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:;::::JJAIIIOtY+U;;。”。。::、::罄 ZIDONGHUA ZHUANYEGAILUN 自动化专业 概论 编 著 韩璞 王建国 主审吴惕华 国http/:/jC. 内 容 提 要 本书为普通高等教育 “十一五”规划教材。 本书是自动化专业学生的人门书，书中以电力行业为背景，通过对火电厂生产 过程及其自动化的论述，使学生更进一步地了解自动化专业的内涵。书中着重论述 了自动控制系统的组成原理、自动化领域的主要内容、自动化技术的应用领域，涵 盖了自动化纵横、上下、内外各个方面的问题;对自动化专业的培养方案、自动化 专业学生的学习与就业也做了详细的论述。 本书可作为各高等院校自动化专业的本科教材，也可作为高职高专和函授的相 关教材，同时可作为对 自动化专业知识感兴趣的读者的参考用书。 图书在版编目(CiP)数据 自动化专业概论/韩璞，王建国编著.一:中国电力 出版社，2007.1 普通高等教育 “十一五”规划教材 ISBN 978一7一5083一5052一3 工.自… u.①韩… ②王二， fff.自动化技术一高 等学校一教材 W.TP2 中国版本图书馆CIP数据核字 (2006)第163022号 中国电力出版社出版、发行 (三里河6号 100044) 丰源印刷厂印刷 各地新华书店经售 2007年1月第一版 2007年1月第一次印刷 787毫米X1092毫米 16开本 9.25印张 224千字 印数 0001-3000册 定价 15.00jL 版 权 专 有 翻 印 必 究 (本书如有印装质量问题，我社发行部负责退换) 鲤醚燮上婴缨叛 “，化令业摧淦 喻X44 t 为贯彻落实教育部 关《于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》和 《教育部关 于以就业为导向深化高等职业教育的若干意见》的，加强教材建设，确保教材质 量，中国电力教育协会组织制订了普通高等教育 “十一五”教材规划。该规划强调适应不同 层次、不同类型院校，满足学科发展和人才培养的需求，专业基础课教材与教学急需的 专业教材并重、新编与修订相结合。本书为新编教材。 当我们结束中学时代，怀着渴望求知的心情踏入大学校门时，我们总会想到这样一些问 题:我们的专业学什么，将来毕业后干什么，在大学里怎样才能学习好，我们专业在学科里 处于什么样的，等等。“自动化专业概论”这门课就是为解答这些问题而开设的。通过 对这门课程的学习，会使学生的学习目的性更明确、学习更主动，并取得更优异的成绩，早 日成为国家建设的栋梁之材。 自动化的由来已久，它是随着人类社会的发展而发展的。在古代人类就试图用装置来代 替人的劳动，只是到了20世纪，才有了自动化学科、有了控制论。特别是20世纪80年代 微型计算机的出现，使得自动化技术渗透到人类社会的每一个角落，在工业、农业、军事、 交通、商业、医疗、服务以及家庭等方面，自动化都扮演着重要的角色。由于自动化所涉及 的学科和应用领域之广，在有些发达国家的大学里，已不单设自动化专业，而是把它含在其 他学科里。 根据我国的国情以及我国的教育体制，我们国家专门设置了自动化专业，到目前为止， 我国有自动化本科专业的高校近25。所。但是，许多学校的自动化专业又都有自己的行业背 景。进人20世纪80年代以来，为适应国民经济建设和科学技术发展的需要，进一步拓宽专 业口径，各高校的自动化系将原有的多个 自动化类专业，诸如自动控制、生产过程 自动化、 工业电气自动化、化工自动化、热工测量及其自动化等合并为新的工业自动化专业和自动控 制专业。1998年，为适应国家经济建设对宽口径高等教育人才培养的需要，又进一步合并 为一个自动化专业。 华北电力大学和东北电力大学都是面向电力行业的院校，所培养的学生大多数毕业后服 务于电力系统。这是两所非常具有行业特色的学校，特别是其自动化专业的学生毕业后都主 要从事与电力生产自动化密切相关的工作。因此，笔者依托电力行业背景撰写此书，力求使 有电力行业背景的自动化专业的学生，能通过本书容易而快速地熟悉电力生产过程 自动化以 及 自动化专业。 本书不仅是自动化专业学生的人门书，也是高年级选择专业课时的参考书。通过本书也 能对所学课程、对该课程与其他课程之间的关系有一个概括的了解。 本书是在华北电力大学韩璞教授和东北电力大学王建国教授讲授多年的讲稿基础上修改 完成的。本书的第一、二、三、四章由韩璞教授编写，第五、六、七章由王建国教授编写。 由韩璞教授任全书统稿，由省科学院吴惕华教授任主审。 吴惕华教授在审稿过程中，花费了大量的精力，逐字逐句地阅读了本书，提出了许多宝 贵的修改意见和，甚至对某些句子和章节直接进行了修改，使笔者受益非浅，在此向昊 教授致以诚挚的谢意。 在本书的编写过程中，华北电力大学的黄宇助教做了大量的文献收集和整理工作，在此 表示衷心的感谢。本书部分内容引用了国内外专家、学者的论文和著作，在书的参考文献中 都已列出，在此谨向他们致以诚挚的谢意。 由于不同行业背景的人士对自动化的概念有不同的认识，加之作者水平有限，论述方面 可能有片面性，错误之处诚望读者。 通信地址:,wjg01@, 韩璞、王建国 2006年9月 鬓鸳礴等熬寡杂修一澎秦豁挪熬澎 自动化专业概论 OR 录 月J舀 第一章 绪论 ·1 第一节 白动化与自动控制 .·1 第二节 自动化专业的历史沿革 .·1 第二节 一些名词和术语 ···········································································…… 4 第二章 火电厂生产过程自动化 ·6 第一节 火力发电厂的构成及其工作原理 ·6 第二节 火力发电厂生产过程所需要的控制 ·11 第三章 自动控制系统的组成原理 ·15 第一节 自动控制系统的组成 ，······。····················································..····...……15 第二节 自动控制系统的基本性能要求 ·························································…… 16 第二节 自动控制系统的分类18 第四节 自动控制系统的典型控制策略 ·23 第四章 自动化领域的主要内容 .·47 第一节 控制理论与方法研究.·47 第二节 控制设备与装置的研发与生产 .·63 第三节 信息与管理 .·72 第四节 系统的集成与应用 .·81 第五章 自动化技术的应用领域 .·84 第一节 工业自动化 ·84 第二节 军事自动化 ·······································································.·.·..……，97 第三节 建筑白动化 。106 第四节 交通运输自动化 ·110 第If节 信息自动化 .·114 第六节 家庭自动化 ·116 第七节 其他领域自动化 ·118 第六章 自动化专业的培养方案·125 第一节 形势与挑战 ··············································································…… 125 第二节 培养目标 .·125 第是节 培养方案的体系构架 ·················································。·········...·..……，126 1 1 g 门 第四节 培养环节设置 ········…… d 1 g I 第五节 自动化专业主干课程拓扑图 . 1 d 1 C Q 第七章 自动化专业学生的学习与就业 ·························································…… 1 J 心 自 1 ﹃ n Q 第一节 自动化专业学生的学习观·······················.·…… 乃 山 . 1 q 月 第二节 影响学习的因素分析 1 自 任 1 n 5 第三节 学好理论课 ···········，····································，··············…… 1 口 第四节 高度重视教学实践环节 1 1 g d 户 0 1 g 1 丫 第五节 自动化专业大学生的就业观念与方向 ‘ d 参考文献 ································································································…… 140 鬓爆剪寄袋蠢 潺勘狐澎 翻动化专业概论 第一章 绪 论 第一节 自动化与 自动控制 在远古时代，人类就用石器作为工具进行生产活动，以减轻自己的劳动强度。但这些石 器并没有使人类进人自动化，因为人们必须用这些工具自己去完成所要做的工作。但从那时 起，人类试图用一种工具或一种装置来 自动完类自身的工作的愿望已经出现。因此，古 代人类利用自己在长期的生产和生活中积累的经验和知识，逐渐利用 自然界的动力 (风力、 水力等)来代替人力、畜力，以及用装置代替人的脑力活动和对自然界的控制。 人类研制和使用最早的自动装置是自动计时装置 一 刻漏，它是由中国和巴比伦人发明 的。几千年来，中国人民在自动化方面有过卓越的贡献。在中国的三国时期，使用了自动指 示方向的指南车。北宋时期我国又发明了水运仪象台。 公元I世纪古埃及和希腊的发明家也创造了庙门自动、铜祭司自动洒、投 币式箱等自动化装置。 近代的自动装置更是数不胜数。如用于抽水灌溉的风车是利用自然风推动风车转动，从 而达到抽水的目的。1642年法国物理学家发明了加;1657年荷兰机师发明了钟表;俄 国机械师在 1765年发明了蒸汽锅炉水位保持恒定用的浮子式阀门水位调节器;我们现在使 用的抽水马桶就是一种浮子式保持水箱水位的自动装置。 由此看来，自动化是伴随人类社会的发展而发展的，人类文明越进步，自动化程度就越 高，自动化已成为衡量人类文明进步程度的重要标志。 现在我们可以给自动化的基本概念作一描述:自动化是指机器或装置在无人于预的情况 下按的程序或指令自动地进行操作或运行。 自动化技术的应用常广泛的，几乎渗透人类社会的每一个角落，在工业、农业、军 事、交通、商业、医疗、服务以及家庭等方面，自动化都扮演着重要的角色。自动化不仅可 以把人从繁重的体力劳动以及恶劣、的工作中解放出来，而且能充分调动人的潜在 能力，使人类能更好地认识世界和世界，从而能推动人类文明的快速发展。 与自动化密切相关的一个术语是自动控制，两者既有联系，又有一定的区别。自动控制 是通过人造装置或人类为了约束自己的行为而制定的政策和法规来对人造系统和造系统 进行控制，从而达到人所期望的目标。而自动化仅仅是按预先给定的程序或指令完成某种操 作，对于社会、经济、生物、等造系统的控制问题则不属于其研究范畴。不过，由 于人们提到的自动控制常指工程系统的控制，所以人们习以为常地将自动控制与自动化视为 同义。 第二节 自动化专业的历史沿革 自动化的概念起源于最早的自动控制，而自动控制的起源可以追溯到公元前。但是，到 自动化 专业 概论 了2。世纪40年代，才有了控制论，以后才逐渐形成了自动化学科。20世纪初叶的Lya- punov稳论、PID控制律概念、反馈放大器、Nyquist与Bode图等是控制论的理论基 础。1948年麻省理工学院维纳 (N.Wiener)教授发表了 控《制论》著作，标志着控制理论 的形成。1954年，钱学森教授的著作 《工程控制论》(EngineeringCybernetics)在美国问 世，并于1958年在国内出版，这标志着我国科学家为控制理论的形成做出了重要的贡献。 对 自动化的大量需求开始于工业时期。应用自动控制的方法来代替人工控制各种机 械设备，使其能在无人的情况下连续不断地工作，并能使其更有效、安全地运行。 电力生产工业是应用自动化技术最早的领域，也是最需要先进自动化技术的领域，因为 电力生产是一个极其复杂的过程，而且需要长期经济、安全地运行。 人类对电力的需要已毋庸置疑，人类对电的依赖已超出我们的想象。21世纪伊始，美 国工程院联合30多家美国工程协会，历时半年时间，评出的20世纪对人类社会生活影响最 大的20项工程技术中，电力工程名列榜首。其原因是电气化对人类的生活，乃至人类 的文明进步都产生了根本性影响。我们不能想象如果没有电我们现在的世界将来是什么样 子。在20世纪，人们为了缅怀电灯的发明者伟大的发明家爱迪生，想在他的百年诞辰之际， 在全世界范围内停电3min，但考虑到停电3min所带来的影响实在无法估量，最终还是没有 这样做。 由此可见，电对人类是多么重要，没有电，根本谈不上现代社会的自动化。因此，发展 电力事业已是发展国民经济的先行军。1875年，法国巴黎建成了世界上第一座火力发 电厂，与世界有电的历史几乎同步。1879年，中国上海公共租界点亮了第一盏电灯，随后 又创办了中国第一家电业公司。那时对电厂发电过程的控制是完全手动的，但已有了对需要 的参数进行测量的装置。 发电厂是应用 自动控制技术最早的工业领域，它一直跟随着自动控制技术的发展而发 展。最早对发电厂的控制是 “行走式”，要想控制哪一个阀门必须走到这个阀门前用手去操 作。20世纪初，出现了 “伺服机构”，即我们所说的执行器。有了执行器，就可以通过电信 号来驱动阀门的和关闭。PID控制律”的出现，又使我们有了 “调节器”。调节器可以 根据被控制变量与该变量的希望值的偏差给出一个电流量的控制信号，这个信号输人给执行 器，去控制阀门。至此，形成了一个完整的自动控制系统。发电厂首先使用了这种自动控制 系统。与60年前相比，控制论和自动化技术的应用已发生了天翻地覆的变化。而电力生产 跟随着这些理论与技术的发展而发展，它是应用自动化技术最有代表性的行业，它能代表过 程 自动化的发展水平。高等院校里，也先在电力类院系设置了自动化专业。 现在，自动控制技术已广泛应用到制造业、农业、交通、服务业、航空、航天等所有产 业部门。在制造业中，从计算机辅助设计与制造，数控机床，到柔性加工系统和计算机集成 制造系统以及机器人的广泛进人生产线，成十倍、百倍地提高了社会的劳动生产率，增强了 脑力劳动创新能力，丰富了产品的多样性，改善了人们的劳动条件，提高了经济效益和人们 的生活水平。 在今天的社会生活中，自动化装置无所不在。通信、金融业已接近全面自动化;医疗器 械和仪器的自动化程度 日益提高;自动化装置已广泛进人家庭，成为家庭生活必不可少的装 备。近半个世纪以来，控制论与自动化技术为人类文明进步做出了重要贡献。 在大学里为大学生开设自动控制课程始于20世纪40年代初，首先是西欧和前苏联开始 第一章 绪 论 为大学生和研究生开设自动控制课程，我国也开始为大学生和研究生讲授伺服机构原理课 程。此后，在高等院校电机系开始逐步设置了工业企业电气化专业 (自动化专业的前身)。 该专业的课程设置中，有自动调节理论课程，相当于现在的自动控制理论课程。当时，类似 课程在电类其他专业的教学计划中也都有，如在电气工程及其 自动化专业的教学计划中设置 有电力系统自动化课程以及电力系统远动学 (即远距离测量和控制学)课程。早期使用的教 科书代表作有 《自动调整理论基础》(前苏联阿 ·伏龙诺夫著，徐俊荣等译，电力工业出版 社，1957), 《自动调整原理，第一一三分册》(前苏联B.B.索洛多夫尼柯夫主编，王众论 译，水利电力出版社，1957.1959), 《随动系统》(陈辉堂编，人民教育出版社，1958), 《自动调节理论基础》(刘豹编，上海科技出版社，1963)0 我国从1956年起，在大学、西安交通大学等一批重点高等院校逐步建立了自动控 制专业 (开始时按前苏联称自动学与远动学专业)，华北电力大学 (原电力学院)从 1958年建校起就建立了热工测量及其自动化专业，东北电力大学 (原电力学院)也是 在1956就成立了热工测量及其自动化专业，其目的是培养火电厂热工过程控制方面的人才。 工业大学除工业企业电气化专业外还建立了自动学、远动学与测量仪表专业，侧重于 培养仪器仪表制造方面的人才。1958年在大学等一批重点高等院校先后建立 自动控制 系或行业自动控制系 (例如航空自动控制系等)，同时中国科学技术大学率先成立自动化系。 1970年以后，根据自动化科学技术及其高等教育的发展需要，大学等一批重点高等院 校将 自动控制系改名为自动化系。 进人20世纪80年代以来，为适应国民经济建设和科学技术发展的需要，进一步拓宽专 业口径，各高校的自动化系先后将原有的多个自动化类专业 (如自动控制、生产过程自动 化、工业电气自动化、检测技术与自动化仪表、热工测量及其自动化等专业)合并为新的工 业自动化专业和自动控制专业。1998年，为适应国家经济建设对宽口径高等教育人才培养 的需要，又进一步合并为一个自动化专业。 专科层次的自动化类专业是我国专科教育中的老牌专业，自从设置专科学校以来，就有 了该层次的专科专业，其经历了比较长的发展历史。在工科类高等专科学校中一般均设置有 该专业，近几年来新成立的职业技术学院，使该专业在招生数量上得到快速发展。 以前，我国自动化学科研究生教育规模很小，20世纪50年代曾举办过研究 生班，部分学生和教师公派去前苏联学习攻读研究生学位。全国各高等学校选派教师集中在 工业大学成为工业企业电气化专业第一批研究生 (1951一1954年)或教师。 1978年恢复招生，迎来了研究生教育的春天，1982年颁布了 《中华人民国学位法》; 1984年全国试办33所研究生院，自动化学科研究生专业首先在一批工科类重点大学招生和 培养。 由于自动化所涉及的学科领域广泛，在有些发达国家的大学里并不单设自动化专业，而 是把它含在其他学科里。根据我国的国情以及我国的教育体制，我们国家专门设置了自动化 本科专业和控制科学与工程研究生专业。 控制科学与工程是20世纪最重要的科学理论和成就之一，也是一门研究控制的理论、 方法、技术及其工程应用的学科，是自动控制与自动化技术的统称。控制科学以控制论、信 息论、系统论为基础，研究各领域内于具体对象的共性问题，即为了实现某些目标，应 如何描述与分析对象与信息，采取何种控制与决策行为。它对于各具体应用领域具有一 自动化专业概论 般方的意义，而与各领域具体问题的结合，又形成了控制工程丰富多样的内容。本学科 的这一特点，使它对相关学科的发展起到了有力的推动作用，并在学科交叉与渗透中表现出 突出的活力。 控制科学与工程一级学科下设五个二级学科，即五个研究生专业。 (1)控制理论与控制工程:以工程领域内的控制系统为主要对象，以数学方法和计算机 技术为主要工具，研究各种控制策略及控制系统的建模、分析、综合、设计和实现的理论、 技术和方法。 (2)检测技术与自动化装置:是研究被控对象的信息提取、转换、传递与处理的理论、 方法和技术的一门学科。它的主要研究领域包括新的检测理论和方法、新型传感器、自动化 仪表和自动检测系统以及它们的集成化、智能化和可靠性技术。 (3系统工程:是为了解决日益复杂的社会实践问题而形成的从整体出发合理组织、控 制和管理各类系统的综合性的工程技术学科，它以工业、农业、交通、军事、资源、、 经济、社会等领域中的各种复杂系统为主要研究对象，以系统科学、控制科学、信息科学和 应用数学为理论基础，以计算机技术为基本工具，以优化为主要目的，采用定量分析为主、 定性定量相结合的综合集成方法，研究解决带有一般性的系统分析、设计、控制和管理 问题。 (4)模式识别与智能系统:主要研究信息的采集、处理与特征提取，模式识别与分析， 人工智能以及智能系统的设计。它的研究领域包括信号处理与分析、模式识别、图像处理与 计算机视觉、智能控制与智能机器人、智能信息处理以及认知、自组织与学习理论等。 (5)、制导与控制:是以数学、力学、控制理论与工程、信息科学与技术、系统科 学、计算机技术、传感与测量技术、建模与仿真技术为基础的综合性应用技术学科。它研究 航空、航天、航海、陆行各类运动体的、方向、轨迹、姿态的检测、控制及其仿真，是 国防武器系统和民用运输系统的重要核心技术之一。 第三节 一些名词和术语 本节简要地介绍自动化专业的学生在今后学习本专业课程时遇到的一些重要的名词和 术语。 一、系统 系统 (System)是指由相互关联、相互制约、相互影响的一些部分组成的具有某种功 能的有机整体。系统可以由实物组成，也可以由非实物组成。例如，我们每用的输电系 统就是由实物组成的一个系统;人们为了规范自己的行为制定的各种法律法规就是由非实物 组成的法律系统;而如果为了执行这些法律，必须有执法机构，这样构成的系统既有实物又 有非实物。系统可大可小，如果构成系统的组成部分本身也是系统，则称其为子系统。对于 一个具体的系统，系统以外的部分称为系统，系统与系统的分界称为系统边界。系 统对系统的作用称为系统输入，系统对系统的作用称为系统输出。 随着科学技术的发展，现在我们所研究的系统越来越大、越来越复杂。例如，我们研究 的生物进化、生态、输电网络等都是大系统、复杂系统。目前，已有研究大系统和复杂 系统的学科— 系统工程。 第一章 绪 论 二、信息 信息 (Information)是指符号、信号或消息所包含的内容，是对事物运动状态或存在 形式的不确定性的描述。信息普遍存在于自然界、人类社会和人的思维之中。在1948年， 控制论的创始人维纳在他的著作 控《制论》中指出: “信息是信息，不是物质，也不是能 量”，这样就把信息上升到与物质、能量同等重要的地位，成为当今物质世界组成的三大支 柱。今天，为了更好地利用信息，把信息已经数字化，可以利用计算机对数字化信息进行加 工处理，这样的信息称为数字信息。 三、控制 控制 (Control)是指为了改善系统的性能或达到特定的目的，通过信息的采集和加工 而到系统的作用。系统可分为可控系统和不可控系统两大类，前者是指可以通过人为的 方法对系统进行干预和控制，而后者是指人无法对系统进行干预和控制。 四、数学模型 通常我们对系统的理解是能够根据实际过程分析出系统的作用原理及大致的运动过程。 但仅有这种定性分析是不够的。在对系统进行分析、设计与控制时，必须要对系统进行定量 的分析，研究出系统中各物理量的变化及相互作用、相互制约的关系。我们可以用数学表达 式来描述这些物理量的变化及它们的关系，而把这种数学表达式称为系统的数学模型。选择 系统数学模型的过程就称为系统建模。 描述系统的数学模型种类很多，常用的有状态空间、微分方程、差分方程、脉冲响应、 传递函数、频率响应模型等。 五、传递函数 控制系统的微分方程，是在时域描述系统动态性能的数学模型。当给定零初始条件及一 个外作用时，求解微分方程可以得到系统的输出响应。我们定义此时的系统输出的拉氏变换 与系统输人的拉氏变换之比为系统的传递函数。 传递函数是复变量函数，它在频域描述系统的动态特性。经典控制理论就是建立在传递 函数基础之上的。 六、科学 科学 ((Science)是指对各种事实和现象进行观察、分类、归纳、演绎、分析、推理、 计算和实验，从而发现规律，并对各种定量规律予以验证和公式化的知识体系。科学的任务 是事物发展的客观规律，探求真理，作为人们世界的指南。科学又分为自然科学和 社会科学。自然科学研究的是物质世界，社会科学研究的是人类的世界。 七、技术 技术 (Technology)是指人类根据生产实践经验和自然科学原理改变或控制其的手 段和活动，是人类活动的一个专门领域。技术的任务是利用和自然，以其生产的产品为 人类服务。 Jl、工程 工程 (Engineering)是指应用科学知识使自然资源最好地为人类服务的一项活动。科 学和技术都存在于工程之中。 倒遍趣皇创经翌1鲤黯 。动化，业。。 第二章 火电厂生产过程自动化 由于人类对电能的需要，电力工业的发展速度是相当惊人的。为了节能和降耗，现在普 遍采用大容量、数机组，因此对机组的控制要求越来越高，发电厂可以代表过程自动化 的发展水平。 大型火力发电厂是典型的过程控制对象，它是由锅炉、汽轮发电机组和辅助设备组成的 庞大的设备群。由于其工艺流程复杂，设备众多，管道纵横交错，有上千个参数需要、 操作或控制，没有先进的自动化设备和控制系统要正常运行是不可能的;而且电能生产还要 求高度的安全可靠性和经济性，尤其是大型机组，这方面的要求更为突出。因此，大型 机组的自动化水平受到特别的重视。本章将以大型单元机组为控制对象，讨论其所需控制系 统。在讨论之前，我们简要介绍火力发电厂的构成及其工作原理。 第一节 火力发电厂的构成及其工作原理 一、火电厂的基本生产过程 图2一I是大型单元机组火电厂的生产流程示意图，可以看出它是以锅炉，高压和中、 低压汽轮机，泵与风机和发电机为主体设备的一个整体。它们通过管道或线相连构成生产 主系统，即燃烧系统、汽水系统和电气系统。其生产过程简介如下。 城 MW 杏- 飞飞夕酬 ?N ▲至 t_11 J烟 、一‘--J. 囱 14 图2一1大型单元机组火电厂生产流程示意图 I-汽轮机高压缸;2汽轮机中、低压缸;3一发电机;4一高压汽轮机调门;5一汽包;6 炉膛; 7一烟道;8一过热器喷水减温器;9一再热器喷水减温器;10一送风机;11一调风门; 12一中、低压汽轮机调汽门;13一烟道挡板;14一引风机;15一冷凝器;16-凝结 水泉;17一低压加热器;18一除氧器;19一给水泵;20一高压加热器;21一给水 调节机构;22-燃料量控制机构;23--喷燃器;24一补充水;25一水冷壁管; 26一过热器;27一再热器;28一省煤器;29一空气预热器 第二章 火电厂生产过程自动化 (一)燃烧系统 燃烧系统包括锅炉的燃烧部分和输煤、除灰和烟气排放系统等。煤由输送到锅炉车 间的煤斗，进人磨煤机磨成煤粉，然后与经过预热器预热的空气一起喷人炉内燃烧，将煤的 化学能转换成热能，烟气经除尘器清除灰分后，由引风机抽出，经高大的烟囱排入大气。炉 渣和除尘器下部的细灰由灰渣泵排至灰场口 (二)汽水系统 汽水系统包括锅炉、汽轮机、凝汽器及给水泵等组成的汽水循环和水处理系统、冷却水 系统等。 水在锅炉中加热后蒸发成蒸汽，经过热器进一步加热，成为具有压力和温度的过热 蒸汽，然后经过管道送人汽轮机。 在汽轮机中，蒸汽不断膨胀，高速流动，冲击汽轮机的转子，以额定转速 (r/0003 min) 旋转，将热能转换成机械能，带动与汽轮机同轴的发电机发电。 在膨胀过程中，蒸汽的压力和温度不断降低。蒸汽后从汽轮机下部排出。排出的蒸 汽称为乏汽，它排入凝汽器。在凝汽器中，汽轮机的乏汽被冷却水冷却，凝结成水。 凝汽器下部所凝结的水由凝结水泵升压后进人低压加热器和除氧器，提高水温并除去水 中的氧 (以防止腐蚀炉管等)，再由给水泵进一步升压，然后进人高压加热器，回到锅炉， 完成水— 蒸汽— 水的循环。给水泵以后的凝结水称为给水。 汽水系统中的蒸汽和凝结水在循环过程中总有一些损失，因此必须不断向给水系统补充 经过化学处理的水。补给水进人除氧器，梦见屎沾身同凝结水一块由给水泵打人锅炉。 (三)电气系统 电气系统包括发电机、励磁系统、厂用电系统和升压变电站等。 发电机的机端电压和电流随其容量不同而变化，其电压一般在 10-2okV之间，电流可 达数千安至二十千安。因此，发电机发出的电，一般由主变压器升高电压后，经变电站高压 电气设备和输电线送往电网。极少部分电，通过厂用变压器降低电压后，经厂用电配电装 置和电缆供厂内风机、水泵等各种辅助设备和照明等用电。 二、锅炉的构成及其工作原理 锅炉是利用燃料或其他能源的热能把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。锅炉包括锅和 炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所。锅炉中产生的 热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能， 或再通过发电机将机械能转换为电能。 (一)锅炉的结构 锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水 冷壁、过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称 为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。 炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称 为层燃炉，又称火床炉;将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷人火室燃烧的炉膛称为室燃 炉，又称火室炉;空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾 炉，又称流化床炉;利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。 炉膛的横截面一般为正方形或矩形。燃料在炉膛内燃烧形成火焰和高温烟气，所以炉膛 自动化专业概论 四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成。在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既炉 墙不致烧坏，又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热。 炉膛设计需要充分考虑使用燃料的特性。每台锅炉应尽量燃用原设计的燃料。燃用特性 差别较大的燃料时，锅炉运行的经济性和可靠性都可能降低。 锅筒是指在 自然循环和多次强制循环锅炉中接受省煤器来的给水、连接循环回，并向 过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。锅筒体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。 锅筒的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，避免含有 高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进人过热器和汽轮机中。 锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽 水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽中携带的细小 水滴。中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件;中压以上的锅炉除广泛采用多种 型式的旋风分离器进行粗分离外，还用百叶窗、钢丝网或均汽板等进行进一步分离。锅筒上 还装有水位表、安全阀等监测和设施。 为了考核性能和改进设计，锅炉常要经过热平衡试验。直接从有效利用能量来计算锅炉 热效率的方法叫正平衡，从各种热损失来反算效率的方法叫反平衡。考虑锅炉房的实际效益 时，不仅要看锅炉热效率，还要计及锅炉辅机所消耗的能量。 单位质量或单位容积的燃料完全燃烧时，按化学反应计算出的空气需求量称为理论空气 量。为了使燃料在炉膛内有更多的机会与氧气接触而燃烧，实际送人炉内的空气量总要大于 理论空气量。虽然多送人空气可以减少不完全燃烧热损失，但排烟热损失会增大，还会加剧 硫氧化物腐蚀和氮氧化物生成。因此应设法改进燃烧技术，争取以尽量小的过量空气系数使 炉膛内燃烧完全。 锅炉烟气中所含粉尘 (包括飞灰和炭黑)、硫和氮的氧化物都是污染大气的物质，未经 净化时其排放指标可达到指标的几倍到数十倍。控制这些物质排放的措施有燃 烧前处理、改进燃烧技术、除尘、脱硫和脱硝等。借助高烟囱只能降低烟囱附近地区大气中 污染物的浓度。 烟气除尘所使用的作用力有重力、离心力、惯性力、附着力以及声波、静电等。对粗颗 粒一般采用重力沉降和惯性力的分离，在较高容量下常采用离心力分离除尘静电除尘器和布 袋过滤器具有较高的除尘效率。湿式和文氏水膜除尘器中水滴水膜能粘附飞灰，除尘效率很 高，还能吸收气态污染物。 20世纪50年代以来，人们努力发展灰渣综合利用，化害为利。如用灰渣制造水泥、砖 和混凝土骨料等建筑材料。70年代起又从粉煤灰中提取空心微珠，作为耐火保温等材料。 锅炉未来的发展，将进一步提高锅炉和电站热效率、降低锅炉和电站的单位功率的设备 造价、提高锅炉机组的运行灵活性和自动化水平、发展更多锅炉品种以适应不同的燃料、提 高锅炉机组及其辅助设备的运行可靠性、减少对的污染。 (二)锅炉的工作原理 锅炉工作过程一般包括煤的行程、烟气行程、空气行程和工质行程。锅炉的工作过程如 图2一2所示。 (1)煤的行程:由煤仓落下的煤经给煤机送人磨煤机磨成煤粉。煤在磨制过程中要用热 空气干燥。送风机将冷空气送人锅炉尾部的空气预热器，冷空气在此被烟气加热。热空气的 第二章 火电厂生产过程自动化 一部分经排粉机送人磨煤机，将煤加热和干燥，同时它本身也是输送煤粉的介质。从磨煤机 排出的气粉混合物经燃烧器进人炉膛燃烧。 过热蒸汽 汽包 L 烟 煤 斗 协二囱 J空气 汽 热 预热器 机 轮 低 压 l 气 空 煤 加 e s 粉 热 器 赎 烟 灰 凝结 给水泵 送风机 引风机 水泵 图2一2 锅炉的工作过程 (2)烟气行程:炉膛中燃烧后行成的烟气经过热器、省煤器、空气预热器离开尾部烟 道，再进人除尘器、引风机排人烟囱。当有脱硫脱硝装置时，引风机先把烟气先送人脱硫脱 硝装置，然后再排人烟囱。 (3)空气行程:燃烧及制粉系统所需的空气由鼓风机将空气打人空气预热器，一部分送 人磨煤机作为燃料的干燥剂和部分作为输送煤粉的一次风，再进人磨煤机前的管道上另分一 股管道，将热空气作为二次风送人燃烧器。 (4)工质行程包括给水行程和蒸汽行程。 1)给水行程:给水首先进入锅炉的省煤器，然后进人锅炉，进人锅炉的水与来 自上升 管的汽水混合物或分离出的水混合后，由下降管进人水冷壁管的下集箱，然后进人上升管， 在水冷壁管中受炉膛的辐射热量，使来自锅筒的水进一步加热并蒸发形成汽水混合物，进人 上集箱，再经汽水引出管进人锅筒。 2)蒸汽行程:分离出来的蒸汽由锅筒进人炉膛顶部的顶棚管 (即辐射式过热器)，蒸汽 出顶棚管后进人低温过热器，出低温过热器后再进入高温过热器，加热到所需要的蒸汽温度 后出过热器离开锅炉，进人汽轮机。 三、汽轮机的构成及其工作原理 汽轮机设备包括汽轮机、调速系统、凝汽器和附属设备等。汽轮机是以蒸汽作为工作介 质的原动机，其作用是将来自锅炉的高温高压蒸汽所具有的热能转换为汽轮机转子旋转的机 械能，转子带动发电机就可以将机械能再转换为电能。图2一3是汽轮机的结构简图。 汽轮机工作依靠的主要零部件是喷嘴 (或称静叶片)和动叶片。喷嘴起着将蒸汽的势能 转换为动能的作用，从喷嘴出来的蒸汽具有每秒数百米的高速，这样的高速汽流冲击到装在 叶轮上的动叶片，就可以推动由动叶片、叶轮、轴等零部件组成的转子连续不断地高速旋 自动化专业概论 图2一3 汽轮机结构图 转，再带动发电机源源不断地产生电能。动叶片承受蒸汽冲击力作用的原理叫冲动原理。 当蒸汽在动叶片流道中流过时，如果蒸汽在其内继续膨胀降压，进一步将热能转换为动能， 蒸汽在高速离开动叶片的同时给其一个反作用力，就像火箭的工作原理一样，这叫反作用原理。 根据蒸汽产生冲击力和反作用力大小比例以及结构的不同，汽轮机可分为冲动式和 式两大类，目前我国均有生产。由一列喷嘴 (静叶片)和一列动叶片构成汽轮机最基本的做 功单元，称为 “级”。汽轮机是由许多级起来的，蒸汽在各级内逐级膨胀作功，组成多 级汽轮机。现代电厂使用的大功率汽轮机往往由几十级至一百多级组成，分装在高压缸、中 压缸、低压缸中，称为多缸汽轮机。 在汽轮机内做完功的蒸汽被排至低压缸后的凝汽器，在凝汽器内蒸汽将热量进一步传给 循环水，最终成为凝结水，凝结水再通过高低压加热器等进人锅炉。所以凝汽器的任务有两 个:一是使做完功的蒸汽凝结，使排汽侧形成负压 (称真空状态)，以提高热效率;其次是 回收做完功的蒸汽，供给锅炉洁净的凝结水。 调速系统的作用是保持汽轮机在额定转速3000r/min下稳定运行，调整进汽量，以适应 电力负荷变化的需要。危急保安器是装在汽轮机大轴上的重要装置。当调速系统动作失 灵，汽轮机转速超过3300r/min时，危急保安器动作，迅速将主汽门关闭，防止汽轮机超速 ，以免造成设备和人身伤亡事故。 四、汽轮发电机的基本结构及其工作原理 火电厂中用来发电的电机都是由汽轮机或燃气轮机拖动的同步发电机。它是利用导线切 割磁力线出电动势的电磁原理，将原动机的机械能变为电能输出。同步发电机由定 子和转子两部分组成。定子是发出电力的电枢，转子是磁极。定子是由电枢铁芯、均匀排放 的三相绕组及机座、端盖等组成。转子通常为隐极式，由励磁绕组、铁芯和轴、护环、中心 环等组成。汽轮发电机的极数多为两极的，也有四极的。图2一4为Siemens公司产 THDD108/44型350MW汽轮发电机结构示意图。 转子的励磁绕组通人直流电流，产生接近于正弦分布 (称为转子)，其有效励 磁磁通与静止的电枢绕组相交链。转子旋转时，转子随同一起旋转、每转一周，磁力线 顺序切割定子的每相绕组，在三相定子绕组内出三相交流电动势。发电机带对称负载运 行时，三相电枢电流合成产生一个同步转速的旋转。定子和转子相互作用，会 第二章 火电厂生产过程自动化 图2一4 Siemens公司产THDD108/44型350MW汽轮发电机结构示意图 1一定子铁芯;2一定子绕组;3一转子铁芯;4一护环;5一动叶片;6一静叶片; 7一风挡板;8一气隙隔板;9一轴承;10一励磁机一发电机联轴器; 11一低压转子一发电机连轴器;12一引出线一中性点引出线 产生制动转矩。从汽轮机输人的机械转矩克服制动转矩而作功。发电机可发出有功功率和无 功功率。所以，调整有功功率就得调节汽机的进汽量。转子的强弱直接影响定子绕组的 电压，所以调发电机端电压或调发电机的无功功率必须调节转子电流。 第二节 火力发电厂生产过程所需要的控制 随着单元机组不断向大容量、数的方向发展以及现代电力生产对机组运行安全、经济性 要求的提高，其自动化水平得到了很大的提高，并在机组的生产过程中起着至关重要的作用。 单元机组 自动控制系统总称为协调控制系统 (CCS)，它是将机组的锅炉和汽轮机 (简 称汽机)作为一个整体进行控制的系统，并且汽机的负荷一转速控制系统也可看作CCS的 一个子系统，CCS完成锅炉、汽机及其辅助设备的自动控制，其总体结构如图2一5所示。 由图2一5可知，单元机组控制系统是一个具有二级结构的递阶控制系统，上一级为协调控 制级，下一级为基础控制级。它们把自动调节、逻辑控制和联锁等功能有机地结合在一 起，构成一个具有多种控制功能、能满足不同运行方式和不同工况的综合控制系统。 一、单元机组控制系统中的协调控制级 由于锅炉一汽轮机发电机组本质上是一个发电整体，所以当电网负荷要求改变时，如果 分别地控制锅炉和汽机，势必难以达到理想的控制效果。CCS把锅炉和汽机视为一个 整体，在锅炉和汽机各基础控制系统之上设置协调控制级，来实施锅炉和汽机在响应负荷要 求时的协调和配合。这种协调是由协调级的单元机组负荷控制系统来实现的，它接受电网负 荷要求指令，产生锅炉指令和汽机指令两个控制指令，分别送往锅炉和汽机的有关控制系 统。但目前尚很难制定一个 “协调”优劣的标准，它一般根据对象的特点和控制指标的要 求，选择合理的协调策略，使其既能易于实现，又能满足工程实际的要求。 火力发电单元机组的机炉协调控制系统是一个复杂的多变量控制系统。因此系统很难取 自动化专业概论 协调控制级 ，一_一_一i 1 燮丫竺 1 1 1 1 1 1 1 ! 基础控制级 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ﹄ ~ 生产过程 汽 轮 机 图2一5单元机组控制系统的总体结构 得良好控制品质的主要原因包括机炉控制回间的A合以及大范围变化负荷对机炉协调控制 对象所表现出来的非线性特性等。对机炉控制回间的祸合问题，目前大多数协调控制算法 采用单向静态解M来解决，但其参数整定大多采用经验试凑法;而当前很多新型解藕控制算 缺乏实用性。对大范围变化负荷对机炉协调控制对象所表现出来的非线性特性，传统的 协调控制算法未能很好地解决。虽然也有很多智能控制算法如模糊控制、鲁棒控制等都在尝 试解决大范围变化负荷时机炉协调控制对象所表现出来的非线性特性，但是一般模糊控制器 的稳定性和动态品质的分析缺乏理论依据;而鲁棒控制则是以控制系统的动态品质来换 取系统的大范围稳定性。此外，还有研究人员试图以非线性控制器设计方法来解决协调控制 系统的非线性问题，但非线性控制器设计方法需要准确知道系统的数学模型才能够做到将系 统的非线性环节有效补偿或者抵消，而这对协调控制系统来说常困难的。 二、单元机组控制系统中的基础控制级 锅炉和汽轮机的基础控制级分别接受协调控制级发出来的锅炉指令和汽机指令，完成指 定的控制任务。它包括如下一些控制系统。 (一)锅炉燃烧控制系统 锅炉燃烧过程 自动控制的基本任务是既要提供适当的热量以适应蒸汽负荷的需要，又要 燃料的经济性和运行的安全性。为此，燃烧过程控制系统有三个控制任务:①维持主汽 压以产生蒸汽的品质;②维持最佳的空燃比以燃烧的经济性;③维持炉膛内具有一 定的负压以运行的安全性。燃烧控制系统包括以下几个部分。 1.燃料量控制系统 机组的主要燃料是煤粉，但在启动和低负荷时还使用燃油，另外燃油也用于点火和煤粉 的稳定燃烧，故燃料量控制又分为燃油控制和燃煤控制。在燃油控制中，包括燃油压力控制 (燃油压力不低于油枪安全运行所需的最低油压)、燃油量控制 (燃油量满足负荷的 要求)和雾化蒸汽压力控制 (雾化蒸汽压力总大于燃油压力以使燃油能充分雾化)。在 燃煤控制中，主要是根据锅炉指令并与送风量相配合，产生各台给煤机的转速指令。一方 面，它与风量控制系统一起，送人锅炉的热量满足负荷的要求和汽压的稳定;另一方 第二章 火电厂生产过程自动化 面，它将需求的燃料量平均分配给各台给煤机。 2，磨煤机控制系统 在中储式热风送粉给煤系统中，磨煤机控制包括磨煤机风量控制、磨煤机出口煤粉/空 气混合物温度控制和一次风压控制。其中，磨煤机风量和出口混合物温度都通过协调调节一 次风的热风挡板和冷风挡板的开度来维持风量和温度的给定值，一次风压力则通过调节一次 风机的动叶节距来维持一次风道压力为给定值。 3.风量控制系统 风量控制和燃料控制一起，共同锅炉的出力能适应负荷的要求，同时使燃烧过 程在经济、安全的状况下进行。燃烧需要的空气由送风机提供，锅炉燃烧的总风量为送风机 风量和一次风量之和。此外，在风量控制系统中，还包括二次风的分配控制 (燃料风、助燃 风和过燃风)。 4.炉膛压力控制系统 炉膛压力控制系统的任务是调节锅炉的引风量，使之与送风量相适应，以维持炉膛具有 一定负压力，锅炉运行的安全性和经济性。 (二)给水控制系统 汽包锅炉给水 自动控制的任务是使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在 的范围内。 汽包水位是锅炉运行中一个重要的参数。它间接反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间 的平衡关系，维持汽包水位正常是锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。汽包水位过高， 会影响汽包汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分过多和过热器管壁结垢，影响传热 效率，严重的将引起过热器爆管;水位过低又将部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部 过热而爆管。尤其是大型锅炉，例如:30OMW机组的锅炉蒸发量为 1024t/h，而汽包容积 极小，一旦给水停止，则会在十几秒内使汽包内的水全部汽化，造成严重事故。 (三)汽温控制系统 锅炉过热汽温系统属于典型的多容环节，其对象具有较大的迟延及参数摄动特性。目 前，电厂锅炉过热汽温控制系统很多是采用常规PID串级控制方式，并多采用喷水减温的 方法来维持过热汽温。一般说来，常规PID控制具有结构简单、易于实现且稳态精度较高 等优点，但主要存在以下几方面缺点。 (1)过热汽温对象的精确数学模型难以建立或较复杂，且具有较大的迟延和时变特性， 这就使得PID控制器参数的整定很难实现最优。 (2)理论和仿真研究都表明，过热汽温串级系统的结构与特点以及常规PDI控制器自 身的局限性使得其参数整定无法同时兼顾系统的汽温响应特性和抗扰动特性及对象参数摄动 情况下的鲁棒稳定性。 (3)PID控制器的线性控制律难以克服过热汽温对象所具有的大滞后和大惯性特性，因 此当系统出现突发性干扰和模型或设定值突变时，常引起被控量的较大偏差，而这对于过热 汽温控制来说，是不允许出现的。 主蒸汽温度的稳定对机组安全经济运行非常重要，主要表现在以下几个方面: (1)汽温过高会使锅炉受热面及蒸汽管道金属材料的蠕变速度加快，影响使用寿命。例 如，12CrMoV钢在585℃下应用强度的时间约为 10万小时，而在595℃时到了3 自动化专业概论 万小时就可能会其应有的强度。而且如果受热面严重超温，将会由于管道材料强度的急 剧下降而导致爆管。此外，汽温过高还会使汽轮机的汽缸、汽阀、前几级喷嘴和叶片、高压 缸前轴承等部件的机械强度降低，从而导致设备的寿命缩短，甚至损坏。 (2)汽温过低会使机组循环热效率降低，煤耗增大。根据理论估算可知:过热汽温降低 100C，会使煤耗平均增加。.2%。同时，汽温降低还会使汽轮机尾部的蒸汽湿度增大，不仅 使汽轮机的效率降低，而且造成汽轮机末几级叶片的加剧。此外，汽温过低，汽轮机转 子所受的轴向推力增大，对机组安全运行十分不利。 (3)汽温变化过大，除使管材及有关部件产生疲劳外，还将引起汽轮机汽缸的转子与汽 缸的胀差变化，甚至产生剧烈振动，危及机组安全运行。 因此，工艺上对汽温控制的质量要求常严格的，一般要求主蒸汽温度稳定在士50C 的范围内。但是，汽温对象的复杂性，给汽温控制带来了许多困难，其主要难点表现在以下 几个方面 : (1)影响汽温变化的因素很多，例如，蒸汽负荷、减温水量、烟气侧的过剩空气系数和 火焰中心、燃料成分等都可能引起汽温变化。 (2)汽温对象具有大迟延、大惯性的特点，尤其随着机组容量和参数的增加，蒸汽的过 热受热面相对于蒸发受热面的比例加大，使其迟延和惯性更大，从而进一步加大了汽温控制 的难度。 (3)汽温对象在各种扰动作用下 (如负荷、工况变化等)反应出非线性、时变等特性， 使其控制的难度加大。 (4)由于过热器正常运行时的温度已接近钢材允许的极限温度，强度方面的安全系数也 很小，因此，现代大型机组对过热汽温参数要求非常严格。 总之，过热汽温是火电机组的主要参数。由于过热器是在高温、高压下工作，过热 器出口汽温是全厂工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处，工艺上允许的汽温变化范围 又很小，汽温对象特性呈非线性，影响汽温变化的干扰因素多等，这些都使得汽温控制系统 复杂化，因此正确选择控制汽温的手段及控制策略常重要的。 (四)辅助控制系统 辅助控制系统主要有:除氧器压力、水位控制系统;空气预热器冷端温度控制系统;凝 汽器水位控制系统;辅助蒸汽控制系统;汽轮机润滑油温度控制系统;高压旁、低压旁 控制系统;高压加热器、低压加热器水位控制系统。此外还有氢侧、空侧密封油温度控制; 凝结水补充水箱水位控制;电动给水泵液力藕合油温度控制;电泵、汽泵润滑油温度控制; 发电机氢温度控制等。 为单元机组的可靠运行，除上述参数调节系统外，自动控制系统还包括以下3部分。 (1)自动检测部分:它自动检查和测量反映过程进行情况的各种物理量、化学量以及生 产设备的工作状态参数，以生产过程的进行情况和趋势。 (2)顺序控制部分:根据预先设定的程序和条件，自动地对设备进行一系列操作，如控 制单元机组的启、停及对各种辅机的控制。 (3)自动部分:在发生事故时，自动采用措施，以防止事故进一步扩大， 生产设备使之不受严重，如汽轮机的超速、震动，锅炉的超压、炉膛灭火 等。 逊遍熬覆型丝遐继黝詹A劝化专业概论 第三章 自动控制系统的组成原理 第一节 自动控制系统的组成 所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备 或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制是在人工控制的基础 上发展起来的。图3一1是锅炉汽包液位控制系统的原理图。图中W,D分别为给水流量和蒸 汽流量 (负荷)，控制的任务就是以一定精度保持汽包中液位为某一期望 (给定)的数值。 过热器 过热器 蒸汽流量 蒸汽流量 D D 给定值hw 汽 包 一 汽 测量变 控制器 包 送器 省 省 煤 煤 器 器 给水流量 冲 图31锅炉汽包液位控制系统原理图 (a)人工控制;(b)自动控制 在人工控制中，人是通过眼、脑、手这三个器官来进行液位控制的。首先用眼睛观测液 位的高低变化，然后用大脑分析比较实际液位是否偏离期望值，若偏离了，则经过思考 (运 算)按操作经验，指挥手去执行这一命令，调节给水调节阀的开度，从而把液位控制在所期 望的数值上。 在自动控制中，汽包水位h(t)经测量变送器 (代替了人的眼睛)自动测量出来并按一 定函数关系转换成 (通常为比例关系)统一信号 (电流或电压)。与水位给定值进行比较， 二者之差送人控制器 (相当于人的大脑)。控制器根据偏差的正负及大小，发出一定规律的 输出信号，指挥执行器 (相当于人的手)去操作给水控制阀的开度，改变给水流量，从而改 变汽包水位。水位的变化由测量变送器测出反馈回来与给定值比较，控制器根据偏差的正负 及大小不断校正执行器的动作，直到最后水位等于给定值为止。 可见一个典型的自动控制系统由下列不同功能的基本部分组成: (1)被控对象:系统所要控制的设备或过程，它的输出就是被控量。所谓被控量就是表 征设备或生产过程运行情况或状态并需要加以控制的物理量。 (D给定环节:产生给定输人信号的环节。按生产或管理要求，被控量必须维持在希望 值。该值也叫参考输入或设定值。 (3)测量环节:将被控量检测出来的装置。 (4)比较环节:其功能是将给定的输人信号 (希望的被控量)与测量环节得到的被控量 自动化专业概论 实际值加以比较。 (5)控制环节:它的功能是根据偏差信号，决策如何去操作系统被控对象，实现被控量 达到所希望的目标。这一环节是自动控制系统实现有效控制的核心，因为要得到正确、有 效、优秀的控制决策并不是一件很容易的事情，它要依据控制系统性能要求，遵循一定的控 制规律，经过反复推导和设计才能完成。我们研究控制系统的主要方面就是如何设计控制 器，使系统达到设定的要求。 (6)执行环节:按控制环节的控制决策，具体实现对被控对象的操作，如阀门等。 通过的液位控制，可以看出自动控制系统是由被控对象和控制装置两大部分组成。 在工业过程中，控制装置包括检测元件、变 n}干扰 送器、控制器或计算机装置、执行机构等， a甜 l-A控制器 分别完成检测、运算和执行等职能。为了便 测量信号 于分析并直观地表示系统各组成部分间的相 黑鄂赢 互影响和信号传递关系，一般习惯上采用其 图3一2 自动控制系统原理方框图 原理方框图直观地表示，如图3一2所示。 第二节 自动控制系统的基本性能要求 当自动控制系统受到各种干扰 (扰动)或人为要求给定值 (参考输人)改变时，被控量 就会发生变化，偏离给定值。通过系统的自动控制作用，经过一定的过渡过程，被控量又恢 复到原来的稳态值或稳定到一个新的给定值。这时系统从原来的平衡状态过渡到一个新的平 衡状态，我们把被控量在变化中的过渡过程称为动态过程即随时间而变的过程，而把被控量 处于平衡状态时称为静态或稳态。 对自动控制系统最基本的要求是必须稳定，也就是要求控制系统被控量的稳态误差 (偏 差)为零或在允许的范围之内。对于一个好的自动控制系统来说，一般要求稳态误差越小越 好，最好稳态误差为零。但在实际生产过程中往往做不到完全使稳态误差为零，只能要求稳 态误差越小越好。一般要求稳态误差在被控量额定值的2%-5%之内。 自动控制系统除了要求满足稳 态性能之外，还应满足动态过程的 性能要求，在具体介绍自动控制系 -一 以r) 统的动态过程要求之前，先看看控 制系统的动态过程 (动态特性)有 哪几种类型，一般的自动控制系统 被控量变化的动态特性有 以下 几种。 (1)单调过程。被控量 贝t) 单调变化 (即没有 “正”、 “负”的 (c) 变化)，缓慢地到达新的平衡状态 图3一3 自动控制系统被控量的动态特性 (a)单调过程;6)衰减振荡过程;(c)等幅振荡过程; (新的稳态值)，如图3一3(a)所 Cd)渐扩振荡过程 示，一般这种动态过程具有较长的 第三章 自动控制系统的组成原理 动态过程时间 (即到达新的平衡状态所需的时间)。 (2)衰减振荡过程。被控量贝t)的动态过程是一个振荡过程，但是振荡的幅度不断在 衰减，到过渡过程结束时，被控量会达到新的稳态值。这种过程的最大幅度称为超调量，如 图3一3(b)所示。 (3)等幅振荡过程。被控量贝t)的动态过程是一个持续等幅振荡过程，始终不能达到 新的稳态值，如图3一3(c)所示。这种过程如果振荡的幅度较大，生产过程不允许，则认 为是一种不稳定的系统;如果振荡的幅度较小，在生产过程可以允许的范围内，则可认为是 稳定的系统。 (4)渐扩振荡过程。被控量贝t)的动态过程不但是一个振荡的过程，而且振荡的幅度 越来越大，以致会大大超过被控量允许的误差范围，如图3一3(d)所示，这是一种典型的 不稳定过程，设计自动控制系统要绝对避免产生这种情况。 一般说来，自动控制系统如果设计合理，其动态过程多属于图3一3(b)的情况。为了 满足生产过程的要求，我们希望控制系统的动态过程不仅是稳定的，并且希望过渡过程时间 (又称调整时间)越短越好，振荡幅度越小越好，衰减得越快越好。 综上所述，对 自动控制系统的基本要求主要有以下三个方面。 一、稳定性 稳定性是指系统处于平衡状态下，受到扰动作用后，系统恢复原有平衡状态的能力。如 果系统受到外作用后，经过一段时间，其被控量可以达到某一稳定状态，则称系统是稳定 的，如图3一4所示的情形;否则为不稳定的，如图3一5所示。图3一5(a)为在给定信号 作用下，被控量振荡发散的情况;图3一5(b)为被控量受到扰动作用后，不能恢复平衡的 J晴况。另外，若系统出现等幅振荡，即处于临界稳定状态，严格说也属于不稳定状态。 y(t) 一华 (a) (b) 图3一4 稳定系统的动态过程 图3一5 不稳定系统的动态过程 Ca)被控量振荡发散的情况;(b)被控量不能恢复平衡的情况 不稳定的系统无法正常工作，甚至会毁
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