特性：掌握有自平衡和无自平衡两类对象的特点、阶跃响应曲线及特征参数，典型的传递函数形式。
（2）由阶跃响应曲线求近似传递函数：了解由阶跃响应曲线求近似传递函数的几种方法。
（3）工业调节器及基本调节作用：掌握工业调节器及基本的调节作用，深刻理解其特点与使用场合。
第一章火电厂热工控制系统调试基本要求第一节火电厂热工控制系统调试依据及标准现代单元制机组热工控制系统主要由DCS控制系统实现，通常按功能划分为几大系统：数据采集系统(DAS）、开关量控制系统（OCS)、炉膛安全监控系统（FSSS)、模拟量控制系统(MCS)、汽机数字电液控制系统（DEH）、旁路控制系统(BPS）等。
电力行业标准对火力发电厂热工控制系统的设计、调试和质量验收都提出了具体的要求.《火力发电厂设计技术规程》DL 5000对火力发电厂热工控制系统提出了总体性的设计要求，《火力发电厂热工控制系统设计技术规定》DL/T 5175则给出了具体的设计原则和设计方法。
《DCS技术规范书》是根据各工程的特点由买卖双方签定的技术合同文件，对火力发电厂热工控制系统提出了更为具体的基本要求.新建机组热控系统的调试主要包括以下阶段：调试前的准备、控制系统受电前检查和受电后的测试、组态软件检查和功能测试、外部系统的联调、模拟量控制系统的投入和调试、协调控制系统的投入及负荷变动试验、RB试验、文档验收等。
一、热控系统调试采用的电力行业标准1。
与调试有关的设计标准DL5000—2000《火力发电厂设计技术规程》;DL/T5175-2003《火力发电厂热工控制系统设计技术规定》；1。
施工安装、调试及验收标准DL/T 5190.5—2004《电力建设施工验收技术规范第5部分：热工自动化》；DL/T 655—2006《火力发电厂锅炉炉膛安全监控系统验收测试规程》DL/T 656-2006《火力发电厂汽轮机控制系统验收测试规程》DL/T 657—2006《火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》DL/T 658-2006《火力发电厂开关量控制系统验收测试规程》DL/T 659—2006《火力发电厂分散控制系统验收测试规程》DL/T 1012-2006《火力发电厂汽轮机监视和保护系统验收测试规程》DL/T 824—2002《汽轮机电液调节系统性能验收导则》电建［1996］第159号《火力发电厂基本建设工程启动及竣工验收规程》2。
热工自动控制系统一、教材热工控制系统华北电力大学边立秀等编中国电力出版社http:〃61.155.6.178/zyf密码：200803Y二、主要参考书0:超超临界机组控制设备及系统肖大雏主编化学工业出版社2007年1.陈来九：热工过程自动调节原理与应用第三章第七章2 .电子书：热工过程自动控制杨献勇主编清华大学出版社3.《热工自动控制系统》华北电力大学李遵基4.《热工自动控制系统》东北电院张玉铎、王满稼三、课程主要内容1 •简单介绍单回路反馈系统(复习)(1)基本调节作用(2)工业调节器(3)调节器参数的整定2.重点介绍电厂热工过程自动控制系统，包括汽温、给水、燃烧自动控制3•介绍单元机组负荷(协调)控制系统(直流锅炉自动控制系统以及单元机组给水全程控制系统) 三、考核方法1.期末考试+平时成绩。
2.平时成绩包括：作业，回答问题，出勤，平时答疑，约占10%第一章概述§ 1-1火电厂自动控制的发展控制方式大致经历了三个发展阶段：1、独立控制：机、炉、电各自独立地进行控制，机、炉、电及重要的辅机各自设置一套控制表盘，它们之间无联系。
调节仪表均为大尺寸的较笨重的基地式仪表，由运行人员进行监视与控制。
国外在20-40年代，我国50年代建造的火电厂属该类型。
2、集中控制：40年代以后，由于中间再热式汽轮机的出现，使锅炉和汽轮机之间的关系更加密切，为了便于机炉的协调运行和事故处理，将它们的控制盘集中安装在一起，对机炉实行集中控制。
集中控制的初级阶段，调节仪表采用电动或汽动单元组合仪表。
50年代后，采用组件组装仪表或以微处理机为核心的数字调节器，对机炉进行集中控制。
3、集散控制系统：这里指火电厂生产过程实现最优控制与速度自动化相结合的多级计算机控制， 60年代至今，国际上火电厂都朝着这一方向发展，近几年从国外引进的火电厂机组已达到这一水平。
N-90 天生港，利港，石洞口Infi — 90Proco ntrolP 合肥二电厂 Mod-300 北仑港 WDPF 望亭利港 MAX1000 外高桥电厂TDC3000 是霍尼维尔(Honey wel)公司的产品。
西门子、 日立的DCS 等r 水位汽温：过热，再热 燃烧：煤，风§ 1-2火电厂的主要控制系统八大系统 1)协调控制系统 (CCS )Coordinate Control System基本功能：接受各类负荷指令，根据设备运行的健康状况，发出机炉主控指令，协调机炉工作，使机 组满足外界负荷的需要，同时确保自身参数的稳定。
包括各个子系统(水位，汽温，) 2)模拟量控制系统(MCS 〕模拟量控制系统属于闭环控制，是保证机组经济运行、最大限度地减轻运行人员的劳 动强度、机组投入协调控制的重要组成部分。
大型火电机组 MCS 系统主要有： (1) 主汽温控制系统、 (2) 主汽压控制系统 (3) 给水控制系统 (4)除氧器水位控制系统DPU : distributed process unit 完成各控制任务分散处理单元（5）燃烧控制系统3）锅炉安全监控系统（FSSS）Furnace Safeguard Supervisory System或称燃烧器管理系统（BMS ）Burner Management System 包括吹扫，油，燃层启停，MFT （main fuel trip ）燃烧器管理系统又称为炉膛安全监控系统，BMS 可以连续监视锅炉在各种运行工况下的状态，随时进行逻辑判断，通过一系列连锁条件，按预定的逻辑顺序对燃烧设备进行操作和控制，异常时发出报警信号乃至停炉。
BMS 包括锅炉保护和燃烧系统顺序控制两部分，其主要功能有：炉膛火焰监视、炉膛自动吹扫、锅炉点火及燃油控制、锅炉投煤和磨煤机组控制、主燃料跳闸（MR）。
4）顺序控制系统（SCS）Sequence Control System 负责电厂中所有辅机的启停。
顺序控制系统又称为开关量控制或二进制控制系统。
主要任务是单元机组的主要辅机或功能组进行启停控制和连锁保护，以简化运行人员的操作．确保机组启停和运行安全。
主要辅机：送风机、引风机、给水泵、磨煤机等，某一辅机的启停都有一定的顺序和逻辑条件。
功能组: 为了实现机组自启停，一般按生产流程将机组的附属设备和系统划分为若干个执行某一特定功能的组，称为功能组。
大型火电机组scs 主要有：送风机系统、引风机系统、一次风机系统* ，给水泵系统、循环水系统、汽机疏水系统、冷凝器真空系统、汽机油系统等。
5）汽机数字电液调节系统（DEH ）Digital Electricity drain Regulate System 根据外界对电厂的负荷要求，确定汽机调门的开度。
6）汽机安全保护系统（TSS）Turbine Safeguard System7）旁路控制系统（BCS ）Bypass Control System 在变负荷时用8）数据采集系统（DAS ）Data Access System要实现上述八大系统，特别是CCS ，其基础就是锅炉汽机各自的调节系统要完善，因此，本课程主要介绍锅炉的各个子系统，汽温，给水和燃烧系统。
另外，还介绍协调控制系统CCS。
§ 1-3 火电厂自动控制的主要内容和分类一、内容1、自动监测：自动的检查和测量反映生产过程运行情况的各种物理量、化学量以及生产设备的工作状态，以监视生产过程的情况和趋势。
2、顺序控制：根据预先拟定的程序和条件，自动的对设备进行一系列的操作。
在火电厂中主要是主机和辅机的启动和停止。
3、自动保护：在发生事故时，自动采取保护措施，以防止事故的扩大。
4、自动调节：自动维持生产过程在规定的工况下进行。
在火电厂中即保证有关参数和流量不超过允许的范围。
本课程主要讨论自动调节问题，它是属于自动控制内容的一部分，对生产过程的正常进行有很大影响，只要生产过程中受到各种因素的干扰和影响，使工况偏离正常，自动调节就会发挥其功能，以迅速消除干扰，使生产过程恢复正常运行。
二、组成三、分类（一） 按系统结构特点分类1反馈控制系统 2 •前馈控制系统 （二） 按闭合回路数目单回路控制系统、多回路控制系统 （三） 按给定值信号的特点分类根据生产过程要求保持的被调量给定值的不同类型可分为：1恒值控制系统：在运行时被调量的给定值恒定不变，也就是被调量保持为某一固定数值。
这 是热工过程自动调节中应用最多的一种自动控制系统。
（定值控制）2. 程序控制系统：被调量的给定值是预定的时间函数。
例如，在汽轮机启动时，希望转速随时 间成一定的函数关系变化，这就要求用程序控制系统。
3. 随动控制系统：被调量的给定值决定于某些外来的因素而不是预先拟定的。
例如：在汽轮机 启动过程中，采用计算机实现机组的最优升速控制。
汽机转速的升速率不是预先给定的而是通过计算机按汽温（主蒸汽、再热蒸汽）、汽缸壁温等具体情况再根据机组当时的差膨、振动等情况 确定的,它是某个外部条件的控制函数。
这样的控制系统称为随动控制系统。
4.比值控制系统：这种系统维持两个变量之间的比值为一定数值。
例如：在锅炉的燃烧过程自 动控制中，要求空气量的变化随燃料量的变化而成比例变化，这样才能保证经济燃烧。
§ 1-4热工自动控制系统的品质指标、总体指标稳定性、准确性、快速性反馈控制系统组成结构图三、时域指标静态一一稳态误差：是指被调量的稳态值与给定值之间的长期偏差。
它反映了控制系统的调节精度。
动态——衰减率：经过一个波动周期，被调量波动幅值减少的百分数。
最大动态偏差或超调量：调节过程中被调量偏离给定值的最大暂时偏差。
调节时间：从被调量受到扰动，过程开始变化直到结束所需要的时间。
第二章热工对象特性及单回路控制系统§ 2-1热工过程的动态特性上图是最简单的热工过程自动调节系统的方框图。
图中调节对象是多输入、单输出(被调量y) 的物理系统，引起y变化的原因有很多( ，x「X2 x n),且各输入信号引起y变化的动态特性W°(S),W|(S), W n(s)是不同的，这是热工对象的一个特点。
在研究热工对象的动态特性时，必须掌握以下几点：1、热工对象是多变量(即多输入、多输出)对象。
这在今后会看到，多变量对象的一个特点就是存在相互作用，有些文献上称为相互关联(in teraction)，因此，各输入、输出间必然存在着相互影响，相互干扰，这就是问题复杂化。
2、了解各种引起被调量变化的原因，并了解其全部动态特性；(如W o(s),W(s), W n (s))，尤其应了解自动调节器输出(即操作量或调节量)作用下调节对象的动态特性W o(s)。
3、应注意到和其它输入信号X i, X2 X n不同，调节器输出信号在闭合回路内，它对调节系统的性能起决定作用。
4、有二类热工对象，下面分析它们的特点。
Vx o1特点(1)有延迟和惯性----说明变化过程比较慢(2)不振荡注意是对象在阶跃扰动时不振荡，而不是系统不振荡。
(3)由于曲线较特殊，所以可以通过曲线上的几个特征参数表示。
2.表征热工对象的两组参数及其图上表示(1) 有自平衡能力对象(—延迟时间-响应速度。
输入信号阶跃变化量为1时，阶跃响应曲线上被调量的最大变化速度。
提高p ,则对象的自调节能力提高。
当受到某一扰动时，被调量从初始平衡值达到新的平衡 值的变化量愈小。
另一组特征参数( T ；,K ),这三个参数均可直接从阶跃响应曲线上测量。
T —延迟时间T c —时间常数K -稳态放大系数PK = tg g = T c Vx o(a)可以统一用 来表示不振荡、单调变化的调节对象。
(b) 虽然不确切，但热工上沿用已久，有其方便之处。
3•二类典型热工对象的数学模型(传递函数) (1) 有自平衡能力的对象KW(s)一 (吋dy .一 dx =△ X otg 卩△k △ x 0 kx 0 Tc响应时间：T a =△ X o tg g TcK 7 )=KVx op —自平衡率Vx o1K Vy()二组参数的关系:1£=-T aT c = KT a T aT c =K在一定程度上反映了对象的动态特性(2)无自平衡能力的对象0 ,故用，就可以了-意义同上，渐进线与时间轴交点=△1T T a = △ X o Ctg g几点说明: (而非切线)(2)无自平衡能力的对象1 W(s)=nT a S(1+T °S)n提问：1、根据阶跃响应曲线求近似传递函数有哪些方法？有何特点?附：「针对生产工艺过程］计算量大，模型广理论建模｛应用物理、化学定律卜结构复杂［建立一组微分方程组求解 J确定被控对象动态特性方法-I 试验建模响应曲线法：加入特定扰动（阶跃、矩形波），测定对象输出响应曲线，求模型试验建模系统辨识法：向被控对象输入白噪声（随机信号），测量输入、输出数据，进行数学处<理获得其数学模型频域法：试验测定被控对象的频率。
