7 章 自动调节的基础知识
第七章自动调节的基础知识
火力发电厂的锅炉、汽轮机组在正常运行中有大量的热工参数需要进行调节与控制。从安全和经济考虑，总希望运行工况能够始终保持在最佳状态，即把一系列工艺过程参数(物理量)的数值控制在合适的范围内。
工艺过程参数的调节和控制一般有两种方式，即人工调节与自动调节。生产过程中靠运行人员眼睛观察被调参数的数值及其变化情况(变化的方向与速率)，经过大脑分析判断，再用手去操纵有关的调节机构，使被调参数稳定在规定值附近。上述过程中从参数的监视、分析判断到操作，是完全依靠人工进行的，因而称为人工调节(手动调节)。随着科学技术的发展，采用技术先进、节能省力的自动化装置代替人去进行调节，这种方式称为自动调节方式。在自动调节设备中，检测仪表相当于人的耳目，调节仪表相当于人的大脑，执行器则相当于人的手。
第一节自动调节的基本概念
一、常用术语与调节系统的分类
1．常用术语
(1)自动调节系统。调节设备和被调对象构成的具有调节功能的统一体，称为自动调节系统。
(2)被调对象。被调节的生产过程或工艺设备称为被调对象，简称调节对象或对象。
(3)被调量。被调对象中需要加以控制和调节的物理量，称为被调量或被调参数。不能把对象中流人和流出的物质(如水、汽等工作介质)当作被调对象的被调量。
(4)给定值。根据生产过程的要求，规定被调量应达到并保持的数值，称为被调量的给定值(或目标值)。
(5)扰动。引起被调量偏离给定值的各种因素称为扰动。阶跃变化的扰动称为阶跃扰动。
(6)调节量。由调节作用来改变并抑制被调量变化(使被调量恢复为给定值)的物理量，称为调节量。
2．调节系统的分类
生产过程自动调节系统应用广泛、形式多样，其分类方法也很不一致，现将常用的调节系统分类叙述如下。
(1)按给定值的特点分类
①定值调节系统：给定值在系统工作过程中是恒定的。扰动作用使被调量偏离给定值，在调节过程结束后被调量能恢复到(或接近)给定值。锅炉的汽温、汽压等调节系统属于这类系统。
②随动调节系统：被调量的给定值既不恒定又不按预的规律变化，而是决定于某些外来因素。例如，锅炉启动时，根据某些部件的温度或应力变化随时确定升温、升压的速度，这时的汽温、汽压调节系统属于随动调节系统。
③程序调节系统：被调量的给定值是根据生产过程的工艺要求，按预先确定的时间函数变化的。例如，在锅炉按升温、升压曲线启动的过程中，汽温、汽压调节系统属于程序调节系统。
(2)按调节系统的结构分类
①开环调节系统：输出量与输入量之间不存在反馈回路的系统，称为开环调节系统。
②闭环调节系统：输出量和输入量之间存在反馈回路的系统，称为闭环调节系统。
③复合调节系统：系统中有开环调节作用又有闭环调节作用的系统，称为复合调节系统。
其调节效果比一般的闭环调节系统更好。
（3）按系统中闭环回路的数量分类
①单回路调节系统：系统中只有一个被调量信号反馈到调节器的输入端，形成一个闭
合回路。这种系统适用于简单的调节对象。
②多回路调节系统：系统中有两个或两个以上的输出信号被反馈到调节器的输入端，
从而形成两个或两个以上闭合回路的系统，属于多回路调节系统。
(4)按系统的输出量与输入量之间的关系分类
①线性调节系统：系统的输出量和输入量之间的关系是线性的。
②非线性调节系统：系统的一些环节具有非线性特性（如饱和、死区、回线特性等)。
二、调节系统的原理方框图
调节系统原理方框图是一种描述系统组成及变换的方法，对于系统特性的分析和综合是
非常方便的。在方框图中，用方框表示各种环节，环节之间信号的传递方向则用带箭头的线
段来表示。符号
表示信号的叠加点，称为比较器。箭头指向 的表示比较器的输入量，箭头离开 的表示
比较器的输出量，输出量等于各输入量的代数和。
方框图清楚地表示出自动调节系统中信号在各环节之间的传递方向和顺序，表示出系统
的动态结构。对每个环节而言，输入量和输出量是确定的，并且输入量的变化会引起输出量
的变化，而输出量则不会反过来影响输入量。这种特点称为调节系统的单向性。
任何一个调节系统或复杂的环节，都可看成是由若干个比较简单的环节组成的。系统
的特性是由这些简单环节的特性综合而成的。方框之间的基本联接方式有串联、并联和反馈
联接。方框图可按一定的规则进行变换。其变换的原则是，某一个方框的输出端常接有一个
或一个以上的方框，如果后面的方框对其前面方框的输出没有影响(或影响可忽略)，则前面
的方框可独立考虑；一个方框图中所有方框都可以独立考虑，则这个方框图科进行简化。
图7-1(a)是两个串联的比例环节，它可用图7-1(b)来等效。
(a) (b)
图7-1串联方框图的简化
(a)串联的等效（b ）并联的等效
所谓等效，是指对信号x 和y 的关系来说，变换后与变换前是完全相同的。如串联的两个方
框的放大系数分别为K 1和K 2，则信号x 和y 之间有如下的关系：
x x '=K 1； '
x y =K 2 综合以上两式，可得 x
y =K 1K 2 上式中的K ，K ：便是等效方框的放大系数。
由此可知，几个串联环节的等效方框，其放大系数等于各串联方框各自的放大系数的乘
积。
图7-2(a)是两个比例环节的并联方框图，其等效方框图如图了7-2(b)所示。由图7-2(a)
的信号传递关系可写出以下关系式：
x x '= K 1；x
x ''= K 2；y = 'x +''x 综合以上三式，可得
x
y = K 1+ K 2
(a) 图7-2并联方框图的简化 (b)
（a ）并联方框图；（b ）等效方框
由此可知，并联环节等效方框的放大系数等于各并联方框各自的放大系数的代数和。
图7-3(a)是一个负反馈系统方框图，其等效方框图如图7-3(b)所示。由图7-3(a)的信
号传递关系可写出以下关系式：
y = K 1 (x-'y )；'y = K 2y
（a ） (b)
图7-3 负反馈系统方框图的简化
（a ） 负反馈系统方框图；（b ）等效方框
综合以上两式，可得图7-3（b ）等效方框的放大系数表达式： x y = 2
111K K K + 式中，1K 为正向环节的放大系数，2K 为反馈环节的放大系数。当21K K >>1时，则有 y = 2111K K x K +≈2
K x 上式说明，深度负反馈系统的输出量和输入量的关系仅由反馈环节的特性所决定，而与
正向环节的特性无关。
以上是以比例环节为例说明等效变换的方法，对于其他各类环节，这些方法仍然适用。
三、调节过程的品质指标
调节过程的品质指标是衡量调节系统在动态和静态时工作质量的一些标准，可以用调节
系统受到单位阶跃扰动后被调参数的过渡过程曲线来分析。
过渡过程是指在调节系统受到干扰作用，被调参数偏离给定值时，调节系统的调节作用
使被调量恢复到新的稳态的过程。图7—4表示在单位阶跃扰动下的几种典型的过渡过程曲
线。对于过渡过程，可从稳定性、快速性和准确性三个方面进行分析。
（a）（b）
1．稳定性
图7-4(a)、(b)所示的三种过渡过程是稳定的，过渡过程结束后。系统能够恢复平衡。图(a)中曲线1所反映的过程是单调变化的，曲线2所反映的过程有单峰值，调节作用可使被调量最终达到或接近于稳态值；图7-4（c）的曲线表示“等幅振荡”过程，图7—4(d)的曲线表示“发散振荡”过程。(c)、(d)所示的过程是不稳定过程，在生产中不能采用。
只有稳定的系统才能完成正常的调节任务，并要求系统具有适当的稳定裕度。
2．准确性
这是对被调量实际值与给定值之间的动态偏差和静态偏差的要求。动态偏差是指调节过程中被调量与给定值之间的最大偏差值，它表示被调量短期偏离给定值的程度。偏差值越大，偏离的时间越长，实际工况离开规定工况就越远。通常要求在最大扰动时，被调量的动态偏差不超过生产所允许的范围。
静态偏差是指调节过程结束后，被调量的实际值与给定值之间的偏差。对静态偏差值的要求，应根据工艺要求作具体分析。在定值调节系统中，静态偏差越小越好。
3．快速性
快速性是对调节过程所经历时间的要求。通常把从扰动发生时刻到被调量重新进入稳定状态所经过的时间称为过渡过程时间。过渡过程时间越短，调节作用进行得越快，说明调节系统克服干扰的能力越强。
稳、准、快这三个指标是互相制约的，要求同时满足是困难的。稳定性过高了就会影响快速性，使调节过程时间加长；反之，若片面追求快速性，将使稳定性下降。在实际工作中应根据具体情况综合考虑。一般的原则是，首先满足稳定性要求，再兼顾到准确性和快速性。
第二节 调节对象的特性
调节对象是指运行中的各种工业设备。只有对调节对象的特性有所了解，才能设计出切
实可行的调节系统方案并选择适用的调节设备。本节只简要介绍部分调节对象的静态特性和
动态特性。
一、调节对象的静态特性
静态持性是指对象在稳定工况时，其输出量与输入量之间的关系。图7-5是三种环节的
静态特性。
R ?P μ(开度)
c
1
m (流量)
?m m q m m
1
(a) （b ） (c)
图7-5静态特性举例
图7-5(a)所示的静态特性是一条直线，其斜率称为传递函数，数图7-4（b ）、(c)所示
的静态特性不是直线，可用数学中求切线斜率的方法求其传递系数。传递系数是对象的静态
特性参数，其物理意义是：输入量变化一个单位所引起输出量的改变量。对于相同的输入量，
传递系数大，则输中量也大；反之亦然。
二、调节对象的动态特性
调节对象的动态特性是指在动态过程中，被调对象输出量与输入量之间的运算关系。调
节对象的动态特性可以用数学模型来描述，也可用某些动态参数来表征。
1、 容量和容量素数
调节对象积蓄能量或积蓄物料的能力称为容量。容量越大，当流入量和流出量不平衡时，
被调量变化越慢，对调节质量的要求较低；容量越小，则当流人量与流出量不平衡时，被调
量变化越快，对调节质量的要求较高。
当被调量每改变（增大或减小）一个测量单位时，调节对象中需要改变的能量或物料量
的数值称为对象的容量系数。对于相同的输入量，容量系数大，被调量的变化小；反之,容量
系数小，则被调量的变化大。所以，容量和容量系数是表征对象动态特性的参数。
2．飞升速度和飞升时间
飞升速度表示在单位阶跃扰动量作用下，被调量的最大
变化速度。在同一扰动量作用下，对象的容量越大，飞升速度越小；容量越小，飞升速度越
大。
飞升时间(又称响应时间)是指在阶跃扰动量作用下，调量以最大飞升速度(起始速度)达
到稳态值所需的时间。
3、自平衡能力
调节对象的自平衡能力是指系统的平衡状态因扰动而被破坏后，不需要借助调节设备的
作用，只依靠调节对象自身的调节能力，被调量就能达到一个新的稳定值，这种自动恢复平
衡的能力称为自平衡能力。调节对象的自平衡能力对调节作用是有利的。
4、迟延(滞后)
调节对象在受到扰动后，其被调量并不立即迅速变化，而要经过一段时间后才发生变
化，这种特性称为迟延(又称滞后)。迟延特性对调节作用是不利的；它使调节系统的稳定性
降低，被调量的最大偏差值加大，过渡过程时间加长，调节系统特性变坏，调节系统的结构
变得复杂。
第三节 调节规律
调节规律是指在调节过程中，被调量的偏差信号(即调节器输入信号)与调节器输出信号
之间的运算关系，这种关系是由调节器决定的。火力发电厂自动调节系统通常采用的有比例、
比例积分、比例积分微分三种调节规律。复杂的调节系数是由基本调节规律优化组合而成的。
图7-6
一、 比例调节规律
图7-6所示是比例调节器的输出信号和输入信号之间的算管系，其数学表达式如
下：
y = K P x; 或y=x P σ1
式中 y ——调节器的输出信号；
P σ——调节器的比例带，常以百分数表示，它与P K 的关系是%1001?=P
P K σ； K P ——调节器的比例系数（比例增益），其数值等于比例带的倒数；
x ——调节器的输入信号。
比例调节器工作时，其输出信号随输入信号同时变化，在时间上
没有迟延，调节速度较快。比例系数K P 只与调节器内部结构有关并可进行调节。
比例调节器是按被调量偏差值的极性和幅值成比例地改变调节器的输出，使调节对象最
终达到能量或物料的平衡，被调量也达到新的稳定值。新的稳定值与原来的稳定值之差，就
是比例调节规律不可克服的静态偏差，简称静差。静差的大小与比例带的数值有关。比例带
大，静差大；比例带小，静差小。
二、比例积分调节规律
比例积分调节规律是由比例和积分两种调节规律组合而成的。比例调节规律前已述及。
所谓积分规律，是指调节器输出信号的变化量与输入信号的偏差值及偏差存在时间乘积的累
计值成正比。或者说，输出信号的变化速度与输入信号的偏差值成正比。所以，只要偏差信
号存在，调节器输出信号的变化率就不会等于零，即输出信号一直变化下去，直到偏差信号
消失，输出信号才停止变化。由此可见，积分调节作用使被调量的静差得到消除，但调节器的输出信号可以达到任何一个稳定值。因此，积分调节器又称为无定位式调节器。如图7-7
所示，比例积分调节器的输出是比例部分y
p 和积分部分y
1
之和。当输人为阶跃信号时，调节
器的输出开始时一个跃变，幅值为K
P
X；接着继续上升，当偏差信号消失后，积分作用停止，调节机构也停留在相应的位置上；
P
X
积分作用的有关参数是积分时间。它是指当积分作用形成的输出达到和比例作用的输出相等时所用的时间。积分时间短，则积分作用强；积分时间长，积分作用弱；积分时间取无穷大，则积分作用消失，比例积分调节器就成为纯比例调节器。积分时间对调节过程品质的影响具有两面性：积分时间短积分作用强，消除静差快，但将使系统的稳定性降低，又产生振荡的倾向。积分时间越短，振荡的倾向越大，甚至会形成发散振荡。对于滞后时间大的对象(又称大迟延对象)，其影响尤其明显。所以，应用比例积分调节器时，积分时间要根据对象特性来选择。对于滞后时间不大的对象，积分时间可选短些；滞后时间较大的对象，积分时间可选的长
些。
三、比例积分微分调节规律
比例积分微分调节器的输出是由比例、积分和微分三种调节作用组合而成的。它除具有前面两种调节规律的特点外，还因为微分调节作用的强弱是与被调量偏差的变化率呈正比，所以，只要被调量有变化的趋势，调节器就能及时动作。这种超前的调节作用有助于减小被调量的动态偏差，并能提高调节系统的稳定性。比例积分微分调节器常用于滞后较大的调节对象。比例积分微分调节器的输入信号和输出信号关系如图7-8所示，其整定参数是：
p
——调节器的比例带；
T
1
——调节器的积分时间；
T
D
——调节器的微分时间；
K
D
——调节器的微分增益。
积分项
比例项
图7-8 比例积分微分调节规律
在比例积分微分调节规律中，微分作用反映了输出信号与输入信号的变化率，输入信号不变化时，微分作用消失。由此可见，微分作用能及时消除对象的物质或能量的不平衡，减小被调量的超调量，从而消弱了被调量的波动。
调节器的主要参数对调节过程的影响可归纳如下：
（1）比例带增加时，比例调节作用减弱，调节过程变慢；比例带减小时，比例调节作用增强，调节过程变快，但系统稳定性降低；比例带过小时，调节过程会出现等幅振荡或发散振荡。
（2）积分时间长，积分调节作用弱，积分速度慢，消除静差需要经过较长的时间；积分时间短，积分调节作用强，积分速度快，消除静差快，但可能使调节过程出现振荡；积分时间太短时，调节过程可能变成等幅振荡或发散振荡。
（3）微分时间长，微分调节作用强，超调量减小，但将使系统出现周期较短的等幅振荡。
以上所述因参数选择不当而引起的振荡特性示于图7-9。由图示可以看出，比例带太小、积分时间太短及微分时间过长，都会引起调节过程的振荡，只是振荡周期不同而已。积分时间太短，引起的振荡周期最大；比例带太小，引起的振荡周期较小；微分时间过长，引起的振荡周期最小。
(a) (b) (c)
图7-9参数选择不当引起的振荡
（a）比例带太小；（b）积分时间太短；（c）微分时间过长
第四节调节阀门的特性
调节机构是自动调节系统的重要环节，它是接受调节器的输出信号去控制被调量的工具。常用的调节机构有阀门和挡板等。由于它们的工作原理和结构比较简单，往往被人们
忽视，但实践证明，在影响调节系统正常投入的原因中，涉及调节机构的问题较多，诸如尺寸不匹配，对负荷变化的适应性差，堵塞、泄露、机械性能不良等都会影响调节系统的投入和调节质量。调节阀门安装在工艺管道上，直接与介质接触，其工作条件恶劣，要经过高温、高压、腐蚀、磨损等作用。调节阀门特性的好坏，是调节系统能杏正常投入运行的关键之一。所以，对调节阀门的特性应有一定的要求。
一、调节阀门的静特性
调节阀门的静特性(即理想流量特性)，是当调节阀门前后差压一定时，介质的相对流量q（实际流量与额定流量之比%）与阀门相对开度μ之间的关系。常用调节阀门的静特性如图7-10所示。
90
50
30
20
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 μ%
图7-10调节阀门的静特性
1——直线特性；2——等百分比特性
3——快开特性；4——抛物线特性
1．直线特性阀
调节阀门的相对流量q和相对开度μ之间呈线性关系，如图7-10的比例系数是一常数。
直线特性阀门在相对开度小时流量变化率大；相对开度大时，流量变化率小。也就是说，开度小时阀门的控制作用强，容易产生振荡，开度大时阀门的控制作用弱，不太灵敏。这种特性与运行的实际要求不相适应。
2．抛物线特性阀
这种阀门的相对开度和相对流量之间呈抛物线关系，如
图7-10中曲线4所示。该曲线的斜率随相对开度的增加而增加。曲线2也是抛物线特性，相应的调节阀的相对开度每变化10%，相对流量变化40%，所以又称为等百分比特性阀。抛物线特性阀的控制作用在全行程内是不变的。因此它在小开度时，工作特性能缓和平稳；在大开度时，控制作用灵敏有效。这种特性和运行的实际要求相适应，有利于调节系统的稳定工作。
3．快开特性阀
此类阀门在小开度时的相对流量比较大，随着相对开度的积蓄增大，流量很快达到最大值，所以称为快开特性，如图7-10曲线3所示。它适用于两位式控制系统或程序控制系统。
二、调节阀门的工作流量特性
在实际热力系统中，调节阀门还串联或并联有其它设备和管道。所以，在生产过程中，调解阀门前后的差压是变化的，从而引起理想流量特性的变化。这种情况下的相对流量和相对开度之间的关系，称为工作流量特性。
1．串联在管道上的阀门的工作流量特性
调节阀在串联系统中工作时，阀门前后的差压是系统总差压得一部分。当系统总差压一定时，随着流量的增大，串联设备及管道的阻力也增大，阀门前后差压相对减小，流量特性改变。无串联设备阻力的情况下调节阀全开时流量特性改变。无串联设备阻力
的情况下调节阀全开时流量q
m .
max
,与存在串联设备阻力情况下调节阀全开时的流量q
m..100
之间的关系为：
q
m.100=q
m
.
max s
式中s表示调节阀全开时，阀前后差压与系统总差压的比值。s是一个小于1的数。随着串联设备阻力的增加，s值变小，q
m..100
减小，阀门的力量流量特性产生相应的变化。当s 0.5时，流量特性曲线出现畸变，由直线特性趋于快开特性（如图7-11，a所示）；或由对数特性（即等百分比特性）趋于直线特性（如图7-11，b所示）。这说明，串联设备阻力对阀门的工作流量特性有较大影响。s值减小，不仅使调节阀门的控制作用减弱，还会使阀门流量的可调节范围变小，与理想流量特性的偏差偏大。在实际使用中，要求s 值不低于0.3~0.5。
2．并联在管道上的阀门的工作流量特性
通常调节阀还安装在有旁路管道的系统中，在控制系统失灵时可投入旁路系统进行。在负荷增加或阀门通径过小时，可把旁路阀适当开启，分流一定的流量，使调节法的特性由理想特性变为工作特性，如图7-12所示。
（100）
图7-12 调节阀并联于管道时的工作流量特性
（a ）直线阀；(b)等百分比阀；100./m m q q q
图中x 为调节阀门开度最大时流经阀门的流量与最大宗流量的比值。X=1时（即旁路系
统关闭），工作流量特性与理想流量特性一致。随着旁路系统开启且开度不断增大，x 的数值
逐渐减小，这时，即使调节阀的特性未变，但其可调范围也明显减小。因此，采用开启旁路
系统的控制方式是不可取的。若必须采用时，则要求旁路流量不超过总流量的20％，即x 的
数值不小于0.8。
从以上分析可知，在串联系统中，阀门开度小时，控制作用强；开度大时，控制作用弱。
在并联系统中，阀门的控制作用减小。
三、 调节阀门的试验
调节阀门特性的好坏，是自动调节系统能否正常投入运行的重要条件之一。选用特性
较好的调节阀，是自动化的基础工作。对调节阀的一般要求是：
(1)最大流量应能满足额定负荷的需要，并具有一定的裕度，一般要求最大流量为额定
流量的1.2～1.3倍。
(2)漏流量(调节阀门完全关闭后的流量)应小于额定流量的15％。
(3)变差流量(开启和关闭两个方向操作到同一开度时的流量的差值)应小于额定流量
的2％。
(4)死行程应小于全行程的10％。流量变化的饱和特性应在开度的85％以上出现。
(5)在有效行程内，流量变化率随开度的变化应比较均匀。
调节阀门的特性与其结构及运行条件有关，所以调节阀 门特性应通过现场试验来求取。
其试验方法及注意事项如下：
(1)试验应按开启和关闭两个方向进行，以取得完整的数据。当进行开启试验时，每次操
作应准确地达到测试点的开度，中途不得有关闭的操作；当进行关闭试验时，每次操作也应
准确地达到测试点的开度，中途不应有开启的操作。
(2)试验时要求主设备的负荷及运行工况稳定。如进行逆水调节阀门特性试验时，应保持
给水压力和汽包压力稳定。
(3)时必须将所有的旁路阀门全部关闭，而所有联的阀门则必须全部开启(包括电动门和
手动门)。
(4)试验人员要集中精力，操作应迅速准确，一次完成。
(5)为保证安全，在进行开启试验时，，试验前应使被调量保持在较低的数值；进行关闭
方向试验时，先使被调量保持在较高的数值（调节阀门安装在工质的流入侧）。