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1、热工培训班讲座自控基础热工培训班讲座自控基础1 1第1页，本讲稿共28页1 1 基本概念基本概念 控制控制-某个主体使某个客体按照一定的目的、通过某个主体使某个客体按照一定的目的、通过 一定的规律来动作一定的规律来动作自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-基本概念基本概念基本概念基本概念 执行器执行器 传感器传感器 控制器控制器目标值目标值/给定值给定值目标：维持水位目标：维持水位手段：调整给水量手段：调整给水量 人工控制人工控制-主体是人主体是人2022/10/232022/10/232 2第2页，本讲稿共28页自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动
2、控制基础知识-基本概念基本概念基本概念基本概念1 1 基本概念基本概念 自动控制自动控制-主体是仪器主体是仪器/机器机器 汽包水位自动控制主体：控制系统主体：控制系统客体：被控过程（从控制器的输出到输入）客体：被控过程（从控制器的输出到输入）目的：维持汽包水位稳定目的：维持汽包水位稳定 2022/10/232022/10/233 3第3页，本讲稿共28页 反馈（闭环）控制反馈（闭环）控制-被控量参与控制被控量参与控制1 1 基本概念基本概念被控量控制量/指令控制器(PID)执行器被控对象检测/反馈设定值自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-基本概念基本概念基本概念基
3、本概念需要加以控制的需要加以控制的参数参数-被控量被控量2022/10/232022/10/234 4第4页，本讲稿共28页 前馈（开环）控制前馈（开环）控制-扰动量参与控制扰动量参与控制1 1 基本概念基本概念自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-基本概念基本概念基本概念基本概念 汽包水位自动控制蒸汽流量（负荷）变化蒸汽流量（负荷）变化-干扰干扰能引起被控量变化的量能引起被控量变化的量-扰动量扰动量或者或者控制量控制量2022/10/232022/10/235 5第5页，本讲稿共28页被控量执行机构被控对象扰动通道+前馈控制器扰动量前馈（开环）控制前馈（开环）控制
4、-扰动量参与控制扰动量参与控制自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-基本概念基本概念基本概念基本概念2022/10/232022/10/236 6第6页，本讲稿共28页 前馈前馈-反馈复合控制反馈复合控制-被控量、扰动量都参与控制被控量、扰动量都参与控制自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-基本概念基本概念基本概念基本概念蒸汽流量（负荷）变化-干扰2022/10/232022/10/237 7第7页，本讲稿共28页自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-性能指标性能指标性能指标性能指标2 2 性能指标性能指标t
5、ty(t)y(t)a at ty(t)y(t)b bt ty(t)y(t)c ct ty(t)y(t)d d衰减振荡过程衰减振荡过程 单调变化过程单调变化过程 等幅振荡过程等幅振荡过程 发散振荡过程发散振荡过程 典型动态过程典型动态过程2022/10/232022/10/238 8第8页，本讲稿共28页自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-性能指标性能指标性能指标性能指标2 2 性能指标性能指标衡量控制系统动态响应的性能指标主要包括动态性能指标和稳态误差。用系统单位阶跃响应的各项指标来表征，见图4所示。衡量控制系统动态响应的性能指标主要包括动态性能指标和稳态误差。用
6、系统单位阶跃响衡量控制系统动态响应的性能指标主要包括动态性能指标和稳态误差。用系统单位阶跃响应的各项指标来表征，见图所示。应的各项指标来表征，见图所示。t5%或2%tstptrMpy(t)1M32022/10/232022/10/239 9第9页，本讲稿共28页常用的时域性能指标常用的时域性能指标自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-性能指标性能指标性能指标性能指标2 2 性能指标性能指标上升时间上升时间trt5%或2%tstptrMpy(t)1M3a.响应曲线从稳态值的响应曲线从稳态值的10%到到90%（常用于不发生振荡的场合，如一阶惯性环节）（常用于不发生振荡的
7、场合，如一阶惯性环节）b.响应曲线从稳态值的响应曲线从稳态值的5%到到95%（也用于不发生振荡的场合）（也用于不发生振荡的场合）c.响应曲线从零上升到第一次到达稳态值所需的时间（常用于有振荡的场合，如响应曲线从零上升到第一次到达稳态值所需的时间（常用于有振荡的场合，如二阶振荡环节等）。二阶振荡环节等）。2022/10/232022/10/231010第10页，本讲稿共28页峰值时间峰值时间tp2 2 性能指标性能指标t5%或2%tstptrMpy(t)1M3响应曲线到达过调量的第一个峰值所需时间。响应曲线到达过调量的第一个峰值所需时间。又称为过渡过程时间，是指响应曲线开始全部进入接近稳态值的又
8、称为过渡过程时间，是指响应曲线开始全部进入接近稳态值的5%5%（或（或2%2%）区域内（即全部进入误差带内），所需要的时间。）区域内（即全部进入误差带内），所需要的时间。调节时间调节时间ts自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-性能指标性能指标性能指标性能指标2022/10/232022/10/231111第11页，本讲稿共28页最大超调量最大超调量p自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-性能指标性能指标性能指标性能指标2 2 性能指标性能指标t5%或2%tstptrMpy(t)1M3响应曲线偏离稳态值的最大偏差值。响应曲线偏离稳态值的最
9、大偏差值。2022/10/232022/10/231212第12页，本讲稿共28页衰减率衰减率 自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-性能指标性能指标性能指标性能指标2 2 性能指标性能指标t5%或2%tstptrMpy(t)1M3响应曲线经过一个衰减周期后，振幅的相对减小量。响应曲线经过一个衰减周期后，振幅的相对减小量。即第一、二次正向振幅衰减了的比率。即第一、二次正向振幅衰减了的比率。2022/10/232022/10/231313第13页，本讲稿共28页自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-性能指标性能指标性能指标性能指标2 2 性
10、能指标性能指标t5%或2%tstptrMpy(t)1M3稳态性能指标稳态性能指标 稳稳态态误误差差：稳稳定定系系统统误误差差的的终终值值，即即响响应应的的稳稳态态值值与与给给定定值值之之间间的的偏偏差差。它它是是衡衡量量系系统统最最终终控制精度（准确性）的重要性能指标。控制精度（准确性）的重要性能指标。2022/10/232022/10/231414第14页，本讲稿共28页自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-控制规律控制规律控制规律控制规律3 3 控制规律控制规律三种基本控制作用三种基本控制作用 微分方程：微分方程：传递函数：传递函数：特点：反应迅速（只要偏差量不
11、为零，就会相应产生控制作用），但存在稳态误差。特点：反应迅速（只要偏差量不为零，就会相应产生控制作用），但存在稳态误差。越大（越大（K Kp p越小），越小），控制作用越弱，稳态误差越大，但振荡减少，对稳定性有利；反之，控制作用越强，稳态误差越小，但振荡控制作用越弱，稳态误差越大，但振荡减少，对稳定性有利；反之，控制作用越强，稳态误差越小，但振荡加剧，不利于稳定。加剧，不利于稳定。比例作用（比例作用（P-Proportional）比例作用的影响比例作用的影响2022/10/232022/10/231515第15页，本讲稿共28页自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-
12、控制规律控制规律控制规律控制规律3 3 控制规律控制规律三种基本控制作用三种基本控制作用积分积分作用（作用（I-Integral）微分方程：微分方程：传递函数：传递函数：特点：能消除稳态误差（只要偏差存在，控制作用就不断增强，直到偏差量等于零为特点：能消除稳态误差（只要偏差存在，控制作用就不断增强，直到偏差量等于零为止）；积分动作缓慢，要与比例作用配合使用。止）；积分动作缓慢，要与比例作用配合使用。积分作用的影响积分作用的影响2022/10/232022/10/231616第16页，本讲稿共28页自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-控制规律控制规律控制规律控制规律
13、3 3 控制规律控制规律三种基本控制作用三种基本控制作用微分作用（微分作用（D-Derivative）微分方程：微分方程：传递函数：传递函数：特点：控制作用与偏差的变化量成正比，而与偏差的大小无关；与比例作用配合使用。特点：控制作用与偏差的变化量成正比，而与偏差的大小无关；与比例作用配合使用。微分作用的影响微分作用的影响 只要微分作用选择得当，能有效减小只要微分作用选择得当，能有效减小系统的动态偏差，但存在稳态误差系统的动态偏差，但存在稳态误差 2022/10/232022/10/231717第17页，本讲稿共28页自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-控制规律控制
14、规律控制规律控制规律3 3 控制规律控制规律三种基本控制作用三种基本控制作用微分作用（微分作用（D-Derivative）实际实际微分环节微分环节 rxtKd rytTd2022/10/232022/10/231818第18页，本讲稿共28页自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-控制规律控制规律控制规律控制规律3 3 控制规律控制规律常用常用PID控制器及其动态特性控制器及其动态特性 比例控制器（比例控制器（P）动作迅速，控制作用的大小与偏差量成正比，但存动作迅速，控制作用的大小与偏差量成正比，但存在稳态误差。在稳态误差。比例积分控制器（比例积分控制器（PI）特点：
15、消除稳态误差特点：消除稳态误差(I作用作用)，且动作，且动作 迅速迅速(P作用作用)。适用广泛。适用广泛。2022/10/232022/10/231919第19页，本讲稿共28页自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-控制规律控制规律控制规律控制规律3 3 控制规律控制规律常用常用PID控制器及其动态特性控制器及其动态特性 比例微分控制器（比例微分控制器（PD）特点：控制的最终结果存在稳态误差，但是微特点：控制的最终结果存在稳态误差，但是微分作用能使控制动作超前。只要微分作用选择分作用能使控制动作超前。只要微分作用选择得当，能有效减小系统的动态偏差，但存在稳得当，能有
16、效减小系统的动态偏差，但存在稳态误差。适用于要求控制过程较快结束、超调态误差。适用于要求控制过程较快结束、超调量尽量小，但对控制精度要求不高的场合。量尽量小，但对控制精度要求不高的场合。实际实际2022/10/232022/10/232020第20页，本讲稿共28页自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-控制规律控制规律控制规律控制规律3 3 控制规律控制规律常用常用PID控制器及其动态特性控制器及其动态特性 比例积分微分控制器（比例积分微分控制器（PID）PID控制兼有控制兼有PI和和PD控制的优点，即能达到无稳态误差，控制的优点，即能达到无稳态误差，又保证了动作的
17、快速性。又保证了动作的快速性。如果如果、Ti、Td三个参数配合好，就可以取得较好的调三个参数配合好，就可以取得较好的调节效果。但是节效果。但是PID规律实现起来较复杂。规律实现起来较复杂。2022/10/232022/10/232121第21页，本讲稿共28页自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-热工被控对象热工被控对象热工被控对象热工被控对象4 4 热工被控对象热工被控对象结构参数与物理特性结构参数与物理特性 惯性时间惯性时间T-容积容积纯迟延时间纯迟延时间-传递距离传递距离增益增益K传递阻力，即有无自平衡能力。传递阻力，即有无自平衡能力。动态特性动态特性 有一定
18、的惯性和迟延有一定的惯性和迟延 不振荡不振荡 最终可能平衡，也可能不平衡最终可能平衡，也可能不平衡 2022/10/232022/10/232222第22页，本讲稿共28页自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-热工被控对象热工被控对象热工被控对象热工被控对象4 4 热工被控对象热工被控对象对象特性参数对控制过程的影响对象特性参数对控制过程的影响 惯性时间惯性时间T控制通道惯性时间常数控制通道惯性时间常数T T小，控制及时，对控制有利。小，控制及时，对控制有利。干干扰扰通通道道惯惯性性时时间间常常数数T T大大，对对干干扰扰信信号号滤滤波波有有好好处处，利利于于克克服
19、干扰。服干扰。纯迟延时间纯迟延时间控制通道控制通道大，对控制不利。大，对控制不利。干扰通道干扰通道大，对控制有利。大，对控制有利。增益增益K控控制制通通道道增增益益K K大大，控控制制作作用用得得到到加加强强，但但同同时时易易引引起起系系统统振振荡，可通过比例系数荡，可通过比例系数KpKp修正。修正。干干扰扰通通道道增增益益K K大大，系系统统动动差差和和静静差差增增大大，对对控控制制不不利利，希希望望小些。小些。2022/10/232022/10/232323第23页，本讲稿共28页自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-热工控制结构热工控制结构热工控制结构热工控制
20、结构5 5 热工控制系统常见结构热工控制系统常见结构单反馈回路单反馈回路 2022/10/232022/10/232424第24页，本讲稿共28页自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-热工控制结构热工控制结构热工控制结构热工控制结构5 5 热工控制系统常见结构热工控制系统常见结构串级反馈回路串级反馈回路 优点：优点：克服内扰能力强克服内扰能力强 改善对象动态特性改善对象动态特性 2022/10/232022/10/232525第25页，本讲稿共28页自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识自动控制基础知识-热工控制结构热工控制结构热工控制结构热工控制结构5 5 热工控制系统常见结构热工控制系统常见结构前馈前馈-反馈复合控制反馈复合控制 反馈回路决定着系统的稳定性反馈回路决定着系统的稳定性 2022/10/232022/10/232626第26页，本讲稿共28页 火电机组主要控制系统火电机组主要控制系统火电机组主要控制系统火电机组主要控制系统2022/10/232022/10/232727第27页，本讲稿共28页2022/10/232022/10/232828第28页，本讲稿共28页