热工过程自动化
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热工过程自动化的地位
主 设 备 区 域 热 控 区 域
炉
机
控制装置
电
运 行 集 控 室
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Page 1
本课程内容
基础知识： 第一章的内容 控制系统的基本原理： 单元机组负荷控制极其子系统： 主控（第二章、第三章、第四章） 子系统（第五章、第六章、第七章、第 八章）
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Page 17
基础知识----自动调节术语
被调对象：指被调节的生产设备或生产过程 被调量：生产过程中需要维持为恒定值或在一定范围内变化的物理量 给定值：根据生产工艺要求，被调量应达到的数值 调节量（或叫调节手段）：由调节机构来改变，以控制被调量的变化，使被 调量恢复为给定值的物理量 调节机构：根据调节信号去改变调节量大小的设备 扰动：引起被调量偏离其给定值的各种原因 ，分内扰和外扰 测量变送单元（测量变送器）： 调节控制单元（调节器）：
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Page 19
基础知识----自动调节系统的分类
按调节系统的结构（或控制方式）分类 •开环控制系统（前馈控制系统） 概念：
结构框图：
扰动 调节器
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Page 20
调节对象
基础知识----自动调节系统的分类
•闭环控制系统（反馈控制系统） 概念： 热工过程的调节系统都必须含有闭环控制系统 结构框图：
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Page 29
基础知识----自动调节系统的品质指标
三、品质指标： 稳定性 准确性 快速性
1、稳定性
•指标：衰减率ψ
y m3 y m1- ym3 •定义： ψ = = 1ym1 ym1
•ψ 与系统稳定性关系：
以 （b）曲线分析
•实际的热工控制要求ψ =0.75~0.9之间（4：1到10：1）
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Page 5
基础知识----传统自动化的内容
自动报警、热工保护及联锁
在某些重要的被控热工参数偏离正常值时，为引起运行人员的注 意，及时处理异常，在控制室内设有灯光、音响报警信号。各系 统设备发生故障、异常或联锁保护动作时，均会有灯光音响报警 ，以便引起运行人员注意及时处理，防止事故的产生或扩大，以 保证机组运行的安全。传统的自动报警系统采用报警灯、电铃、 电笛、光子牌等设备来实现 目前单元机组广泛使用DCS控制系统，其报警系统采用在CRT 上用画面的方法实现，有的机组辅以多媒体来产生多种声音效果
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Page 6
基础知识----传统自动化的内容
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Page 7
基础知识----传统自动化的内容
机组在运行过程中，有时由于设备、系统本身的问题或运行人员 操作不当，设备和被控参数异常，为了避免事故扩大、设备损坏 和人身伤亡事故的发生，机组都设有各种保护装置，例如，锅炉 炉膛的灭火保护、汽轮机的超速保护等。随着机组容量的增大， 保护措施也越来越多而且越来越先进，例如锅炉炉膛安全监控系 统（FSSS）、菲利蒲和本特利的汽轮机监视保护系统已被广泛应 用于大型单元机组上。 联锁也是热工保护的一部分。联锁主要针对辅机的保护 在目前采用DCS控制系统的机组，联锁与顺控并无严格的界限， 大多数DCS系统在进行开关量控制软件组态时，把联锁作为顺序 控制系统（SCS）的一部分。
发生在调节侧的扰动，称为内 扰
发生在负荷侧的扰动，称为外 扰
执行单元（执行器）：
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Page 18
基础知识----自动调节系统的分类
随着对象的不同，相应的对调节系统的设计要求不同，为了便 于区分和分析调节系统，有必要对调节系统进行分类,不同的分 类方式，调节系统的类型名称不同。 按给定值的变化规律分类 •定值调节系统（恒值调节系统） •程序调节系统 •随动调节系统
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Page 3
基础知识----传统自动化的内容
I类：为保证机组安全、经济运行必须检测的参数，缺少其中任一参数的检测 仪表，都不允许机组投人运行或只能短时运行。例如饱和蒸汽压力，过热蒸汽 压力和温度，汽包水位等均属于I类参数。用来检测这些参数的仪表称为主要 仪表。 II类：为进行经济分析和核收费用的参数，称为重要参数。缺少这些参数的检 测仪表，机组运行的经济性将无法考核，电厂用户的费用无法核收。检测这些 参数的仪表称为重要仪表。例如过热蒸汽流量、给水流量、给水温度、排烟温 度等均属于I类参数。 III类：为分析以上两类参数中的问题需要检测的相关参数称为辅助参数，其检 测仪表称为辅助仪表。炉水电导率、凝结水温度、减温水流量等均为辅助参数 IV类：只有在机组启动过程中才需要特别监视的参数，检测这些参数的仪表称 为启动仪表。如汽包壁温度、法兰加热蒸汽压力、汽缸热膨胀指示值等均属于 启动参数。
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Page 8
基础知识----传统自动化的内容
顺序控制与远方控制
根据预先拟定的程序条件和时间要求，使单元机组的主、辅机系 统涉及到的设备自动地依次进行启动、停止及其他一系列操作， 这一控制过程称为顺序控制。
机组在启停、事故处理过程中，以及机组改变运行方式或系统处 于手操状态时，运行人员需要在控制室对辅机、阀门、挡板等进 行远距离的操作和控制，这一工作过程称为远方控制。自动化程 度再高的机组，远方控制手段也是必不可少的。
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Page 4
基础知识----传统自动化的内容
自动调节
自动地维持一个或几个能够表征热力设备正常工作状况的物理量 为规定值。由于生产过程经常受到各种因素的干扰和影响，运行 工况发生偏离，必须通过自动调节达到正常运行的要求。因此， 自动调节是经常起作用的一种自动控制手段。
自动调节必须依赖自动调节设备或装置来完成
BCS
FSS
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Page 10
基础知识----自动化调节系统的组成
人工调节与自动调节
代替人眼 代 替 人 脑
代替人手
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以上调节过程可用方框图描述
基础知识----自动化调节系统的组成
调节系统方框图
概念1：调节系统中各设备之间相互作用与信号传递关系的示 意图称为调节系统的方框图
•实际的热工调节系统希望两个偏差越小越好
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Page 32
基础知识----自动调节系统的品质指标
3、快速性 •概念： •指标：过渡过程时间ts •ts的计算
被调量y偏离定值的±5%或±2%时对应的时间
•ts越短，控制过程进行的越快，品质越好
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基础知识----自动化调节系统的组成
调节系统方框图
四要素图示：
x
x1 + x3
+ x2 -
x x x
(c)
x W
y
(a)
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(b)
(d)
基础知识----自动化调节系统的组成
调节系统方框图
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基础知识----自动化调节系统的组成
概念2：方框图四要素----信号线、信号综合点、信号分支 点和环节。
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基础知识----自动化调节系统的组成
调节系统方框图
四要素概念：
信号线：用箭头表示信号“x”的传递方向的连接线，方框图中的信号线只是 表示环节之间信号的传递关系，不代表实际的物质和能量的流动
相加点（又叫信号综合点或比较环）：表示求两个或两个以上信号的代数 和，在相加点相加的变量必须量纲相同 分支点：表示把信号“x”分两路或两路以上取出 环节：即方框图中的一个方框，方框图中的每一个方框即代表一个环节。 环节表示系统中一个元件或一个设备，或者几个设备的组合体。箭头指向 方框的信号x为环节的输入信号，箭头离开方框的信号y为环节的输出信号
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Page 9
基础知识----现代自动化的内容
随着DCS系统在单元机组中的广泛应用，现代的热工自动化的内容 已不再沿袭传统热工自动化内容的分类方法了，但他们有一种对 应关系 DAS-----------------自动检测 MCS（CCS）----------自动调节 SCS--------------顺序与远方控制 FSSS（BMS）---自动报警、热工保护及联锁 DEH----------自动调节 MEH ----------自动调节 BPCS ----------自动调节 ETS ---自动报警、热工保护及联锁 ECS ----------自动调节
结构框图：
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基础知识----自动调节系统的分类
•串级控制系统 概念： 含有多个调节器（一般为两个）并且前一个调节器的输出是 下一个调节器的输入的控制系统， 结构框图：
调节器1 给定值 调节器2 调节对象 被调量
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Page 26
基础知识----自动调节系统的品质指标
结构框图：
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Page 23
基础知识----自动调节系统的分类
•多回路控制系统
概念：
结构框图：
调节器1 给定值 调节器2 调节对象 被调量
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Page 24
基础知识----自动调节系统的分类
按调节器的个数和连接方式分类 •单级控制系统 概念： 只含有一个调节器的控制系统
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基础知识----自动调节系统的品质指标
稳定性分析曲线：
第一峰值
第三峰值
Y（∞）
ts
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基础知识----自动调节系统的品质指标
2、准确性 •概念： •指标：静态偏差和最大动态偏差 静态偏差：概念： e （ ∞） = y （ ∞） 最大动态偏差：概念： ym = ym1+y（∞）
调节系统方框图
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基础知识----自动化调节系统的组成
自动调节系统组成
测量变送单元
自动调 节装置 调节控制单元（现代为DCS）
自动调 节系统
自动调 节对象
执行单元
单容对象（一阶）
有自平衡能力 无自平衡能力
多容对象（高阶） 有自平衡能力 无自平衡能力
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调节系统的性能优劣，通过品质指标反映，性能好的调节系统， 其抗干扰能力强。分析品质指标必须先清楚有关概念
一、概念： 扰动信号：斜波、脉冲、阶跃，其中阶跃扰动输入信号最剧烈和典型，
热工控制系统把对阶跃扰动干扰的反应作为判别系统抗干扰能力好坏的标 准。
静态（稳态）： 动态： 过渡过程（调节过程）：
一个稳定的调节系统，当受到干扰信号的作用，其平衡状态被打破， 经过调节系统的调节作用，系统又重新回到稳定状态的过程。一个调节系 统的优劣在稳态下难以判别，只有在过渡过程中才能得以鉴别，过渡过程 都以阶跃输入信号作为扰动信号。
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基础知识----自动调节系统的分类
•复合控制系统（前馈---反馈控制系统） 概念：
结构框图：
扰动
前馈调节器
反馈调节器 给定值
调节阀
调节对象
被调量
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基础知识----自动调节系统的分类
按调节系统的闭合回路数目分类 •单回路控制系统 概念：
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基础知识----自动调节系统的品质指标
二、四种过渡过程：
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基础知识----自动调节系统的品质指标
四种过渡过程分析： （a）ψ =1，非振荡过程（非周期），稳定的过程，不理想。 （b）0<ψ <1，衰减振荡过程，稳定的过程，最理想。 （c）ψ =0，等幅振荡过程，临界过程，一般不采用。 （d）ψ <0，发散振荡过程，不稳定的过程，不采用。 控制系统希望采用具有稳定过渡过程的调节系统，其中以衰 减振荡过程（b）为最好
Page 2
基础知识----传统自动化的内容
自动检测
对反映热力生产过程运行状态的各种参数(量)，例如压力、温度、 流量、液位、气体成分等，以及表征设备工作状况的参数进行自动 的检查、测量和监视称为自动检测。 自动检测获取的热工参数通常用于以下两个方面。其一，用于监 视显示，作为运行人员监督和操作机组正常运行的重要依据，常 用的自动检测装置显示设备有模拟式仪表、数字式仪表以及CRT 显示器等；其二，用于自动控制系统作为被调量、冲量、补偿修 正值等，自动控制系统控制质量的高低，不仅仅取决于控制设备 、控制装置和控制系统设计的质量，在很大程度上还要依赖于被 测参数信号的准确性。质量再高的自动控制系统，如果没有一个 好的检测系统与之相配合，就不会有高质量的过程控制。而且许 多记录仪表的数值记录又是机组进行经济核算和事故分析的重要 依据。
主 设 备 区 域 热 控 区 域
炉
机
控制装置
电
运 行 集 控 室
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基础知识： 第一章的内容 控制系统的基本原理： 单元机组负荷控制极其子系统： 主控（第二章、第三章、第四章） 子系统（第五章、第六章、第七章、第 八章）
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基础知识----自动调节术语
被调对象：指被调节的生产设备或生产过程 被调量：生产过程中需要维持为恒定值或在一定范围内变化的物理量 给定值：根据生产工艺要求，被调量应达到的数值 调节量（或叫调节手段）：由调节机构来改变，以控制被调量的变化，使被 调量恢复为给定值的物理量 调节机构：根据调节信号去改变调节量大小的设备 扰动：引起被调量偏离其给定值的各种原因 ，分内扰和外扰 测量变送单元（测量变送器）： 调节控制单元（调节器）：
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按调节系统的结构（或控制方式）分类 •开环控制系统（前馈控制系统） 概念：
结构框图：
扰动 调节器
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调节对象
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•闭环控制系统（反馈控制系统） 概念： 热工过程的调节系统都必须含有闭环控制系统 结构框图：
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三、品质指标： 稳定性 准确性 快速性
1、稳定性
•指标：衰减率ψ
y m3 y m1- ym3 •定义： ψ = = 1ym1 ym1
•ψ 与系统稳定性关系：
以 （b）曲线分析
•实际的热工控制要求ψ =0.75~0.9之间（4：1到10：1）
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自动报警、热工保护及联锁
在某些重要的被控热工参数偏离正常值时，为引起运行人员的注 意，及时处理异常，在控制室内设有灯光、音响报警信号。各系 统设备发生故障、异常或联锁保护动作时，均会有灯光音响报警 ，以便引起运行人员注意及时处理，防止事故的产生或扩大，以 保证机组运行的安全。传统的自动报警系统采用报警灯、电铃、 电笛、光子牌等设备来实现 目前单元机组广泛使用DCS控制系统，其报警系统采用在CRT 上用画面的方法实现，有的机组辅以多媒体来产生多种声音效果
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机组在运行过程中，有时由于设备、系统本身的问题或运行人员 操作不当，设备和被控参数异常，为了避免事故扩大、设备损坏 和人身伤亡事故的发生，机组都设有各种保护装置，例如，锅炉 炉膛的灭火保护、汽轮机的超速保护等。随着机组容量的增大， 保护措施也越来越多而且越来越先进，例如锅炉炉膛安全监控系 统（FSSS）、菲利蒲和本特利的汽轮机监视保护系统已被广泛应 用于大型单元机组上。 联锁也是热工保护的一部分。联锁主要针对辅机的保护 在目前采用DCS控制系统的机组，联锁与顺控并无严格的界限， 大多数DCS系统在进行开关量控制软件组态时，把联锁作为顺序 控制系统（SCS）的一部分。
发生在调节侧的扰动，称为内 扰
发生在负荷侧的扰动，称为外 扰
执行单元（执行器）：
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随着对象的不同，相应的对调节系统的设计要求不同，为了便 于区分和分析调节系统，有必要对调节系统进行分类,不同的分 类方式，调节系统的类型名称不同。 按给定值的变化规律分类 •定值调节系统（恒值调节系统） •程序调节系统 •随动调节系统
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I类：为保证机组安全、经济运行必须检测的参数，缺少其中任一参数的检测 仪表，都不允许机组投人运行或只能短时运行。例如饱和蒸汽压力，过热蒸汽 压力和温度，汽包水位等均属于I类参数。用来检测这些参数的仪表称为主要 仪表。 II类：为进行经济分析和核收费用的参数，称为重要参数。缺少这些参数的检 测仪表，机组运行的经济性将无法考核，电厂用户的费用无法核收。检测这些 参数的仪表称为重要仪表。例如过热蒸汽流量、给水流量、给水温度、排烟温 度等均属于I类参数。 III类：为分析以上两类参数中的问题需要检测的相关参数称为辅助参数，其检 测仪表称为辅助仪表。炉水电导率、凝结水温度、减温水流量等均为辅助参数 IV类：只有在机组启动过程中才需要特别监视的参数，检测这些参数的仪表称 为启动仪表。如汽包壁温度、法兰加热蒸汽压力、汽缸热膨胀指示值等均属于 启动参数。
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顺序控制与远方控制
根据预先拟定的程序条件和时间要求，使单元机组的主、辅机系 统涉及到的设备自动地依次进行启动、停止及其他一系列操作， 这一控制过程称为顺序控制。
机组在启停、事故处理过程中，以及机组改变运行方式或系统处 于手操状态时，运行人员需要在控制室对辅机、阀门、挡板等进 行远距离的操作和控制，这一工作过程称为远方控制。自动化程 度再高的机组，远方控制手段也是必不可少的。
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自动调节
自动地维持一个或几个能够表征热力设备正常工作状况的物理量 为规定值。由于生产过程经常受到各种因素的干扰和影响，运行 工况发生偏离，必须通过自动调节达到正常运行的要求。因此， 自动调节是经常起作用的一种自动控制手段。
自动调节必须依赖自动调节设备或装置来完成
BCS
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人工调节与自动调节
代替人眼 代 替 人 脑
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调节系统方框图
概念1：调节系统中各设备之间相互作用与信号传递关系的示 意图称为调节系统的方框图
•实际的热工调节系统希望两个偏差越小越好
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3、快速性 •概念： •指标：过渡过程时间ts •ts的计算
被调量y偏离定值的±5%或±2%时对应的时间
•ts越短，控制过程进行的越快，品质越好
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调节系统方框图
四要素图示：
x
x1 + x3
+ x2 -
x x x
(c)
x W
y
(a)
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概念2：方框图四要素----信号线、信号综合点、信号分支 点和环节。
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四要素概念：
信号线：用箭头表示信号“x”的传递方向的连接线，方框图中的信号线只是 表示环节之间信号的传递关系，不代表实际的物质和能量的流动
相加点（又叫信号综合点或比较环）：表示求两个或两个以上信号的代数 和，在相加点相加的变量必须量纲相同 分支点：表示把信号“x”分两路或两路以上取出 环节：即方框图中的一个方框，方框图中的每一个方框即代表一个环节。 环节表示系统中一个元件或一个设备，或者几个设备的组合体。箭头指向 方框的信号x为环节的输入信号，箭头离开方框的信号y为环节的输出信号
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随着DCS系统在单元机组中的广泛应用，现代的热工自动化的内容 已不再沿袭传统热工自动化内容的分类方法了，但他们有一种对 应关系 DAS-----------------自动检测 MCS（CCS）----------自动调节 SCS--------------顺序与远方控制 FSSS（BMS）---自动报警、热工保护及联锁 DEH----------自动调节 MEH ----------自动调节 BPCS ----------自动调节 ETS ---自动报警、热工保护及联锁 ECS ----------自动调节
结构框图：
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•串级控制系统 概念： 含有多个调节器（一般为两个）并且前一个调节器的输出是 下一个调节器的输入的控制系统， 结构框图：
调节器1 给定值 调节器2 调节对象 被调量
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•多回路控制系统
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结构框图：
调节器1 给定值 调节器2 调节对象 被调量
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按调节器的个数和连接方式分类 •单级控制系统 概念： 只含有一个调节器的控制系统
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稳定性分析曲线：
第一峰值
第三峰值
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2、准确性 •概念： •指标：静态偏差和最大动态偏差 静态偏差：概念： e （ ∞） = y （ ∞） 最大动态偏差：概念： ym = ym1+y（∞）
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自动调节系统组成
测量变送单元
自动调 节装置 调节控制单元（现代为DCS）
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自动调 节对象
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有自平衡能力 无自平衡能力
多容对象（高阶） 有自平衡能力 无自平衡能力
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调节系统的性能优劣，通过品质指标反映，性能好的调节系统， 其抗干扰能力强。分析品质指标必须先清楚有关概念
一、概念： 扰动信号：斜波、脉冲、阶跃，其中阶跃扰动输入信号最剧烈和典型，
热工控制系统把对阶跃扰动干扰的反应作为判别系统抗干扰能力好坏的标 准。
静态（稳态）： 动态： 过渡过程（调节过程）：
一个稳定的调节系统，当受到干扰信号的作用，其平衡状态被打破， 经过调节系统的调节作用，系统又重新回到稳定状态的过程。一个调节系 统的优劣在稳态下难以判别，只有在过渡过程中才能得以鉴别，过渡过程 都以阶跃输入信号作为扰动信号。
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扰动
前馈调节器
反馈调节器 给定值
调节阀
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二、四种过渡过程：
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四种过渡过程分析： （a）ψ =1，非振荡过程（非周期），稳定的过程，不理想。 （b）0<ψ <1，衰减振荡过程，稳定的过程，最理想。 （c）ψ =0，等幅振荡过程，临界过程，一般不采用。 （d）ψ <0，发散振荡过程，不稳定的过程，不采用。 控制系统希望采用具有稳定过渡过程的调节系统，其中以衰 减振荡过程（b）为最好
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自动检测
对反映热力生产过程运行状态的各种参数(量)，例如压力、温度、 流量、液位、气体成分等，以及表征设备工作状况的参数进行自动 的检查、测量和监视称为自动检测。 自动检测获取的热工参数通常用于以下两个方面。其一，用于监 视显示，作为运行人员监督和操作机组正常运行的重要依据，常 用的自动检测装置显示设备有模拟式仪表、数字式仪表以及CRT 显示器等；其二，用于自动控制系统作为被调量、冲量、补偿修 正值等，自动控制系统控制质量的高低，不仅仅取决于控制设备 、控制装置和控制系统设计的质量，在很大程度上还要依赖于被 测参数信号的准确性。质量再高的自动控制系统，如果没有一个 好的检测系统与之相配合，就不会有高质量的过程控制。而且许 多记录仪表的数值记录又是机组进行经济核算和事故分析的重要 依据。