自动调节的基础知识

第七章自动调节的基础知识

火力发电厂的锅炉、汽轮机组在正常运行中有大量的热工参数需要进行调节与控制。从安全和经济考虑，总希望运行工况能够始终保持在最佳状态，即把一系列工艺过程参数(物理量)的数值控制在合适的范围内。

工艺过程参数的调节和控制一般有两种方式，即人工调节与自动调节。生产过程中靠运行人员眼睛观察被调参数的数值及其变化情况(变化的方向与速率)，经过大脑分析判断，再用手去操纵有关的调节机构，使被调参数稳定在规定值附近。上述过程中从参数的监视、分析判断到操作，是完全依靠人工进行的，因而称为人工调节(手动调节)。随着科学技术的发展，采用技术先进、节能省力的自动化装置代替人去进行调节，这种方式称为自动调节方式。在自动调节设备中，检测仪表相当于人的耳目，调节仪表相当于人的大脑，执行器则相当于人的手。

第一节自动调节的基本概念

一、常用术语与调节系统的分类

1．常用术语

(1)自动调节系统。调节设备和被调对象构成的具有调节功能的统一体，称为自动调节系统。

(2)被调对象。被调节的生产过程或工艺设备称为被调对象，简称调节对象或对象。

(3)被调量。被调对象中需要加以控制和调节的物理量，称为被调量或被调参数。不能把对象中流人和流出的物质(如水、汽等工作介质)当作被调对象的被调量。

(4)给定值。根据生产过程的要求，规定被调量应达到并保持的数值，称为被调量的给定值(或目标值)。

(5)扰动。引起被调量偏离给定值的各种因素称为扰动。阶跃变化的扰动称为阶跃扰动。

(6)调节量。由调节作用来改变并抑制被调量变化(使被调量恢复为给定值)的物理量，称为调节量。

2．调节系统的分类

生产过程自动调节系统应用广泛、形式多样，其分类方法也很不一致，现将常用的调节系统分类叙述如下。

(1)按给定值的特点分类

①定值调节系统：给定值在系统工作过程中是恒定的。扰动作用使被调量偏离给定值，在调节过程结束后被调量能恢复到(或接近)给定值。锅炉的汽温、汽压等调节系统属于这类系统。

②随动调节系统：被调量的给定值既不恒定又不按预的规律变化，而是决定于某些外来因素。例如，锅炉启动时，根据某些部件的温度或应力变化随时确定升温、升压的速度，这时的汽温、汽压调节系统属于随动调节系统。

③程序调节系统：被调量的给定值是根据生产过程的工艺要求，按预先确定的时间函数变化的。例如，在锅炉按升温、升压曲线启动的过程中，汽温、汽压调节系统属于程序调节系统。

(2)按调节系统的结构分类

①开环调节系统：输出量与输入量之间不存在反馈回路的系统，称为开环调节系统。

②闭环调节系统：输出量和输入量之间存在反馈回路的系统，称为闭环调节系统。

③复合调节系统：系统中有开环调节作用又有闭环调节作用的系统，称为复合调节系统。

其调节效果比一般的闭环调节系统更好。

（3）按系统中闭环回路的数量分类

①单回路调节系统：系统中只有一个被调量信号反馈到调节器的输入端，形成一个闭

合回路。这种系统适用于简单的调节对象。

②多回路调节系统：系统中有两个或两个以上的输出信号被反馈到调节器的输入端，从而形成两个或两个以上闭合回路的系统，属于多回路调节系统。

(4)按系统的输出量与输入量之间的关系分类

①线性调节系统：系统的输出量和输入量之间的关系是线性的。

②非线性调节系统：系统的一些环节具有非线性特性（如饱和、死区、回线特性等)。

二、调节系统的原理方框图

调节系统原理方框图是一种描述系统组成及变换的方法，对于系统特性的分析和综合是非常方便的。在方框图中，用方框表示各种环节，环节之间信号的传递方向则用带箭头的线段来表示。符号

表示信号的叠加点，称为比较器。箭头指向 的表示比较器的输入量，箭头离开 的表示比较器的输出量，输出量等于各输入量的代数和。

方框图清楚地表示出自动调节系统中信号在各环节之间的传递方向和顺序，表示出系统的动态结构。对每个环节而言，输入量和输出量是确定的，并且输入量的变化会引起输出量的变化，而输出量则不会反过来影响输入量。这种特点称为调节系统的单向性。

任何一个调节系统或复杂的环节，都可看成是由若干个比较简单的环节组成的。系统的特性是由这些简单环节的特性综合而成的。方框之间的基本联接方式有串联、并联和反馈联接。方框图可按一定的规则进行变换。其变换的原则是，某一个方框的输出端常接有一个或一个以上的方框，如果后面的方框对其前面方框的输出没有影响(或影响可忽略)，则前面的方框可独立考虑；一个方框图中所有方框都可以独立考虑，则这个方框图科进行简化。 图7-1(a)是两个串联的比例环节，它可用图7-1(b)来等效。

(a) (b)

图7-1串联方框图的简化

(a)串联的等效（b ）并联的等效

所谓等效，是指对信号x 和y 的关系来说，变换后与变换前是完全相同的。如串联的两个方框的放大系数分别为K 1和K 2，则信号x 和y 之间有如下的关系：

x x '=K 1； '

x y =K 2 综合以上两式，可得 x

y =K 1K 2 上式中的K ，K ：便是等效方框的放大系数。

由此可知，几个串联环节的等效方框，其放大系数等于各串联方框各自的放大系数的乘积。

图7-2(a)是两个比例环节的并联方框图，其等效方框图如图了7-2(b)所示。由图7-2(a)的信号传递关系可写出以下关系式：

x x '= K 1；x

x ''= K 2；y = 'x +''x

综合以上三式，可得 x y = K 1+ K 2

(a) 图7-2并联方框图的简化 (b)

（a ）并联方框图；（b ）等效方框

由此可知，并联环节等效方框的放大系数等于各并联方框各自的放大系数的代数和。

图7-3(a)是一个负反馈系统方框图，其等效方框图如图7-3(b)所示。由图7-3(a)的信号传递关系可写出以下关系式：

y = K 1 (x-'y )；'y = K 2y

（a ） (b)

图7-3 负反馈系统方框图的简化

（a ） 负反馈系统方框图；（b ）等效方框 综合以上两式，可得图7-3（b ）等效方框的放大系数表达式：

x y = 2

111K K K + 式中，1K 为正向环节的放大系数，2K 为反馈环节的放大系数。当21K K >>1时，则有

y = 2111K K x K +≈2

K x 上式说明，深度负反馈系统的输出量和输入量的关系仅由反馈环节的特性所决定，而与正向环节的特性无关。

以上是以比例环节为例说明等效变换的方法，对于其他各类环节，这些方法仍然适用。

三、调节过程的品质指标

调节过程的品质指标是衡量调节系统在动态和静态时工作质量的一些标准，可以用调节系统受到单位阶跃扰动后被调参数的过渡过程曲线来分析。

过渡过程是指在调节系统受到干扰作用，被调参数偏离给定值时，调节系统的调节作用使被调量恢复到新的稳态的过程。图7—4表示在单位阶跃扰动下的几种典型的过渡过程曲线。对于过渡过程，可从稳定性、快速性和准确性三个方面进行分析。