第4章(比值、均匀、前馈)过程控制

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1、 第4章其它控制系统 4 6均匀控制系统一 均匀控制的目的和要求在连续生产过程中 前一设备的出料往往是后一设备的进料 且随生产的进一步强化 前后生产过程的联系更加紧密 此时设计自动控制系统应从全局考虑 例如 用精馏方法分离多组分的混合物时 总是几个塔串联运行 在石油裂解气深冷分离的乙稀装置中 前后串联了八个塔进行连续生产 为保证这些相互串联的塔能正常地连续生产 每一个塔都要求进入塔的流量保持在一定的范围内 同时也要求塔底液位不能过高或过低 下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统 两个独立 运行的单回路液位控制系统和流量控制系统工作时是相互矛盾的 为解决矛盾 可在两塔之间增设中间缓冲容器来克服

2、 但这增加了投资且对于某些生产连续性很强 的过程又不允许中间储存的时间过长 因此还需从自动化方案的设计上寻求解决的方法 均匀控制就是一种解决方案 均匀控制系统把液位 流量统一在一个控制系 统中 如左图所示 所谓均匀控制系统是 指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地 均匀地变化 使前后设备在物料供求上相互兼顾 均匀协调的系统 均匀控制的特点是表征前后供求矛盾的两个参数各自允 许在规定范围内缓慢地变化 二 均匀控制系统的结构方案 一 简单均匀方案下图即为液位和流量的简单均匀控制系统的例子 从系统结构形式上看 它与单回路液位定值控制系统一样 但两者控制目的不同 所以在控制器的参数整定上也不同 下面分三种

3、情况说明 第一种情况 控制器的 较大 即控制作用较强 在干扰作用下液位偏离给定值时 控制器给出强有力的控制作用 使液位迅速回到给定值 且余差很小 但流量发生 较大的波动 如右图所示 第二种情况 控制器的 很小 即控制作用很弱 当干 扰使液位大幅波动时 阀门开度基本不变 则流量的波 动就很小 如下左图所示 第三种情况 控制器的 取值适当 使控制作用较为温和 在干扰 作用下 液位和流量均在各自允许的范围内缓慢变化 如上右图所示 通常 简单均匀方案中的控制器采用纯 比例控制 且比例度较大 一般大于100 当需采用PI控制时 应使积分弱些 即积分时间常数整定的大些 简单均匀控制系统的最大优点是结构简单

4、 投运方便 成本低廉 但当前后设备的压力变化较大时 尽管控制阀的开度不变 输出流量也会发生变化 所以它适用于干扰不大 要求不高的场合 此外 在液位对象的自衡能力较强时 均匀控制的效果也较差 二 串级均匀方案 当前后设备的压力变化较大 或液位对象的自衡能力较强而不宜采用简单均匀方案时 可考虑串级均匀方案 下图是精馏塔的塔釜液位与采出流量的串级均匀控 制方案 从结构上看 它与一般的液位和流量串级控制系统是一致的 但在此引入一流量副回路与液 位回路组成串级控制的目的不是为了提高主变量液位的控制质量 而主要是克服控制阀前后压力的波动及自衡作用对流量的 影响 使液位和采出流量变化平缓 设干扰使甲塔液位上

5、升 液位控制器 的输出信号随之增大 流量控制器 使控制阀缓慢开大 则液位不是立即快速下降 而是继 续缓慢上升 同时乙塔的进料量也缓慢增加 当液位上 升到某一数值时 甲塔采出量等于在干扰作用下的入料量 液位不再上升而暂处某一高度 从而使液位和流量都处于缓慢变化中 达到均匀协调的控制目的 如干扰来自乙塔塔压变化而使其入料量发生变化 则先由流量副回路控制 当这一控制作用使甲塔液位受到影响时 再由液位控制器改变流量控制器的设定值 让流量控制器作进一步的调整 缓慢改变控制阀的开度两控制器互相配合 使液位和流量都在允许的范围内缓慢地均匀变化 串级均匀控制系统中两控制器一般采用P或PI控制 而不加微分作用

6、三 双冲量均匀方案 冲量 的原义是短暂作用的信号或参数 在此引申为连续的信号或参数 双冲量均匀控制系统的结构见下 图 与串级均匀控制相比 前者用一个加法器取代主控 制器 是以液位和流量的测量信号经加法器后 作为系统的被控变量 现假定采用电动仪表构成系统 阀门为气开式 流量控制器选正作用 加法器在稳定状态下的输出为 上式中 是加法器输出 分别为液位变送器和流量 变送器的输出 为恒流源输出 在工况稳定的情况下 通过调整 值 使加法器的输出等于流量控制器的给定值 阀门处于某一开度 若受到干扰使液位上升 则 增加 由于流量控制器为正作用 也增加 阀开度增大 流量也开始增加 同时 液位从某一瞬间开始逐渐

7、下降 即 阀门开度 当液位和 流量变送器的输出逐渐接近到某一数值时 加法器的输出重新恢复到流量控制器的给定值 系统又逐渐趋于稳定 控制阀停留在新的开度上 液位和流量在允许范围内重新稳定下来 双冲量均匀控制系统在结构上相当于两个变量信号之差作为被控量的单回路控制系统 其一般方框图如下 三 控制器的参数整定 三种均匀方案中的控制器可选P或PI控制作用 一般不选用微分作用 控制器的比例度要大 积分时间要长 即控制力度要小些 以突出一个 慢 字 简单均匀控制系统和双冲量均匀控制系统在结构上与单回路控制系统相同 因此它们的控制器参数整定的方法与单回路控制系统一样 下面讨论串级均匀控制系统控制器参数整定的

8、两种方法 一 经验逼近法 二 定量计算法 补充 以串级均匀方案中的前后精馏塔的塔釜液位与采出流量的串级均匀控制为例加以说明 4 7比值控制系统 一 基本概念在化工 炼油及其它工业生产过程中 工艺上常需要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系 比例一旦失调 将影响生产或造成事故 例如 在造纸生产过程中 浓纸浆和水按一定的比例混合 才能制造出一定浓度的纸浆 显然这个流量比和产品质量有密切的关系 在重油气化的造气过程中 进入气化炉的氧气和重油流量应保持一定的比例 若氧油比过高 会因炉温过高而使喷嘴和耐火砖烧坏 严重时会引起炉体爆炸 如果氧量过低 则因生成的碳黑增多 发生堵塞现象 实现两个或两个以上参

9、数符合一定比例关系的控制系统 称为比值控制系统 通常以保持两种或几种物料 的流量为一定比例关系的系统 称之流量比值系统 在需要保持比值关系的两种物料中 必有一种物料处于主导地位 这种物料称之为主物料 表征这种物料的参数叫主动量 由于在生产过程控制中主要是流量比 值控制系统 所以主动量也称为主流量 用 表示 而另一种物料按主物料进行配比 在控制过程中随主物料而变化 因此称为从物料 表征其特性的参数叫从动 量或副流量 用 表示 一般情况下 总把生产中主要 物料定为主物料 但在有些场合 以不可控物料定为主物料 用改变可控物料即从物料来实现它们之间的比值 关系 工艺上要求的比值定义为 在比值控制系统中

10、 从动量随主动量按一定比例变化 故比值控制系统实际上是一种随动系统 二 比值控制系统的类型 一 开环比值控制系统开环比值控制系统是最简单的比值控制系统 其系 统组成如下图所示 稳态时 当主物料 在某 一时刻因干扰作用发生变化时 比 值器按 对设定值的偏差而动作 按比例发 出信号去改变控制阀的开度 使从物料 重新与变化后的 保持原有的比例关系 其 实质是满足控制阀的阀门开度与 之间成 一定的比例关系 但是 当 因其管线两端压力波动而 发生变化时 系统不起控制作用 控制阀开度不变 难以 保证 与 的比值关系 开环比值控制系统结构简单 只 能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合 开环比值控制系统的

11、方框图如下所示 二 单闭环比值控制系统下图是一单闭环比值控制系统的实例 丁稀洗涤塔的作用是用水除去丁稀馏 分所夹带的微量乙腈 为保证洗涤质量 要求根据进料 流量配以一定比例的洗涤水流量 单闭环比值控制系统方框图如下 在稳定工况下 主 副流量满足工艺要求的比值 当主流量变化时 经流量变送器送到比值器 比值器按 预先设置好的比值经计算使输出成比例地变化 即成比例地改变副流量控制器的给定值 此时副流量闭环系统为一 随动控制系统 使 跟随 变化 在新的工况下 流量比 值保持不变 当副流量由于干扰而变化时 副流量闭环系统相当于一个定值控制系统 自行调节 使工艺要求的流量比仍保持不变 单闭环比值控制系统的

12、优点是不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化 而且能克服副流量本身干扰对比值的影响 因此主副流量的比值较为精确 结构新形式较为简单 实施方便 应用较为广泛 尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合 其缺点是 由于主流量不受控制 当主流量因干扰或负荷的变化而出现大幅度变化时 副流量在控制过程中 相对于控制器的设定值会出现较大的偏差 主 副流量的 比值会较大地偏离工艺要求的流量比 即不能保证动态 比值 三 双闭环比值控制系统在单闭环比值控制系统的基础上 增设对主流量的控制回路即构成双闭环比值控制系统 下图所示为溶剂厂生产中采用的二氧化碳与氧气流量的双闭环比值控制 系统 下右图是双闭环比值控制系

13、统的方框图 双闭环比值控制系统的主控回路是一定值系统 使主流 量的变化较为平稳 从而副流量的变化也较平稳 提高了流量比值的精确度 另一优点是 提降负荷比较方便只要缓慢地改变主控器的给定值 就可提降主流量 而副流量也可自动跟踪提降 双闭环比值控制系统的缺点除结构稍复杂 投资稍多外 由于两个闭环通过比值器互相联系 当主 副控制器参数整定不当时 会引起 共振 为防 共振 应通过对主控制器的参数整定 尽量使主回路的输出为非周期变化 主 副控制器一般选PI控制 四 变比值控制系统上述各种比值控制都是定比值方案 但生产上维持流量比恒定往往不是控制的最终目的 仅仅是保证产品质量的一种手段 当系统中存在除流量

14、干扰外的其它干 扰 如温度 压力 成分及反应器中触媒活性变化等干 扰时 为保证产品质量 必须修正两物料的比值 但上述干扰一般是随机的 干扰幅值又各不相同 因此无法用人工经常去修正比值系数 变比值控制系统可自动修 正比值系数 下面举例说明 氧化炉是硝酸生产中的关 键设备 原料氨气 和空气在混合器内混合后经预热器进 入氧化炉 氨氧化 生成一氧化碳气体 同时放出大量热量稳定氧化炉操作的 关键条件是反应温度 因此氧化炉温度是表征氧化生产 质量指标的间接参数 选其为主被控量 若能保证进入混合器的氨气和空气的一定比值 可基本 上控制反应放出的热量 也控制了氧化炉的温度 但影 响氧化炉温度变化的干扰很多 如

15、进入氧化炉的氨气 空气的初始温度 意味着物料带入的能量的变化 直接影响炉温 负荷的 变化关系到单位时间内参加化学反应的物料量 由改变释放反应热的多少而影响炉温 氧化炉内触媒的活性变化 大气温度 压力变化也对炉内温度有不同程度的影响 进混合器的氨气 空气的温度 压力的变化 会影响流量测量的精度 若不进行补偿 则要影响它们的真实比值 经计算得知 当氨气在混合器内含量增加1 时 炉温将上升 由图可见 当出现直接引起氨 空气流量比值变化的干扰 时 通过比值控制系统得到及时克服而保持炉温不变 对于其它干扰引起炉温变化时 则通过温度控制系统对氨 空气比值进行修 正 使氧化炉温度恒定 可见 此方案是一单闭环

16、变比值控制系统 不过此处的单闭环是以某种质量指标为主参数两物料比值为副参数的串级控制系统 故称其为串级变比值控制系统 由于串级控制系统具有一定的自适应能力 这种变比值控制系统中存在温度 压力 成分 触媒活性等随机干扰时 能自动调整比值 保证质量指标在规定范围内的自适应能力 所以此种系统也曾叫自整配比控制系统 其一般方框图如下 三 比值控制系统的实施 一 比值系数的折算比值控制解决物料量之间的比例关系 工艺上规定 的比值 是指两物料的体积流量或重量流量之比 而目 前仪表使用统一标准信号 如电动仪表是0 10mA或4 20mA直流电流 气动仪表是0 02 0 1MPa气压信号 因此必 须把工艺规定的比值 换算成仪表信号之间的比值系数 才能进行比值设定 1 流量与测量信号成线性关系时的折算 当使用转子流量计 涡轮流量计 椭圆齿轮流量计或带开方器的差压变送器测量流量时 流量信号与测量信号成线性关系 设测量仪表输入流量下限为 输入流量上限为 则测量仪表输入流量的量程为 量程中的 任一中间值用 表示 电动仪表输出信号的下限为 输出信号的上限为 则电动仪表输出信号的量程为 输出量程中的任一中间值用