过程控制技术第6章(2)讲解

《过程控制技术第6章(2)讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制技术第6章(2)讲解（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、6.3 单回路控制系统设计举例 6.3.1 生产过程与任务要求 图 6-9 为牛奶乳化干燥过程中的喷雾式干燥工艺设备，其目的是将乳态的牛奶转变成干燥 的奶粉，以利于存放、运输和销售。经过浓缩后的乳液由高位槽经过过滤器，滤除凝结块等固 图6-9 牛奶乳液干燥过程示意图 体物质后，经干燥器顶部喷嘴喷入干燥器中。与此同时，空气被鼓风机送至换热器中加热成热 空气，再与旁路的空气混合后，进入干燥器，蒸发乳液中的水分，使乳液变成固体状的奶粉， 并随湿空气一起被送出。生产工艺对于送出的成品有具体要求，其中的水分含量应在规定的范 围内。 6.3.2 控制方案的选择 1. 被控量的选择 产品奶粉中的水分是最主要

2、的质量指标，如果系统的被控量采用产品湿度，当然很合理。 但是，现有技术条件下的湿度检测器精度和快速性，均难以满足控制要求。根据控制系统选择 被控量的原则，如果某被控物理量不被直接选作被控量，应该考虑与其相关联的、可测量的、 且两者为单值对应关系的物理量作被控量。于是，这里选择温度，即产品在干燥器出口处的温 度。产品质量要求温度误差不大于2。 2. 操纵量的选择 在图 6-9 中，能操纵产品温度的量此处有三个：一是由调节阀 1 控制的牛奶乳液流量（记 为 ）；二是由调节阀 2 控制的旁路空气流量（记作 ）；三是由调节阀 3 控制的蒸汽流量（ 记作 ）。通过调节其中任一个调节阀开度，均可控制出口奶

3、粉温度，只是它们对外表现的特 点不同而已，也就是我们关注的系统表现出来的性能不同。 （1）选乳液流量 为操纵量 乳液离干燥器距离近，进入干燥器后，被热空气将其中的水 分蒸发掉，变成乳粉并从出口排出。从工艺过程看，控制通道短，惯性和滞后时间不大，但是 乳液可能堵塞调节阀 1。而此时的旁路空气 和加热蒸汽 是固定的，它们因某些原因产生变 化，将作为干扰量对出口温度产生影响。但是这需要经过较长的干扰通道（风管传输和蒸发过 程）才能影响到出口温度，即经过惯性环节和滞后环节后才影响出口温度，这对出口温度的稳 定是有利的。具体控制结构方框图见图 6-10。所以，乳液流量作为操纵量的灵敏性和稳定性是 不容置

4、疑的。但是，乳液流量是生产的负荷，对它的调节虽然可以保证产品质量，但是产品的 数量却不稳定，因而生产负荷不宜作操作量。 图6-10 以乳液流量为操作量的控制方框图 （2）选旁路空气流量 为操纵量 通过调节阀2的调节，控制空气进入风管的流量大小，该风量与来自热交换器的热风进行混 合，然后被传递到干燥箱，并对其中乳液的水分进行蒸发，使乳液变乳粉。这是第二种控制方 案。从空气流量大小对乳粉出口温度影响的动态过程看，冷热空气混合段大体上可用一阶惯性 环节和纯滞后来近似描述，其时间常数和纯滞后时间均不大。空气流量对出口温度的作用，不 如前一方案来得灵活快捷。另外，干扰量乳液流量 离乳粉出口近，对温度的影

5、响大，而另一 干扰量热气体流量 对温度的影响，因通道长而显得较为平缓。具体情况见图 6-11。 图6-11 以风流量为操作量的控制方框图 （3）选加热蒸汽流量 为操纵量 首先，蒸汽对流过热交换器的空气进行加热，加热后与来自旁路的空气进行混合，并在风 压作用下混合气体沿风管运动到干燥器，对乳液中的水分进行蒸发，使得乳液变为乳粉，最后 从干燥器出口送出。这里有两步，一是空气被热交换器加热，二是被加热空气与旁路空气混合 ，沿风管进入干燥器蒸发水分（此步与 作操作量相似）。第二步的动态过程与（2）相似， 第一步空气被加热（即热交换器）可用一个或二个惯性环节来近似描述，而且时间常数比较大 ，由此带来的控

6、制任务难度较大。具体控制结构方框图如图 6-12 所示。 从以上分析可知，选 作操纵量就控制性能来说，是最好的，但从经济角度和工艺角度来 看，不是。这是由于：为保持控制性能而不断变化的乳液流量不能始终处在最大的工作状态， 难以保证高的生产效率，经济效益自然受影响。此外，乳液中的凝固块容易堵塞调节阀；选 作操纵量面临的问题是，被控对象（过程）环节多、时间常数大、滞后较为明显，控制起来难 度不小；选 作操纵量就控制性能来说，虽然没有选 那么好，但是它回避了 作操纵量带 来的问题，尽管控制性能有所下降，但仍满足要求。所以，选旁路空气流量 为操纵量是比较 合理的。 图6-12 以蒸汽流量为操作量的控制

7、方框图 3. 检测仪表和控制器的选择 （1）温度传感器和变送器 乳液干燥器的温度不太高，通常不超过 600，可以选用热电阻 温度传感器，将其置放在干燥器出口处。 （2）调节阀 根据工艺安全和控制合理的原则，应选择气闭式调节阀。调节阀特性可选对 数流量特性，根据介质流量选阀的公称直径和阀芯直径。 （3）控制器 由于对出口温度准确性要求较高，控制规律可选 PI。根据单回路闭环负反馈 的原则，由于调节阀为气闭式，被控对象（过程）为正作用，传感器和变送器通常为正作用方 式，所以，控制器应该为正作用方式。 图 6-13 乳液固体化温度控制系统结构图 乳液固态化过程控制示意图如图 6-13 所示，其中 T

8、T 为温度检测器，TC 为温度控制器， 除空气旁路调节阀外，其他两个调节阀改为开关阀。关于控制器参数整定，可用前面介绍的工 程法来进行，这里不继续介绍。 从现实情况来看，上面介绍的单回路控制系统，可以满足生产过程控制中的基本需要，解 决生产过程中大部分控制问题。然而，由于产品的多样性和特殊性，以及对节能减排、环境保 护和提高经济效益等多方面的要求，单回路控制系统往往显得力不从心。于是，现实提出了在 多样化生产过程的背景下，如何才能满足多种需要、性能各异的专门过程控制系统和复杂过程 控制系统的问题。串级控制系统就是其中一种，虽然它的应用不如单回路控制系统广泛，但应 用频率也是比较高的。它对于容量

9、滞后较大、干扰频繁且较为剧烈的工艺过程有较好的控制效 果，在实际生产过程中具有一定的代表性。 尽管实际生产中大量采用的是单回路控制系统，但仍然有很多现实问题，单回路控制系统 的确是难以胜任，下面就是一例。 图 6-14 是一个化学反应罐的温度控制示意图，液体物料从顶部进入反应罐，在罐中进行化 学反应，然后从底部排出，工艺上对罐内反应温度 有严格要求。由于反应过程中有大量的热 产生，工艺设计上让夹套中的冷却液将其带走，于是通过控制调节阀来改变冷却液的流量，实 6.4.1 问题的出现 6.4 串级控制系统 现降温的快慢。 图 6-14 反应罐温度控制 如果设计反应罐温度单回路控制系统来满足这一要求

10、，则需要通过检测罐内温度，与设定 值比较后，改变冷却液的注入量，实现罐内温度达到要求，见图 6-14。 单回路控制系统结构方框图如图 6-15 所示。就被控对象来说，它包含夹套、罐壁和罐内体 等，不考虑三者之间的相互作用，则可将它们串联起来。影响物料出口温度的扰动有：一是物 料液体方面，它包括物料的进口温度、流量和物料组成成分等，这里用 表示；二是冷却液方 面，它包括冷却液入口温度和调节阀前的压力，用 表示。 现在假如冷却液的入口温度突然上升，则夹套中的冷却液温度随之升高，经流动传导使罐 壁温度升高，最终导致罐中物料温度升高（有较大的容量滞后）。显然，这一过程需要较长时 间，才能被温度传感器发

11、现，等到控制器采取纠正控制行为时，已经过去较长时间了，从而出 现控制不及时，以及较大的超调量。 图 6-15 反应罐温度单回路控制控制系统结构图 导致这种现象的原因是因为干扰信号经过的中间环节多，传导过程长，需要花费较多时间 才能被传感器发现。如果干扰信号频繁并且幅度较大，这将严重影响控制系统的控制性能，使 其难以胜任工艺流程的控制工作。 6.4.2 串级控制系统的提出 面对上述扰动控制不及时的问题，人们想了很多办法，其中有效的办法之一就是本节将要 引出的串级控制系统。 从冷却液进入夹套到温度检测器发现温度变化，冷却液的温度变化经历了：夹套-罐壁-罐 内液体-温度检测器等几个环节，其中大量的时

12、间花费在反应罐中液体热量的传导上。现在的思 路是：冷却液温度的上升将迅速通过夹套层温度 上升体现出来，如果此时能够检测到这一变 化，并将其反馈给控制器，并采取校正行动，将会大大缩短原控制系统的作用时间。另外，由 于原温度单回路控制系统的目的是使反应罐内温度达到工艺要求，并能克服来自进料方面的干 扰，所以原温度控制器需继续保留，而将夹套层温度检测信号作反馈的新控制器需另起炉灶， 新控制器的输入信号应是原控制器的输出，这种由反应罐温度控制器串接夹套温度控制器，加 上罐内温度检测器和夹套温度检测器，构成了一个在内、一个在外的双闭环控制系统，相应的 控制结构图如图 6-16 所示，控制系统方框图如图

13、6-17 所示。 图 6-16 反应罐控制结构图 图 6-17 反应罐串级控制系统方框图 图 6-17 所表达的控制系统，就是一个串级控制系统。其特点是两个控制器串联起来工作， 前一个控制器的输出是后一个控制器的输入，后一个控制器的输出接执行器。从结构形式上看 ，它由双闭环组成，即内环和外环，如果将内环视为一个环节，整个系统即为单回路控制系统 。下面将进一步深入介绍串级控制系统。 6.4.3 基本结构、工作特点与应用场合 1. 串级控制系统的基本结构 撇开上面的具体工艺流程和术语表达，将其概念上升到理性的高度，我们可获得关于串级 控制系统的一般概念。串级控制系统的一般性方框图如图 6-18 所

14、示，其基本组成包括：主控制 器（前例为反应罐温度控制器）、副控制器（前例为夹套温度控制器）、主参数检测器（前例 为罐内温度检测器）、副参数检测器（前例为夹套内温度检测器）、主对象（也称主过程，前 例为反应罐体）、副对象（也称副过程，前例为夹套和调节阀）、一次干扰 （作用在主对象 上的干扰）、二次干扰 （作用在副对象上的干扰）、主被控参数 （前例为 ）和副被控参 数 （前例为 ）等。 图6-18 串级控制系统方框图 从控制回路的角度来看，整个系统包括两个控制回路：主回路和副回路。副回路由副变量 检测变送器、副控制器、调节阀和副对象构成，也称二次回路；主回路由主变量检测变送器、 主控制器、副回路和

15、主对象构成，也称一次回路。 输入信号除了给定信号 以外，还有一次扰动 和二次扰动 。一次扰动 是作用在主 被控对象上的干扰，它不包括在副回路范围内。二次扰动 是作用在副被控对象上的干扰，即 包括在副回路中的干扰。 2. 串级控制系统的工作特点 (1) 对进入副回路的干扰具有较强的抵御能力 在图 6-18 中，用传递函数符号代替汉字，并考虑干扰通道也有传递函数，可获得用传递函 数符号表示的控制方框图，见图 6-19。其中， 和 分别为一次干扰和二次干扰， 和 为分别为一次和二次扰动通道传递函数， 和 分别为主副对象传递函数， 为 调节阀传递函数， 和 分别为主、副控制器传递函数， 和 分别为主、

16、副检 测器传递函数。 图 6-19 用传递函数符号表示的串级控制系统方框图 在图 6-19中，当干扰信号 进入后，最先影响的是副回路的输出 ，依靠副回路闭环负 反馈的工作机制，其影响及时被克服，从而避免 对主被控量 的影响。如果 的幅度较大 ，副回路虽然不能完全克服其影响，但副回路的抑制和调节作用，仍将大大削弱 对主被控量 的不良影响。 假如没有副回路（例如是单回路控制系统），当仅有 作用时，会有 现在串级控制系统由于有副回路，所以有 通常，在通频带内有 因而，同样的二次干扰 出现，对串级控制系统的 影响就小得多。 再看 对主被控量 的影响。以 为输出，仍以 为输入，则有输出表达式 （6-1） 将其与单回路控制系统相比较：在图 6-19 中，去掉 支路，并考虑此时 ， ，则有 （6-2） 比较式