压水堆核电站控制(第三章)

第三章 控制系统 华北电力大学核科学与工程学院
d
r+ 测量部件 偏差信号：给定值信号与被调量信号的差，即e=r-y； e 控制器 u 执行器 调节单元 + +
y
被控对象
控制信号：由控制器运算规律对偏差信号进行运算得到的信号， 即u=f(e)；
控制信号被送到执行器，驱动调节单元，控制被控对象的输入 量，达到调节被调量的目的。
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dh RC h Rqi dt dh L RC h L Rqi dt RCsH s H s RQi s H s R G s Qi s RCs 1
1 st A L A Ae dt A e 0 0 s s R A RC 1 H s RA RCs 1 s s RCs 1
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华北电力大学核科学与工程学院 积分控制规律 • 输出信号与输入信号之间的关系
u(t ) K I e(t )dt
0
t
K I 积分速度 (integral gain)
• 输出信号不仅与输入偏差信号的大小有关，而且还将取决 于偏差存在时间的长短。只有在偏差信号e为0情况下，积 分控制器的输出信号才能相对稳定。消除稳态偏差是积分 控制的主要优点。 • 传递函数
第三章 控制系统 华北电力大学核科学与工程学院 自动控制的意义 1. 保证设备的正常运行； 2. 改进产品质量，提高生产效率，降低成本； 3. 在不适宜人类长时间工作的环境，或者不能接近的特 殊环境里，采用自动控制系统可以改善了工人的劳动条 件和保证操作人员的安全； 4. 完成许多人工、手动操作几乎难以达到的一些复杂而 频繁的操作过程，减轻人的劳动强度。
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c(tp) c(tp )-c(∞) c(∞) td 0.5c(∞) Δ Δ
Δ=0.02c(∞)或0.05c(∞)
tr tp ts
华北电力大学核科学与工程学院 控制器的种类：电动式、液动式、气动式，运用较多的为 电动式。 液压系统可以对大负载产生快速作用和精确定位。电和液 压的组合系统被广泛采用，如电厂的汽轮机控制。 PID(Proportional-Integral-Differential)控制：控制器的运算 部分以反馈或串接的组合方式来实现比例-积分-微分 （PID）运算功能。 • 原理简单，使用方便。 • 适应强。 • 鲁棒性(robustness)强：控制品质对被控对象特性的 变化不大敏感。
第三章 控制系统 华北电力大学核科学与工程学院
自动控制系统的分类
控制作用与时间的关系分类 1. 连续控制系统(continuous control system)：系统中传 递的信号都是时间的连续函数，则称为连续系统。 2. 离散控制系统(discrete control system)：系统中至少有 一处，传递的信号是时间的离散信号(discrete signal)（脉 冲或数字形式, impulse / digital signal ），则称为离散系 统，或采样系统(sampling system)。
华北电力大学核科学与工程学院 3. 动态响应，系统从初始状态到达最终状态的响应过程。对 于系统的阶跃响应，动态性能指标(Dynamic Performance Index)规定如下： 延迟时间td，响应曲线第一次达到稳态值一半所需的时间， 即c(td)=c(∞)/2。 上升时间(rise time)tr，过阻尼系统(Overdamped system)， 通常采用从0上升到100%所需的时间；对于欠阻尼系统 (underdamped system)，通常采用从稳态值的10%上升到 90%所需的时间。 峰值时间(peak time)tp，响应曲线(response curve)达到第 一个峰值所需的时间。 最大超调量(maximum overshoot)Mp，
ì0 t< 0 ï r (t ) = ï í ïA t ³ 0 ï î
r(t) A
t o
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控制规律函数表示 u=f(e) u表示控制器输出，e表示偏差信号。 不同的生产要求需要不同的控制规律。需要根据过渡过程 的品质要求，结合被控对象的特性，才能正确选用适当的 控制规律。 对自动控制系统性能的基本要求 1. 稳定性(stability)：系统开始处于平衡状态(Equilibrium State)，则由于受外力作用（扰动）之后，必将偏离原来 平衡状态，若扰动消失后，系统能够返回它的原来平衡状 态，那么就称这样的系统是稳定的，否则就是不稳定的。 稳定性是所有控制系统的最低要求。自动控制系统必须满 足一定的稳定裕度(stable margin)的要求。 2. 稳态特性(steady-state performance )：系统在动态过 程结束后，系统的稳定输出相对于输出期望值的偏离程度， 通常用稳态误差(steady-state error)表示。
st
1 j 1 st 1 L j s e ds 1 s 2 j
1
1 1 1 1 1 h t L H s RA L L s s 1 RC
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控制器控制规律 1. 控制器的作用：根据被控变量的测量值与给定值之间的 偏差，按预定的控制规律进行运算并发出控制信号，去控 制执行器动作，以实现对生产过程的自动控制。 2. 控制规律：控制器的输入信号和输出信号之间随时间变 化的规律。通常是在阶跃信号的作用下，来研究控制器的 输出随时间的变化规律。 3. 阶跃信号(step signal)
比例带(proportional band)是使控制器输出变化全范围时， 输入偏差改变量在满量程中所占的百分数。比例带的物理 意义是使调节器的输出按比例变化的输入范围。比例带在 数值等于使调节器输出变化百分之百的偏差范围。若调节 器的输入范围大于比例带，则调节器的输出u(t)与e(t)不再 成正比例。 控制器的输出变化量与输入偏差成正比例，在时间上没有 延迟。KP是控制器的放大倍数，比例调节器实质上是一个 增益可调的放大器。 不能直接根据KP判断比例作用的强 弱。
华北电力大学核科学与工程学院 特点：信号双向传递，既有正向控制作用，又有反馈作用， 系统输出量对控制量有直接影响。有较高精度，但是控制 速度较慢（跟系统的特性有关） 在闭环控制系统中, 对系统输出量不断地进行测量并反馈 到系统的输入端与输入量进行比较,产生偏差信号, 按偏差 实现控制。 不论何种原因引起的测量量偏离其给定值而 发生偏差时，就一定有相应的控制作用产生，使偏差得以 消除。 闭环控制又称为反馈控制。反馈控制系统具有抑制内部和 外部各种扰动对系统输出影响的能力。 如：压水堆中R棒控制系统，稳压器的压力和水位控制系 统、蒸汽发生器水位控制系统。
骣(t ) - c ( çc p Mp = ç ç ç ç 桫 c (¥ )
)÷
÷´ 100% ÷ ÷ ÷
调节时间(setting time)ts，系统受到扰动或输入信号作用 后，响应曲线进入稳态值的允许误差范围内并在以后都保 持在这一允许误差范围内，把进入这种进入误差范围所用 的时间称为调节时间。即有，|c(ts)-c(∞)|≤Δ。
t RA 1 e RC

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第三章 控制系统
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控制：为了达到一定的目的，对作为生产过程的设备进行 操作。 人工控制：用人工来完成所需要的操作过程。 自动控制 所谓自动控制，是指在没人参与的情况下，利用控制器或 控制装置的作用使生产过程或控制对象的一个或多个物理 量（受控物理量）维持在一定给定水平或按照期望的规律 变化，以达到控制的目的。 自动控制的涵义既可以是最简的开和关，也可以是复杂的 计算机控制。自动控制的实质，就是利用控制装置模仿人 或代替人去对设备、系统或生产过程等进行各种操作的过 程。 自动控制系统 自动控制系统：由自动控制装置，包括测量部件、控制器 和执行机构等，与被控对象连接在一起构成了自动控制系 统。
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自动控制系统的分类
按描述系统运动的微分方程分类 1. 线性控制系统(linear control system)：描述系统运动的 微分方程是线性微分方程。如方程的系数为常数，则称为 定常线性自动控制系统(linear time-invariant system)；相 反，如系数不是常数而是时间t的函数，则称为变系数线 性自动控制系统(linear time-variant system)。线性系统的 特点是可以应用叠加原理，因此数学上较容易处理。 2. 非线性控制系统(nonlinear control system)：系统中至 少有一个元件具有非线性特性，描述系统的微分方程是非 线性微分方程。非线性系统一般不能应用叠加原理，因此 数学上处理比较困难，至今尚没有通用的处理方法。 注：严格地说，在实践中，理想的线性系统是不存在的， 但是如果对于所研究的问题，非线性的影响不很严重时， 则可近似地看成线性系统。同样，实际上理想的定常系统 也是不存在的，但如果系数变化比较缓慢，也可以近似地 看成线性定常系统。
特点：信号单向传递，在控制装置和被控对象之间只有正向 控制作用, 系统的输出量并不反馈(feedback)到控制装置的 输入端，系统输出量对控制装置不产生任何影响。有较高的 灵敏性和快速性。
华北电力大学核科学与工程学院 采用开环控制方式的系统，它的精度仅取决于组成控制装 置的元器件的精度。这类系统控制精度低，抗干扰能力差。 （如果系统中存在干扰，或者由于控制元器件老化, 均会 导致系统输出发生变化, 使输出值偏离预期值。） 开环控制系统一般适用于干扰不强或可预测、 并且控制精 度要求不高的场合。 如：控制器对电动或气动阀门的直接控制，实验堆启动或 停堆手动控制棒操纵系统。 2. 闭环控制系统(Closed-loop Control System)
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自动控制系统的分类
给定值变化规律 1. 恒值控制系统(constant control system)：给定值为恒 值的系统称为恒值控制系统，或镇定系统。系统的任务是 尽量排除干扰的影响，以一定的准确度使系统输出量与给 定值一致。 2. 随动控制系统(follow-up control system)：给定值为事 先未知的时间函数的系统称为随动系统，或跟踪系统。系 统输入量总在变化，要求系统的输出量能够以一定的准确 度跟随输入量变化。雷达天线控制系统就是典型的伺服控 制系统。 3. 程序控制系统(Program control system)：给定值为事 先给定的时间函数的系统称为程序控制系统。
华北电力大学核科学与工程学院 比例控制规律 u(0)表示偏差为0控制器的输出，输入信号e(t)与输出信号 u(t)之间的关系
u (t ) u (0) K p e(t )
G (s ) U (s ) / E (s ) K p
u (t ) K p e(t )
e / (emax emin ) ? 1 u / (u max u min ) K p
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按照系统的输入和输出信号的数量分类 1. 单输入单输出控制系统：输入输出量各有一个 2. 多输入多输出控制系统：输入或输出量多于一个 输出量是否对系统的控制作用发生影响 1. 开环控制系统(open-loop control system)
输入量 控制量 控制装置 被控对象 输出量（被控量）