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1、第三章第三章 按某些特定要求而开按某些特定要求而开 发的控制系统发的控制系统陈兆娜信息与控制工程学院自动化系2024/7/22Copyright by Zhaona Chen2本章内容比值控制系统均匀控制系统分程控制系统选择性控制系统按计算指标控制阀位控制系统2024/7/22Copyright by Zhaona Chen33.1 比值控制系统 本节要点3.1.1 比值控制概述3.1.2 常见的比值控制方案3.1.3 比值控制系统的实施3.1.4 比值控制系统的设计、投运及整定3.1.5 比值控制系统中若干问题的讨论2024/7/22Copyright by Zhaona Chen43.1.
2、1比值控制概述比值控制问题的由来比值控制问题的由来问题：当NaoH用量QB变化时，调整稀释水量QA 以使稀释液NaoH的浓度为6-8%左右。解决方案：（1）出口浓度控制；（2）入口流量的比值控制溶液配制问题 2024/7/22Copyright by Zhaona Chen53.1.1比值控制概述比值控制的定义F1, C1F2, C2F调和罐,C定义实现使两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统称为比值控制系统油品调合油品调合 废水处理废水处理 注意：比值系统定义是按控制目的要求而定义的2024/7/22Copyright by Zhaona Chen63.1.1比值控制概述主流量：起主导
3、作用的流量，用G1表示；副流量：跟随主流量而变化的流量，用G2表示。比值控制系统就是要实现副流量与主流量成一定的比值关系，即式中，K为副流量与主流量的流量比值。2024/7/22Copyright by Zhaona Chen73.1.1比值控制概述一般的比值控制问题要求： （比值系数）而G1为主动流量，G2为可控量，要求设计一控制系统通过调节G2 以实现上述比值控制目标。后 续装 置物料1 物料2 G1G22024/7/22Copyright by Zhaona Chen83.1.2比值控制方案开环比值控制认为阀的开度(输入)与流量是对应关系, 认为是线性关系 。特点：结构简单，仪表少 缺点
4、：开环控制，比值不准确应用：NaOH浓度稳定 H2O压力稳定 总量不限2024/7/22Copyright by Zhaona Chen93.1.2比值控制方案单闭环比值控制(1)引入原因：单闭环控制系统主要解决从动量压力波 动造成的比例失调。(2)单闭环比值控制：G1流量 测量乘以系数K做为G2流量 的给定值。即 I1KI2 优点：比值精确。 缺点：G1+G2总量随G1变。2024/7/22Copyright by Zhaona Chen103.1.2比值控制方案双闭环比值控制引入原因：克服主动量波动。两个 流量都是闭环，G1是定 值控制，同时把测量信 号I1乘以K做为第二个流 量G2的给定
5、值，I1=KI2优点： 比值准确，总量一定 提、降负荷容易缺点： 投资大G10G1G22024/7/22Copyright by Zhaona Chen113.1.2比值控制方案三种比值控制方案的共同特点是：它们都以保持两物料流量比值一定为目的比值计算器的参数经计算设置好后不在变动工艺要求的实际流量比值K也就固定不变2024/7/22Copyright by Zhaona Chen123.1.2比值控制方案变比值控制 例： 氧化率与 比值影响最大对RC调节器，测量值为 两流量的比值，所以称为比值控制器，同时其给定值是T的输出, 输出是变化的，所以又称变比值控制控制过程是T变化改变的比值来控制氧
6、化炉温度。2024/7/22Copyright by Zhaona Chen133.1.2比值控制方案变比值控制变比值控制G1 G2I1I2kk0RC2024/7/22Copyright by Zhaona Chen143.1.3比值控制的实施1. 相乘方案 表示乘法实现系统为乘法器： 改变pc值的大小，即改变比值系数。 （1）比值系数 的确定：要求采 用比值器 。 比值器输出运算关系：k2024/7/22Copyright by Zhaona Chen153.1.3比值控制的实施1. 相乘方案与 与流量的关系有两种： 差压测量不开方2024/7/22Copyright by Zhaona C
7、hen161. 相乘方案差压变送器输出信号 = 比值器的设定系数, 流量比。 2024/7/22Copyright by Zhaona Chen171. 相乘方案 差压测量加开方此时， =应指出，比值器 k有一定范围40.25,应使k=1 左右工作。2024/7/22Copyright by Zhaona Chen182. 相除方案对 RC 控制器，测量值为比值，信号比。除法器输出： =有开方器：无开方器：= = , 稳定性下降，注意负荷变化对稳定性影响。 2024/7/22Copyright by Zhaona Chen193.1.4比值控制的设计、投运及整定1、 主、从动量的确定主、从动量
8、的确定 其原则是在生产过程中起主导作用、可测而不可控、且 较昂贵的物料流量一般为主动量为主动量。 2、控制方案的选择控制方案的选择 根据不同的工艺情况、负荷变化、扰动性质、控制 要求等进行合理选择。3、控制器控制规律的确定控制器控制规律的确定 由不同控制方案和控制要求而确定。2024/7/22Copyright by Zhaona Chen203.1.4比值控制的设计、投运及整定1、比值控制系统的投运 （1） 投运前的准备工作 充分了解控制意图 仪表的接线、校验 设置好初始参数 （2） 投运 原则： 无扰动切换 步骤: 1、手动操作调节器的输出值,使测量 值等于给定值； 2、手动切到自动202
9、4/7/22Copyright by Zhaona Chen213.1.4比值控制的设计、投运及整定2、比值控制系统的整定 变比值控制系统因结构上是串级控制系统，因此主 控制器按串级控制系统整定串级控制系统整定。双闭环比值控制系 统的主流量回路可按单回路定值控制系统整定可按单回路定值控制系统整定。2024/7/22Copyright by Zhaona Chen223.1.5比值控制若干问题讨论 关于开方器的使用 不加开方器： 测量环节的放大倍数： 因为 为常数， 所以，非线性 稳定性下降，动态难跟踪。 加开方器： 测量环节的放大倍数： 线性不随负荷变化，稳定性不变。2024/7/22Copy
10、right by Zhaona Chen232. 动态跟踪动态跟踪即在变化过程中保证两流量的比值关系。如图所示在比值控制系统中人为加入一个动态补偿环节GZ(s)。主流量对副流量的传递函数为因为要求副流量跟随主流量变化，在同步情况下无相位差，为此动态补偿2024/7/22Copyright by Zhaona Chen242. 动态跟踪因为 (设流量与流量信号为线性关系) 所以补偿式为2024/7/22Copyright by Zhaona Chen253. 逻辑提量问题1、保持比值有个先后的问题，蒸汽压力是控制目标， 燃料是调节量，锅炉燃烧系统，要求比 值一定。2、同时要求：增加 时，先增加
11、量，降 时， 先降 ，后降2024/7/22Copyright by Zhaona Chen263.2 均匀控制系统本节要点本节要点 3.2.1 均匀控制的概念与特点 3.2.2 常见的均匀控制系统 3.2.3 均匀控制系统的应用场合 3.2.4 均匀控制系统参数整定2024/7/22Copyright by Zhaona Chen273.2.1 均匀控制的概念与特点1、 例：脱乙烷塔脱丙烷塔 前者要求液面稳定，后者要求进料稳定。塔的平稳：希望进料和塔 底液位尽量波动小1# 液位定值控制2# 进料流量定值控制两个方案不能同时存在两个方案不能同时存在2024/7/22Copyright by Z
12、haona Chen283.2.1 均匀控制的概念与特点 2、 解决办法：均匀控制 矛盾的折中，使二参数都缓慢的变化。 （1）均匀要求：二参数在一定的范围内缓慢变化。 （2）均匀的概念： 受控变量和操纵变量都在允许范围内缓慢波动。2024/7/22Copyright by Zhaona Chen293.2.1 均匀控制的概念与特点3、均匀控制系统的特点 (1) 不同于常规的定值控制系统，而对被控变量 (CV)与控制变量(MV)都有平稳的要求； (2) 为解决CV与MV都希望平稳这一对矛盾，只能 要求CV与MV都渐变。均匀控制通常要求在最 大干扰下，液位在贮罐的上下限内波动，而 流量应在一定范围
13、内平缓渐变。 (3) 均匀控制指的是控制目的，而不是控制结构。2024/7/22Copyright by Zhaona Chen303.2.2 均匀控制方案1 1、 简单均匀控制结构同液位定值控制，但在此处控制目的不同：均匀控制如何实现均匀？如何实现均匀？在控制规律和参数整定上实现。采用P规律，大的(大于100%)，有时采用PI (大, Ti大)，缺点：缺点：对于 ，有较大变化时不适用。对于自衡作用强的对象也不适用。P2P12024/7/22Copyright by Zhaona Chen313.2.2 均匀控制方案2、串级均匀控制 如图方案控制目的与串级不同。要求液位和流量都波动小。 对于液
14、位可用P规律，控制器整定的要弱(大) 对于流量可用PI规律，比例度要大(40%100%)，积分时间要小(0.11min)2024/7/22Copyright by Zhaona Chen323.2.2 均匀控制方案-双冲量均匀控制 以PL和PF作为测量，形式上同 单回路，但有二个测量，故命 名为双冲量，实质是串级结构。 从流程图上看=常数 G用PI作用 即当 一定，则 也一定，可克服 等对G的影响。 2024/7/22Copyright by Zhaona Chen333.2.2 均匀控制方案3、双冲量均匀控制 当 变化时，例 增大，则 也增大，保持 一定，达到均匀控制。 相当于串级控制，主调
15、节器P作用，=100%。实施：用电动仪表，利用多输入通道也可代替加法器。 2024/7/22Copyright by Zhaona Chen343.2.3 均匀控制参数工程整定1、纯比例控制时q 先将比例度放置在估计不会引起液位超越的数值，例如比例度=100%左右；q 观察记录曲线，若液位的最大波动小于允许范围，则可增加值，其结果必然是液 位“质量”降低，而使流量更为平稳；q 当发现液位的最大波动可能回超过允许 范围时，则应减小值；q 这样反复调整值，直到液位最大波动接近允 许范围为止。2024/7/22Copyright by Zhaona Chen353.2.3 均匀控制参数工程整定2、比
16、例积分控制时 按纯比例控制进行整定，得到液位最大波动接近 允许范围时的值； 适当增加值后，加积分作用。逐渐减少积分时 间，使液位在每次扰动过后，都有回复到设定值 的趋势； 减小积分时间，直到流量记录曲线将要出现缓慢 的周期性衰减振荡过程为止2024/7/22Copyright by Zhaona Chen363.3 分程控制系统本节要点 3.3.1 分程控制的概念与特点 3.3.2 为什么要分程 3.2.3 分程控制方案 3.2.4 分程控制实现2024/7/22Copyright by Zhaona Chen373.3.1分程控制概述1、分程：一个控制器控制二个或二个以上阀，各阀对 应于控制
17、器输出的不同区段。例：A阀： 全行程。B阀： 全行程 二阀结合的情况：a. 连续分程2024/7/22Copyright by Zhaona Chen383.3.1分程控制概述b. 间隙分程阀阀开度度AB0.020.0580.1气气关关气气 开开MPa0.062死区死区c. 重叠分程注意：当两阀100%重叠时，就不叫分程了，而 叫两个阀“并联”阀阀开开度度AB气气关关气气开开重叠重叠0.020.0580.0620.1MPa2024/7/22Copyright by Zhaona Chen393.3.2为什么要分程1、扩大可调范围-扩大可调比R ，一般 例如：阀A： ， 阀B： 2024/7/2
18、2Copyright by Zhaona Chen403.3.2为什么要分程2、工艺的特殊要求例1 间歇聚合反应器的控制问题控制要求：反应开始前，需要用蒸汽加热以达到反应所需的温度；当反应开始后，因放出大量反应热，需要用冷水进行冷却。要求全过程自动控制反应器的温度？2024/7/22Copyright by Zhaona Chen413.3.2为什么要分程方案设计问题：（1）选择两调节阀的气开 气关属性；（2）温度控制器的正反作用；（3）协调两调节阀的动作。反应器温度分程控制冷水阀：气关蒸汽阀：气开控制器：反作用2024/7/22Copyright by Zhaona Chen423.3.2为
19、什么要分程冷水冷水蒸汽蒸汽断电时，关蒸汽，加冷水，所以左边为冷水，右为蒸汽。 ，加蒸汽。 ，加冷水。 工作点时，不加冷水，也不加蒸汽。 2024/7/22Copyright by Zhaona Chen433.3.2为什么要分程例2 贮罐气封分程控制系统问题：（1）选择两调节阀的气开气 关属性；（2）温度控制器的正反作用；（3）协调两调节阀的动作。（4）如何避免两调节阀的频 繁开闭以减少N2用量?进N2阀：气开排N2阀：气关控制器：反作用2024/7/22Copyright by Zhaona Chen443.3.2为什么要分程平衡时，应使二阀都关，又当P在一定范围时，二阀可都不动作，加死区。
20、当断电时，应使排空阀全开，所以排N2在左，进N2在右。排气进气2024/7/22Copyright by Zhaona Chen453.3.3分程控制设计与实施中的问题1、作用方向的确定 结合实例说明，具体问题具体分析。2、控制器整定 无统一办法B阀Gp测量RspGCGp1ymu(t)A阀f1(t)f2(t)Gp2由于输出信号的不同，可能工作在不同的阀段，即对象的部分不同，当二阀特性不同时，要兼顾。 2024/7/22Copyright by Zhaona Chen463、阀的组合特性（1）问题：分程控制，二阀控制同一介质要注意组合特性。 即UQ的特性。若不合适，严重影响质量。 例：，设分程点
21、为：0.06MPa, A,B为线性。组合后不是线性，分程点突变严重。 （忽略泄漏量），相差25倍2024/7/22Copyright by Zhaona Chen473、阀的组合特性（2）对组合特性的要求： A阀和B阀各自的放大倍数应平缓的过渡，不要变化的剧烈。KA和KB相差尽量小，如KA和KB相差很大，应用平滑方法来确定分程点。（3）分程方式 连续分程，间隙分程，重叠分程（4）如何得到所需特性（参考方法） 求小阀A： 大阀B： 2024/7/22Copyright by Zhaona Chen483、阀的组合特性b. 确定所需组合特性c. 求分程点：例1：需直线时，应用二直线 例：Qmax=
22、645，Qmin=3.9，线性，求分程点？ A线：R=50，QAmax=503.9=195 B线：QBmax=645-195=450 分程点： 解得，P=0.044应注意：不能使小阀工作区段太大。2024/7/22Copyright by Zhaona Chen493、阀的组合特性例2：需要对数阀，用对+线或线+对，对数+对数，画 图求分程点。可连续分程，或重叠分程，以求 平滑过渡。2024/7/22Copyright by Zhaona Chen504、如何实现分程 (1)定位器(2)调节阀采用不同平衡弹簧 国产有，0.020.06,0.060.1(3)用比值器+负荷分配器。 比值器：负荷分
23、配器：，可调。B阀比值器0.020.060.060.1负荷分配器0.020.1比值器A阀0.020.060.020.1TAB0.020.1MPa0.020.060.060.12024/7/22Copyright by Zhaona Chen51练习题如图所示的精馏塔提馏段灵敏板温度控制回路很可能引起液泛。假设液泛可以用塔底和塔顶压力之差来表征（压差太大表示可能存在液泛）。请在此基础上设计一个液泛约束控制系统，以保证正常操作时按提馏段温度调节加热蒸汽流量，而当塔即将出现液泛时则要求调节加热蒸汽流量确保不发生液泛。要求：（1）画出带控制点的流程图与对应的方块图；（2）选择调节器的正反作用。2024
24、/7/22Copyright by Zhaona Chen523.4 选择性控制系统本节要点 3.4.1 选择性控制的由来 3.4.2 选择性控制的设计方法2024/7/22Copyright by Zhaona Chen533.4.1 选择性控制由来 - -超驰控制（override control） 1、一般控制系统分为： 物料平衡控制，质量控制，极限控制，超驰控制属 于极限控制 (1)极限控制的特点：l在正常工况下，该参数不会超限，所以不考虑对它进行直接控制；l在非正常工况下，该参数会达到极限值，这时要求采取强有力的控制手段，避免超限2024/7/22Copyright by Zhaon
25、a Chen54(2)防超限的方法分为两种：l硬保护：参数达到第一极限时报警设法排除故障，否则将自动停车。l软保护：参数达到极限时报警设法排除故障在这同时按使该参数脱离极限值为主要控制目标进行控制，以防该参数进一步超限。该方法可避免停车。 超驰控制就是为实现软保护而设计的控制系统。3.4.1 选择性控制由来 - -超驰控制（override control） 2024/7/22Copyright by Zhaona Chen55例：锅炉蒸汽压力与燃料压力控制系统 问题：当负荷，Ps燃料可能“脱火” 当负荷，Ps燃料可能“回火”解决办法 :硬性停车、选择控制选择性控制：工艺生产中的限制条件加到正
26、常的控制系统中，当超过限制条件时，一个用于非正常情况的控制系统就自动取代正常情况下工作的控制系统。3.4.1 选择性控制由来 - -超驰控制（override control） 2024/7/22Copyright by Zhaona Chen56举例说明设计锅炉蒸汽压力与燃料压力控制系统，以防“脱火” 1、Pc 控制器给定值压力的上限值为Pmax，2、正常时P Pmax , Pc 输出开始减小，取代 P SH3.4.1 选择性控制由来 - -超驰控制（override control） 2024/7/22Copyright by Zhaona Chen573.4.2 选择控制设计选择控制系统
27、设计的一个内容是确定选择器性质，使用低值选择器还是高值选择器。选择器性质确定r 先确定阀的气开、气关性质r 再确定控制器的正反作用r 最后根据超驰作用的控制器来确定选择器。选择控制方案(1) 开关型选择控制系统 (2) 连续型选择控制系统(3) 混合型选择控制系统 (4) 受控变量的选择性控制系统2024/7/22Copyright by Zhaona Chen581、软限保护的选择性控制 根据限制条件，选择不同的受控变量作为闭环控制。 例：液氨换热器控制问题：（1）调节阀气开气关特性的选择；（2）控制器正反作用的选择；（3）选择器（低选器SL或高选器SH）的选择。SL气开阀反作用正作用3.4
28、.2 选择控制设计2024/7/22Copyright by Zhaona Chen593.4.2 选择控制设计控制系统分析（1）从安全角度考虑，选择气开控制阀（2）正常工况下温度控制器是正作用。（3）非正常工况下液氨液位达到高限时，液位控制器代替温度控制器工作。假设液位升高，应减少液氨量，所以液位控制器为反作用。液位高时，液位控制器输出下降，为取代温度控制器，应选择低选器。2024/7/22Copyright by Zhaona Chen603.4.2 选择控制设计LC阀液位对象温度测量Tsp液位测量LmaxSLTC温度对象TmLmu(t)液氨换热器选择控制方块图2024/7/22Copyr
29、ight by Zhaona Chen613.4.2 选择控制设计2、受控变量的选择性控制 高点温度控制： 用计算机实现2024/7/22Copyright by Zhaona Chen623.4.3 防积分饱和SL备用（选择）防积分饱和：当某一控制器起作用时，让另一备用控制器的输出跟踪起作用控制器的输出，从而避免备用控制器的积分累加。防积分饱和方法 限幅法，外反馈法，积分切除法2024/7/22Copyright by Zhaona Chen63选择控制系统抗积分饱和的实现2024/7/22Copyright by Zhaona Chen643.5 按计算指标控制本节要点 3.5.1 概述
30、3.5.2 内回流控制2024/7/22Copyright by Zhaona Chen653.5.1 概述什么叫按计算指标控制。有时，可测的不能做受控变量，而做受控变量的参数又不能测量，只能间接的计算出来。这种通过可以测量的变量计算的结果做为受控变量的控制系统中按计算指标控制。2024/7/22Copyright by Zhaona Chen663.5.2 内回流控制1、内回流 精馏段塔内，上一层塔盘向下一层塔盘流动的液体流 量，内回流量是保证塔操作良好的一个重要因素，内 回流量不易直接测量。 内回流控制系统：控制内回流量恒定或按某一规律变 化的控制系统。2024/7/22Copyright by Zhaona Chen673.5.2 内回流控制2、内回流与外回流的关系 TOH ：塔顶温度；TL：回流温度； L0：外回流量；V：向上气体流量； L1：内回流量。 控制L1恒定，但L1不能测量。2024/7/22Copyright by Zhaona Chen682、内回流与外回流的关系
