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1、废液中和过程的分程控制系统的设计1一 概述在工业废液中和过程控制中，由于工业生产中排放的废液来自不同的工序，有时呈酸性，有时呈碱性，因此，需要根据废液的酸碱度，决定加酸或加碱。通常，废液的酸碱度用 PH 值的大小来表示。当 PH 值小于 7 时，废液显酸性；当 PH 值大于 7 时，废液显碱性；等于 7 时，即为中性。工业要求排放的废液要维持在中性。图 1-1 所示为废液中和过程的控制模型。图 1-1 废液中和过程示意图为此要求设计一自动控制系统来完成该生产工艺。废液中和过程的分程控制系统的设计2二 废液中和分程控制系统的方案确定对于简单控制系统，控制方案的确定主要包括系统被控参数的选择、测量
2、信息的获取及变送、控制参数的选择、调节规律的选取、调节阀（执行器）的选择和调节器正、反作用的确定等内容。在工程实际中，控制方案的确定是一件涉及多方面因素的复杂工作。它既要考虑到生产工艺过程控制的实际要求，又要满足技术指标的要求，同时还要顾及客观环境以及经济条件的约束。一个好的控制方案的确定，一方面要依赖于有关理论分析和计算，另一方面还要借鉴许多实际工程经验。因此，我这里的设计仅仅是从书本的角度出发，联系一点点的实际。1、被控参数的选取根据工业中废液处理的要求，废液为中性，可直接取废液 PH 值做为直接被控参数。2、控制参数的选择从该废液处理过程可以看出，液体槽的输入量有三个，废液、酸液和碱液。
3、其中废液中的 PH 值是生产的工序过程决定的，不可变的，为使液体槽中的废液成中性，必须控制酸液和碱液流量，以调节 PH 值。因此，要求分别控制酸液和碱液的输入量。这是两种不同控制介质的生产过程，可由分程控制的思想来实现，如图 2-1 为废液中和分程控制的系统框图。图 2-1 废液中和分程控制的系统的框图分程控制是根据工艺要求，将调节器的输出信号分段，去分别控制两个或两个以上废液中和过程的分程控制系统的设计3的调节阀，以便使每个调节阀在调节器输出的某段信号范围内全行程动作。分程控制系统本质上是属于单回路控制系统，因此，单回路控制系统的设计原则完全适用于分程控制系统的设计。但是它与单回路控制系统相
4、比，由于调节器的输出信号要进行分程而且所用的调节阀较多，所以在系统设计上也有一些特殊之处。比如：调节器输出信号的分程需要阀门定位器来实现；多个调节阀的动作选择。3、测量仪表的选择根据生产工艺及普遍使用的要求，宜选用 DDZ-型仪表3、1 测量元件及变送器的选择测量废液中的 PH 值选用工业中应用广泛的 PH 酸碱度计PH 计是一种常用的仪器设备，主要用来精密测量液体介质的酸碱度值，配上相应的离子选择电极也可以测量离子电极电位 MV 值，广泛应用于工业、农业、科研、环保等领域。人们根据生产与生活的需要，科学地研究生产了许多型号的酸碱度计： 按测量精度上可分 0.2 级、0.1 级、0.01 级或
5、更高精度。 按仪器体积上分有笔式（迷你型） 、便携式、台式还有在线连续监控测量的在线式。在该设计中，我选择测量精度为 0.2 级的台式3、2 调节阀的选择从价格方面来讲，这里选择气动执行器。由于气动执行器具有一系列优点，绝大部分使用电动调节仪表的系统也使用气动执行器。为使气动执行器能够接受电动调节器的控制信号，必须把调节器输出的标准电流信号转换为 20-100Kpa 的标准气压信号。这个工作是由电/气转换器完成的。废液中和过程的分程控制系统的设计4图 2-2 力平衡式电/气转换器的原理图1-杠杆 2-线圈 3-喷嘴 4-弹簧 5-波纹管 6-支点 7-重锤 8-气动功率放大器该电/气转换器的工
6、作原理省略。由于控制介质不同，需要设计分程控制，使用两个调节阀（调节阀 A 和调节阀 B） 。根据工艺要求，两个调节阀不能同行动作，只能异向动作，调节阀 A 选择气闭式，调节阀 B 选择气开式。其动作示意图如 2-3 所示。图 2-3 调节阀异向动作示意图由图 2-3 可知，当调节器输出信号大于 0.02Mpa 时，阀 A 由全开状态开始关闭，阀 B 处于全闭状态；当信号达到 0.06Mpa 时，阀 A 全闭，阀 B 开是打开；当信号达到 0.1Mpa 时阀 B 全开。调节器输出信号只能是一个，为了使调节器输出信号能分段，通常是采用阀门定位废液中和过程的分程控制系统的设计5器来实现的。它将调节
7、器的输出信号分成几段，不同区段的信号由相应的阀门定位器将其转换为 0.020.1Mpa 的压力信号，使每个调节阀都作全程动作。图 2-3 所示带阀门定位器的气动执行器框图。图 2-4 带阀门定位器的气动执行器框图由图可见，借助于阀杆位移负反馈，使调节阀能按输入信号精确地确定自己的开度。（1）流量特性的平滑衔接在有些分程系统中，把两个调节阀作为一个调节阀使用时，要求从一个调节阀向另一个调节阀过渡时，其流量变化要平滑，但由于两个调节阀的增益不同，存在着流量特性的突变，对此必须采用相应的措施。对于线性流量特性的调节阀，只有当两个阀的流通能力很接近时，两阀衔接成直线才能用于分程控制系统。阀 开 度阀
8、开 度图 25对于对数流量特性的调节阀，需通过两个调节阀分程信号部分重迭的办法，使调节阀流量特性衔接线性化，达到平滑过渡。如图 25 所示为线性特性和对数特性。（2）调节阀的泄露量在分程控制系统中，必须保证：在调节阀全关时，不泄露或泄露量极小。若大阀的泄露量接近式大于小阀的正常的调节量时，则小阀就不能发挥其应有的控制作用，甚至不起控制作用。废液中和过程的分程控制系统的设计63、3 调节器的选择废液中和控制过程是一个控制通道时间常数较大且容量滞后也较大的广义过程控制，根据生产的工艺要求，当工艺容许有静差时，应选用 PD 调节；当工艺要求无静差时，应选用 PID 调节。调节器正、反作用的选择：对于
9、调节阀 A 来说，调节阀 A 为气闭式，故 Kv 为负；当被控过程输入的酸液增加时，导致中和液的 PH 值下降，故 Ko 为负；测量变送器的 Km 通常为正。为使整个系统中各环节静态放大系数的乘积为正，则调节器的 Kc 应为正，故选用反作用的调节器；对于调节阀 B 来说，调节阀 B 为气开式，Kv 为正；当被控过程输入的碱液增加时，中和液的 PH 值会上升，故 Ko 为正；同样，测量变送器的 Km 通常为正，所以调节器的 Kc 应为正，选用反作用的调节器。通过上面的分析可知：即使在分程控制中，对于不同方式的调节阀，其调节器的选用是一定的，这里我使用反作用的调节器于该控制系统中。3 3 废液中和
10、过程的分程控制系统废液中和过程的分程控制系统3.4.1 系统流程图在工业废液中和过程控制中，由于工业生产中排放的废液来自不同的工序，有时呈酸性，有时呈碱性，因此，需要根据废液的酸碱度，决定加酸或加碱。通常，废液的酸碱度用 PH 值的大小来表示。当 PH 值小于 7 时，废液显酸性；当 PH 值大于 7 时，废液显碱性；等于 7 时，即为中性。工业要求排放的废液要维持在中性。由于控制介质不同，需要设计分程控制系统。图 2-6 所示为废液中和过程的分程控制系统流程图。废液中和过程的分程控制系统的设计7图 2-6 废液中和过程的分程控制系统流程图图中，PH 计是废液氢离子浓度测量仪。PH 值愈小，P
11、H 计的输出电流愈大。设 PH 值等于7 时，输出电流为 I*H。当 PH 计的输出电流 IHI*H 时，废液为酸性，此时分程控制系统中的 PH 调节器的输出信号使调节阀 B 打开，调节阀 A 关闭，加入适量碱，使废液成中性；反之，当 IH0.75） 。而对于有自衡特性废液中和过程的分程控制系统的设计11的高阶等容过程，按此法确定的调节器参数在实际运行中大多会使系统衰减偏小（0.75） 。因此，用此确定调节器参数还需要在实际中作一些在线修改。废液中和过程的分程控制系统的设计12三、废液中和分程控制系统的的改善上面的废液中和分程控制是一个单回路反馈的控制系统，系统的反馈通道滞后时间较长，反馈不及
12、时，不能及时控制废液中的 PH 值，为此，需要对以上的单回路反馈系统进行改善。废液流入液体槽的 PH 值是一定的，由此可联想到采用前馈-反馈复合控制。如图 3-1 所示废液中和控制采用前馈-反馈复合控制的流程图。图 3-1 所示废液中和控制采用前馈-反馈复合控制的流程图在前面的所设计的废液中和控制系统中，由于废液输入的流量是一定的，系统控制中所引入的干扰 F(s)就是流入废液的 PH 值，为了使调节器能及时调节因干扰引起的扰动，采用前馈的方式，将干扰信号直接变送给调节器，起到实时控制的目的。当然，要实现前馈控制必须满足一定的条件：干扰信号是可测、便于变送；过程控制通道的时间常数大于干扰通道的时
13、间常数、反馈控制不及时而影响控制质量。以上系统可简化成，如图 3-2 前馈-反馈复合控制系统框图废液中和过程的分程控制系统的设计13图 3-2 前馈-反馈复合控制系统框图在给定输入 X(s)与干扰输入 F(s)对系统输出 Y(s)的共同影响为)()()(1)()()()()()(1)()()(sFsGsGsGsGsGsXsGsGsGsGsYocoBFococ （3-1）如果要实现对干扰 F(s)的完全补偿，则上式的第二项应为零，即0)()()(sGsGsGoBF或)(/ )()(sGsGsGoFB（3-2）可见，前馈-反馈复合控制系统对于干扰 F(s)实现完全补偿的条件与开环前馈控制的相同。所
14、不同的是干扰对输出的影响却只有开环前馈控制的)()(1/1sGsGoc。这充分说明，经过前馈补偿后干扰对输出的影响已经大大减弱，再经过反馈控制则又进一不缩小了)()(1sGsGoc倍，这就充分体现了前馈-反馈复合控制的优越性。此外，由式（3-1）可得复合控制系统的特征方程式为1+Gc(s)Go(s)=0 (3-3)由式（3-3）可知，符合控制系统的特征方程式只与 Gc(s)、Go(s)有关，而与 GB(s)无关。这就表明加不加前馈补偿器与系统的稳定性无关，系统的稳定性完全由反馈控制回路决定。废液中和过程的分程控制系统的设计14结论从工业废液的处理来看，远不止本设计的这么简单。我仅仅是从过程控制
15、系统的角度出发，从系统的结构模型的控制方案下手，简化了具体的设计。首先，由于要分别控制酸液和碱液的流入，我采用了分程控制的方法，在分程控制中为使调节器能控制多个阀门，使用了阀门定位器，这些是实际中必须采用的。通过对测量元件、变送器、调节阀和调节器的选择，来设计中和过程的分程控制系统。由于该中和分程控制系统只相当于一个单回路反馈的控制系统，而且系统控制通道的时间常数较大及容量滞后也较大，系统的反馈不能及时将反馈信号送给调节器，导致调节不及时，影响控制质量。为此，采用前馈-反馈复合控制系统，利用前馈反应的优越性来弥补以上不足。而且前馈控制的引入，并没有影响系统的稳定性，反而增大了系统的抗干扰能力。
16、废液中和过程的分程控制系统的设计15心得体会这次课程设计的收获很大，在课程设计的过程中我翻了好几本书，虽然不算多，但能让我联系起来的东西应该就这些了。对过程控制与自动化仪表运用几乎是把本学期所学的全都用上了，从第一章到第七章，各个知识都有涉及，遇到的第一个问题就是系统的调节阀选择。第二个问题是系统的调节器正、反作用的选择，因为需要控制两个调节阀，而且两调节阀的打开方式不同，所以这里比较迷惑，但后面自己的分析，让我更加深刻。让我更进一步理解自己所学的东西。废液中和过程的分程控制系统的设计16参考文献1潘永湘、杨延西、赵跃编著.过程控制与自动化仪表.机械工业出版社,2007 2何离庆主编.过程控制系统与装置.重庆大学出版社,2003 3王家桢主编.调节器也执行器.清华大学出版社,2001 4俞金寿主编.过程自动化及仪表.化学工业出版社,2003内部资料 仅供参考*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ!djs#XuyUP2kNXpRWXm
