?

解:锅炉是火力发电工业中的重要动力源,锅炉汽包水位是其主要的工艺参数。当汽包水位过高时,易使蒸汽带液,会降低蒸汽的质量和产量,而且还会导致汽轮机叶片损坏;当汽包水位过低时,轻则影响汽、水平衡,重则会使锅炉烧干而引起爆炸,因此必须严格控制水位在规定的工艺范围内。

与例1-1水箱液位控制大不相同,汽包水位控制通常比较复杂,如图所示。影响水位变化的主要因素有给水用量和蒸汽用量。蒸汽用量是负荷,随发电需要而变化,是不可控因素,给水流量可作为控制参数,构成汽包水位控制系统。

如果只采用汽包水位构成单闭环控制系统,则由于汽包在运行过程中存在虚假液位现象,即在燃料量不变的情况下,当蒸汽用量(即负荷)突然增加时,会使汽包内的压力突然降低,导致水的沸腾突然加剧,汽泡大量增加,形成水位升高的假象,而实际汽包内的水量是在减少,这时如按照虚假水位高度应该是减少给水量,阀门开度减小,这显然是错误的。

同理,当蒸汽用量突然减少时,会使汽包内的压力上升,水的沸腾程度降低,导致水位降低的假象。无论是哪一种情况,均会引起水位的误动作而影响控制效果。解决这一问题的有效办法是,将蒸汽流量作为前馈控制信号,汽包水位作为反馈控制的被控参数,构成前馈+反馈控制系统。即按照蒸汽用量使阀门加大开度。

? 中,LT:液位传感变送器;LC:液位调节器(液位给定值在其内部设定);FT:流量传感变送器。LTLCFT是过程工业流程图常用的固定符号。

? 注意:在过程工业中的LTLCFT等的信号均转换为国际标准信号传递,如果是电模拟信号,要转换为420mA的直流电流信号;如果是气压信号,要转换成0.020.1MPa的气压信号。如LT——液位传感变送器的作用是将检测到的汽包液位高度转换为420mA的标准电流作为反馈信号。

省煤器:冷水进入汽包之前先通过烟道吸收热量预热,起节能的作用。

该系统的方块图如下图所示。

被控对象:汽包;被控量:汽包水位;检测装置:LTFT;执行机构:调节阀(内含调节器、电/气转换器、气动执行器等)。

瓦特——离心调速器

North China Institute of Science and Technology?

第一章?? 自动控制的一般概念


1. 掌握自动控制的基本概念和控制系统组成;

2. 能够分析系统工作原理,掌握绘制方块图的方法;

3. 了解自动控制系统的基本要求。


基本概念:反馈、开环控制、闭环控制。控制系统组成原理,根据控制系统工作原理图绘制方块图。

反馈原理、控制理论技术术语。

本章主要建立自动控制相关基本概念、名词术语和定义,为后续各章节的学习做准备。首先应清楚这些基本概念。
1-1 自动控制的基本原理与方式
(1)自动控制技术及其应用

???????自动控制:指在无人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(称自动控制装置或控制器),使生产过程 (统称被控对象)的某个工作状态或参数(称被控制量)自动地按照预定的规律运行。

?????? 自动控制目的:提高产品质量;改善劳动条件,减轻劳动强度等。

提高劳动生产率;改善生活质量,探索未知世界。

????? 自动控制的应用:工业自动化、工矿企业、交通运输、农业生产、日常生活等都有应用。

自动控制理论的发展:

????? 1、18世纪(1788),James Watt为控制蒸汽机速度设计的离心式飞球调节器。

????? 2、1868年英国的物理学家Maxwell(1831-1879)在《论调速器》中建立了飞球控制器的微分数学模型。

????? 3、1875年,英国的Routh与德国的Hurwitz先后独立提出稳定性判据。

????? 4、1922年,Minorsky研制船舶操纵自动控制器,并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性。

????? 5、1932年,美藉瑞典人Nyquist提出了一种相当简便的方法,根据对稳态正弦输入的开环响应,确定闭环的稳定性。

????? 6、1934年,Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念。讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的继电式伺服机构。

????? 7、美国W. Evans提出根轨迹法(Root Locus Method) (1948),以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。

???? ?8、美国J. G. ZieglerN. B. Nichols提出PID参数的最佳调整(1942)

????? 9、美国MITN. Wiener研究随机过程的预测(1942),提出Wiener滤波理论(1942),发表《控制论(Cybernetics)》,标志着控制论学科的诞生。

自动控制理论是研究自动控制共同规律的科学,属于技术基础理论,是理论性较强的工程学科

反馈控制原理

反馈控制原理:将被控量的值与期望值进行比较,通过控制器对被控对象施加作用,使被控对象尽可能达到期望值。
? ????
反馈:把取出的输出量送回输入端,并与输入信号相比较产生偏差信号的过程,称为反馈。若反馈的信号与输入信号相减,使产生的偏差越来越小,则称为负反馈;反之,则称为正反馈。反馈控制系统方块图如下:

4. 反馈控制系统的基本组成

??? 反馈控制系统是由各种不同的元部件组成。?
  a) 测量元件:检测被控物理量;?
  b) 给定元件:给出与期望的被控制量相对应的系统输入量(即参据量)
;?
  c) 比较元件:把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较,求出它们之间的偏差
;?
  d) 放大元件:放大偏差信号,用以推动执行元件
;?
  e) 执行元件:直接推动被控对象,使被控量发生变化
;?
  f) 校正元件:也叫补偿元件,以改善系统的性能。?

1.2 控制系统示例

1-1 水箱液位控制系统如图所示。要求在运行中水箱液位高度保持不变。试简述其工作原理,并画出系统原理方块图。






解 被控对象:水箱?????? 被控量:液位

检测元件:浮子?????? ??? ?放大和执行机构:杠杆、控制阀

原理分析:从图可以看出,被控量是h,测量的是e=hr-h,故系统属于负反馈控制方式。其中,hr为系统的给定值,也就是希望的水箱液位高度。

设额定需用流量为Q20,此时对应液位高度h恰好等于给定值hr,由阀门(节门)1的开度决定的进入水箱的流量q1也恰恰等于??? Q20,则系统处于要求的工作状态。

若需用流量发生变化,如关小阀门2,即q2减小,一时进入水箱的流量q1还没改变,则q1>q2,液位高度上升。而h的增大将导致浮子上移,杠杆联动作用使节门1关小;使q1减小,直到q1重新等于q2,使液面高度又保持常值。方块图如下:?

1-2 带钢连扎机架轧辊转速控制系统

连轧机在轧钢过程中,通过各机架的带钢必须保持秒流量相等,否则将出现拉钢或叠钢现象,影响产品质量或造成故障。这就要求各机架轧辊的转速保持一定的比例,而对某机架轧辊来说,即要求其转速恒定。

解:需要控制的是轧辊的转速,故首先应明确:受控对象是轧辊;被控量是轧辊的转速n。直接拖动轧辊转动的是直流电动机,电机又是由可控硅整流装置供电的,故电动机承担了执行的功能,整流装置相当于变换和放大部件。?
  如果由于负荷的扰动使轧辊转速下降,则uf随之下降,ur-uf上升,可控硅整流功放输出的电压ua加大,从而电机拖动轧辊增速,完成了控制作用,补偿了扰动对被控量n的影响。
  系统的被控量是轧辊转速n,而测量的也是n,并且按nnr的偏差(亦即ur-uf进行控制,故该系统属于按偏差控制的负反馈控制方式。

  ① 受控对象:轧辊

  ② 被控量:轧辊的转速n

  ③ 检测元件:测速发电机

  ④ 变换和放大部件:整流装置

  ⑤ 执行机构:电动机

系统原理方块图 


1-3 锅炉汽包水位双冲量控制系统如下图所示。试分析系统的工作原理,画出其原理方块图。

工艺流程图

锅炉汽包吊装过程

锅炉汽包水位控制系统方块图如下图所示。


1.自动控制系统的分类


(1) 按信号传送的特点或系统的结构特点分类

???? 开环和闭环控制系统。

???? 负反馈控制方式:基于反馈控制原理。

?????? [自动控制系统的特点]按偏差进行控制。无论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时,必定产生一个相应的控制作用,去减小或消除这个偏差,使被控量和期望值趋于一致。
?????? 开环控制方式:输出量对系统的控制作用无任何影响。
?????? 闭环控制方式:负反馈偏差控制系统。
(2) 按输入信号分类

??????? ①恒值控制系统  随动系统 ??程序控制系统

1.4 对自动控制系统的基本要求

????? 基本要求

???? ①?稳定性:稳定性是保证控制系统正常工作的前提,是指被控量偏离期望的初始偏差随时间的增长逐渐减小并趋于零。稳定性通常由系统的结构决定,与外界因素无关。
快速性:对过渡过程的形式和快慢提出要求,一般称为动态性能。?
准确性:用稳态误差来表示。
稳态误差:在参考输入信号作用下,当系统达到稳态后,其稳态输出与参考输入所要求期望输出之差为给定稳态误差。

典型外作用
  ??为了便于用统一的方法研究和比较控制系统的性能,通常选用几种确定性函数作为典型外作用。

???? 典型外作用的函数:
??? ? (1)
单位阶跃函数:r(t)=1(t)       
????? (2)
单位斜坡函数:r(t)= t 
  如雷达-高射炮防空系统,当雷达跟踪的目标以恒定速率飞行时,可视为该系统工作于斜坡函数作用之下。?
?????? (3)
脉冲函数
??? ??
单位脉冲函数定义为:r(t)=(t)       
?????? (4)
正弦函数:r(t)=
  正弦函数是控制系统中常用的一种典型信号,很多实际的随动系统常工作在此外作用下。更为重要的是系统在正弦函数作用下的响应,即频率响应是自动控制理论中研究系统性能的重要依据。