热工过程自动调节及其发展方向2014年01月08日前言热工过程自动调节这门课，主要是以火力发电厂为对象，学习如何通过实现热力过程自动化调节，达到机组安全、可靠、经济运行的目的。
自动调节具有下列几方面好处：1．提高机组运行的安全可靠性2．提高机组运行的经济性3．减少运行人员，提高劳动生产率4．改善劳动条件火电厂自动调节的范围是极其广泛的，它包括了主机、辅助设备、公用系统等的自动化调节，大致可以分为四个基本内容。
1．自动检测自动检测是对生产过程及设备的参数、信号自动进行转换、加工处理、显示并记录下来。
2．自动调节自动调节一般是指正常运行时操作的自动化，即在一定范围内自动地适应外界负荷变化或其它条件变化，使生产过程正常进行。
3.远方控制及程序控制远方控制是通过开关或按钮，对生产过程中重要的调节机构和截止机构实现远距离控制。
4．自动保护自动保护是利用自动化装置，对机组(或系统、设备)状态、参数和自动控制系统进行监视，当发生异常时，送出报警信号或切除某些系统和设备，避免发生事故，保证人身和设备的安全。
热工过程自动调节在热能工程的作用有以下几点：1．产品与系统研发零、部、组件通过集成形成产品或系统，所有零、部、组件的研发都应基于产品或系统集成的需要，充分考虑集成的要求。
例如，在超燃冲压发动机结构研制过程，必须考虑基于自动控制的燃油供给的要求。
2．热能工程通识教育、学科基础、专业基础诸多课程可以通过自动调节课程这一纽带提高并加深对专业的理解和认识，属于专业“顶层”课程之一。
热工过程自动调节重要性1.自动调节实现安全、可靠、高效的目的，现代化体现；2.自动调节的普遍性存在的要求；3.在未来专业研发工作中可以站在系统性高度。
学习火力发电热工过程的自动调节，要结合其它热力循环动力系统的自动调节。
第一章的基本概念入手，通过第二章到第六章自动控制基本原理和方法的学习，认识自动调节的途径与手段；第七章到第十章分别就供水、汽温、燃烧和机组系统的自动调节普遍方法及发展给出分析。
第一章自动调节的基本概念调节就是为了达到一定的目的,对和生产过程有关系的设备进行操作.利用人来完成所需要的操作过程叫人工调节.由仪器、仪表完成的这一操作过程称为自动调节.一、基本概念：被调对象：被调节的生产设备和生产过程被调量：通过调节需要维持的物理量给定值：根据生产要求，被调量的规定数值扰动：引起被调量变化的各种原因。
它分为内扰和外扰两种.内扰是指发生在调节通道内的扰动.外扰是指发生在调节通道外的扰动.调节作用量：在调节作用下，控制被调量变化的物理量调节机关：在调节作用下，用来改变调节作用量的装置系统方框图：将实际的生产设备以及它们相互间的连接关系用抽象的形式表示，是一种对调节系统进行描述或分析的有力工具和非常直观的表达方式，主要由环节方框和信号线组成。
环节：环节是一个抽象体。
每个环节都有对应的输入量(input singal)和输出量(output signal)，输入量是引起该环节发生作用的原因，输出量是该环节发生作用的表现和结果。
同类环节：两个环节的物理系统不同，但它们数学模型的形式完全相同，两个环节的因果关系类同，称它们为同类环节。
同一个元件在反映两个或多个不同特性时，应该用两个或多个方框来表示它们不同的因果关系。
环节可大可小，系统方框图可简可详，完全取决于分析研究系统的需要而定。
信号线1．每一个环节的输入量和输出量之间都必须具有“单向性”。
输入量是输出量变化的原因，输出量变化是输入量作用的结果2．在方框图中，信号线只表示信号的传递关系和方向，而不是代表物质的流动。
闭环控制系统的组成和基本环节1-给定环节；2-比较环节；3-校正环节；4-放大环节；5-执行机构；6-被控对象；7-检测装置二、自动调节系统的分类：1.按给定值信号的特点分类：（1）恒值调节系统（2）程序调节系统（3）随机调节系统2.按调节系统的结构分类:2.1反馈调节系统（也称闭环调节系统）：把被调量信号经过反馈回路送到调节器的输入端和给定信号进行比较，比较后的偏差信号作为调节器的调节依据。
特点：①在调节结束时，可以使被调量等于或接近于给定值；②当调节系统收到扰动作用时，必须等到被调量出现偏差后才开始调节，调节的速度相对比较缓慢2.2前馈调节系统（也称开环调节系统）：调节器接受了被调对象受到的扰动信号，按预定的调节规律立即对被调对象产生一个调节作用，以抵消扰动信号对被调量的影响。
不存在反馈回路。
特点：①由于扰动影响被调量的同时，调节器的调节作用已产生，所以调节速度相对比较快；②由于没有被调量的反馈，所以调节结束时不能保证被调量等于给定值2.3、复合调节系统：前馈+反馈按调节系统闭环回路的数目分类：1、单回路调节系统2、多回路调节系统按调节作用的形式分类：连续调节系统2、离散调节系统（采样调节系统）按系统的特性分类：1、线性调节系统2、非线性调节系统典型的调节过程自动调节系统受到阶跃扰动后，被调量可能出现的几种典型的调节过程(a)-- 非周期(inertial)调节过程，(b)-- 衰减振荡(attenuate oscillation)调节过程.(c)-- 等幅振荡(constant oscillation)调节过程。
(d)-- 渐扩振荡(divergent oscillation)调节过程三、自动调节系统主要的性能指标：1．稳定性(stability)指标---衰减率(decrement)ψ衰减率ψ定义：ψ=1 非周期的调节过程 ψ=0 等幅振荡的调节过程 0＜ψ＜1 衰减振荡的调节过程 ψ＜0 渐扩振荡的调节过程2．准确性(accuracy)（1）动态偏差(dynamic deviation)e max --指在整个调节过程中被调量偏高给定值的最大偏差值。
（2）静态偏差(static deviation)e ∞--指调节过程结束后被调量和给定值之间的偏差值。
3.快速性(rapidity)快速性---反映调节过程持续时间的长短。
调节时间t s ：当被调量进入稳定值的 +2%或 +5%之间这个范围并不再超越出此范围时 所经历的时间为调节时间ts 。
另外两个品质指标：绝对值积分准则和超调量。
准则数I ：0|y()()|I t y dt ∞=-∞⎰，I 值数值越小，调节的质量越好超调量p M ：反映系统调节过程中被调量超过稳定值的最大程度m a x 100%p y y M y ∞∞-=⨯第二章 自动调节系统的数学模型系统或环节特性：系统或环节的输出信号是输入信号的反应，输出信号与输入信号的关系即是系统或环节的特性。
特性可分为静态特性与动态特性。
1、静态特性：系统处于平衡状态时（即输入信号和输出信号都不随时间变化），输出信号和引起它变化的输入信号之间的关系，称为系统的静态特性。
2、动态特性：系统处于不平衡状态时（即输入信号和输出信号随时间变化），输出信号和引起它变化的输入信号之间的关系，称为系统的动态特性。
通常用微分方程来描述。
写动态特性方程时，需将与输出有关的各项放在等号左侧，将与输出有关的各项置于等号右侧，等号左右侧各项均按降幂形式排列。
线性系统微分方程的建立步骤：1. 确定系统的输入量(给定量和扰动量)与输出量(被控制量, 也称为系统的响应)2. 列写系统各部分的微分方程3. 消去中间变量,求出系统的分方程 动态特性微分方程建立的基本特点1． 不同的环节虽然物理结构不同，但是表示动态特性的微分方程形式相同时，可以抽象地认为是同类环节。
2． 同一个环节，当取不同的量为输入信号或输出信号时，其微分方程是不同的。
3. 对一个具体环节来说，微分方程的阶次和各系数值由环节内部的结构和物理参数而决定。
4. 静态特性包含在动态特性之中拉普拉斯变换：拉普拉斯变换法是一种数学积分变换，其核心是把时间函数 f (t) 与复变函数 F(s) 联系起来，把时域问题通过数学变换为复频域问题，把时间域的高阶微分方程变换为复频域的代数方程，在求出待求的复变函数后，再作相反的变换得到待求的时间函数。
由于解复变函数的代数方程比解时域微分方程较有规律且有效，所以拉普拉斯变换在过程调节分析中得到广泛应用，其定义式：[()]()()st L f t F s f t e dt ∞-==⎰()f t ——原函数 s ——复变数，s j σω=+ ()F s ——()f t 的象函数拉普拉斯变换存在的条件：| ()| t f t e dt σ∞-<∞⎰拉普拉斯反变换： 11()[()]()2j st j f t L F s F s e ds j σωσωπ+--==⎰传递函数：线性定常系统在零初始条件下，系统（或环节）输出信号的拉普拉斯变换与输入信号的拉普拉斯变换之比。
单位脉冲响应函数：当系统（或环节）的输入信号()r t 为单位脉冲函数()t δ，传递函数为()G s ，则它的输出信号()c t 称为单位脉冲响应，()c t 的数学表达式称为单位脉冲响应函数。
单位阶跃响应函数：当系统（或环节）的输入信号()r t 为单位阶跃函数1()t ，传递函数为()G s ，则它的输出信号()c t 称为单位阶跃响应，()c t 的数学表达式称为单位阶跃响应函数。
基本环节：（1）比例环节：输出信号能按一定比例、无延迟和无惯性地复现输入信号变化的环节 微分方程：c(t)=K r(t) 传递函数：(s)G(s)=()C K R s = 频率特性：0()j G j Ke K ω== 幅频特性：()M K ω= 相频特性：()0o θω= （2）积分环节：输出信号与输入信号的积分值成正比例关系，也就是输出信号的变化速度与输入信号成比例。
微分方程：01c(t)=r(t)tIdt T ⎰（I T ：积分时间） 传递函数：(s)1G(s)=()I C R s T s=频率特性：21111()j G j e jT T πωωω-== 幅频特性：11()M T ωω= 相频特性：()-2πθω= （3）惯性环节（非周期环节）：惯性环节相当于有一个阻力（电阻、流阻、热阻）和一个容量（电容、水容、热容）构成的一种环节。
微分方程：()()()dc t Tc t Kr t dt += 传递函数：(s)G(s)=()1C KR s Ts =+ 频率特性：()1K G j j T ωω=+幅频特性：()M ω= 相频特性：1()tg T θωω-=（4）理想微分环节：输出信号与输入信号的变化速度成比例的环节 微分方程：()c(t)=Ddr t T dt （D T ：超前时间） 传递函数：(s)G(s)=()D C T s R s = 频率特性：2()jD D G j jT T e πωωω== 幅频特性：()D M T ωω= 相频特性：()2πθω=（5）实际微分环节： 微分方程：()()()DD D dc t dr t T c t K T dt dt+= （D T :时间常数 D K :放大系数） 传递函数：s(s)G(s)=()1D D D K T C R s T s =+ （6）纯迟延环节：环节的输出信号的变化与输入信号的变化完全相同，只是落后了一段时间微分方程：c(t)=r(t-)τ 传递函数：(s)G(s)=()s C e R s τ-= 频率特性：()j G j e ωτω-= 幅频特性：()1M ω= 相频特性：()θωωτ=-环节的串联：总的传递函数等于各个环节传递函数的乘积环节的并联：总的传递函数等于各个环节传递函数的代数和 环节的反馈连接：两个环节首尾互相联接形成一个闭合回路第三章 热工对象和自动调节器通道：表示输入信号和输出信号之间的信号联系 调节通道：调节作用至被调量之间的信号联系 干扰通道：干扰作用至被调量之间的信号联系 内扰：经过调节通道作用到对象上的扰动 外扰：经过干扰通道作用到对象上的扰动 有自平衡能力对象：对象在阶跃扰动作用下，，不需要经过外加调节作用，对象的输出量经过一段时间后能自己稳定在一个新的平衡状态。