自动控制系统基本知识

自动控制系统基本知识
一、引言
传统的水处理过程是一个复杂的非线性、多变量的控制过程,传统水处理控制多采用常规的仪表控制,以手动控制为主,依靠操作工人的知识和经验。

这种方式水处理质量不稳定,劳动生产率低,系统信息分散。

为了提高水处理质量,降低水处理成本,必须应用先进的自动控制设备和技术,设计全自动控制的水处理系统。

自动调节系统在电力生产过程中起着重要作用，以下将结合化学水处理介绍自动调节系统。

二、自动调节系统及其组成
1、人工调节和自动调节
在化学水处理系统向热力系统补水时，基本要求是维持水箱(称为调节对象)中的水位(称为被调量)在规定范围内。

引起水位变化的直接原因是生水量(称为流人量)和补充到系统中的软化水量(称为流出量)的平衡关系受到了破坏。

由运行人员观察仪表上指示的水位值，调整软化器入口的手动调节阀的开度，使水箱水位恢复到规定值(称为给定值)。

这种由人来直接进行的调节过程称之为人工调节。

若用一套自动调节装置来代替上述人工操作，就叫做自动调节。

自动调节装置包括三个部分:
（1）测量部件(变送器)：用来测量被调量的大小，能把被调量信号转换成与其成比例的电流或电压信号。

这部分的功能相当于人眼睛的作用。

在电厂化学水处理方面，常见的测量部件是液位计、流量计、pH表、电导率表等。

（2）运算部件(调节器)：接受测量部件送来的被调量信号，并把它与定值器送来的给定值进行比较，当被调量与给定值有偏差时，调节器按某种或几种运算规律进行运算，并根据运算结果发出调节信号。

（3）执行机构(执行器)：按照调节器送来的调节信号去控制调节机构，如阀门、伺服电动机等。

2、自动调节系统的组成
自动调节装置和所控制的生产设备(即调节对象)联接起来，就构成一个自动调节系统。

火电厂中化学水处理软化系统往工业冷却水系统补水的自动调节系统，其调节对象是软化水箱，被调量是软化水箱水位。

软化水输出量及生水量是软化水箱环节的输入信号，又称输入量；软化水箱水位是软化水箱环节的输出信号，又称输出量。

每个环节都有输入量和输出量。

每个环节的输入量是引起它的输出量变化的原因，或者说输出量的变化是输人量变化的结果。

水处理系统环节并不代表某一部件或设备的具体结构，输人量和输出量也并不代表流人或流出某一设备的物质或能量。

如软化水输出量的变化能引起水位的变化，而水位的变化不能影响软化水输出量的变化。

生水流量变化不是水位变化通过水箱环节的逆作用引起，而是执行机构作用的结果。

3、自动调节系统的分类
1.按给定值信号的特征分类
（1）定值调节系统，这种系统在运行中，其被调量的给定值保持恒定，因而调节的结果，被调量也基本不变。

定值调节系统应用最多，如除氧器的压力自动调节系统、汽包水位
自动调节系统等。

（2）随动调节系统。

这种系统的被调量给定值不是预先设定的，而是，随某些因素的变化而变化的，因此系统的愉出量也是以一定的准确度跟随给定值变化的。

如锅炉在滑压运行中，主蒸汽压力的给定值随外界负荷变化，其变化规律是未知的，因而主蒸汽压力(被调量)也是跟随其给定值变化的。

（3）程序调节系统。

这种系统的给定值是预先规定的时间函数，如汽轮机启动过程中的转速给定值随时间的变化规律是预先拟定的，因此汽轮机地实际转速也是按预先拟定的规律变化的。

2.按工作原理分类
（1）反馈调节系统。

这种系统是根据被调量与其给定值之间的偏差进行调节的，最后消除偏差。

简单地说，就是“根据偏差来消除偏差”。

为了取得偏差信号，必须要有被调量测量值的反馈信号，将系统构成闭合回路，如果系统由一个以上的反馈信号组成一个以上的闭合回路，则称为多回路反馈系统。

（2）前馈调节系统。

这种系统是根据扰动信号进行调节的，即根据扰动量大小，系统产生调节作用去补偿(抵消)扰动对被测量的影响，简单地说是“扰动补偿”。

在一个前馈调节系统中，扰动量是造成被调量变化的原因，前馈调节器在扰动出现的同时根据扰动信号进行调节，及时抵消扰动对被调量的影响。

如果能完全抵消，被调量就保持不变。

在前馈调节中。

设有被调量的反馈信号，所以系统是非闭环的，因此也称开环调节系统。

前馈调节系统的特点是，其调节速度大于偏差调节，可以有效地抑制被调量的变化；没有被调量反馈作用，调节结束后不能保证被调量等于给定值。

这种系统实际上不能单独应用，但在反馈系统中加入前馈调节，可以提高调节质量。

（3）前馈—反馈调节系统。

这种系统针对主要扰动采用前馈调节，调节性能大为改善，反馈调节可消除被调量的稳态。

二、自动调节系统的过渡过程
1、系统的静态和动态
在自动调节系统中，把被调量不随时间变化的平衡状态称为系统的静态，把被调量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。

系统处于静态时，各参数的变化率为零，即参数保持不变。

当系统受到干扰作用静态被破坏了时，调节器等自动调节装置会改变调节参数以克服干扰作用的影响，使系统恢复平衡。

2、系统的过渡过程
自动调节系统处于动态时，被调参数随时间变化的过程称为自动调节系统的调节过程或过渡过程，即系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。

在过渡过程中，被调量随时间变化的曲线称为过渡过程曲线，它是分析对象动态特性的曲线，对于一个自动调节系统，不管是在设计、还是在运行阶段，评价系统质量的依据主要是系统的过渡过程。

在生产过程中出现的干扰没有固定形式，属于随机性质。

在分析和设计过程中，为了安全和方便，通常假设一些典型的干扰形式，其中最常用的是阶跃干扰。

阶跃干扰就是当t=t c 时，在系统的输人端突然加上一个阶跃信号。

并保持不变。

如果一个系统能很快地克服阶跃干扰的影响，那么其他形式干扰的影响就不难克服。

另外，这种干扰简单，容易实现，便于分析、实验和计算。

对于不同的调节系统，往往是在相同的阶跃输人作用下，比较它们的输出信号(被调量)的变化情况，从而比较调节过程的优劣。

最理想的情况是调节后被测量很快回到给定值上，
但实际上是办不到的，一般被调量表现为衰减振荡过程。

1.稳定的调节过程
生产过程受到扰动后，经过调节能够达到新的平衡状态，即被调量能够达到新的稳定数值一，此调节过程为稳定的调节过程。

稳定调节过程又分为衰减振荡和非周期过程两种。

衰减振荡过程，被调量要经过几次波动才能衰减而趋于稳定；非周期过程，被调量没有波动就平稳缓慢地回到给定值，或者被调量与给定值之差值在允许范围内。

2.不稳定的调节过程
如果被调量是振荡的，那么调节过程为不稳定的调节过程。

发散振荡过程，被调量随时间的增长而无限增加，并激烈地波动，这是人们不希望的；等幅振荡过程，被调量始终以某一幅值上下波动，这种过程也是不好的。

3、调节系统的品质指标
从生产过程的要求看，希望自动调节系统能随时保证被调量和给定值相等，不受任何干扰的影响，而事实上在调节过程中被调量总是要发生变化的。

那么，衡量一个调节过程，一般用稳定性、准确性和快速性三个指标来衡量。

1.稳定性
通常用衰减率这个概念来定量表示调节系统的稳定性。

衰减率是指每经过一个周期，被调量波动幅值衰减的百分数。

2.准确性
调节过程的准确性可以用被调量的动态偏差和稳态偏差来表示。

（1）动态偏差。

动态偏差是指整个调节过程中被调盘偏离给定值的最大短期偏差，即被调量的第一个波峰高度。

动态偏差越大，偏差时间越长，系统离开规定的生产状态就越远。

（2）稳态偏差。

稳态偏差是指调节过程结束后，被调重与给定值的长期偏差，也称之残余偏差或简称余差，其值可为正，也可为负。

一般，调节系统的稳态偏差愈小愈好，但也不能一概而论，要看具体情况而定。

3.快速性
（1）过渡时间。

从阶跃扰动作用起至被调对象建立新的平衡状态止，这段时间叫做过渡时间。

严格地讲，被调童完全达到新的稳定值需要很长的时间。

实际上，由于仪表灵敏度的限制，当被调量靠近稳定值时，仪表指示值就基本不改变了。

所以在可测量的区域内，在稳定值上下规定一个小的范围，当仪表指示值进人这一范围而不再越出时，就可认为被调量已达到稳定值。

（2）振荡周期或频率。

过渡过程曲线上从第一个波峰到第二个波峰之间的时间叫做周期，周期的倒数称为频率。

在保证一定的衰减率的条件下，一般希望周期越短越好。

周期短就意味着过渡过程时间短，调节的快速性好。