1、第七章 自動調節系統的基本知識及應用第一節 自動調節系統及組成一、人工調節和自動調節 在化學水處理系統向熱力系統補水時，基本要求是維持水箱(稱為調節對象)中的水位h(稱為被調量)在規定范圍內。 引起水位變化的直接原因是生水雖W(稱為流人量)和補充到系統中的軟化水量D(稱為流出量)的平衡關系受到了破壞。由運行人員觀察儀表上指示的水位值，調整軟化器入口的手動調節閥M的開度，使水箱水位恢復到規定值a(稱為給定值)。這種由人來直接進行的調節過程稱之為人工調節。若用一套自動調節裝置來代替上述人工操作，就叫做自動調節。人工和自動調節系統分別如圖7一1x圖7一2所示。自動調節裝置包括三個部分: (1)、測量

2、部件(變送器)二用來測量被調量的大小，能把被調量信號轉換成與其成比例的電流或電壓信號。這部分的功能相當于人眼睛的作用。在電廠化學水處理方面，常見的測量部件是液位計、流量計、PH表、電導率表等。(2)、運算部件(調節器)。接受測量部件送來的被調量信號，并把它與定值器(運行人員根據生產要求，在定值器上預先設置好給定值)送來的給定值進行比較，當被調量與給定值有偏差時，調節器按某種或幾種運算規律(如比例、微分、積分等規律)進行運算，并根據運算結果發出調節信號。(3)、執行機構(執行器):按照調節器送來的調節信號去控制調節機構，如閥門、伺服電動機等。調節系統中常用的術語(1)、自動調節。自動維持生產過程

3、在規定的工況下進行。(2)、調節對象二指被調節的生產過程或生產設備。(3)、被調量。表征生產過程是否符合工藝要求的物理量，也是調節作用所要維持為給定值或維持在一定范圍內的參數(4)、給定值。要求被調量達到的數值。(5)、擾動口引起被調量偏離其給定值的各種作用稱為擾動。 二、自動調節系統的組成 自動調節裝置和所控制的生產設備(即調節對象)聯接起來，就構成一個自動調節系統;為了能更清楚地表示一個自動調節系統各個組成環節之間的相互影響和信號聯系，便于對系統分析研究，一般都用方框圖來表示調節系統的組成。例如，火電廠中化學水處理軟化系統往工業冷卻水系統補水的自動調節系統，其調節對象是軟化水箱，被調量是軟

4、化水箱水位。圖7-2所示軟化水補水自動調節系統可用圖7一3方框圖來表示。 每個方框稱為一個環節，環節之間用帶有箭頭的連接線表示信號的傳遞通遭和方向。箭頭指向環節表示這個環節的輸人。箭頭離開環節表示這個環節的輸出，線上字母表示環節之間的作用信號。如軟化水輸出量D及生水量W是軟化水箱環節的輸入信號，又稱輸入量;軟化水箱水位11是軟化水箱環節的輸出信號，又稱輸出量。每個環節都有輸入量和輸出量。每個環節的輸入量是引起它的輸出量變化的原因，或者說輸出量的變化是輸人量變化的結果。方框圖中的環節并不代表某一部件或設備的具體結構，輸人量和輸出量也并不代表流人或流出某一設備的物質或能量。方框圖只表示調節系統工作

5、過程中各變量之間的因果關系，而這種因果關系是不可逆的。如軟化水輸出量刀的變化能引起水位H的變化，而水位H的變化不能影響軟化水輸出量D的變化。生水流量W變化不是水位月變化通過水箱環節的逆作用引起，而是執行機構作用的結果。三、自動調節系統的分類1、按給定值信號的特征分類 1)、定值調節系統，這種系統在運行中，其被調量的給定值保持恒定，因而調節的結果，被調量也基本不變。 2)、隨動調節系統。這種系統的被調量給定值不是預先設定的，而是，隨某些因素的變化而變化變化規律未知)的，因此系統的愉出量也是以一定的準確度跟隨給定值變化的。 3)、程序調節系統。這種系統的給定值是預先規定的時間函數，如汽輪機啟動過程

6、中的轉速給定值隨時間的變化規律是預先擬定的，因此汽輪機的實際轉速也是按預先擬定的規律變化的。2、按工作原理分類 1)、反饋調節系統。這種系統是根據被調量與其給定值之間的偏差進行調節的，最后消除偏差。 2)、前饋調節系統。這種系統是根據擾動信號進行調節的，即根據擾動量大小，系統產生調節作用去補償(抵消)擾動對被測量的影響，簡單地說是擾動補償”。第二節 自動調節系統的過渡過程一、系統的靜態和動態 在自動調節系統中，把被調量不隨時間變化的平衡狀態稱為系統的靜態，把被調量隨時間變化的不平衡狀態稱為系統的動態。 系統處于靜態時，各參數(或信號)的變化率為零，即參數保持不變。當系統受到干擾作用靜態被破壞了

7、時，調節器等自動調節裝置會改變調節參數以克服干擾作用的影響，使系統恢復平衡。 二、系統的過渡過程 自動調節系統處于動態時，被調參數隨時間變化的過程稱為自動調節系統的調節過程或過渡過程，即系統從一個平衡狀態過渡到另一個平衡狀態的過程，如圖7一5所示。在過渡過程中，被調量隨時間變化的曲線稱為過渡過程曲線(也叫調節過程曲線)，它是分析對象動態特性的曲線，對于一個自動調節系統，不管是在設計、還是在運行階段，評價系統質量的依據主要是系統的過渡過程。 在生產過程中出現的干擾沒有固定形式，屬于隨機性質。在分析和設計過程中，為了安全和方便，的干擾形式，其中最常用的是階躍干擾，通常假設一些典型如圖7一6所示。三

8、、調節系統的品質指標 1、穩定性 通常用衰減率這個概念來定量表示調節系統的穩定性。衰減率是指每經過一個周期，被調量波動幅值衰減的百分數，用表示。式中y1第一個半波的幅值 y3第三個半波的幅值 由圖7-8可知，是同方向的兩個相鄰波幅之差y1 y3與第一個波幅y1的比值，y1,y3波幅值均指波峰至波動曲線中心線的垂直距離。根據的數值，可容易地判別調節過程的性質。若0則調節過程是發散振蕩的;若=o，則調節過程是等幅振蕩的;若0O表明系統是穩定的.但也不能認為愈大愈好，=1時，就構成非周期過程，過程的持續時間長，動態偏差大，一般取用=0.750.9的衰減振蕩過程比較合適。 2、準確性調節過程的準確性可

9、以用被調量的動態偏差和穩態偏差來表示。 1)、動態偏差。動態偏差是指整個調節過程中被調盤偏離給定值的最大短期偏差(也叫最大偏差)，即圖7-8所示被調量的第一個波峰高度ymax。動態偏差越大，偏差時間越長，系統離開規定的生產狀態就越遠。2)、穩態偏差(靜態偏差)。穩態偏差是指調節過程結束后，被調重與給定值的長期偏差，也稱之殘余偏差或簡稱余差，其值可為正，也可為負。一般，調節系統的穩態偏差愈小愈好，但也不能一概而論，要看具體情況而定。3、快速性快速性可用過渡時間、自然振蕩頻率或周期來表示。1)、過渡時間 從階躍擾動作用起至被調對象建立新的平衡狀態止，這段時間叫做過渡時間.嚴格的講，被調童完全達到新

10、的穩定值需要很長的時間。實際上，由于儀表靈敏度的限制，當被調量靠近穩定值時，儀表指示值就基本不改變了。所以在可測量的區域內，在穩定值上下規定一個小的范圍，當儀表指示值進人這一范圍而不再越出時，就可認為被調量已達到穩定值。這個范圍一般為穩定值的士5%.以表示，見圖7-8G2)、振蕩周期或頻率 過渡過程曲線上從第一個波峰到第二個波峰之間的時間叫做周期，周期的倒數稱為頻率。在保證一定的衰減率的條件下，一般希望周期越短越好。周期短就意味著過渡過程時間短，調節的快速性好。第三節 調節對象的特性 在電廠化學自動調節系統中，除了軟化水箱外，常見的對象還有清水箱、加藥箱等設備，它們稱為調節對象。調節對象隨著用

11、水量的不同及鍋爐負荷的變化，差別很大。有時對象參數很穩定，操作容易，有時對象參數只要稍有干擾，就會超出正常規范要求，甚至造成事故。只有充分了解和熟悉這些對象，才能進行安全生產，保證電廠的正常運行。因此要設計出合理的調節系統，必須對調節對象的特性、內在規律有充分的了解。所謂對象特性，就是指對象在干擾作用或調節作用后，其被調量的變化情況，如變化的快慢及最終的變化量。 在水箱水位穩定時，流人水箱的流量qm1等于流出水箱qm2，水位保持在h0不變。假設在t0時刻突然開大閥門1，水位就要發生變化。水位變化的特點是，開始變化較快，以后逐漸變慢、最后穩定在一個新的數值h2上。如果將這個過程用記錄儀記錄下來，

12、就得到一條曲線，如圖7一10所示。這條曲線可以用來描述對象的特性，對不同的對象可以作出不同的特性曲線。為了研究問題方便，常用下面三個物理量來表示對象的特性: 1.放大系數K 2.純滯后時間0 3.時間常數T描述對象特性的參數 為了說明對象特性是如何描述的，現在來分析一個簡單的對象。圖7-9所示是一個清水箱，水經過閥門1不斷地流入水箱，水箱內的水又通過閥門2不斷流出，生產中要求水箱的水位入保持一定的數值。在這里，水箱就是調節對象，水位h就是被調量。如果閥門2的開度保持不變，閥門1的開度變化是引起水位變化的干擾因素，那么，對象特性就是指當閥門1的開度發生變化時、水位h隨時間的變化曲線.如圖7-10

13、所示。 放大系數K 從圖7-lO可以看出，當流量qm1有一定變化后，液位h也會有相應的變化，但最終將會穩定在某一數值上。如果將流量qm1的變化看作對象的輸人量，而液位h的變化看作對象的輸出量，那么在穩定狀態時，對象一定的輸人最就對應著一定的輸出量，這種特性稱為對象的靜態特性。 假如qm1的變化量用qm1表示，h的變化量用h表示，那么，在穩定的狀態下，一定的qm1對應一定的h，放大系數K被定義為對象的輸出變化量h與輸人變化量qm1的比值。對象的放大系數K越大，表示對象的輸入量的變化對輸出量的影響越大。因此在選擇自動調節方案時應考慮K的大小。 純滯后時間0 有的對象在受到干擾作用后，被調節量不立即

14、變化，而是經過一段時間0后才開始變化的，如圖7-11所示。0一般是由于介質的輸送或熱的傳遞需要一段時間而引起的，稱為純滯后時間，簡稱純滯后。 圖7-12所示是一個蒸汽直接加熱器。如果以進人的蒸汽量q為輸入量，液體的溫度1為輸出量(測溫點不在水箱內，而在出口管道上，測點與水箱的距離為L)，那么，當蒸汽量增加時，水箱內溫度1升高，水流到管道測溫點處要經過一段時間0。因此，管道測溫點處的溫度2變化要比水箱內水溫變化落后一段時間0，如圖7-12(b)所示，這個時間為純滯后。顯然L越長或管內流速v越低，則0越大，即在自動調節系統中，純滯后不利于調節，因為測量裝置不能將被調量的變化及時地送給調節器，調節器

15、總是按滯后的信號進行調節，調節作用也就不能快速克服千擾影響。因此應盡最大努力消除或縮短純滯后時間0 時間常數T 從大量的生產實踐中發現，有的對象受干擾作用后，被調量變化很快，較迅速地達到了穩定值，有的則很緩慢。從圖7-13可以看到截面積很大的水箱與截面積小的水箱相比，當進口流量改變同樣一個數值時，截面積小的水箱水位變化很快，并迅速穩定在新的數值，而截面積大的水箱惰性大，水位變化慢，需經過很長的時間才能穩定。在自動調節系統中，往往用時間常數T來表示這種特性。T越大，表示對象受到干擾作用后被調量變化得越慢，到達新的穩定值所需的時間越長。對象特性對過渡過程的影響1、放大系數K K越大表示調節量的作用

16、越顯著，但調節量作用強烈時，系統容易產生振蕩。因此調節對象的K值較大時，調節器輔出的變化應當減小。 2、純潛后時間與時間常數的比值0 /T 純滯后時間0 ，與時間常數T的比值是衡量對象是否容易控制的一個指標，0 /T越大，純滯后時間0 的相對影響越大，調節越困難;相反，0 /T的值越小，調節越有利。3、時間常數T 時間常數T越大，調節過程變化越平穩、緩慢，調節過程所需的時間也越長。T過大是不利的，因為在調節過程中，被調量將長期偏離給定值;T過小也不容易處理，因為這時要求有快速的測量與及時的調節，這很難實現。對于不同的擾動，對象的動態特性往往是很不一致的。對象對于調節作用的動態特性.對調節過程的

17、影響尤其重要，因此，為了改善調節過程的質量，應盡可能減小調節作用側的0與T的比值(0 /T)。第四節 調節器的基本調節規律 調節器接受偏差信號后，其輸出隨輸人變化的規律，即是調節器的基本調節規律。在工業自動調節系統中最基本的調節規律有:位式調節、比例調節、積分調節和微分調節四種。 各種調節規律是為了適應不同的生產要求設計的。因此，必須根據生產的要求來選用適當的調節規律。一、雙位調節 雙位調節是位式調節的最簡單形式。雙位調節的動作規律是，測量值大于給定值時，調節器的輸出為最小;測量值小于給定值時，調節器的輸出為最大(也可以是相反的情況)。因此，雙位調節只有兩個輸出值，相應的調節機構也只有兩個極限

18、位置，即不是最大就是最小。沒有中間位置。而且從一個位置變到另一個位置是很快的、如圖7-14所示。 圖7一15是一個典型的雙位調節系統。它是利用電極式水位計來調節鹽液箱的液位的。鹽液箱內裝有一根電極，作為量液位的裝置，電極的一端與繼電器K的線圈相接，另一端被調整在液位給定值的位置。鹽液由裝有電磁閥V的管路進人鹽液箱，經下部出口管流出。鹽液是導電的，鹽液箱外殼接地。當液位低于給定值H0時，鹽液與電極未接觸。繼電器斷路，此時電磁閥全開，鹽液注人箱內，液位上升。液位稍高于H0，鹽液便與電極接觸，于是繼電器接通，電磁閥全關。鹽液不再進入鹽液箱。如此反復循環動作，液位便在給定值上下很小的范圍內波動。二、比

19、例調節 在雙位調節系統中，被調量不可避免地保持等幅振蕩，被調量與調節對象的負荷要求不相適應。從位式調節及人工操作的實踐中認識到，如果能夠使調節閥的開度與被調量的偏差成比例，那就有可能獲得與對象負荷相適應的調節量，而且被調量趨于穩定。圖7-18所示為液位調節系統，當液位高于給定值時，調節閥門關小，液位越高，閥門關閉得越小;反之，閥門開度越大。這相當于把位式調節的位置增加到無窮多個，即變成連續作用系統。這種閥門開度的改變量(亦即調節器輸出的改變量)與被調量的偏差值成比例的調節規律稱為比例調節，常用P表示。三、積分調節 比例調節不能使被調量恢復到給定值而存在余差(過渡過程終了時的殘余偏差叫余差)，因

20、而調節準確度不高。當調節質量要求較高時，單純的比例調節不能滿足需要，往往要加上積分調節來消除余差。1.積分調節作用 積分調節器(積分調節常用I表示)的愉出變化量與輸入偏差的積分量成比例，或者說，積分愉出的變化速度與輸人偏差成正比，即 由式(7-1)可以看出，調節器輸出信號的大小不僅取決于偏差信號大小，而且主要取決于偏差存在的時間長短。只要有偏差，盡管偏差可能很小，但它存在的時間越長。輸出信號就越大。只有俏除偏差(即x=0時)，輸出信號才不再繼續變化，執行機構才停止動作。也就是說，積分調節系統在最后達到穩定時，偏差為零，這是它的特點。2、比例積分調節規律及積分時間 比例調節規律是輸出信號與輸人偏

21、差成比例，因此作用快，但有余差;積分調節規律能消除余差，但作用慢;比例積分調節規律具有以上兩種調節規律的優點，是生產上常用的一種調節規律(常用PI表示)。比例積分調節規律可用下式表示: 由于比例積分調節器具有比例和積分兩種調節器的優點，同時比例度、積分時間兩個參數均可以調整，因此適用面比較廣，多數系統都可采用。只有在對象純滯后時間特別大時，調節時間較長，最大偏差較大;在負荷變化特別強烈時，由于積分作用遲緩，調節作用不能及時，這時可增加微分作用。四、微分調節1、微分調節器的動作規律 對于某些滯后和憤性較大的對象，為了提高調節質量，需要在調節器中加人微分作用。 微分調節器是根據偏差的變化率來進行調

22、節的，盡管偏差很小，但它的變化速度很快，所以微分調節器立即有一個較大的輸出。微分調節作用較比例調節作用還要快，更及時，這對一些慣性很大的對象可以改善調節質材，減小過渡過程的最大偏差，節省調節時間。被調復發生突然而又劇烈的變化，往往是由于生產過程中 有較大的干擾產生，微分調節器可以在劇烈變化出現的時刻，立即產生一個較大的調節作用。它具有超前調節的性質，所以，也把微分調節稱為“超前調節”。2、比例積分微分調節規律 比例微分調節的結果是存在余差的。為了消除余差，生產上常將比例、積分、微分三種調節規律結合起來，稱例積分微分調節，習慣上用PID表示。 PID調節器綜合了各類調節器的優點，因此具有較好的調

23、節性能。但這并不意味著在任何條件下采用這種調節器都是最好的，要從生產實際和經濟價值等方面來選用調節器。第五節鍋爐給水加氮自動調節系統一、加氨自動調節系統的工作原理 加氨自動調節系統的原理方框圖如圖7-25所示。鍋爐給水加氨處理的目的在于提高給水的pH值，防止熱力系統腐蝕。 在一定溫度下pH值與氨的含量有對應關系，在25下氨與pH值的關系如圖7-26所示。 氨的含量與水的電導率也存在著對應關系，在25下氨與電導率對應關系如圖7一27所示 用檢測電導率的方法可間接橄定氨的含量。在自動調節系統中，把氨含量(測量水中電導率信號)轉換成0-10mA的直流信號，此信號與系統要求的氮含量最佳值給定值)進行比

24、較，其偏差信號輸人調節器，再由調節器輸出0- 10mA直流信號給晶閘管電壓調整器，以控制直流電動機的電壓和轉速，從而維持氨為定值，也即控制了給水的PH值。1、檢測儀表 通常選用DDD-32B型電導率儀側盤給水的電導率。2、調節器 加氨自動調節系統采用DTL-121調節器(也可以采用DTL-331等其他調節器)，這種調節器具有比例、積分、微分三種調節作用。當把調節器的微分電阻Rd，短接時，微分時間Td=0,這時就成了比例積分調節器。 3、電壓調整器 電壓調整器主要由觸發器。晶閘管及整流電路組成，其電氣線路如圖7-28所示。 (1)主控電路。 主控電路由單相交流電源直接供電，不用主變壓器，可以大大

25、減小重量和體積，采用單相供電的主要缺點是造成電網三相負載不平衡，但本裝置容量小，影響不大。 主回路采用橋式晶閘管整流電路(由VS、V6及V3、V4組成)給直流電動機的電樞繞組供電。 因它屬反電動勢負載，故串有電抗器L1,D3為續流二極管，C1,R1,C2,R2為晶間普付敘限攝護元件.C3_R3為空流付電流僅護元件，C4、R4為直流過電壓保護元件，F1,F為快速熔斷器作為晶閘管元件的過流保護元件。直流電動機的勵磁電壓由V8一V9組成的橋式整流電路供給。2)、觸發器 觸發器采用比較簡單可靠的單結晶體管張弛振蕩器。V1作為可變電阻，C7為充放電電容，V2為單結晶體管,T2為脈沖變壓器。脈沖電壓從脈沖

26、變壓器TZ愉出。T2次級有兩組線圈，可以同時輸出兩路同樣的脈沖，分別觸發兩回路中的晶閘管。脈沖變壓器可以使觸發回路與主回路相互隔離。電阻R7和T8是觸發回路的限流電阻，二極管D12.D13用來抑制負脈沖輸出，只輸出正脈沖。二極管v10,V11的作用是使晶閘管的控制極與陰極之間免受過大的反向電壓作用而損壞。 電容C9用以防止干擾信號侵人晶網管。觸發回路的工作電壓取自同步變壓器T1次級輸出的交流電壓，此電壓經V14V17橋式整流電路整流以及R12和V18.V19串聯穩壓電路削波后為前沿較陡的梯形波電壓。 (3)控制和反饋回路。 晶體管V1作為可變電阻，它的控制信號來自TDL-121調節器的愉出信號

27、(0-20mA)當調節器輸出信號變化時，V1的Ube變化，從而改變其發射極和集電極之間的電阻，使C7充電速度不同，因而使發出第一個脈沖的時間改變，這樣就可以改變晶閘管的導通角，使整流后的直流電壓發生改變，最終導致直流電動機轉速的相應變化。 為了安全起見，設有手動一自動切換裝置DTL-121調節器在手動工作狀況時，其操作信號仍需要由放大電路輸出，這樣當檢洲器發生故障時，手動操作也能進行。二、系統的調校 1、電壓調整器的調校 電壓調整器的調校目的是使直流電動機的轉速隨愉入信號的大小成線性變化。調校方法: 在輸入端送入1m信號電流，調整調零電位器RP2，使直流電動機的轉速為額定轉速的1/10，再愉入

28、9mA電流。調節反饋電位器RPR1,使轉速為9/10額定轉速。然后再按上述步驟反復潤整，直到符合要求為止。 2、調節參數的整定 一個自動調節系統的調節過程質量取決于調節對象的特性，所選擇的調節方案，干擾的形式和大小以及調節參數等。 當一個自動調節系統組成后，對象的各通道特性已確定，此時調節過程的品質就取決于調節器的各個參數調節參數的選擇稱為整定。現介紹幾種工程整定方法, 它們都是在現場進行的，方法簡單、容易掌握。整定時應注意以下幾點:1)、功衰減率應以4:1為宜，這是為了保證系統有足夠的穩定度，同時調節又比較迅速。2)、在滿足上述條件下，還要設法消除或盡量減少余差，盡量減小最大動態偏差，盡量縮

29、短調節時間。 3)、在一般情況下，比例作用是最基本的調節作用，積分作用和微分作用起輔助作用。對于PI或PID調節器，因為有兩個或三個調節參數，所以要達到規定的袁減率，整定參數可以有很多組合，一般選擇參數時應考慮到動態偏差和調節時間方面的要求。 (1)、經驗試湊法 所謂經驗試湊法，就是按一定規律來摸索，觀察特性曲線，調整參數。比如在自動調節系統投運時，開始用比例作用使積分時間T1=，微分時同TD=0，被調量為流量時，根據經驗采用= 40%-100%，可先取占=50%如果看到特性曲線振蕩過強，則表示比例帶太小了，應加大一些。如果調節過程過于緩慢，余差過大，則表示比例帶太大了，應該減小些。這樣逐漸調

30、整，直到衰減率合乎要求為止。當完成上述工作以后，再加入積分作用，這時侯要將比例帶放大到原來的1.2倍左右。如發現余差消除得很慢，調節過程過于緩慢，則應增強積分作用，把積分時間縮短。被調量振蕩得很厲害，則應減弱積分作用。即把積分時間加長。 節系統加入了適當的比例和積分作用后，若品質指標還達不到預定要求，則可加入微分作用，這時可將比例帶恢復到原來的數值(或更小一些)，然后逐漸增加微分作用，以得到一個較好的調節過程。 上述經驗試湊法合理有效，但是費時較多。在實際工作中，可適當地組合占、T1(和TD)的數值，得到有同樣衰減率的調節過程曲線，而且其余指標也較接近。例如減小可以用增加T1的辦法來補償。 加氨自動調節系統屬于流量調節系統，大、T1小，