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1、仪表与自动化 刘书凯陆建国主编 化学工业出版社 仪表与自动化 项目四 复杂控制系统集成与调试 1 串级控制系统的组成在复杂控制系统中 串级控制系统的应用是最广泛的 以精馏塔控制为例 如图4 1所示 工艺上要求精馏塔的塔釜温度保持恒定 才能保证塔底产品分离的纯度 以利于生产质量的提高 拟解决方案为 以塔釜温度T为被控变量Y 以对塔釜温度影响最大的加热蒸汽流量F为操纵变量q组成 简单温度控制系统 如图4 1 a 所示 但是实际生产过程中 如果蒸汽流量频繁波动 将会引起塔釜温度的频繁变化 尽管图4 1 a 的温度简单控制系统能克服这种扰动 可是 这种克服是在扰动对温度已经产生作用 使温度发生变化之后
2、进行的 这势必对产品质量产生很大的影响 因此这种方案控制效果不理想 1 精馏塔塔釜2 再沸器图4 1精馏塔塔底温度控制 显然 使蒸汽流量平稳成为关键问题 图4 1 b 所示的 简单流量控制方案 可以解决蒸汽流量稳定的问题 这是一种预防扰动的方案 就克服蒸汽流量影响这一点 应该说是很好的 但是对精馏塔而言 影响塔釜温度的不只是蒸汽流量 比如说进料流量 温度 成分的干扰 也同样会使塔釜温度发生改变 方案4 1 b 简单系统对此亦无能为力 所以 最好的办法是将二者结合起来 即将最主要 最强的干扰以图4 1 b 流量控制的方式预先处理 粗调 而其它干扰的影响最终用图4 1 a 温度控制的方式彻底解决
3、细调 控制方案如图4 1 c 所示 即将温度控制器的输出串接在流量控制器的外设定上 因出现信号相串联形式 故称该系统为 提馏段温度串级控制系统 在此方案中 为稳定主要变量 温度 引入了一个副变量 流量 组成 复杂控制系统 图4 2双闭环串级控制系统 工业生产装置的生产设备都是前后紧密联系的 前一设备的出料往往是后一设备的进料 如图4 3中 脱丙烷塔 简称B塔 的进料来自第一脱乙烷塔 简称A塔 的塔釜 对A塔来说 需要保证塔釜液位稳定 故有图4 3中的液位定值控制系统 而对B塔来说 希望进料量较稳定 故有图4 3中的流量定值控制系统 假设由于扰动作用 使A塔塔釜液位升高 则液位控制系统会使阀门1
4、开度开大 以使A塔液位达到要求 而这一动作的结果 却使B塔进料量增大高于设定值 则流量定值控制系统又会关小阀门2 以保持流量稳定 于是两塔的供需就出现了矛盾 在同一个管道上两阀 开大 关小 使连续流动的流体无所适从 为解决前后工序的供求矛盾 使两个变量之间能够互相兼顾和协调操作 则采用 均匀控制系统 A 第一脱乙烷塔B 脱丙烷塔图4 3塔釜物料供求关系示图 图4 4均匀控制系统示图 图4 5串级均匀控制系统示图 2 均匀控制的特点多数均匀控制系统都是要求兼顾液位和流量两个变量 也有兼顾压力和流量的 其特点是 不仅要使被控变量保持不变 不是定值控制 而又要使两个互相联系的变量都在允许的范围内缓慢
5、变化 图4 6开环比值控制系统 图4 7单闭环比值控制 2 单闭环比值控制系统为了解决开环比值控制对副流量无抗干扰能力的问题 现增加一个副流量闭环控制系统 构成单闭环比值控制系统 如图4 7所示 结构上与串级控制系统很相似 由于单闭环比值控制系统主动量F1仍为开环状态 而串级控制系统主 副变量形成的是两个闭环 所以二者还是有区别的 该方案中 副变量的闭环控制系统有能力克服影响到副流量的各种扰动 使副流量稳定 而主动量控制器F1C的输出作为副动量控制器F2C的外设定值 当F1变化时 F1C的输出改变 使F2C的设定值跟着改变 导致副流量也按比例地改变 最终 保证F1 F2 K 单闭环比值控制系统
6、构成较简单 仪表使用较少 实施也较方便 特别是比值较为精确 因此其应用十分广泛 尤适用于主物料在工艺上不允许控制的场合 因主动量不可控 故总流量不能固定 图4 8换热器的前馈控制 2 前馈控制的特点 1 前馈控制是基于不变性原理工作的 比反馈控制及时有效 2 前馈控制系统如果能使对被控变量的影响与扰动对被控变量的影响大小相等 方向相反的话 将能完全克服扰动对被控变量的影响 3 前馈控制属于 正反馈 闭环环控制系统 系统稳定性差 4 前馈控制没有通用的控制器 而是视对象而定 专用 控制器 5 一种前馈只能克服一种干扰 3 前馈 反馈控制系统较理想的做法是综合二者的优点 构成前馈 反馈控制系统 如
7、图4 9示 用前馈来克服主要干扰 再用反馈来克服其它干扰以使被控变量稳定在所要求的设定值上 图4 9换热器的前馈 反馈控制 由教师 代表管理方 对学生 员工 根据实训现场 或校外实训基地 的生产工艺要求 进行工作任务的布置与分配 明确 复杂系统集成与调试 项目训练的目标 要求及内容 派发任务单 表4 1任务单 组别 组员 项目负责人 3 以小组为单位 画出 精馏塔提留段温度T 流量 串级控制系统 流程图以及组成框图 并进行控制过程分析讨论 1 扰动进入副回路 2 扰动进入主回路 3 扰动同时进入主 副回路 1 主 副控制器控制规律选择在串级控制系统中 主 副控制器的作用是不同的 主控制器起定值
8、控制作用 而副控制器起随动控制作用 主变量是工艺操作的主要变量 要求无静差 因此 主控制器一般选择PI或PID控制规律 副变量是为了保证主变量的控制质量 允许有静差 但要求调节要快 副控制器一般选择P控制规律即可 2 主 副控制器正反作用的选择 首先确定副控制器作用方向 其次选择主控制器作用方向 4 系统停车停车步骤与开车相反 控制器先切换到 手动 状态 从安全角度考虑使执行器进入人工要求的开 关位置即可停车 在实训现场 对执行器进行观察 解读 包括其铭牌数据 型号规格 各部件名称及其作用 电 气线路及管路的连接等 以小组为单位 进行气动控制阀的安装与调试 2 执行机构的装配 1 将推杆密封圈
9、 防尘圈装入下膜盖 2 把执行机构推杆插入衬套中 3 将压缩弹簧装入弹簧座中 4 盖上上膜盖 拧紧吊环螺栓 5 拧紧其他六角螺栓 固定没盖 6 装入锁紧螺母 7 旋入指针 并用锁紧螺母固定 安装开缝螺母 安装防雨帽 4 气路连接 1 将气源与定位器上的空气过滤减压阀的IN相连 2 将定位器上的OUT孔与执行机构相连5 电路连接取下接线盒盖子 将输入信号的 极与端子板上的 极对应连接6 仪表调校 1 气源压力值300KPa 2 阀杆行程50 时 反馈杆水平 3 量程 零点 线性度调整 1 A组项目 课内项目 完成情况考核评分表 2 B组项目 自选项目 完成情况考核评分表 一 到工厂 或校外基地 观察 认知生产中的自动控制系统 熟悉系统的组成 控制方案 控制原理 参与系统的调试 投运 日常维护管理等工作 二 讨论题1 什么是简单控制系统 试画出其组成框图 2 什么是串级控制系统 试画出串级控制系统的组成框图 3 串级控制的目的是什么 常用于何种场合 它有哪些特点 4 均匀控制的目的是什么 有什么特点 适用于何种场合 5 比值控制的目的是什么 有哪几种形式 分别适用于何种场合 6 前馈控制的目的是什么 有哪些特点 适用于何种场合
