分程控制系统综述

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1、LOGO 2.5 分程控制系统 2.5 分程控制系统 1 分程控制系统的基本概念 2分程控制系统的方案实施 3 阀位控制系统 2.5 分程控制系统 v 2.5.1 分程控制系统的基本概念 1分程调节系统 一般来说，一台调节器的输出仅操纵一只调节 阀，若一只调节器去控制两个以上的阀并且是按 输出信号的不同区间去操作不同的阀门，这种控 制方式习惯上称为分程控制。 图2.5-1表示了分程控制系统的简图。 2.5 分程控制系统 图2.5-1 分程控制系统示意图 2.5 分程控制系统 图中表示一台调节器去操纵两只调节阀，实施 （动作过程）是借助调节阀上的阀门定位器对信 号的转换功能。例如图中的A、B两阀

2、，要求A阀 在调节器输出信号压力为0.020.06MPa变化时 ，作阀的全行程动作，则要求附在A阀上的阀门 定位器，对输入信号0.020.06MPa时，相应输 出为0.020.1MPa，而B阀上的阀门定位器，应 调整成在输入信号为0.060.1 MPa时，相应输 出为0.020.1MPa。按照这些条件，当调节器（ 包括电/气转换器）输出信号小于0.06MPa时A阀 动作，B阀不动；当输出信号大于0.06MPa时， 而B阀动作，A阀已动至极限；由此实现分程控制 过程。 2.5 分程控制系统 调节阀分程动作（同向） 图2.5-2 调节阀分程动作（同向） 2.5 分程控制系统 图2.5-3 调节阀分

3、程动作（异向） （a）气关-气开型 （b）气开-气关型 调节阀分程动作（异向） 2.5 分程控制系统 一般调节阀分程动作的采用： v同向规律的是为满足工艺上扩大可调比的要求； v反向规律的选择是为满足工艺的特殊要求。 2.5 分程控制系统 2分程控制系统的应用 1）为扩大调节阀的可调范围。 调节阀有一个重要指标，即阀的可调范围。它 是一项静态指标，表明调节阀执行规定特性（线 性特性或等百分比特性）运行的有效范围。可调 范围可用下式表示： (2.5-1) 2.5 分程控制系统 式中 阀的最大流通能力，流量单位。 阀的最小流通能力，流量单位。 国产柱塞型阀固有可调范围比 ，所以 。须指出阀的最小流

4、通能力不等于阀关闭时的泄 漏量。一般柱塞型阀的泄漏量 仅为最大流通能 力的0.10.01%。对于过程控制的绝大部分场合 ，采用 的控制阀已足够满足生产要求了。 但有极少数场合，可调范围要求特别大，如果不 能提供足够的可调范围，其结果将是在高负荷下 供应不足，或在低负荷下低于可调范围时产生极 限环。 2.5 分程控制系统 例如蒸汽压力调节系统，设锅炉产生的是压力 为10MPa的高压蒸汽，而生产上需要的是4MPa平稳 的中压蒸汽。为此，需要通过节流减压的方法将 10MPa的高压蒸汽节流减压成4MPa的中压蒸汽。在 选择调节阀口径时，如果选用一个调节阀，为了 适应大负荷下蒸汽供应量的需要，调节阀的口

5、径 要选择得很大，而正常情况下蒸汽量却不需要哪 么大，这就需要将阀关的小一些。也就是说，正 常情况下调节阀只是在小开度工作，因为大阀在 小开度下工作时，除了阀的特性会发生畸变外， 还容易产生噪声和震荡，这样控制会使控制效果 2.5 分程控制系统 变差控制质量降低。为了解决这一矛盾，可选 用两只同向动作的调节阀构成分程控制系统，如 图2.5-2所示的分程控制系统采用了A、B两只同 向动作的调节阀（根据工艺要求均选为气开式） 其中A阀得在调节器输出信号412mA（气压信 号为0.020.06MPa）时由全闭到全开，B阀得 在调节器输出信号1220mA（气压信号为0.06 0.1MPa）时由全闭到全

6、开，这样，在正常情 况下，即小负荷时，B阀处于全关，只通过A阀 开度的变化来进行控制；当大负荷时，A阀已全 开仍满足不了蒸汽量的需求，这时B阀也开始打 开，以补足A阀全开时蒸汽供应量的不足。 2.5 分程控制系统 2.5 分程控制系统 图2.5-4 蒸汽减压分程控制系统原理图 2.5 分程控制系统 假定系统中所采用的A、B两只调节阀的最大 流通能力均为100，可调范围=30。由于调节阀的 可调范围为： (2.5-2) 据上式可求得 (2.5-3) 2.5 分程控制系统 当采用两支阀构成分程控制系统时，最小流通能 力不变，而最大流通能力为两阀最大流通能力之 和，即 ，因此A、B两阀 组合后的可调

7、范围应是： 这就是说采用两支流通能力相同的调节阀构成 分程控制系统后，其调节阀的可调范围比单只调 节阀增大一倍。 2.5 分程控制系统 2）满足工艺操作的特殊要求。 在某些间歇式生产化学反应过程中，当反应物投 入设备后，为了使其达到反应温度，往往在反应 开始前需要给它提供一定的热量。一旦达到反应 温度后，就会随着化学反应的进行不断释放出热 量，这些热量如不及时移走，反应就会越来越激 烈，以致会有爆炸的危险。因此对于这种间歇式 化学反应器既要考虑反应前的预热问题，又要考 虑反应过程中及时移走反应热的问题。为此设计 了如图2.5-5所示的分程控制系统。 2.5 分程控制系统 图2.5-5 间歇式化

8、学反应器分程控制系统图 2.5 分程控制系统 图中温度调节器选择反作用，冷水调节阀选择 气关式（A阀），热水调节阀选择气开式（B阀） 。该系统工作过程如下:在进行化学反应前的升温 阶段，由于温度测量值小于给定值，因此调节器 输出增大，B阀开大，A阀关闭，即蒸汽阀开、冷 水阀关，以便使反应器温度升高。当温度达到反 应温度时，化学反应发生，于是就有热量放出， 反应物的温度逐渐提高。当温升使测量值大于给 定值时，调节器输出将减小（由于调节器是反作 用），随着调节器的输出的减小，B阀将 2.5 分程控制系统 逐渐关小乃至完全关闭，而A阀则逐渐打开。这 时反应器夹套中流过的将不再是热水而是冷水。 这样一

9、来，反应所产生的热量就被冷水所带走， 从而达到维持反应温度的目的。 2.5 分程控制系统 v 2.5.2 分程控制系统的方案实施 1分程区间的确定 分程控制系统设计主要是多个阀之间的分程区间问 题，设计原则： 先确定阀的开关作用形式（以安全生产为主）； 最后决定各个阀的分程区间。 再决定调节器的正反作用； 2.5 分程控制系统 当调节阀采用分程控制，如果它们的流通能力不 同，组合后的总流通特性，在信号交接处流量的 变化并不是光滑的。例如选用 和 这两只调节阀构成分程控制，两阀特性及它们的 组合总流量特性如图2.5-6所示 。 2分程阀总流量特性的改善 2.5 分程控制系统 图2.5-6 分程系

10、统大、小阀连接组合特性图 2.5 分程控制系统 由图2.5-6可以看出，原来线性特性很好的两只 控制阀，当组合在一起构成分程控制时，其总流 量特性已不再呈现线性关系，而变成非线性关系 了。特别是在分程点，总流量特性出现了一个转 折点。由于转折点的存在，导致了总流量特性的 不平滑，这对系统的平稳运行是不利的。为了使 总流量特性达到平滑过渡，解决在0.06处出现了 大的转折，呈严重的非线性方法可采用如下方法 。 选用等百分比阀此时可自然解决； 线性阀 则可通过添加非线性补偿调节的方法将等百分比 特性校正为线性。 2.5 分程控制系统 v 2.5.3 阀位控制系统 1概述 一个控制系统在受到外界干扰

11、时，被控变量将 偏离原先的给定值，而发生变化，为了克服干扰 的影响，将被控变量拉回到给定值，需要对控制 变量进行调整。对一个系统来说，可供选择作为 控制变量的可能是多个，选择控制变量既要考虑 它的经济性和合理性，又要考虑它的快速性和有 效性。但是，在有些情况下，所选择的控制变量 很难做到两者兼顾。阀门控制系统就是在综合考 2.5 分程控制系统 虑控制变量的快速性、有效性、经济性和合理性 基础上发展起来的一种控制系统。 图2.5-7 阀位控制系统结构原理图 2.5 分程控制系统 阀位控制系统的原理结构如图2.5-7所示。在阀 位控制系统中选用了两个控制变量蒸汽量 和 物料量 ，其中控制变量 从经

12、济性和工艺 的合理性考虑比较合适，但是对克服干扰的影响 不够及时有效。控制变量 却正好相反，快速 性、有效性较好，但经济性、工艺的合理性较差 。这两个控制变量分别由两支控制器来控制。其 中控制流量变量 的主控制器为TC，控制蒸汽 变量 的为阀位控制器VPC。主控制器给定值 即产品质量指标，阀门控制器的给定值是控制变 量管线上控制阀，阀位控制系统也因此得名。 如图2.5-8的阀位控制系统，假定A阀、B阀均选为 气开阀，主控制器TC（温度调节器）为正作用， 阀位控制器VPC为反作用。系统稳定情况下，被 控变量 等于主控制器的设定值R，A阀处于某 一开度，控制B阀处于阀位调节器VPC所设置的 小开度

13、r。当系统受到外界干扰使原油出口温度上 升时，温度调节器的输出将增大，这一增大的信 号送往两处： 2.5 分程控制系统 2阀位控制系统的工作原理 2.5 分程控制系统 其一去B阀；其二去VPC。送往B阀的信号将使B 阀的开度增大，这会将原油出口温度拉下来；送 往VPC的信号是作为其测量值，在r不变的情况下 ，测量值增大，VPC的输出将减小，A阀的开度 将减小，燃料量则随之减小，出口温度也将因此 而下降。这样A和B两只阀动作的结果都将会使温 度上升的趋势减低。随着出口温度上升趋势的下 降，温度调节器的输出逐渐减小，于是B阀的开 度逐渐减小，A阀的开度逐渐加大。 2.5 分程控制系统 这一过程一直

14、进行到温度调节器及阀位调节器的 偏差都等于0时为止。温度调节器偏差等于0，意 味着出口温度等于给定值，即阀位调节器偏差等 于零，意味着调节阀B的阀压与阀位调节器VPC 的设定值r相等，而B的开度与阀压是有着一一对 应的关系的，也就是说阀B最终会回到设定值r所 对应的开度。 2.5 分程控制系统 由上面的分析可以看到：本系统利用控制变量 的有效性和快速性，在干扰一旦出现影响到被 控变量偏离给定值时，先行通过对控制变量 的 调整来克服干扰的影响。随着时间的增长，对控 制变量 的调整逐渐减弱，而控制出口温度的任 务逐渐转让给控制变量 来担当。最终阀B停止 在一个很小的开度(由设定值r来决定)上，而维

15、持 控制的合理性和经济性。 例 题 某生产过程中，冷物料通过热交换器用热水和蒸 汽对其进行加热，当用热水加热不能满足出口温 度要求时，则再同时使用蒸汽加热，从而减少能 源消耗，提高经济效益。设计如图所示的温度分 程控制系统。 例 题 试求： （1）画出系统的结构方块图； （2）确定蒸汽阀和热水阀的气开、气关形式； （3）确定调节器的正、反作用。 例 题 （1）系统的结构方块图 （2）蒸汽阀和热水阀均为气开式。 （3）调节阀为反作用。 例 题 在一些生产过程中，许多存放石油化工原料的储 罐建在室外，为保证其与空气隔绝，以免氧化变 质或引起爆炸，常采用罐顶充氮气的方法与外界 空气隔绝。采用氮封技术

16、的工艺要求是保持储罐 内的氮气压力呈微正压。当储罐内原料或产品增 减时，将引起罐顶压力的升降，故必须及时进行 控制，否则将引起储罐变形，甚至破裂，造成浪 费或引起燃烧、爆炸危险。故设计了如下的分程 控制系统。 例 题 试求： （1）确定调节阀A和B的 气开、气关形式； （2）确定调节器的正、 反作用。 （3）分析系统的控制过 程。 例 题 （1）调节阀A为气开式，调节阀B为气关式。 （2）调节器为反作用。 例 题 （3）根据工艺要求，当罐内物料增加，液位上升 时，应及时停止充氮气，即A阀全关，并使罐内 氮气排空，即B阀打开；反之，当罐内物料减少 ，液位下降时，应及时停止氮气排空，即B阀全 关，并应向储罐充氮气，即A阀打开工作。 作 业 在现代生活中，人们要求洗澡时根据各人对水温的 不同要求，可以分别调节水管中的热水