《过程控制与自动化仪表第3版 杨延西 潘永湘 赵跃第7章 特殊工艺要求控制系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制与自动化仪表第3版 杨延西 潘永湘 赵跃第7章 特殊工艺要求控制系统（87页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章 实现特殊工艺要求 的过程控制系统,主讲教师：杨延西 教授 联系电话：82312006-276 办公地点：教学五楼107,教学内容,本章主要介绍实现特殊要求的过程控制系统，它们分别是： 1) 比值控制系统 2) 均匀控制系统 3) 分程控制系统 4) 自动选择性控制系统,学习要求,学完本章后，应能达到如下要求： 1) 了解比值控制的工业应用背景，熟悉比值控制系统的结构类型； 2) 掌握比值控制系统中比值器参数的计算方法； 3) 了解比值控制系统中的非线性补偿、动态补偿、以及实施方案等； 4) 了解均匀控制的特点及设计方法； 5) 了解分程控制的特点及应用场合； 6) 了解自动选择性控制的
2、特点及应用场合。,（一） 比值控制系统,主要问题： 1. 开环比值控制系统 2. 单闭环比值控制系统 3. 双闭环比值控制系统 4. 变比值控制系统 5. 比值控制系统设计中的特殊问题,（一） 比值控制系统 生产过程中，经常需要几种物料的流量保持一定的比例关系。例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。 定义：实现两个或多个参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。,1.1 比值控制系统的种类 1) 开环比值控制系统 如图Q1是主流量，Q2是副流量。流量变送器FT检测主物料流量Q1；由控制器FC及安装在从物料管道上的阀门来控制副流量Q2。,优点：结构简
3、单、成本低。 缺点：无抗干扰能力，当副流管线压力改变时，不能保证所要求的比值。,控制目标：Q2K Q1,2) 单闭环比值控制系统 为了克服开环比值控制的不足，在开环比值控制的基础上，增加对副流量的闭环控制。特点： 对Q2进行闭环控制，比值控制精度提高。 控制目标：Q2=K Q1,优点：能克服副流量干扰，使比值保持不变 缺点：对Q1只测量、不控制。Q1变化，Q2跟着变化，总流量不稳定。,单闭环比值控制系统框图,无 干 扰,副 回 路 受 干 扰,主 流 量 受 干 扰,3) 双闭环比值控制系统 为了克服单闭环比值控制中主流量不受控制的缺点，增加主流量闭环控制回路。特点：,优点： Q1是主流量，Q
4、2是副流量。两个流量都可控，均能克服干扰因此总流量稳定,比值保持不变； 缺点：所用仪表多，投资高。,有两个闭环控制回路，用比值器联系。 控制目标：Q2=K Q1,双闭环比值控制系统框图,主流量给定,主流量干扰,主流量输出,副流量干扰,副流量输出,4) 变比值控制系统 以上介绍的都是定比值控制系统。在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个工艺参数的需要而变化，为满足这种工艺的要求，就出现了变比值控制系统。,例如，变换炉工艺中，煤气与水蒸气（58倍）在触媒的催化下，转化成二氧化碳和氢气。温度越高转化率越高，但温度过高会影响触媒寿命。而煤气与水蒸气的比值是影响温度的重要因素，如果根据触媒层的
5、温度调节其比例系数，就能保持最佳的触媒温度和最高的转化率。,温度控制器TC根据触媒的实际温度与给定温度的偏差，计算流量比值的给定值。,除法器算出蒸汽与煤气流量的实际比值，输入到流量控制器FC。,最后通过调整蒸汽量（改变蒸汽与半水煤气的比值）来使变换炉触媒层的温度恒定在给定值上。,变比值控制系统框图,应当注意，在变比值控制系统中，流量比值只是一种控制手段，不是最终目的，而第三参数（如本例中温度）往往是主要被控参数。,第三参数输出,比值 器输出,1.2 比值控制系统的设计与参数整定 1.2.1 比值控制系统设计 1）主流量、副流量的确定原则： 生产中起主导作用的物料流量，一般选为主流量，其余的物料
6、流量跟随其变化，为副流量。 工艺上不可控的物料流量，一般选为主流量。 成本较昂贵的物料流量一般选为主流量。 当生产工艺有特殊要求时，主、副物料流量的确定应服从工艺需要。,2）控制方案的选择 控制方案选择应根据不同的生产要求确定，同时兼顾经济性原则。 如果工艺上仅要求两物料流量比值一定，而对总流量无要求，可用单闭环比值控制方案。 如果主、副流量的扰动频繁，而工艺要求主、副物料总流量恒定的生产过程，可用双闭环比值控制方案。 当生产工艺要求两种物料流量的比值要随着第三参数的需要进行调节时，可用变比值控制方案。,3）调节器控制规律的确定 比值控制系统中，调节器的控制规律是根据控制方案和控制要求而定。,
7、4）正确选择流量计及其量程 各种流量计都有一定的适用范围（一般正常流量选在满量程的70左右），必须正确地选择和使用，可参考有关设计资料、产品手册。,5）比值系数的计算 工艺规定的流量（或质量）比值K不能直接作为仪表比值使用，必须根据仪表的量程转换成仪表的比值系数K后才能进行比值设定。 变送器的转换特性不同，比值系数K的计算公式不同。 （l）流量与测量信号之间成线性关系 如果Q1的流量计测量范围为0Q1max 、Q2的流量计测量范围为0Q2max，则变送器输出电流信号和流量之间的关系如下：,因,代入工艺比值公式：,得换算公式：,而仪表比值公式：,（2）流量与测量信号之间成非线性关系 利用节流原理
8、测流量时,如差压流量传感器（孔板），流量计输出信号与流量的平方成正比：,代入工艺比值公式：,得换算公式：,则,实 例,已知某比值系统，采用差压式流量计 测量主副流量，其最大量程分别为： 工艺要求： 试计算不加开方器与加开发器后仪表的比值 系数?,不加开方器： 加开方器： 问题：如何将比值器的比值转换成4-20mA电流输出？,解答:,1.2.2 比值控制系统的实施与参数整定 1）比值系数的实现 比值系统的实现有相乘和相除二种方法。在工程上可采用比值器、乘法器、除法器等仪表实现；用计算机控制时，通过比例、乘、除运算程序实现。,2）比值控制系统的参数整定,单闭环比值控制系统，可按单回路控制系统进行整
9、定。 对双闭环比值控制系统，主、副流量回路均可按单回路控制系统整定； 对变比值控制系统，主调节器可按串级控制系统整定方法进行；对副流量回路，本质上是随动系统，要求快速、正确跟随主流量变化，最好整定在振荡与不振荡边界，具体步骤为： 1）根据工艺条件，计算比值系数K，投入自动运行， 2）Ti无穷大，由大到小调节，使系统处于临界过程， 3）适当放宽比例度后，投入积分，逐步减小Ti，直到出现临界过程为止。,(二) 均匀控制系统,在连续生产过程中，有许多装置是前后紧密联系的。前一设备的出料，往往是后一设备的进料，各设备的操作也互相关联、互相影响。例如下图所示的两个连续操作的精馏塔。,显然，这两套控制系统
10、的控制目标存在矛盾：,解决办法： 1、设中间贮槽，使前后影响减小，但成本高。 2、用均匀调节方案。,1#塔液位调节,2#塔流量调节,1#塔液位变化,2.1均匀控制系统工作原理及特点 为了解决前后工序控制的矛盾，达到前后兼顾、协调操作，使前后工序的控制参数均能符合要求而设计的控制系统称为均匀控制系统。 和其它控制方式相比，均匀控制的特点如下： 1）两个被控变量在控制过程中都是缓慢变化的。,因为若将1#塔液位控制成平稳的直线，会导致2#塔的进料量波动很大；反之若将2#塔的进料量控制成平稳的直线，会导致1#塔液位波动很大。即无法实现两个被控参数都很平稳。 只有让两者都有一定程度的波动，但波动都比较缓
11、慢、且幅度较小，才有可能同时符合控制要求。,2）前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。 如图，1#塔塔釜液位的升降变化不能超过规定的上下限。2#塔进料流量也不能超越规定的上下限，否则就不能满足工艺要求。,2.2 均匀控制方案 均匀控制常用的方案有简单均匀控制、串级均匀控制等形式，下面介绍这两种控制方案。 1简单均匀控制,结构与简单液位定值控制系统一样，但系统控制的目的不同。均匀控制的目的是协调控制液位和排出流量两个变量。,由于控制目的不同，均匀控制要求兼顾两个变量，是通过调节器的参数整定来实现的。 简单均匀控制系统中的控制器一般都是纯比例作用，而且将比例度整定得很大。,当
12、液位变化时，控制器的输出变化很小，排出流量只作微小缓慢的变化，以较弱的控制作用达到均匀控制的目的。,因此，简单均匀控制适用于干扰不大、对流量的均匀程度要求较低的场合。,简单均匀控制的优点是结构简单，投运方便，成本低。但对另一个被控变量是不测不控的兼顾操作，其控制精度不一定能保证。 如此例中，当前后塔的压力变化较大时，尽管调节阀的开度不变，输出流量也会发生较大变化。,2串级均匀控制 为了克服简单均匀控制只有一个控制回路，只能保证一个被控变量精度的缺点，可在简单均匀控制方案基础上增加一个副控制回路，构成串级均匀控制。,结构与串级控制系统相同。增加了流量控制回路，可以及时克服压力干扰，保证流量控制精
13、度。,串级均匀控制方案中，主、副变量都有控制精度要求，二者均在规定的范围内作缓慢的变化，所以控制手法上与串级控制不同。,主、副控制器一般都采用纯比例作用，而且将比例度整定得较大。,串级均匀控制方案适用于干扰较大的场合。但使用仪表较多，投运、维护较复杂。,（三）分程控制系统 在分程控制系统中，一个控制器的输出信号被分割成几个行程段，每一段行程各控制一个调节阀，故取名为分程控制系统。 例如，一个控制器的输出信号分程控制两个调节阀A和B ， A和B的输入信号各占一半行程。,可调整阀门定位器来缩小调节阀的输入量程 。,调整阀门定位器缩小调节阀的输入量程,3.1 分程控制系统工作原理及类型 1分程控制系
14、统工作原理 如某一间歇式生产的化学反应过程中，每次投料完毕后，需要先对其加热引发化学反应。,一旦反应开始进行，就会持续产生大量的反应热，如果不及时降温，物料温度会越来越高，有发生爆炸的危险。因此，必须降温。,为此，可设计以反应器内温度为被控参数、以热水流量和冷却水流量为控制变量的分程控制系统，调节阀A、B分别控制冷却水和热水。,为保证安全，热水阀采用气开式，冷水阀采用气关式，则温度调节器设为反作用。,工作原理如下： 当装料完成、化学反应开始前，温度测量值小于设定值。调节器TC输出气压大于0.06MPa，A（冷水）阀关闭，B（热水）阀开启，反应器夹套中进的热水使反应物料温度上升。,反应开始后，反
15、应物温度逐渐升高，调节器输出逐渐下降，热水阀逐渐关小；当反应物料温度达到并高于设定值时，调节器输出气压将小于0.06MPa，热水阀完全关闭，冷水阀逐渐打开，冷水进入夹套将反应热带走，使反应物料温度保持在设定值。,2分程控制系统的类型 按照调节阀的气开、气关形式和分程信号区段不同，可分为以下两种类型： 调节阀同向动作的分程控制系统 例：两个调节阀同向动作,调节阀异向动作的分程控制系统 例：两个调节阀异向动作,A气开阀，B气关阀，在0.020.06MPa区间，B阀全开、A阀逐渐开大；在0.060.10MPa区间，A阀全开、B阀逐渐关小。,A气关阀，B气开阀，在0.020.06MPa区间，B阀全关、
16、A阀逐渐关小；在0.060.10MPa区间，A阀全关、B阀逐渐开大。,3.2 分程控制系统设计及工业应用 分程控制系统本质上属于单回路控制系统。二者的主要区别是：单回路控制系统中调节器输出控制一个调节阀，分程控制系统中调节器输出控制多个调节阀。因此，系统设计上有所不同。,3.2.1 控制信号的分段 在分程控制中，调节器输出信号分段是由生产工艺要求决定的。调节器输出信号需要分成几段，哪一段信号控制哪一个调节阀，完全取决于工艺要求。,如在反应器温度控制中，工艺需要控制两个调节阀。因此，调节器输出信号需要分成两段。,3.2.2 调节阀特性的选择与应注意的问题 1. 根据工艺要求选择同向或异向工作的调节阀 如此例中，为保证安全，热水阀采用气开式，冷水阀采用气关式。这就决定了两个调节阀异向工作。又因工艺要求一个阀打开时，另一个必须关闭。因此两个阀的特性组合应是：,2. 流量特性的平滑衔接 如图为蒸汽压力减压系统。小负荷时只有A阀控制、B阀不开；负荷较大时A阀全开、B阀控制。 两个同向特性的调节阀并联控制一种介质的流量时，总流量特
