第一章熱工自動化基礎§1.1概述§1.2熱工被控對象§1.3變送器§1.4執行器§1.5典型輸入信號與控制系統的性能指標§1.6調節器和控制規律§1.7熱工系統的主要控制方式1第一章熱工自動化基礎§1.1概述1§1.1概述2§1.1概述2

生產過程自動化是保持生產穩定、降低成本、改進勞動條件、促進文明生產、保證生產安全和提高勞動生產率的重要手段。自動化水平是衡量一個國家的生產技術和科學水平先進與否的一項重要標志。電力工業中電廠熱工過程自動化技術相對于其它民用工業部門有較長的歷史和較高的自動化水平，電廠熱工自動化水平的高低是衡量電廠生產技術的先進與否和企業現代化的重要標志。

在現代科學技術的眾多領域中，自動控制技術起著越來越重要的作用。所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象（如機器設備、生產過程等）自動地按照預定的規律運行。3生產過程自動化是保持生產穩定、降低成本、改進勞一、自動控制系統的組成

把工業生產過程中的溫度、壓力、液位、濃度等狀態參數作為被控參數的控制系統叫過程控制系統。圖1-1鍋爐汽包水位人工控制示意圖

任務：保證鍋爐的安全運行，使汽包的水位穩定在一定的范圍內。圖1-2人工控制原理圖4一、自動控制系統的組成圖1-1鍋爐汽包水位人工控制示意圖圖1-3汽包水位自動控制系統示意圖用自動化裝置代替上述人工操作來完成控制任務，就形成了自動控制系統。圖1-4汽包水位自動控制原理框圖5圖1-3汽包水位自動控制系統示意圖用自動自動控制系統可以由以下幾個部分組成：

測量變送器：

用來測量被調量，并把被調量轉換為與之成比例的某種便于傳遞和綜合的信號。

給定元件：用來設置被調量的給定值或與該給定值對應的電信號。

調節器：接受被調量信號和給定值比較后的偏差信號，輸出一定規律的控制指令給執行器。6自動控制系統可以由以下幾個部分組成：調節器：接執行器：根據調節器送來的控制指令去推動調節機構，改變調節量。調節機構：接受控制作用去改變調節量變化的具體設備?？刂茖ο螅罕豢刂频臒峁どa過程或設備。被調量：表征熱工過程是否符合規定工況的物理量。擾動：

生產過程中引起被調量偏離給定值的各種因素。調節量：由控制作用來改變并去控制被調量變化的物理量。7執行器：根據調節器送來的控制指令去推動調節機構，改二、自動控制系統的分類1．按控制方式分類

閉環控制系統（也稱反饋控制系統）：它的被控量信號反饋到控制設備的輸入端，成為控制設備生產控制作用的依據。只要被控量與給定量之間有偏差，控制設備就要對控制對象施加作用，直到被控量符合要求為止。特點:基于偏差，消除偏差，可克服各種擾動對被控量的影響。由于控制作用落后于干擾，因此相對來講控制不及時。8二、自動控制系統的分類8開環控制系統（也稱前饋控制系統）：控制設備和控制對象在信號關系上沒有形成閉合回路的控制系統，其被控量沒有反饋到控制設備的輸入端。特點:按擾動進行控制，結構簡單，精度差，只能克服單一擾動。復合控制系統：開環控制和閉環控制組合的一種控制系統。9開環控制系統（也稱前饋控制系統）：92．按閉合回路的數目分類

單回路控制系統：只有一個被控量信號反饋到控制器的輸入端。形成一個閉合回路。圖1-5單回路控制系統的原理框圖102．按閉合回路的數目分類圖1-5單回路控制系統的原理框圖

多回路控制系統：具有一個以上的閉合回路，控制器(調節器)除接受被控量反饋信號外，還有另外的輸出信號直接或間接地反饋到控制器的輸入端。例如串級控制系統和導前微分控制系統都是雙回路控制系統。圖1-6串級控制系統的原理框圖11多回路控制系統：具有一個以上的閉合回路，控制3．按給定值分類

恒值控制系統：給定值保持不變，從而被控量也相應保持不變，主要矛盾是克服擾動對被控量的影響，最終使被控量與給定值相等。主要的熱工控制系統，如：給水控制系統、再熱汽溫控制系統等。

123．按給定值分類12隨動控制系統：給定值按預先不能確定的一些隨機因素而變化。因而被調量也跟隨給定值而隨機變化。

例如：單元機組負荷控制系統；軍事上的火炮跟蹤系統；導彈預測攔截系統。程序控制系統：給定值按已知的時間函數變化?？刂频娜蝿帐鞘贡豢亓勘M快與給定值相等。例如：汽輪機自動啟停系統TAS：汽輪機啟動過程中，要求汽輪機的轉速按一定程序升降等；爐膛吹灰系統等。13隨動控制系統：給定值按預先不能確定的一些隨三、主要自動化系統1.SIS：廠級實時監控信息系統（SupervisoryInformationSysteminPlantLevel，簡稱SIS）SIS是發電廠的生產過程自動化和電力市場交易信息網絡化的中間環節，是發電企業實現發電生產到市場交易的中間控制層，是實現生產過程控制和生產信息管理一體化的核心，是承上啟下實現信息網絡的控制樞紐。?實現全廠生產過程監控

?實時處理全廠經濟信息和成本核算

?

競價上網處理系統

?

實現機組之間的經濟負荷分配

?

機組運行經濟評估及運行操作指導

14三、主要自動化系統142.AGC：自動發電控制系統（automaticgenerationcontrolSystem，AGC）由于調速器為有差調節，因此對于變化幅度較大、周期較長的變動負荷分量，需要通過改變汽輪發電機組的同步器來實現，即通過平移調速系統的調節靜態特性，從而改變汽輪發電機組的出力來達到調頻的目的，稱為二次調整。當二次調整由由電網調度中心的能量管理系統來實現遙控自動控制時，則稱為自動發電控制（AGC）。

3.BPS：旁路控制系統（bypasscontrolsystem，BPS）大型中間再熱式機組一般都設置旁路熱力系統，其目的是在機組啟、停過程中協調機、爐的動作，回收工質，保護再熱器等。完備的旁路控制系統是充分發揮旁路系統功能的前提。152.AGC：自動發電控制系統（automaticgene4.CCS：單元機組協調控制系統（coordinationcontrolsystem，CCS）協調控制是基于機、爐的動態特性，應用多變量控制理論形成若干不同形式的控制策略，在機、爐控制系統基礎上組織的高一級機、爐主控系統。它是單元機組自動控制的核心內容。

5.FSSS：鍋爐爐膛安全監控系統（furnacesafeguardsupervisorysystem，FSSS）或稱燃燒器管理系統（burnermanagementsystem，BMS）

爐膛安全監視系統包括爐膛火焰監視，爐膛壓力監視，爐膛吹掃，自動點火，燃燒器自動切換，緊急情況下的主燃料跳閘等。164.CCS：單元機組協調控制系統（coordinatio6.SCS：順序控制系統（sequencecontrolsystem）

按照生產過程工藝要求預先擬定的順序，有計劃、有步驟、自動地對生產過程進行一系列操作的系統，稱之為順序控制系統。順序控制也稱程序控制，在發電廠中主要用于主機或輔機的自動啟停程序控制，以及輔助系統的程序控制。7.DAS：數據采集系統（dataacquisitionsystem）

又稱為計算機監控系統，其基本功能是對機組整個生產過程參數進行在線檢測，經處理運算后以CRT畫面形式提供給運行人員。該系統可進行自動報警，制表打印，性能指標計算，事件順序記錄，歷史數據存儲以及操作指導等。

176.SCS：順序控制系統（sequencecontro8.DEH：汽輪機數字電液控制系統（digitalelectrichydraulicsystem）汽輪機數字電液控制系統是汽輪發電機組的重要組成部分，除完成汽輪機轉速、功率及機前壓力的控制外，還可實現機組啟停過程及故障時的控制和保護。

188.DEH：汽輪機數字電液控制系統（digitalel四、一些重要的基本概念1.數學模型：描述控制系統變量（物理量）之間動態關系的數學表達式。常用數學模型有微分方程，傳遞函數，結構圖，信號流圖，頻率特性以及狀態空間描述等。例如對一個微分方程，若已知初值和輸入值，對微分方程求解，就可以得出輸出量的時域表達式。據此可對系統進行分析。所以建立控制系統的數學模型是對系統進行分析的第一步也是最重要的一步。19四、一些重要的基本概念1.數學模型：描述控制系統變量（物理量2.傳遞函數：線性定常系統在零初始條件下輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。設線性定常系統可以由下述n階線性常微分方程描述：

式中：c(t)是系統輸出量，r(t)是系統輸入量，a和b是與系統結構和參數有關的常系數。

202.傳遞函數：線性定常系統在零初始條件下輸出量的拉氏變換與輸設r(t)和c(t)及其各階系數在t=0時的值均為零，即零初始條件，則對上式中各項分別求拉氏變換，并令C(s)＝L[c(t)]，R(s)=L[r(t)]，可得s的代數方程為：于是，由定義得系統傳遞函數為：21設r(t)和c(t)及其各階系數在t=0時的值均傳遞函數是研究線性系統動態特性的重要工具，利用這一工具，可以大大簡化對系統動態性能的分析過程。例如對于初始條件為零的系統，不必先解微分方程，而是直接根據系統傳遞函數的某些特征，利用傳遞函數的零點和極點來研究系統的性能。另一方面也可以把對系統性能的要求，轉換成對傳遞函數的要求，從而為系統的設計提供簡便的方法。

3.方框圖：表示變量之間數學關系的流程圖稱為函數結構圖或方框圖。方框圖的組成元素：方框、信號線、比較點、分支點22傳遞函數是研究線性系統動態特性的重要工具，利用這一工§1.2熱工被控對象23§1.2熱工被控對象23一、了解對象動態特性的意義

1.熱工對象是熱工自動控制系統的重要組成部分，要設計一個合理的控制系統，必須了解對象的動態特性；2.要確定出控制器的最佳整定參數，也必須了解對象的動態特性；3.了解對象的動態特性，還可以對新設計的工藝設備提出要求，使之滿足所需要的動態特性，為設計滿意的控制系統創造先決條件。24一、了解對象動態特性的意義24二、相關概念1.對象的動態特性:

就是對象的某一輸入量變化時，其被控參數隨時間變化的規律。其取決于工藝設備的結構、運行條件和內部物理的（或化學的）過程。2.理論建模：可以用機理分析的方法導出對象的動態特性；3.實驗建模：用實驗的方法獲取對象的動態特性，是工程中常用的建模方法，目前有時域法、頻域法和相關統計法等。4.時域法：在對象的輸入端加一階躍擾動，記錄響應曲線，經數據處理求得對象的傳遞函數，這種方法的特點是簡單實用，因此為工程中所廣泛采用。25二、相關概念25

5.頻域法：用通過實驗求得對象的頻率特性來研究對象的動態特性。但對一些慣性大的對象則因試驗時間很長而影響生產的正常進行，因此，這種頻域法用的較少。6.相關統計法：是在對象的輸入端加一偽隨機信號，用相關計算求得對象的脈沖響應函數，這種方法的最大優點是不影響生產，因而越來越受到人們的重視。265.頻域法：用通過實驗求得對象的頻率特性來研究對象的動態三、影響對象動態特性的結構性質

影響對象動態特性的主要特征參數有容量系數、阻力和傳遞延遲，稱為大多數對象所共有的結構性質。1、容量系數

衡量對象儲存物質（或能量）能力的一個特征參數。2、阻力

物質（或能量）在傳輸過程中總是要遇到或大或小的阻力，因此需給予推動物質（或能量）流動的壓差（如電位差、水位差、溫度差等）。

對象的自平衡：不需要外來作用只依靠對象自身來恢復平衡的現象。顯然，對象的阻力使之在動態過程中表現出自平衡能力。

27三、影響對象動態特性的結構性質影響對象動態特3、遲延

遲延分為純遲延和容積遲延。被調量的變化時刻落后于擾動發生時刻的現象稱為對象的傳遞遲延。由于遲延是物質（或能量）在傳輸過程中因傳輸距離的存在而產生，所以又稱為傳輸遲延或純遲延。在設計主設備及其控制系統時，應盡量避免或減小對象的傳輸遲延。283、遲延在設計主設備及其控制系水箱2Q0h1水箱1Q1Q2h2R1R2圖1-7有自平衡能力雙容對象示意圖圖1-8雙容水箱被控對象動態特性分析由響應曲線可見,水箱1的慣性使得水箱2的水位變化在時間上落后于擾動量，對象特性的這種遲延稱為容積遲延。29水箱2Q0h1水箱1Q1Q2h2R1R2圖1-7有自平衡能1.有自平衡能力對象：不需要外來作用只依靠對象自身來恢復平衡，具有這種能力的被控對象。四、熱工對象的動態特性301.有自平衡能力對象：不需要外來作用只依靠對象自身來恢復平2.無自平衡能力對象：在受到擾動后，其被調量不能依靠對象自身能力使之趨于某一穩定值，而不管對象的容積多少及容量系數的大小。312.無自平衡能力對象：在受到擾動后，其被調量不能依靠對象自熱工對象具有以下特點：

（1）被調量的變化大多是不振蕩的。（2）被調量在干擾發生的開始階段有遲延和慣性。（3）在響應曲線的最后階段，被調量可能達到一個新的平衡狀態（對象有自平衡能力），也可能不斷變化而無法進入平衡狀態（對象無自平衡能力）。（4）描述對象動態特性的特征參數有：放大系數、時間常數、遲延時間。

32熱工對象具有以下特點：32五、階躍響應曲線求取對象傳遞函數

時域法是目前應用最多的一種方法，其主要內容是：給對象人為加一階躍擾動，記錄下響應曲線，然后根據該響應曲線求取對象的傳遞函數。由階躍擾動作用下的對象的動態特性為階躍響應曲線，即飛升曲線。階躍響應曲線能比較直觀的反映對象的動態特性；其次特征參數直接取自記錄曲線而無需經過中間轉換，試驗方法也很簡單。1、階躍響應曲線的測定

在系統處于穩定工況下通過手動或搖控裝置使調節閥作一次階躍變化；與此同時，記錄表記錄下擾動量和被調量的變化過程。

33五、階躍響應曲線求取對象傳遞函數時域法是目（1）擾動量的確定。擾動量應足夠大，減小其它干擾信號對測試結果的相對影響。然而擾動量又不宜過大，過大的擾動量會使對象本身的非線性因素增大，有時還會影響生產設備的正常運行。通常，擾動量一般為對象額定負荷下的10%～15%。（2）試驗前應將對象調整到所需工況，并保持穩定運行一段時間。如果作負荷上升擾動試驗，則應將對象輸出調整到允許變動范圍的下限值（或上限值）；反之，則應將對象輸出調整到允許變動范圍的上限值（或下限值）。（3）擾動加入時應盡量的快。設擾動開始到結束所花時間為，在處理試驗數據時一般認為擾動是在時刻加入的。34（1）擾動量的確定。擾動量應足夠大，減小其它干擾信號對測試結（4）要仔細記錄階躍響應曲線的起始部分，因為這一部分數據的準確性對確定對象動態特性參數的影響很大。對有自平衡能力對象，試驗過程應在輸出信號達到新的穩定值時結束。（5）試驗應在主要運行工況下（如額定負荷、平均負荷）進行，每一工況下應重復幾次，至少要得到兩條基本相同的曲線，以消除偶然性干擾的影響。（6）應進行正反兩個方向的試驗，以檢驗對象的非線性。線性對象在正向擾動和反向擾動下，兩條響應曲線應該是一樣的。35（4）要仔細記錄階躍響應曲線的起始部分，因為這一部分數據的準無遲延一階對象在階躍擾動下，其傳遞函數形式為：C(0)C(∞)TM0.632c(∞)特征參數T和K可在階躍響應曲線上作圖求取:(1).作穩態值的漸近線C()，則:(2).作響應曲線起始點的切線交C()線于M，則線段OM在時間軸上的投影為時間常數T。

響應曲線起始點的切線有時作不準，此時,可在響應曲線上找出c(t1)=0.632c(∞)的時間t1，則T＝t1.2、有自平衡對象傳遞函數的求取（一）切線法36無遲延一階對象在階躍擾動下，C(0)C(∞)TM0.632c圖1-9有自平衡能力被控對象階躍響應曲線有自平衡能力被控對象的傳遞函數37圖1-9有自平衡能力被控對象階躍響應曲線有自平衡能力被控3838（二）兩點法（1）以有自平衡能力二階對象為例，其傳遞函數為：圖1-10有自平衡能力二階被控對象階躍響應曲線39（二）兩點法（1）以有自平衡能力二階對象為例，其傳遞函數為（a）（b）（c）40（a）（b）（c）40（2）以有自平衡能力高階被控對象為例：41（2）以有自平衡能力高階被控對象為例：41無自平衡能力對象的傳遞函數形式為：

由圖可以看出，有自平衡能力和無自平衡能力的對象的階躍響應曲線區別在于曲線的后部，前者曲線趨一條不變的水平線，而后者曲線趨于一條不斷上升的直線。

3、無自平衡對象傳遞函數的求取:圖1-11無自平衡能力被控對象階躍響應曲線42無自平衡能力對象的傳遞函數形式為：由圖可以看當時，即階次時：無自平衡能力被控對象傳遞函數可以簡化為：

43當時4、求對象傳遞函數的半對數法

一種圖解法，它利用試驗測得的階躍響應曲線數據畫出半對數坐標圖，然后由半對數坐標圖求出對象的時間常數。

綜上所述，對象的傳遞函數大多用有遲延一階慣性環節或二階慣性環節來近似，傳遞函數的階次一般不高于三階。對無自平衡對象常用積分環節和一階慣性環節串聯來描述。444、求對象傳遞函數的半對數法44§1.3變送器45§1.3變送器45

一、定義

變送器是將各種工藝變量（如溫度、壓力、流量、液位）和電、氣信號（如電壓、電流、頻率、氣壓等信號）轉換成相應的便于傳輸的統一標準信號的裝置。基于反饋原理工作，包括測量部分（即輸入轉換部分）、放大器和反饋部分。如：差壓變送器、溫度變送器。46一、定義46二、變送器特性被測變量上限被測變量下限輸出信號上限輸出信號下限變送器k如：溫度變送器的輸入量程為400~600oC,輸出范圍為4-20mA47二、變送器特性被測變量上限被測變量下限輸出信號上限輸出信號下目的是使變送器輸出的上限與測量范圍的上限相對應。?適用于大范圍物理量的測量；?正確選擇測量范圍；圖1-12量程調整原理圖三、量程調整48目的是使變送器輸出的上限與測量范圍的上限相對應。圖1-12零點遷移原理圖四、零點調整

使變送器的測量起始點為零。五、零點遷移

把測量起始點由零遷移到某一值。49零點遷移原理圖四、零點調整49差壓變送器精度為0.5級，量程為0～10Kpa，被測差壓范圍是6～10KPa；調整前：變送器輸出最大誤差為：10x0.5%=0.05Kpa(50Pa)；調整后（零點遷移，遷移量6KPa，量程為4KPa）；變送器輸出最大誤差為：4x0.5%=0.02Kpa(20Pa)；50差壓變送器精度為0.5級，量程為0～10Kpa，被測差壓§1.4執行器51§1.4執行器51一、定義執行器在現代生產過程自動化中起著十分重要作用。人們常把它稱為實現生產過程自動化的“手足”。在自動控制系統中接受調節器的控制信號，自動地改變操作變量，達到對被調參數（如溫度、壓力、液位等）進行調節的目的，使生產過程按預定要求正常進行。執行器根據執行機構使用的工作能源不同可分為三大類：氣動執行器、電動執行器、液動執行器。52一、定義52

1、氣動執行器以壓縮空氣為能源的執行器。主要特點：結構簡單，輸出推力大、動作可靠、性能穩定、維護方便、價格便宜、本質安全防爆等。它不僅能與氣動調節儀表配套使用，還可通過電／氣轉換器或電／氣閥門定位器與電動調節儀表或工業控制計算機配套使用。因此，廣泛用于化工、石油、冶金、電力等工業部門。在目前的實際應用中氣動執行器的使用數量約為90％。531、氣動執行器532、電動執行器以電為能源的執行器。主要特點：能源取用方便，信號傳輸速度快，傳送距離遠；便于集中控制；停電時執行器保持原位不動，不影響主設備的安全；靈敏度和精度較高；與電動調節儀表配合方便，安裝接線簡單。缺點是結構復雜、體積較大、推力小、價格貴，平均故障率高于氣動執行器。適用于防爆要求不高及缺乏氣源和使用數量不太多的場合。

3、液動執行器

使用較少。542、電動執行器54二、執行器特性輸入信號上限輸入信號下限輸出信號上限輸出信號下限執行器k55二、執行器特性輸入信號上限輸入信號下限輸出信號上限輸出信號下例如：電／氣轉換器是電動單元組合儀表中的一個轉換單元，它能將電動控制系統的標準信號（0～10mADC或4～20mADC）轉換為標準氣壓信號（0.2×105～1.0×105Pa或0.4×105～2.0×105Pa）。

56例如：56§1.5典型輸入信號與控制系統的性能指標57§1.5典型輸入信號與控制系統的性能指標57一、典型輸入信號：（1）階躍函數圖1-13階躍函數階躍函數的數學表達式階躍函數的拉普拉斯變換或一、典型輸入信號：圖1-13階躍函數階躍函數的數學表達式階

圖1-14斜坡函數（2）斜坡函數斜坡函數的數學表達式斜坡函數的拉普拉斯變換或59圖1-14斜坡函數（2）斜坡函數斜坡函數的數學

（a）方波函數（b）脈沖函數圖1-15方波函數和脈沖函數（3）方波函數和脈沖函數單位脈沖函數的拉普拉斯變換60（a）方波函數圖1-16正弦函數（4）正弦函數正弦函數的數學表達式正弦函數的拉普拉斯變換61圖1-16正弦函數（4）正弦函數正弦函數的數學表達式（一）靜態和動態的概念。

靜態：被控參數不隨時間而變化的平衡狀態叫靜態或穩態。

動態：被控參數隨時間而變化的不平衡狀態叫動態。（二）控制系統在受到干擾作用時的過渡過程

控制的過程就是克服干擾的過程。一個系統的優劣在穩態下難以判別，只有在過渡過程中才能得以鑒別。二、幾種典型的過渡過程62（一）靜態和動態的概念。控制的過程就是克服（a）非振蕩過程；（b）衰減振蕩過程；（c）等幅振蕩過程；（d）發散振蕩過程圖1-17調節過程響應曲線的基本形式63（a）非振蕩過程；（b）衰減振蕩過程；（c）等幅振蕩過程；（三、控制系統的性能指標（一）控制系統的評價

穩定性、準確性、快速性1、穩定性

指控制系統在受到干擾作用后，系統的平衡被破壞，在控制設備的控制作用下，控制系統能恢復到一個新的平衡狀態，稱為穩定的控制系統。穩定的控制系統的被控參數和控制參數的過渡過程曲線最后趨于平衡；不穩定的控制系統過渡過程曲線則是漸擴的，無法恢復平衡。三、控制系統的性能指標（一）控制系統的評價穩定程度可以用衰減率這個指標來衡量

式中:被控參數從新穩定值算起的第一波峰值。被控參數從新穩定值算起的第三波峰值。衰減率和系統穩定性之間的關系過渡過程為非周期過程過渡過程為等幅振蕩過程過渡過程為衰減振蕩過程

過渡過程為發散振蕩過程65穩定程度可以用衰減率這個指標來衡量式中:被控參數從新穩定值2、準確性

指被控參數的實際值與給定值之間的動態偏差和靜態偏差。最大動態偏差是指整個過渡過程中被控參數偏離給定值的最大差值；靜態偏差是過渡過程結束后被控參數與給定值之間的差值。現場中希望兩個偏差越小越好。3、快速性

指過渡過程的持續時間，即從干擾發生起至被控參數又建立新的平衡狀態為止的過渡時間。一般認為被控參數進入偏離給定值范圍內就基本穩定了。當然，過渡時間越短，控制過程進行的就越快，系統品質也就越好。以上三方面的品質指標有時往往是相互矛盾的，在實際調試過程中應統籌兼顧！662、準確性66?穩態誤差：如果在穩態時，系統的輸出量與輸入量不能完全吻合，就認為系統有穩態誤差。這個誤差表示系統的準確度。?穩態特性：穩態誤差是系統控制精度或抗擾動能力的一種度量。（二）穩態性能指標67?穩態誤差：如果在穩態時，系統的輸出量與輸入量不能完全吻（三）動態性能指標68（三）動態性能指標68

峰值時間（PeakTime）：響應曲線達到過調量的第一個峰值所需要的時間。評價系統的響應速度；延遲時間：（DelayTime）響應曲線第一次達到穩態值的一半所需的時間。評價系統的響應速度；評價系統的響應速度；上升時間（RiseTime）響應曲線從穩態值的10%上升到90%，所需的時間。上升時間越短，響應速度越快69峰值時間（PeakTime）：評價系統的響應調節時間（SettlingTime）:響應曲線達到并永遠保持在一個允許誤差范圍內，所需的最短時間。允許誤差范圍一般是穩態值的百分數（通常取5%或2%）。同時反映響應速度和阻尼程度的綜合性指標。⑤超調量（MaximumOvershoot）：指響應的最大偏離量h(tp)于終值之差的百分比，即70調節時間（SettlingTime）:響應曲§1.6調節器和控制規律71§1.6調節器和控制規律71一、常規PID控制規律

常規PID控制即比例-積分-微分控制規律。72一、常規PID控制規律721、比例調節規律指調節器輸出的控制作用u（t）與其偏差輸入信號e(t)之間成比例關系，即比例增益

比例調節器的傳遞函數：

工程中，常用比例帶δ來描述其控制作用的強弱，即其物理意義是在調節機構的位移改變時，被調量應有的改變量。

731、比例調節規律比例增益比例調節器的傳遞函數：工比例調節器的階躍響應曲線如下:δ對控制過程的影響

圖1-18比例作用曲線74比例調節器的階躍響應曲線如下:δ對控制過程的影響圖1-18結論：

比例帶大，則調節閥動作幅度小，被調量變化平穩，超調量小，但殘差較大，靜態偏差隨比例帶的加大而加大；減小比例帶導致系統激烈振蕩甚至不穩定，比例帶設置必須有一定的穩定裕度。比例調節規律的特點：

（1）動作快，調節及時、迅速；（2）對干擾有很強的抑制作用；（2）調節過程結束，被調量偏差仍存在，存在靜態偏差，稱為有差調節。75結論：比例調節規律的特點：752、積分調節規律

積分調節規律是調節器輸出控制作用u（t）與其偏差輸入信號e（t）隨時間的積累值成正比，即傳遞函數：

積分時間

圖1-19積分作用曲線特點：

只要偏差存在，積分控制作用一直增加；消除穩態偏差，實現無差調節，其控制作用體現在調節過程的后期。

762、積分調節規律傳遞函數：積分時間圖1-1圖1-20Ti對控制過程的影響

積分調節器的積分時間對控制過程的影響

非周期過程衰減振蕩過程

等幅振蕩過程

77圖1-20Ti對控制過程的影響積分調節器的積分時間對控

結論：1.積分調節作用是不及時的。積分調節作用是隨時間而逐漸增強的，與比例調節作用相比過于遲緩，惡化了動態品質，使過渡過程的振蕩加劇，甚至造成系統的不穩定。2.只要偏差信號存在，調節器輸出的旨在消除對系統影響的控制作用就一直增加，且其增長的速度始終為初始速度。3.控制作用在積分時間Ti越小時越強，積分時間越小，積分速度越快，調節閥動作愈快，容易引起和加劇振蕩。4.積分調節規律的另一特點就是消除穩態偏差，實現無差調節。78結論：783、微分調節規律

微分調節規律是調節器輸出的控制作用與其偏差輸入信號的變化速度成正比。對于定值控制系統，偏差信號的變化速度就是被調量的變化速度，即微分時間

傳遞函數式為

加入微分調節作用實現超前調節，有利于克服動態偏差，將大大改善調節過程。微分調節作用的大小僅與偏差信號的變化速度有關，而與偏差值大小無關。793、微分調節規律微分時間傳遞函數式為加入實際的微分調節規律具有慣性，傳遞函數為下式：微分增益

圖1-21實際微分調節的階躍響應

80實際的微分調節規律具有慣性，傳遞函數為下式：微分增益圖1-

結論：

微分作用的引入使系統控制過程的穩定性和準確性都得以提高，可適當減小靜態偏差，但它不能像積分作用那樣消除穩態偏差。調節過程開始時，被調量偏差小，但其變化速度卻較大，可使執行機構產生較大的位移。但當調節過程結束，執行機構位置最后總是恢復到原來的數值，不能適應負荷的變化。81結論：81圖1-22過渡過程曲線

曲線1由于比例調節規律具有調節及時的特點，所以調節過程時間較曲線2短，動態偏差也較曲線2小。而比例調節為有差調節。通過減小調節器的比例帶可減小靜態偏差，但會使系統的穩定性下降。曲線3是能消除靜態偏差，實現無差調節。然而積分作用的調節不及時，又使調節過程的動態偏差加大，過渡過程時間加長（與曲線1相比），相對而言又使系統的穩定性下降。

曲線5是比例積分微分調節器的控制過程。微分調節是一種超前調節方式，其實質是阻止被調量的一切變化。適當的微分作用可減小動態偏差、縮短調節過程時間，這樣可適當減小比例帶和積分時間。

82圖1-22曲線1由于比例調節規律具有調節綜上所述:

比例調節規律具有調節及時的特點，但比例調節為有差調節，因此調節過程結束時存在穩態偏差。通過減小調節器的比例帶可減小穩態偏差，但會使系統的穩定性下降。比例調節作用是最基本的調節作用，使“長勁”，比例作用貫徹于整個調節過程之中；積分調節規律能消除穩態偏差，所以能最終消除擾動對被調量的影響，實現無差調節。但積分作用的調節不及時，又使調節過程的動態偏差加大，過渡過程時間加長，因此，在積分作用引入到比例調節器后，調節器的比例帶應適當加大，以彌補積分作用對控制過程穩定性的影響。積分和微分作用為輔助調節作用。積分作用則體現在調節過節過程的后期，用以消除靜態偏差，使“后勁”；微分調節是一種超前調節方式，其實質是阻止被調量的一切變化。適當的微分作用可收到減小動態偏差，縮短調節過程時間的效果，這樣在采用比例積分微分調節器時，又可適當減小比例帶和積分時間。微分作用則體現在調節過程的初期，使“前勁”。

83綜上所述:比例調節規律具有調節及時的特點，

4.PID(比例-積分-微分)控制特點

(1)缺點不適用于有大時間滯后的控制對象，參數變化較大甚至結構也變化的控制對象，以及系統復雜、環境復雜、控制性能要求高的場合。

(2)優點:●PID算法蘊涵了動態控制過程中過去、現在和將來的主要信息，而且其配置幾乎最優。844.PID(比例-積分-微分)控制特點8

比例(P)代表了當前的信息，起糾正偏差的作用，使過程反應迅速。微分(D)在信號變化時有超前控制作用，代表了將來的信息。在過程開始時強迫過程進行，過程結束時減小超調，克服振蕩，提高系統的穩定性，加快系統的過渡過程。積分(I)代表了過去積累的信息，它能消除靜差，改善系統靜態特性。此三作用配合得當，可使動態過程快速、平穩、準確，收到良好的效果。85比例(P)代表了當前的信息，起糾正偏差的作用8686●PID控制適應性好，有較強魯棒性?！?/p>

PID算法簡單明了，形成了完整的設計和參數調整方法,很容易為工程技術人員所掌握。●許多工業控制回路比較簡單，控制的快速性和精度要求不是很高，特別是對于那些l～2階的系統，PID控制已能得到滿意的結果?！馪ID控制根據不同的要求，針對自身的缺陷進行了不少改進，形成了一系列改進的PID算法。例如，為克服微分帶來的高頻干擾的濾波PID控制，為克服大偏差時出現飽和超調的PID積分分離控制，為補償控制對象非線性因素的可變增益PID控制等等。這些改進算法，在一些應用場合得到了很好的效果。

87●PID控制適應性好，有較強魯棒性。87

在火力發電生產過程中，熱工自動控制系統的穩定優化運行十分關鍵，而隨著機組運行工況的變化、大小修工程的實施，熱工對象特性必將發生變化，為了實現熱工系統穩定優化運行，控制器參數需要重新整定。在熱工過程控制中，PID控制算法以其魯棒性較好、易于實現和被工程技術人員熟悉掌握等特點，至今仍被工程控制界所廣泛采用。常規PID控制器參數的優化整定成為熱工控制系統維護的重要工作之一。5、PID控制器的整定88在火力發電生產過程中，熱工自動控制系統的穩定優化運行

調節器的參數整定就是合理地設置調節器的各個參數，在熱工生產過程中，通常要求控制系統具有一定的穩定裕量，即要求過程有一定的衰減率ψ；在這一前提下，要求調節過程有一定的快速性和準確性，換言之穩定性是首要的。所謂準確性就是要求控制過程的動態偏差（以超調量MP表示）和靜態偏差（ess）盡量地小，而快速性則是要求控制過程的時間盡可能地短。

控制系統參數整定有理論計算方法、工程整定方法。理論計算方法：基于一定的性能指標，結合組成系統各環節的動態特性，通過理論計算求得調節器的動態參數設定值；

工程整定法：源于理論分析，結合試驗、工程實際經驗等一套工程上的方法。

89調節器的參數整定就是合理地設置調節器的各個參數，在熱（1）廣義頻率特性法

廣義頻率特性法是通過調整調節器的動態參數，使控制系統的開環頻率特性具有規定相對穩定度的衰減頻率特性，從而使閉環系統響應滿足規定衰減率的一種參數整定方法。

特點：利用廣義頻率特性法計算調節器的參數，其前提是獲得對象的傳遞函數，這一點給工程實際應用帶來困難。此外，該方法計算工作量也較大。90（1）廣義頻率特性法90（2）臨界比例帶法

臨界比例帶法又稱邊界穩定法，其要點是將調節器設置成純比例作用，將系統投入自動運行并將比例帶由大到小改變，直到系統產生等幅振蕩為止。這時控制系統處于邊界穩定狀態，記下此狀態下的比例帶值（即臨界比例帶）以及振蕩周期，然后根據經驗公式計算出調節器的各個參數。

特點：臨界比例帶法無需知道對象的動態特性，直接在閉環系統中進行參數整定。91（2）臨界比例帶法91具體步驟：

1)將調節器的積分時間置于最大，即；置微分時間；置比例帶于一個較大的值。2)將系統投入閉環運行，待系統穩定后逐漸減小比例帶，直到系統進入等幅振蕩狀態。一般振蕩持續4～5個振幅即可，試驗記錄曲線如下圖所示：圖1-23等幅振蕩曲線

3)據記錄曲線得振蕩周期，此狀態下的調節器比例帶為，然后按下表計算出調節器的各個參數。4)將計算好的參數值在調節器上設置好，作階躍響應試驗，觀察系統的調節過程，適當修改調節器的參數，直到調節過程滿意為止。92具體步驟：圖1-23等幅振蕩曲線3)據記錄曲線得9393

臨界比例帶法在實際應用中有一定的局限性：有些生產過程根本不允許產生等幅振蕩，如火力發電廠鍋爐汽包水位控制；此外，某些慣性較大的單容對象配比例調節器又很不容易產生等幅振蕩過程，得不到臨界狀態下的調節器比例帶及振蕩周期，則無法應用臨界比例帶法。94臨界比例帶法在實際應用中有一定的局限性：有（3）衰減曲線法

衰減曲線法是在總結臨界比例帶法基礎上發展起來的，它利用比例作用下產生的4：1衰減振蕩(Ψ=0.75)過程時的調節器比例帶及過程衰減周期，或10：1衰減振蕩(Ψ=0.9)過程時調節器比例帶及過程上升時間，據經驗公式計算出調節器的各個參數。95（3）衰減曲線法95

具體步驟：(1)將調節器的積分時間置于最大，即；置微分時間；置比例帶于一個較大的值，將系統投入閉環運行；(2)在系統處于穩定狀態后做階躍擾動試驗，觀察控制過程。如果過渡過程衰減率大于0.75，應逐步減小比例帶值，并再次試驗，直到過渡過程曲線出現4：1的衰減過程。對于Ψ=0.9的調節過程，也一樣做上述試驗，直到出現10：1的衰減過程。記錄下4：1(或10：1)的衰減振蕩過程曲線；衰減曲線96具體步驟：(2)在系統處于在上圖所示的衰減曲線上求取Ψ=0.75的振蕩周期或Ψ=0.9時的上升時間，結合此過程下的調節器比例帶，按上表計算出調節器的各個參數。(3)按計算結果設置好調節器的各個參數，作階躍擾動試驗，觀察調節過程，適當修改調節器的參數，直到滿意為止。（4）經驗法根據經驗進行參數試湊的方法，首先根據經驗設置一組調節器參數，然后將系統投入閉環運行，待系統穩定后作階躍擾動試驗，觀察調節過程；如果過渡過程不令人滿意，則修改調節器參數，再作階躍擾動試驗，觀察調節過程；反復上述試驗，直到調節過程滿意為止。97在上圖所示的衰減曲線上求取Ψ=0.75的振具體步驟：

(1)調節器的積分時間放到最大，微分時間置于最小，據經驗設置比例帶值。將系統投入閉環運行，穩定后作階躍擾動試驗，觀察調節過程，若過渡過程有希望的衰減率()則可，否則改變比例帶值，重復上述試驗。(2)將調節器的積分時間由最大值調整到某一值，由于積分作用的引入使系統的穩定性下降，這時應將比例帶值適當增大，一般為純比例作用的1.2倍。作階躍擾動試驗，觀察調節過程，修改積分時間重復試驗，直到滿意為止。98具體步驟：98

(3)保持積分時間不變，改變比例帶，看調節過程有無改善，若有改善則繼續修改比例帶，如無改善則反向修改比例帶，直到滿意為止。保持比例帶不變修改積分時間，同樣反復湊試直到滿意為止。如此反復湊試，直到有一組合適的積分時間和比例帶。(4)對于采用三參數的調節器，在進行完上述調整試驗后，將微分時間由小到大的調整，觀察每次試驗過程，直到滿意時為止。這種方法使用得當，同樣可以獲得滿意的調節器參數，取得最佳的控制效果。而且此方法省時，對生產影響小。99(3)保持積分時間不變，改變比例帶，看調節過（5）動態參數法

動態參數法是在系統處于開環狀態下，作對象的階躍擾動試驗，根據記錄下的階躍響應曲線求取一組特征參數(無自平衡能力對象)或(有自平衡能力對象)，再根據經驗公式計算出調節器的各個參數。1）有自平衡能力對象

過響應曲線拐點P作切線交穩態漸近線于A，交時間軸于C；過A點作時間的垂線交于B，則：100（5）動態參數法動態參數法是在系統處于開環狀2）無自平衡能力對象

作響應曲線直線段的漸近線交時間軸于C，過直線段上任一點A作時間垂線并交于B，則：

由此，按下表經驗公式計算出調節器整定參數。1012）無自平衡能力對象由此，按下表經

對象特征參數和的乘積反映了控制難易的程度；越大，對象就越不好控制，因此調節器的比例帶應該取大一些，即與成正比。對于比例積分調節，由于積分作用的加入使系統的穩定性下降，因此比例帶為純比例作用時的比例帶的1.2倍；對于采用比例積分微分調節，由于微分作用提高了系統的穩定性，因而比例帶可為純比例作用時比例帶的0.8倍。102對象特征參數和的乘積反映了§1.7熱工系統的主要控制方式103§1.7熱工系統的主要控制方式103

一.反饋控制

反饋控制是根據被調量與給定值的偏差值來控制的。反饋控制的特點是必須在被調量與給定值的偏差出現后，調節器才能對其進行調節來補償干擾對被調量的影響。如果干擾已經發生，而被調參數還未變化時，調節器是不會動作的。即反饋控制總是落后于干擾作用。因此稱之為“不及時控制”。

104一.反饋控制104

原因：

（1）在熱工控制系統中，由于被控對象通常存在一定的純滯后和容積滯后，因而從干擾產生到被調量發生變化需要一定的時間。（2）從偏差產生到調節器產生控制作用以及操縱量改變到被控量（被調量）發生變化又要經過一定的時間?？梢?，這種反饋控制方案的本身決定了無法將干擾對被控量的影響克服在被控量偏離設定值之前，從而限制了這類控制系統控制質量的進一步提高。105原因：105二.前饋控制

1.基本原理

考慮到偏差產生的直接原因是干擾作用的結果，如果直接按擾動而不是按偏差進行控制，也就是說，當干擾一出現調節器就直接根據檢測到的干擾大小和方向按一定規律去進行控制。由于干擾發生后被控量還未顯示出變化之前，調節器就產生了控制作用，這在理論上就可以把偏差徹底消除。按照這種理論構成的控制系統稱為前饋控制系統，顯然，前饋控制對于干擾的克服要比反饋控制系統及時得多。

若系統中的調節器能根據干擾作用的大小和方向對被調節介質進行控制來補償干擾對被調量的影響，這種控制就叫做“前饋控制”或“擾動補償”。106二.前饋控制106

前饋控制系統的原理框圖如下圖圖中，KB：測量變送器的變送系數；WDZ（S）：干擾通道對象傳遞函數；WD（S）：控制通道對象傳遞函數；WB（S）：前饋調節器的傳遞函數。107前饋控制系統的原理框圖如下圖圖中，KB：測量變送器的

2.前饋控制系統的特點

理想的情況下，針對某種擾動的前饋控制系統能夠完全補償因擾動而引起的對被調量的影響。實現對干擾完全補償的關鍵是確定前饋控制器（前饋調節器）的控制作用，顯然WB(S)取決于對象控制通道和干擾通道的特性。由上圖可得：Y(s)=[WDZ(S)+KBWB(S)WD(S)]Z(S)令KB=1則有：Y(s)/Z(S)=WDZ(S)+WB(S)WD(S)式中：Z(S)是干擾；Y(s)是干擾引起的輸出。在理想的情況下，經過前饋控制以后，被調量不變，即實現了所謂“完全補償”，此時：Y(s)/Z(S)=WDZ(S)+WB(S)WD(S)=01082.前饋控制系統的特點108所以，前饋控制器的控制規律為：WB(S)=-WDZ(S)/WD(S)上式說明前饋控制的控制規律完全是由對象特性決定的，它是干擾通道和控制通道傳遞函數之商，式中負號表示控制作用的方向與干擾作用相反。如果WDZ(S)和WD(S)可以很準確測出，且WB(S)完全和上式確定的特性一致，則不論干擾信號是怎樣的形式，前饋控制都能起到完全補償的作用，使被調量因干擾而引起的動態和穩態偏差均為零。109所以，前饋控制器的控制規律為：109

3.前饋控制的局限性

(1).首先表現在前饋控制系統中不存在被調量的反饋，即對于補償的結果沒有檢驗的手段。因而，當前饋作用并沒有最后消除偏差時，系統無法得知這一信息而作進一步的校正。(2).由于實際工業對象存在著多個干擾，為了補償它們對被調量的影響，勢必設計多個前饋通道，增加了投資費用和維護工作量。(3).當干擾通道的時間常數小于控制通道的時間常數時，不能實現完全補償。(4).前饋控制模型的精度也受到多種因素的限制，對象令特性受負荷和工況等因素的影響而產生偏移，必然導致WDZ(S)和WD(S)的變化，因此一個事先固定的前饋模型不可能獲得良好的控制質量。1103.前饋控制的局限性110三、復合控制

1.基本原理

工程實際中，為克服前饋控制的局限性從而提高控制質量，對一兩個主要擾動采取前饋補償，而對其它引起被調參數變化的干擾采用反饋控制來克服。以這種形式組成的系統稱為前饋一反饋復合控制系統。前饋-反饋復合控制系統既能發揮前饋調節控制及時的優點，又能保持反饋控制對各種擾動因素都有抑制作用的長處，因此得到了廣泛的應用。111三、復合控制111前饋一反饋復合控制系統的原理方框圖如下：

112前饋一反饋復合控制系統的原理方框圖如下：112

2.復合控制系統特點

（1）引入反饋控制后，前饋控制中的完全補償條件不變。

沒有加入反饋作用時完全補償的條件為：WB(S)=-WDZ(S)/WD(S)加上反饋后有：

X(S)=0，Z(S)=0，應用不變性原理有：1132.復合控制系統特點沒有加入反饋作用時完全補即WB(S)=-WDZ(S)/WD(S)而如果不加前饋作用，即若WB(S)=0，顯然，由于WDZ(S)≠0，因此擾動對系統輸出是有影響的。（2）復合控制系統補償控制的控制規律不僅與對象控制通道和干擾通道的傳遞函數有關，還與反饋調節器的位置有關。114即WB(S)=-WDZ(S)/WD(S)

若復合控制系統的組成如下圖所示，反饋調節器與上圖相比，不是放在前饋信號前面，而是放在它的后面，則有：115若復合控制系統的組成如下圖所示，反饋調節器與可得完全補償的條件：

（3）復合控制時，擾動對輸出的影響要比純前饋時小得多。

設系統為定值控制，即X(S)=0，專門討論擾動Z(S)對系統的影響。因為前饋控制不可能完全補償，即Y(S)的第二項不可能完全為零，令其為△(S)，那么，純前饋控制時：Y1(s)=[WDZ(S)+KBWB(S)WD(S)]Z(S)=△(S)Z(S)加入反饋后，則116可得完全補償的條件：（3）復合控制時，擾動對輸出的影因為1+WT(S)WD(S)≥l，因此

對于其他未經過補償的擾動作用也有類似的結果。

（4）前饋補償對于系統的穩定性沒有影響。

這一點是顯而易見的，因為前饋無論加在什么位置，它都不構成回路，系統的輸入-輸出傳遞函數的分母均保持不變，因而不會影響系統的穩定性。＜117因為1+WT(S)WD(S)≥l，因此＜117四、串級控制

1.基本原理主調節器的輸出是副調節器的輸入。原理框圖如下圖所示：圖1-24串級控制系統原理方框圖118四、串級控制圖1-24串級控制系統原理方框圖118主參數(主變量)：

串級控制系統中起主導作用的被調參數稱為主參數。副參數(副變量)：

其給定值隨主調節器的輸出而變化，能映主信號數值變化的中間參數稱為副參數。這是一個為了提高控制質量而引起的輔助參數。119主參數(主變量)：串級控制系統中起主導作用的被調參119主調節器：根據主參數與給定值的偏差而動作，其輸(主控制器)出作為副調節器的給定值的調節器稱為主

調節器，記為WT1(s)副調節器：

其給定值由主調節器的輸出決定，并根據

(副控制器)副參數與給定值(即主調節器輸出)的偏差動作的調節器稱為副調節器，記為WT2(s)主回路(外回路)：

斷開副調節器的反饋回路后的整個回路稱為主回路。120主調節器：根據主參數與給定值的偏差而動作，其輸120副回路：

由副參數，副調節器及其所包括的一部分對象等(內回路)

環節所組成的閉合回路稱為副回路，副回路有時亦稱隨動回路。主對象：主參數所處的那一部分工藝設備，它的輸入信號(惰性區)為副變量，輸出信號為主參數，記為WD1(s)副對象(導前區)：

副參數所處的那一部分工藝設備，它的輸入信號為調節量，其輸出信號為副參數(副變量)，記為WD2(s)121副回路：由副參數，副調節器及其所包括的一部分對象等(內回路

2.串級控制系統的特點

串級控制仍然是一個定值控制系統，主參數在干擾作用下的控制過程與單回路控制系統的過程具有相同的指標和形式，但與單回路系統比較，串級控制系統具有以下特點：(1)串級控制系統具有很強的克服內擾的能力(2)串級控制系統可減小副回路的時間常數，改善對象動態特性，提高系統的工作頻率(3)串級控制系統具有一定的自適應能力1222.串級控制系統的特點1223.串級控制系統主副回路和主副調節器選擇

(1)主副回路的選擇原則

(i)副回路應該把生產過程的主要干擾包括在內，力求把變化幅度最大、最劇烈和最頻繁的干擾包括在副回路內，充分發揮副回路改善系統動態特性的作用，保證主參數的穩定;(ii)選擇副回路時，應力求把盡量多的干擾包括進去，以盡量減少它們對主參數的影響，提高系統抗干擾能力;(iii)主副對象的時間常數應適當匹配，串級控制系統與單回路控制系統相比，其工作頻率提高了，但這與主副對象的時間常數選擇是有關的。原則是兩者相差大一些，效果好一些。1233.串級控制系統主副回路和主副調節器選擇1(2)主、副回路調節器調節規律的選擇原則

（i）主參數控制質量要求不十分嚴格，同時在對副參數的要求也不高的情況下，為使兩者兼顧而采用串級控制方式，主、副調節器均可采用比例控制。（ii）要求主參數波動范圍很小，且不允許有余差(穩態誤差)，此時副調節器可采用比例控制，主調節器采用比例積分控制。（iii）主參數要求高，副參數亦有一定要求，這時主副調節器均采用比例積分控制。124(2)主、副回路調節器調節規律的選擇原則五、導前微分控制1.基本原理

引入導前微分信號送入調節器。原理框圖如下圖所示：圖1-25導前微分控制系統原理方框圖導前區對象

惰性區對象

內擾

副回路：

主回路：

125五、導前微分控制圖1-25導前微分控制系統原理方框圖導前在導前微分控制系統中，當控制量發生階躍擾動時，I1、I2變化如左圖所示。遲延時間縮短后，可控性變好，控制品質將得到改善。圖1-26在控制量擾動時各信號2.導前微分控制系統的特點(1)引入導前微分信號縮短了遲延時間，等效地改善了控制對象的動態特性。126在導前微分控制系統中，當控制量發生階躍擾動時，(2)引入導前微分信號能減小動態偏差，改善控制品質圖1-27閥門開度階躍擾動下汽溫特性

曲線1、2分別為θ1、θ*

自平衡飛升特性曲線；曲線3、4為加導前微分信號前后θ*的調節曲線；曲線5、6則為加導前微分信號前后θ1的過渡過程曲線。127(2)引入導前微分信號能減小動態偏差，改善控制品質圖1-27

由于遲延時間和慣性都減小了，因而在調節器參數相同的情況下，加入微分信號可以減小過渡過程時間，改善控制品質。

(3)導前微分控制系統有很強的克服內擾的能力128由于遲延時間和慣性都減小了，因而在調節器參數六、比值控制

保持兩個變量按照一定比例變化的控制，稱作比值控制。

在工業生產過程中，常需要保持兩個變量（通常指流量）成比例變化。例如，在化工生產中，需保持添加劑與主要成分之間的比例關系，以保證混合物的成分恒定。由于此時主要被調量——混合物的成分常常是無法直接測定的，因此不能采用前面所介紹的反饋系統來進行控制。在電廠的直流爐控制中，需保持燃料量與給水量成比例變化，以保持主蒸汽溫度的穩定；在燃燒過程中，需保持燃料量與空氣量成比例變化，以保證燃燒經濟性。129六、比值控制129這類系統普遍的特點是：無法直接測量所需要控制的性能指標（比如，目前尚無法直接或迅速地測量燃燒經濟性），只能通過控制2個量的比值來維持最優性能。因此，在這些情況下，需采用比值控制系統，比值控制系統的作用，就在于維持兩個變量之間的比值關系。130這類系統普遍的特點是：無法直接測量所需要控制1.基本思路

比值控制系統中所指的兩個流量，通常將其中之一G1稱作（或視作）主動流量，另一個流量G2則稱作從動流量。通常主動流量G1不加控制（G1可能作為其他系統的控制變量，而由別的系統加以控制），以從動流量G2作為系統的調節變量，通過改變G2，維持兩個流量之間的比值關系。比值控制系統中的被調量是兩個流量的比值R

R=G2／G1（或R=G1／G2）比值R的求取，通常不是唯一的。1311.基本思路131

2.主要類型

常見的比值控制系統為單回路的，可分為定值型與隨動型兩大類。除此之外，還有采用前饋一反饋復合控制的串級型比值控制系統的。圖1-28(a)結構圖

圖1-28(b)方框圖（一）、單回路比值控制系統

(1).定值型單回路比值控制系統1322.主要類型圖1-28(a)結構圖圖(i)工作原理

流量G1、G2經檢測元件轉換為信號IG1、IG2送入除法器后，輸出IR即為代表G1、G2之間比值關系的函數的信號。

IR=IG2／IG1

IR作為系統的被調量，送入調節器，與給定值I0相比較，其差值經調節器及執行機構控制作為系統調節變量的從動流量G2，以保持G1、G2之間的比值關系。若主動流量G1增大，則除法器輸出信號IR減小，調節器輸出增大，使流量G2增加，IR增加。顯然，G1作為主動流量，在此系統中是不加控制的。133(i)工作原理133

(ii)系統分析

設系統中采用線性檢測裝置，其轉換系數r1、r2為常數。因此：

IG1＝r1G1，IG2＝r2G2同樣，假設系統中采用線性調節機構，其斜率Kμ為常數。若采用PI規律調節器，靜態時有：

I0-IR=0得：(G1／G2)=（r1／r2）I0顯然，由于r1、r2為常數，I0為給定值，因此靜態時，G1、G2之間比值為定值，改變給定值I0，可以調整G1、G2之間的比值。134(ii)系統分析134

(2).隨動型單回路比值控制系統

(i)工作原理

隨動型單回路比值控制系統如下圖所示。

主動流量G1經檢測裝置轉換為信號IG1，送入乘法器乘以系數K后，作為從動流量G2的給定值引入調節器，流量G2作為調節變量受調節器控制，其流量經檢測裝置后作為反饋信號送入調節器與給定值相平衡。因此，系統是一個典型的隨動系統。圖1-29(a)結構圖

135(2).隨動型單回路比值控制系統（ii）系統分析

隨動型單回路比值控制系統方框圖如下圖所示。設系統采用PI規律調節器及線性調節機構和調節間，則KZ、Kμ均為常數。以下分兩種情況加以分析。圖1-29(b)方框圖

1）采用線性檢