1、第一章 思考題與習(xí)題1.1 典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)控制系統(tǒng)之間有哪些區(qū)別？答：控制的首要任務(wù)就是設(shè)計(jì)控制器，并使之能實(shí)現(xiàn)。即控制器是控制系統(tǒng)中的核心部件，它從質(zhì)和量兩個(gè)方面決定了控制系統(tǒng)的性能和應(yīng)用范圍。常規(guī)控制系統(tǒng)的控制器由硬件模擬電路來實(shí)現(xiàn)控制器，方法、潛力卻是有限的，難以滿足如此高的性能要求。由于電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)并應(yīng)用于自動(dòng)控制，才使得自動(dòng)控制發(fā)生了巨大的飛躍。計(jì)算機(jī)具有精度高、速度快、存儲(chǔ)量大等特點(diǎn)，并且能夠進(jìn)行邏輯判斷，因此可以實(shí)現(xiàn)高級復(fù)雜的控制算法，獲得快速精密的控制效果。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)(通常稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī),簡稱工控機(jī))來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。使之完成對

2、被控制量的控制作用。顯然，要改變控制規(guī)律，只要改變計(jì)算機(jī)的程序就可以了。從本質(zhì)上看，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程可以歸納為以下四個(gè)方面：（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測和輸入； （2）實(shí)時(shí)控制決策：對采集到的被控量進(jìn)行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。 （3）實(shí)時(shí)控制輸出：根據(jù)控制決策，適時(shí)地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。（4）信息管理。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制策略的發(fā)展，信息共享和管理也介入到控制系統(tǒng)之中。上述測、算、控、管的過程不斷重復(fù)，使整個(gè)系統(tǒng)能按一定的動(dòng)態(tài)(過渡過程)指標(biāo)進(jìn)行工作，且可對被控制量和設(shè)備本身所出現(xiàn)的異常狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行監(jiān)督并

3、迅速做出處理，這就是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)最基本的功能。1.采用計(jì)算機(jī)控制具有下述優(yōu)點(diǎn)：(1)可以消除常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器的許多難以克服的缺點(diǎn)，如不存在模擬調(diào)節(jié)器的漂移問題，參數(shù)整定范圍寬，比例、積分和微分系數(shù)可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，而且可以在整個(gè)控制范圍內(nèi)實(shí)行多參數(shù)調(diào)節(jié)。當(dāng)信號噪聲大時(shí)，數(shù)字低通濾波器與模擬濾波器相配合，對高頻的脈沖噪聲有較好的濾波效果，特別是數(shù)字濾波可抑制甚低頻的周期干擾(2)使用靈活，便于實(shí)現(xiàn)特殊的控制規(guī)律，如修改部分程序就能改變調(diào)節(jié)規(guī)律，而無需改變硬件設(shè)備，甚至可以在線改變控制方案。因而可以在不增加硬件設(shè)備的情況下逐步提高控制水平。(3)具有增加控制回路而不會(huì)顯著地增加費(fèi)用的特點(diǎn)，還可實(shí)現(xiàn)打印

4、、制表、報(bào)警、顯示等附加功能。從控制理論上看，模擬控制系統(tǒng)是連續(xù)控制系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型用微分方程描述，而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是以分時(shí)方式對控制對象進(jìn)行控制的，它以定時(shí)采樣和階段控制來代替常規(guī)調(diào)節(jié)裝置的連續(xù)檢測和連續(xù)控制，所以它是離散系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型用差分方程描述。從表面上看用的理論基礎(chǔ)不一樣，但離散系統(tǒng)是在連續(xù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)模擬系統(tǒng)相比，在工作方式上有如下特點(diǎn)：(1)由程序?qū)崿F(xiàn)的靈活控制作用?？刂埔?guī)律靈活、多樣，改動(dòng)方便，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，提高控制質(zhì)量，增加產(chǎn)品數(shù)量。常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)器只能實(shí)現(xiàn)比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律，計(jì)算機(jī)機(jī)控制不僅具有比例積分微分調(diào)

5、節(jié)功能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，例如純滯后補(bǔ)償控制、多變量解耦控制、最優(yōu)控制等。(2)采樣控制方式。能有效地克服隨機(jī)擾動(dòng)。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，多數(shù)擾動(dòng)是難以預(yù)知的，因此模擬調(diào)節(jié)器很難保證控制質(zhì)量。計(jì)算機(jī)參與控制后，可根據(jù)實(shí)時(shí)檢測到的數(shù)據(jù)，用自動(dòng)校正算法估計(jì)過程狀態(tài)，進(jìn)而自動(dòng)調(diào)整控制信號，保證在擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)仍能達(dá)到滿意的控制效。(3)數(shù)字信號處理。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，被控制量通常是模擬量，而計(jì)算機(jī)本身的輸入輸出量都是數(shù)字量。因此，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大都具有數(shù)字模擬混合式的結(jié)構(gòu)。(4)綜合處理與控制。在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，一個(gè)控制回路配備一個(gè)控制器，而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)所具有的能力，可實(shí)現(xiàn)多回路

6、、多對象多工況綜合處理和控制；且控制與管理結(jié)合，自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高?，F(xiàn)代化生產(chǎn)中，計(jì)算機(jī)不僅擔(dān)負(fù)著生產(chǎn)過程的控制任務(wù)，而且也肩負(fù)著工廠、企業(yè)的管理任務(wù)。特別是計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的發(fā)展，從收集商品信息、情報(bào)資料、制定生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)品銷售到生產(chǎn)調(diào)度、倉庫管理都實(shí)現(xiàn)微機(jī)化，使得工廠的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高。(5)在線系統(tǒng)與實(shí)時(shí)系統(tǒng)。在線方式和離線方式：生產(chǎn)過程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機(jī)方式，反之稱為離線方式。實(shí)時(shí)系統(tǒng)：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該具有的能夠在限定的時(shí)間內(nèi)對外來事件做出反應(yīng)的特性，超過了允許的時(shí)間，就失去了控制時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義?！皩?shí)時(shí)”不等于“同時(shí)”實(shí)時(shí)性包括

7、4個(gè)內(nèi)容：實(shí)時(shí)時(shí)機(jī)采集、實(shí)時(shí)決策運(yùn)算、實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)報(bào)警 2個(gè)要素：其一：根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程出現(xiàn)的事件能夠保持多長的時(shí)間； 其二：該事件要求計(jì)算機(jī)在多長的時(shí)間以內(nèi)必須做出反應(yīng)，一個(gè)在線的系統(tǒng)不一定是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)模擬系統(tǒng)相比，在性能上有如下特點(diǎn)：（1）精度高；（2）穩(wěn)定性好；（3）可靠性高；（4）靈活性好；（5）（6）存儲(chǔ)能力強(qiáng)；（7）邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)；（8）具有自診斷的功能；（9）便于擴(kuò)充；（10）抗干擾能力強(qiáng)；（11）多功能等。1.2 典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪些主要組成部分？試用框圖表示系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。答：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由 硬件 、 軟件 、

8、 網(wǎng)絡(luò) 、被控對象、 檢測傳感器 、 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 等部分構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件一般是由計(jì)算機(jī)、外部設(shè)備、輸入輸出通道和操作臺(tái)等組成，如圖所示。硬件組成（1）主機(jī)（微型計(jì)算機(jī)）：包括CPU和內(nèi)存儲(chǔ)器（RAM和ROM）通過系統(tǒng)總線連接而成，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。 （2）外部設(shè)備：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、外存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。 （3）輸入輸出通道 （過程通道）:是計(jì)算機(jī)與工業(yè)生產(chǎn)過程交換信息的通道，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按特殊要求設(shè)置的部分，包括：模擬量、數(shù)字量、開關(guān)量輸入輸出通道和接口（4）人機(jī)聯(lián)系設(shè)備（操作臺(tái)） 軟件組成軟件是指能完成各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和。它是微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個(gè)系統(tǒng)的工

9、作都是在程序的指揮下進(jìn)行協(xié)調(diào)工作的。軟件通常分為兩大類：一類是系統(tǒng)軟件，另一類是應(yīng)用軟件。1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有哪些分類?并指出主要的應(yīng)用場合。答：根據(jù)計(jì)算機(jī)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的功能和目的分為：1)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)一個(gè)微機(jī)控制系統(tǒng)離不開數(shù)據(jù)的采集和處理。計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)，主要是對大量的過程參數(shù)進(jìn)行定時(shí)巡回檢測、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理、參數(shù)的越限報(bào)警及對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行積累和實(shí)時(shí)分析。在這種應(yīng)用方式中，計(jì)算機(jī)雖然不直接參與生產(chǎn)過程的控制，對生產(chǎn)過程不直接產(chǎn)生影響，但其作用還是很明顯的。首先，由于計(jì)算機(jī)具有速度快等特點(diǎn)，故在過程參數(shù)的測量和記錄中可以代替大量的常規(guī)顯示和記錄

10、儀表，對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視。同時(shí)，由于微處理器具有運(yùn)算、邏輯判斷能力，可以對大量的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的集中、加工和處理，進(jìn)行參數(shù)的越限報(bào)警等工作，或者按要求定時(shí)制表、打印或?qū)?shù)據(jù)處理的結(jié)果記錄在外存儲(chǔ)器中，作為資料保存和供分析使用2)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（Operational Information System 簡稱OIS）該控制系統(tǒng)屬于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。缺點(diǎn)是要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個(gè)對象。3)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（Direct Digital Control,簡稱DDC）計(jì)算機(jī)直接參加閉環(huán)控制過程。計(jì)算機(jī)通過測量元件對一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行巡

11、回檢測和采樣，對開關(guān)量信號直接采集輸入，對模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量輸入，然后按一定的控制規(guī)律計(jì)算處理，發(fā)出控制信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器變成模擬信號，去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，或者由開關(guān)量通道直接進(jìn)行控制，使各被控量達(dá)到預(yù)定的要求。該控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好、可靠性高和適應(yīng)性強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)集中控制，代替常規(guī)控制儀表控制算法,單回路及常用復(fù)雜控制系統(tǒng),由于集中控制的固有缺陷，硬件可靠性低,未能普及。4)監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（Supervisory Computer Control，簡稱SCC）計(jì)算機(jī)按照被控的生產(chǎn)過程工況和數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出最佳給定值或最優(yōu)控制量，提供給DDC計(jì)算機(jī)或模擬調(diào)節(jié)器，最后由DDC計(jì)

12、算機(jī)或模擬調(diào)節(jié)器來控制生產(chǎn)過程，使生產(chǎn)過程始終處于最佳工況。(1)SCC+模擬調(diào)節(jié)器。 在該系統(tǒng)中，微機(jī)的作用是對各物理量進(jìn)行巡回檢測并接收管理命令，然后，按照一定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算后，輸出給定值到模擬調(diào)節(jié)器。此給定值在模擬調(diào)節(jié)器中與檢測值進(jìn)行比較，其偏差值經(jīng)模擬調(diào)節(jié)器計(jì)算后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以達(dá)到調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的目的。這樣，系統(tǒng)就可以根據(jù)生產(chǎn)情況的變化，不斷地改變給定值，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制的目的。一般的模擬系統(tǒng)是不能隨意改變給定值的。因此，這種系統(tǒng)特別適合老企業(yè)的技術(shù)改造工程，以便能夠充分利用原有的模擬調(diào)節(jié)器。(2) SCC+DDC系統(tǒng)。 該系統(tǒng)為兩級微機(jī)控制系統(tǒng)，一級為監(jiān)督級SCC，二級為DDC。

13、SCC的作用與SCC+模擬調(diào)節(jié)器中的SCC一樣，用來計(jì)算最佳給定值，它與DDC之間通過接口進(jìn)行信息聯(lián)系。直接數(shù)字控制器DDC用來把給定值與測量值(數(shù)字量)進(jìn)行比較，其偏差由DDC進(jìn)行數(shù)字計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)對各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)控制作用。當(dāng)DDC級計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由SCC計(jì)算機(jī)完成DDC的控制功能。 它顯然提高了控制系統(tǒng)的可靠性。與SCC模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng)相比，其控制規(guī)律可以改變，使用更加靈活?？傊?，SCC系統(tǒng)比DDC系統(tǒng)有更大的優(yōu)越性，可以接近于生產(chǎn)的實(shí)際情況。當(dāng)系統(tǒng)中模擬調(diào)節(jié)器或DDC控制器出現(xiàn)故障時(shí)，可用SCC系統(tǒng)代替調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此大大提高了系統(tǒng)的可靠性。但是，由于生產(chǎn)過程很復(fù)雜，其數(shù)學(xué)模型

14、建立比較困難，所以此系統(tǒng)要達(dá)到理想的最優(yōu)化控制是不容易的。5)分級控制系統(tǒng)（HCC）現(xiàn)代微機(jī)、通信技術(shù)和CRT顯示技術(shù)的巨大進(jìn)展，使得微機(jī)控制系統(tǒng)不但包含控制的功能，而且還包含生產(chǎn)管理和指揮調(diào)度的功能。除了直接數(shù)字控制和監(jiān)督控制以外，還包含了工廠級集中監(jiān)督微機(jī)和企業(yè)級經(jīng)營管理微機(jī)。在企業(yè)經(jīng)營管理中，除了管理生產(chǎn)過程的控制，還具有生產(chǎn)管理、收集經(jīng)濟(jì)信息、計(jì)劃調(diào)度、產(chǎn)品訂貨和運(yùn)輸?shù)裙δ堋?分級控制系統(tǒng)是工程大系統(tǒng)，它所要解決的不是局部最優(yōu)化問題，而是一個(gè)工廠、一個(gè)公司乃至一個(gè)區(qū)域的總目標(biāo)或總?cè)蝿?wù)的最優(yōu)化問題，即綜合自動(dòng)化問題。最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)包括產(chǎn)量最高、質(zhì)量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性

15、最高、環(huán)境污染最小等指標(biāo)，它反映了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面的綜合性要求。分級控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)是大系統(tǒng)理論。智能控制機(jī)器人可以看作是一個(gè)大系統(tǒng)，智能控制的結(jié)構(gòu)之一就是分級控制。6)分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System,簡稱DCS） 該系統(tǒng)有代替集中控制系統(tǒng)的趨勢，其特點(diǎn)是將控制任務(wù)分散，用多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別執(zhí)行不同的任務(wù)，既能進(jìn)行控制又能實(shí)現(xiàn)管理。采用分散控制、集中操作、分級管理和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則與網(wǎng)絡(luò)化的控制結(jié)構(gòu)，形成分級分布式控制。 7) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System簡稱FCS) 結(jié)構(gòu)模式為：“工作站一現(xiàn)場總

16、線智能儀表”二層結(jié)構(gòu)，完成了DCS中的三層結(jié)構(gòu)功能，降低了成本，提高了可靠性，并且在統(tǒng)一國際標(biāo)準(zhǔn)下可實(shí)現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8)工業(yè)過程計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)按照本書分為：操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（Operational Information System 簡稱OIS）、直接數(shù)字控制系統(tǒng)（Direct Digital Control,簡稱DDC）、監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（Supervisory Computer Control，簡稱SCC）、分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System,簡稱DCS）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System簡稱FCS)、工

17、業(yè)過程計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)，在有的書中認(rèn)為不是嚴(yán)格意義的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。1.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪些性能指標(biāo)？答：系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能控性、能觀性、動(dòng)態(tài)特性以及穩(wěn)態(tài)特性（精度）來表征，衡量系統(tǒng)優(yōu)劣的指標(biāo)通常用穩(wěn)態(tài)裕量、動(dòng)態(tài)指標(biāo)、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和綜合指標(biāo)等。1.5 列舉一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，并給出該系統(tǒng)必要的說明。11.1 工業(yè)鍋爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)11.1.1工業(yè)鍋爐介紹常見的鍋爐設(shè)備的主要工藝流程如圖11.1所示。燃料和熱空氣按一定比例送入燃燒室燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽Ds。然后經(jīng)過熱器，形成一定溫度的過熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力為Pm的過熱蒸汽，經(jīng)負(fù)

18、荷設(shè)備控制供給負(fù)荷設(shè)備用。與此同時(shí)，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽變?yōu)檫^熱蒸汽外，還經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐給水和空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)機(jī)送往煙囪，排入大氣。鍋爐設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的控制對象，主要的輸入變量是負(fù)荷、鍋爐給水、燃料量、減溫水、送風(fēng)和引風(fēng)等，如圖11.2所示。主要輸出變量是汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、過剩空氣（煙氣含氧量）等。這些輸入變量與輸出變量之間相互關(guān)聯(lián)。如果蒸汽負(fù)壓發(fā)生變化，必將會(huì)引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度等的變化；燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時(shí)還會(huì)影響汽包水位、過熱蒸汽溫度、過?？諝夂蜖t膛負(fù)壓；給水量的變化不僅影響汽包水位，而且對蒸汽壓力、過

19、熱蒸汽溫度等亦有影響；等等。鍋爐是一個(gè)典型的多變量對象，要進(jìn)行自動(dòng)控制，對多變量對象可按自治的原則和協(xié)調(diào)跟蹤的原則加以處理。目前，鍋爐控制系統(tǒng)大致可劃分為三個(gè)控制系統(tǒng)：鍋爐燃燒控制系統(tǒng)、鍋爐給水控制系統(tǒng)和過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)。11.1.2鍋爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成1. 燃燒過程控制系統(tǒng)（1）燃燒過程控制任務(wù)鍋爐的燃燒過程是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換和傳遞的過程，其控制目的是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要（常以蒸汽壓力為被控變量）；使燃料與空氣量之間保持一定的比值，以保證最佳經(jīng)濟(jì)效益的燃燒（常以煙氣成分為被控變量），提高鍋爐的燃燒效率；使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，以保持爐膛負(fù)壓在一定的范圍內(nèi)。（2）燃燒過程

20、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在多變量對象中，調(diào)節(jié)量和被調(diào)量之間的聯(lián)系不都是等量的，也就是說，對于一個(gè)具體對象而言，在眾多的信號通道中，對某一個(gè)被調(diào)量可能只有一個(gè)通道對它有較重要的影響，其它通道的影響相對于主通道來說可以忽略。根據(jù)自治原則簡化鍋爐燃燒控制系統(tǒng)，可將其大致分為三個(gè)單變量控制系統(tǒng)：燃料量汽壓子系統(tǒng)、送風(fēng)量過量空氣系數(shù)子系統(tǒng)以及引風(fēng)量爐膛負(fù)壓子系統(tǒng)。不少多變量系統(tǒng)可以利用自治原則來進(jìn)行簡化，但并不是分解成多個(gè)單回路控制系統(tǒng)后，問題就全部解決。因?yàn)楦骰芈分g往往還存在著聯(lián)系和要求，必須在設(shè)計(jì)中加以考慮。協(xié)調(diào)跟蹤的原則，就是在多個(gè)單回路基礎(chǔ)上，建立回路之間相互協(xié)調(diào)和跟蹤的關(guān)系，以彌補(bǔ)用幾個(gè)近似單變量對

21、象來代替時(shí)所忽略的變量之間的關(guān)聯(lián)。此例中，鍋爐燃燒過程的上述三個(gè)子系統(tǒng)間使彼此仍有關(guān)聯(lián)。首先考慮到燃料量與送風(fēng)量子系統(tǒng)間應(yīng)滿足以下兩點(diǎn):鍋爐燃燒過程中燃料量與空氣（送風(fēng)）量之間應(yīng)保持一定比例，實(shí)際空氣（送風(fēng)）量大于燃料需要空氣量，他們之間存在一個(gè)最佳空燃比（最佳過?？諝庀禂?shù)），即一般情況下，1。為了保持在任何時(shí)刻都有足夠的空氣以實(shí)現(xiàn)完全燃燒，當(dāng)熱負(fù)荷增大時(shí)，應(yīng)先增加送風(fēng)量，后增加燃料量；若熱負(fù)荷減少時(shí)，應(yīng)先減少燃料量，再減少送風(fēng)量。為了滿足上述兩點(diǎn)要求，在這兩個(gè)單回路的基礎(chǔ)上，建立交叉限制協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，如圖11.3所示。其中，Wm1（s）和Wm2（s）是燃料量和送風(fēng)量測量變送器的傳遞函數(shù)，假設(shè)

22、它們都是比例環(huán)節(jié)，則Wm1（s）=K1 ，Wm1（s）=K2 。由此可得到最佳空燃比與空氣量、燃料量測量信號IV和IB之間的關(guān)系如下：設(shè) 則 假設(shè)機(jī)組所需負(fù)荷的信號為IQ，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，則有：設(shè)定值 r1=IQ=IV/=IB設(shè)定值 r2=IQ=IB =IV即 IQ=IB ；IV=IB表明系統(tǒng)的燃料量適合系統(tǒng)的要求，而且達(dá)到最佳空燃比。當(dāng)系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)時(shí)，假如負(fù)荷突然增加，對于送風(fēng)量控制系統(tǒng)而言，高選器的兩個(gè)輸入信號中，IQ突然增大，則IQIB ，所以，增大的IQ信號通過高選器，在乘以后作為設(shè)定值送入調(diào)節(jié)器WC2，顯然該調(diào)節(jié)器將使u2增加，空氣閥門開大，送風(fēng)量增大，即IV增加。對于燃料量控制系

23、統(tǒng)來說，盡管IQ增大，但在此瞬間IV還來不及改變，所以低選器的輸入信號IQIV ，低選器輸出不變，r1=IV/不變，此時(shí)燃料量B維持不變。只有在送風(fēng)量開始增加以后，即IV變大，低選器的輸出才隨著IV的增大而增加，即r1隨之加大，這時(shí)燃料閥門才開大，燃料量加多。反之，在負(fù)荷信號減少時(shí)，則通過低選器先減少燃料量，待IB減少后，空氣量才開始隨高選器的輸出減小而減小，從而保證在動(dòng)態(tài)時(shí)，滿足上述第點(diǎn)要求，始終保持完全燃燒。進(jìn)一步分析可知，燃料量控制子系統(tǒng)的任務(wù)在于，使進(jìn)入鍋爐的燃料量隨時(shí)與外界負(fù)荷要求相適應(yīng)，維持主壓力為設(shè)定值。為了使系統(tǒng)有迅速消除燃料側(cè)自發(fā)擾動(dòng)的能力，燃料量控制子系統(tǒng)大都采用以主汽壓力

24、為主參數(shù)、燃料量為副參數(shù)的串級控制方案。保證燃料在爐膛中的充分燃燒是送風(fēng)控制系統(tǒng)的基本任務(wù)。在大型機(jī)組的送風(fēng)系統(tǒng)中，一、二次風(fēng)通常各采用兩臺(tái)風(fēng)機(jī)分別供給，鍋爐的總風(fēng)量主要由二次風(fēng)來控制，所以這里的送風(fēng)控制系統(tǒng)是針對二次風(fēng)控制而言的。送風(fēng)子控制系統(tǒng)的最終目的是達(dá)到最高的鍋爐熱效率，保證經(jīng)濟(jì)性。為保持最佳過剩空氣系數(shù)，必須同時(shí)改變風(fēng)量和燃料量。是由煙氣含氧量來反映的。因此常將送風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為帶有氧量校正的空燃比控制系統(tǒng)，經(jīng)過燃料量與送風(fēng)量回路的交叉限制，組成串級比值的送風(fēng)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)上是一個(gè)有前饋的串級控制系統(tǒng)，如圖11.4所示。它首先在內(nèi)環(huán)快速保證最佳空燃比，至于給煤量測量不準(zhǔn)，則可由煙氣中氧量

25、作串級校正。當(dāng)煙氣中含氧量高于設(shè)定值時(shí)，氧量校正調(diào)節(jié)器發(fā)出校正信號，修正送風(fēng)量調(diào)節(jié)器設(shè)定，使送風(fēng)調(diào)節(jié)器減少送風(fēng)量，最終保證煙氣中含氧量等于設(shè)定值。爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)的任務(wù)在于調(diào)節(jié)煙道引風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉開度，以改變引風(fēng)量；保持爐膛負(fù)壓為設(shè)定值，以穩(wěn)定燃燒，減少污染，保證安全。2. 鍋爐給水控制系統(tǒng)（1）鍋爐給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)其任務(wù)是考慮汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)蒸發(fā)量，維持汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)給水全程控制。給水控制也稱為汽包水位控制。被控變量是汽包水位，操縱變量是給水量。（2）給水控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)單沖量控制系統(tǒng)以水位信號H為被控量、給水流量作為控制量組成的單回路控制系統(tǒng)稱為單沖量控制系統(tǒng)

26、。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、整定方便，但克服給水自發(fā)性擾動(dòng)，和負(fù)荷擾動(dòng)的能力差，特別是大中型鍋爐負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，嚴(yán)重的假水位現(xiàn)象將導(dǎo)致給水控制機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作，造成汽包水位激烈的上下波動(dòng)，嚴(yán)重影響設(shè)備壽命和安全。單級三沖量控制系統(tǒng)該系統(tǒng)相當(dāng)于將上述單沖量控制與比例控制相結(jié)合。以負(fù)荷作為系統(tǒng)設(shè)定值，利用PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)流量，使給水量準(zhǔn)確跟蹤蒸汽流量，再將水位信號作為主參數(shù)負(fù)反饋，構(gòu)成了單級三沖量給水控制系統(tǒng)，如圖11.5所示。所謂“三沖量”，是指控制器接受了三個(gè)測量信號：汽包水位、蒸汽流量和給水流量。蒸汽流量信號是前饋信號，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，它早于水位偏差進(jìn)行前饋控制，及時(shí)的改變給水流量，維持進(jìn)出汽包的物質(zhì)平衡，有效地減少假水位的影響，抑制水位的動(dòng)態(tài)偏差；給水流量是局部反饋信號，動(dòng)態(tài)中它能及時(shí)反映控制效果，使給水流量跟蹤蒸汽流量變化而變化，蒸汽流量不變時(shí)，可及時(shí)消除給水側(cè)