给水系统PID控制课件

四.自动控制系统的分类
• 按控制系统的结构分类
• （一）开环控制系统
（三）复杂控制系统
• 按给定值进行分类
– – – – 恒值调节系统 程序调节系统 随动调节系统 比值调节系统
• 其他分类
– 依照回路数目分为单回路和多回路调节系统。 – 依照系统性能分为线性系统和非线性系统
自动调节系统的过渡过程
• 采用PI调节时：
1 kP e0 (1 dt ) P I Ti q1 K K P K I q p qI
结论： 调节过程的震荡是积分作用造成的，积分作用越 强，过调越严重，过程震荡越强烈。 比例作用是稳定因素。 调节后期，积分实现了无差调节。
3.微分调节作用（简称D作用）
• 问题引入： • 右图a、c两点，偏差大小相同 ，方向不同，积分作用的作用相 同，但亮点所代表的状态并不完 全相同。 • 解决方案： • 在C点，当发现偏差以较快的速 度减小时，可知q1与q2之差已经 较大，应及时减小q1，及时关小 调节阀门，以期取得较好的效果 。

edt T
i
Ti 积分时间常数
• 调节规律：把调节阀门的开度变化量μ看成是 偏差信号e对时间的积分。
• 动作规律：根据偏差的大小进行 控制。 • 特点：a.能实现无差控制。 • 执行机构位移μ是偏差e对时间的 积分，执行机构停止动作的必要 条件是偏差信号e为零。 • b.会造成过调，引起被控量振荡 。 • c.调节过程缓慢。
任务：维持储水罐正常水位，保持最小安全流量
干态运行：给水在水冷壁中全变为蒸汽
任务：维持分离器干态运行；控制分离器出口蒸汽的过热度
•
二.超临界直流炉的静态特性
•
热力学理论认为，在22.125MPa、温度374.15℃时，水的汽化会在一瞬间完成 ，即在临界点时饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的两相区存在，两 者的参数不再有区别。由于在临界参数下汽水密度相等，因此在临界压力下 无法维持自然循环，只有采用直流炉。超临界直流炉的汽水形程经历了加热 、蒸发和过热三个过程，如图2.15 所示。
调节阀在杠杆的作用下，改变水箱的流入量： q1 K t0时刻负荷发生变化，流出量阶跃上升q0，即： q2 q0 列出扰动和液位的关系： dh A q1 q2 K q0
dt
K k p e q0 K k p (h0 h) q0
设h0=0，则有：
二.调节的基本概念及人工调节
调节：运行人员对设备进行操作、使参数保持为希望的数 人工调节：调节任务由人来完成 自动调节：用一整套自动控制装置来代替人工操作 `
三.自动控制系统的组成
自动控制系统是由控制对象和控制设备组成，自动控制 统包括其控制作用的自动控制装置（如变送器，调节器 ，执行器等）和在自动控制装置控制下运行的生产设备 。自动控制系统中的各设备是通过信号的传递和转换相 互联系起来的。如图1-1（b）所示的给水自动控制系统 中，当负荷变化使蒸汽流量D发生变化时，汽包水位h就 会发生变化，反映水位高低的测量值ih也随之变化，ih 与其给定值ih0进行比较得到偏差信号e0。在调解器中 按预定的规律对偏差信号进行运算得到控制信号i，i在 执行器中进行功率放大后推动给水控制阀，改变控制阀 开度u，从而改变给水流量w，以抵消蒸汽流量变化对水 位的影响。
主要内容
• • • • • • • • • • 1.1自动控制的基本知识 1.2自动控制系统的主要任务 1.3自动调节器的动作规律 2.1直流锅炉给水控制系统 （一）直流锅炉给水控制的特点与给水对象动态特性 （二）超零界锅炉的控制任务 （三）超零界直流锅炉给水控制系统 （1）给水流量控制系统 （2）给水泵转速控制回路 （3）给水泵出口压力控制系统 （4）汽水分离器储水罐水位控制系统 （四）给水控制系统的运行
1.比例调节作用（简称P作用）
•
•
人工调节过程分析：正确的调节作用应使调节阀门开度的变化量μ与偏差e大 小成比例。 调节器实现（比例调节）：用e表示调节器的输入信号， μ表示调节器的输出 信号，则输入信号μ与输入信号e成正比，表示为：
k p e或
1

e
k p 比例系数
比例带
动作规律：根据偏差的大小进行控制。 特点：a.控制及时，能有效地抑制扰动→快速调节。 b.控制过程结束后有静态偏差→ 有差调节。
• • • •
(a)-- 非周期(inertial)调节过程， (b)-- 衰减振荡(attenuate oscillation)调节过程. (c)-- 等幅振荡(constant oscillation)调节过程。 (d)-- 渐扩振荡(divergent oscillation)调节过程
3.控制过程品质指标
燃水比发生变化，锅炉的各个受热面的分界就会发生移动。 燃烧增强时，蒸发段和过热段的分界前移，加热段、蒸发段 缩短，过热段加成，过热气温升高。 给水增强时，蒸发段和过热段的分界后移，加热段、蒸发段 伸长，过热段缩短，过热气温下降。 控制气温的基本手段是控制燃水比。直流锅炉给水控制必须与燃 烧率变化相适应，这不仅是机组负荷控制的需要，也是过热汽温 控制的需要。
比例积分微分调节过程
• 1.比例积分微分调节器的调节过程 • （1）理想微分的PID动态方程
• （2）实际微分的PID动态方程
• （3）阶跃响应曲线
2.比例积分微分调节过程
• 过程分析：把流入量看成三个 部分的和。 q1 qP qI qD
特点： 微分作用能减小动态偏差，加速调节 过程。 微分作用在一定程度上提高了系统的 稳定性 对信号中的高频干扰敏感，容易造成 执行机构的频繁动作。
比例积分调节规律
1.比例积分调节器的动作 规律 • （1）动态方程 1
k p (e
• •
（2）阶跃响应 。
edt ) T
i
k p e0 (1 )
(3)整定参数： δ、Ti
t Ti
• 积分时间Ti ：控制器 • 的输出为比例作用所造 成的 • 变化加倍所需要的时间 。
2.比例积分调节过程分析
q0 t趋于无穷 h()= K k p
• 结论：调节过程结束后，被调量偏离给定值的数值，系统 存在稳态误差。 • 原因：增加流入量q1是以水位下降、偏离给定值为条件的 。 • 关系提升：负荷扰动越大，稳态偏差越大；增加比例系数 可以减少稳态偏差；一个无自衡的对象加入比例作用后， 能稳定下来，提升了系统的稳定性；比例系数过大，会导 致系统震荡。
1.1自动控制的基本知识
为了理解自动控制系统的一般概念，首先以人工控制 锅炉汽包水位为例，分析完成一个控制任务的需要哪些功 能，以及这些功能在自动控制系统中是如何实现的。 • 锅炉汽包水位控制示意如图下页所示。下图是锅炉汽 包水位人工控制示意图，图中W为流入锅炉的给水流量，D 为流出锅炉的蒸汽流量，h为汽包水位。水位是表征锅炉运 行状态的一个重要参数。为保证锅炉的安全运行，通常希 望将水位保持在某一规定的数字附近，这个数值就是汽包 水位的希望值，称为水位给定值，用h0表示。水位是反映 锅炉流入量与流出量是否平衡的标志，当实际水位稳定在 希望值附近时，锅炉的流入量与流出量平衡，不需要调节 。当锅炉负荷变化时汽包水位发生变化，操作人员必须调 整给水控制阀凯迪来改变给水流量，使之与蒸汽流量平衡 。 • 为便于分析说明上述控制过程，先介绍自动控制理论 的几个常用术语。
• （1）、稳定性 指标---衰减率 (decrement)ψ 衰减率ψ定义：
M 1 M 3 M3 1 M1 M1
Ψ 越大，系统稳定程度越高。 ψ =1 ψ =0 0＜ψ ＜1 ψ ＜0 非周期的调节过程 等幅振荡的调节程 衰减振荡的调节过程 渐扩振荡的调节过程
（2） 快速性：调节过程持续时间的长短。 调节时间ts：当被调量进入稳定值的 +2%或 +5%之间这个范围并不再超越出此 范围时，所经历的时间为调节时间ts。 （3） 准确性：被调量偏差的大小。 动态偏差Cm：调节过程中被调量偏离给定值的最大偏差值。 静态偏差C（∞）：调节过程结束后被调量和给定值之间的偏差。 要求：对于一个调节系统，必须首先保证其稳定性，同时兼顾调节的快速性和准 确性。
• 调节过程分析： • 输出信号与输入信号在数值上存在一一对应关系，输出信 号迅速无迟延的反映输入信号的变化； • 调节过程结束后，被调量水位比扰动前下降了，没有回到 初始值，即系统存在稳态误差。
2.积分调节作用（简称I作用）
• 问题引入： • 调节过程的后期，操作人员并不再关心偏差的 大小与阀门开度变化量的数值关系，而是仔细 地观察偏差的方向，据此不断缓慢地调整调节 阀门的开度。如果水位高了就稍关阀门;如果水 位低了就稍开阀门，直到偏差为零才停止动作 。有偏差就根据偏差的方向缓慢地动作，直到 偏差消除为止，这个动作规律就称为积分调节 。 1
3.不同调Leabharlann 作用调节效果的比较2.1 直流锅炉给水控制系统
一、直流锅炉给水控制的特点与给水对象动态特性
给水控制的主要任务：以汽水分离器出口温度作为被调
量，控制给水量以保持燃料量和给水量的适当比例，满足机 组不同负荷下给水量的需求。
直流锅炉给水控制的特点
湿态运行：水冷壁进入汽水分离器的工质为汽水混合物
•
一. 相关基本概念
• 被调量（被控量）：表征生产过程是否正常运行并需要 加以调节的物理量→汽包水位H。 • 给定值：按生产要求被调量必须维持的希望值→希望的 汽包水位H0。 • 调节对象（被控对象）：被调节的生产过程或设备→汽 包或锅炉。 • 调节机构：可用来改变控制对象的物质或能量的装置→ 给水调节阀。 • 调节量（控制量）：由调节机构改变的值用以控制被调 量的变化→给水流量。 • 扰动：引起被调量偏离给定值的各种原因 • 内扰：扰动包含在控制回路内部。 • 外扰：扰动不包含在控制回路内部。 • 调节作用：由调节机构控制被调量 • 调节任务：操作调节机构，产生调节作用，抵消扰动对 被调量的影响。
比例调节过程
1.比例调节器的动作规律 (1)动态方程：
k pe
1

e
（2）比例带δ ：当控制机构的位置改 变100%时，偏`差应有的改变量。 （3）阶跃响应曲线
h0 -
e h
杠杆
μ
阀门
q
1
水箱
h
浮球
2.调节过程分析
• 杠杆的输入输出关系：
a b e h0 h
e k pe
A
dh K k p h q0 dt A dh 1 h q0 K k p dt K k p
惯性时间常数 T=
A K k p 1 K k p
系统放大系数 K=-
q0 t h(t ) Kq0 (1 e ) (1 e T ) K k p
t T
求输出h（t）
1.2 锅炉自动控制系统的主要任务：
根据机组的负荷要求，向汽轮机供给足够的、
在规定压力和温度范围内的蒸汽，同时保证锅炉安全
经济运行。（单元机组协调控制系统的基础级控制）
控制燃烧控制负荷 汽包锅炉： 控制给水控制汽包水位
喷水减温控制蒸汽温度
直流锅炉： 给水、汽温、燃烧控制密切相关，不能独立。
1.3 自动调节器的动作规律
2.阶跃输入作用下的过渡过程曲线
选用比较典型或经常出现的扰动形式作为输入， 观察系统的输出。热工系统中经常使用的是单 位阶跃函数来观察对象的输出，研究对象的过 渡过程。 过渡过程曲线（阶跃响应曲线）：控制系统在 阶跃信号的作用下，将其被调量随时间的变化 规律用一条曲线来描述。以通过对过渡过程曲 线的研究来评价控制系统的品质。
• 1.几个基本概念
– 静态（稳态）：被调量不随时间变化的平衡状态。 – 动态：被调量随时间变化的不平衡状态。 – 调节过程（过渡过程）：控制系统在受到某一扰动后， 被调量偏离原来的稳态值产生偏差，系统的控制作用 又使其趋近于原来的稳态值。 – 调节过程的本质就是在控制设备的控制作用下，克服 扰动的影星，从动态重新进入稳态的过程。 – 结论：调节过程能够反映调节系统工作品质的好坏。
微分调节的定义：使执行机构的位移μ与偏差 信号e的变化速度成比例。
de Td dt Td 微分时间常数
动作规律：根据偏差的变化趋势进行控制。 特点： a.具有“超前”偏差变化量的作用(有迟延对象) 。 b.根据变化趋势进行调节，可以有效克服调节过头现象， 减小动态偏差，改善调节品质。 c.过程结束后 ，故不能 单独使用。