9.分程控制-过程控制(自动化)

1、分程与阀位控制系统本讲主要内容分程控制的特点与适用场合；分程区间的确定方法；阀位控制的概念与设计方法。例1：间歇聚合反应器的控制问题Y“A”“B”蒸汽冷水T控制要求控制要求：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，怎么实现？反应器温度分程控制系统分程控制定义：若一台控制器去操纵几只阀门，并且是按输出信号的不同区间操作不同的阀门，这种控制方式习惯上称为分程控制。根据阀的开闭形式，分程控制有同向分程、异向分程两种。同向分程：多个阀同为气开阀，或同为气关阀。异向分程：多个阀中一些为气开，其他为气关阀。同向或异

2、向规律的选择全由工艺的需要而定。设计分程控制的目的：一是为扩大控制阀的可调范围，以改善控制系统的品质；二是满足工艺上操作的特殊要求。分程控制应用之一 扩大控制阀的可调范围（同向分程） 控制阀的可调范围R：阀的静态指标，是控制阀可以调节的最大流量与最小流量之比。国产柱塞型阀固有可调范围是30。 绝大多数化工生产过程中，R=30的控制阀足够满足生产要求。 对于废水处理中的pH值控制，可调范围要求特别大。工厂的废液来自下水道、污水沉淀池、洗涤器等处，其流量变化可达4-5倍，酸碱含量可以变化几十倍以上；废液中酸或碱的类型各异，其含量变化使pH值也产生变化，因而这种场合需要的可调范围会超过1000。分程

3、控制应用之一（续）对于此问题的解决办法： 采用两个控制阀（同为气开或气关），在小流量（低负荷）时用小阀加酸或碱试剂，在大流量（高负荷）时用小阀不够时再开大阀加酸或碱试剂。 比如：两阀分别为A和B，QAmax=4， QBmax=100，两阀的可调范围相等，即RA=RB=30。若B阀的泄漏量为最大流量的0.02% ，即QBS=0.02%QBmax=0.02。当采用分程控制后，最小流量和最大流量分别为：Qmin=QAmin+QBS=4/30+0.02=0.153；Qmax=QAmax+QBmax=4+100=104因此此两阀组合在一起的可调范围将扩大到R=104/0.15368030。分程控制应用之

4、二满足工艺上操作的特殊要求（异向分程）例1的间歇聚合反应器的温度控制就是这样的情况反应器温度分程控制系统问题：（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）如何克服广义对象的非线性。反应器温度控制系统调节阀的分程动作关系气关阀气开阀“A”“B”100阀开度(%)00.020.060.10调节阀气动信号（MPa）工作过程：工作过程：（1）当温度偏低时，调节阀气动信号增大。若冷水阀A还未全关，则逐步关冷水阀；否则，开大蒸汽阀B；（2）当温度偏高时，调节阀气动信号减少。若蒸汽阀B还未全关，则逐步关蒸汽阀；否则，开大冷水阀A；控制阀分程动作-异向分程分程

5、控制系统的非线性蒸汽阀反应釜温度测量TspTC换热器Tmu(t)冷水阀f1(t)f2(t)问题：21fTfTmm分程控制系统非线性的补偿蒸汽阀反应釜温度测量TspTC换热器Tmu(t)冷水阀f1(t)f2(t)uffTuffTmm2211补偿原理：分程控制非线性补偿方法uffTuffTmm2211补偿原理：“A”“B”100阀开度(%)00.020.040.10调节阀气动信号（MPa）0.06若213fTfTmmufuf213例2：贮罐气封分程控制系统气关阀气开阀PC“B”“A”排 空N2N2在炼油厂或石油化工厂中，有许多存放着各种油品或石油化工产品的储罐，为使这些油品或产品不与空气中的氧气接

6、触而被氧化变质，常采用罐顶充氮气的做法，使储存物与外界空气隔绝。氮封的技术要求实行氮封的技术要求是：要始终保持储罐内的氮气压微量正压。储罐内储存物料量增减时，将引起罐顶压力的升降，应及时进行控制，否则将使储罐变形，更有甚者，会将储罐吸扁。因此，当储罐内液面上升时，应停止继续补充氮气，并将压缩的氮气适量排出。反之，当液面下降时应停止放出氮气。只有这样才能达到既隔绝空气，又保证容器不变形的目的。问题：（1）协调两调节阀的动作；（2）如何避免两调节阀的频繁开闭以减少N2用量?图中所用的仪表均为气动仪表，A阀选择气开阀，B阀选择气关阀，控制器具有反作用，采用PI控制规律 。贮罐气封分程控制系统分程动作

7、过程气关阀气开阀“B”“A”100阀开度(%)00.020.0580.10调节阀气动信号（MPa）0.062避免两调节阀频繁开闭的方法：（1）控制阀引入不灵敏区。 （2）同时，控制器引入调节死区（为什么？）B阀接受控制器的输出信号为0.02-0.058MPa，而A阀接受的信号为0.062-0.10MPa。因此，在两个控制阀之间存在一个不灵敏区（间隙区）。针对一般储罐顶部空隙较大，压力对象时间常数大，而氮的压力控制精度要求不高的实际情况，存在一个不灵敏区是允许的。阀位控制系统主控制器主控制阀副控制阀阀位控制器（VPC）测量变送器对象r2r1图中，r2为对应旁路阀（主控制阀）的较小开度设定值。阀位

8、控制器VPC和副控制阀及对象构成一个次控制回路，主控制器和主控制阀（旁路阀）及对象构成主控制回路（具有良好的动态品质）。例3：分馏塔轻柴油抽出塔板温度控制问题回炼油浆外甩油浆轻柴油FCTCFIC203TIC203反应油气一中回流分馏塔富气粗汽油C-201D-201问题问题：TIC203与轻柴油的产品质量关系密切，需要加以有效控制。但原控制方案中三通调节阀的调节能力不足，经常需要人工干预（手动调节一中回流量）。如何改进方案？要求：（1）确保TIC203的控制能力；（2）尽可能使一中回流经换热器进行能量回收；（3）一中回流量作为稳定塔的热源，希望波动尽可能小。催化裂化装置分馏塔工艺流程：主要产品为

9、粗汽油和轻柴油，原料为来自反应再生系统的反应后油气。分馏塔内压力、温度、中段回流对产品的质量都有影响。中段回流取热 。分馏塔从下到上有5个侧线抽出回流，分别为油浆、二中段（重循环油）循环回流、一中段（轻循环油）循环回流、重汽油循环回流、顶循环回流。轻柴油抽出板温度的双重控制系统图中VPC称为“阀位控制器”，其测量值为主调节阀（本例中为三通调节阀）的开度。 系统特点：（1）对主参数的控制能力显著提高。与分程控制不同的是，两调节阀可同时动作。（2）通过设定Vsp，可实现能量回收的最大化。轻柴油FCTCFIC203TIC203反应油气一中回流分馏塔VPCTspVsp多回路PID控制系统小结用于改善控

10、制系统性能的多回路PID系统（1）串级控制系统；（2）前馈控制系统；（3）变增益/变比值控制系统。用于满足工艺特定需要的多回路PID系统（1）均匀控制系统；（2）比值控制系统；（3）分程控制系统；（4）阀位控制系统；（5）选择性控制系统。练习题1 下图为化学反应器的过程控制系统：1）说明图中的控制策略属于哪类控制系统？2）最主要的被控变量是什么？最主要的操纵变量是什么？3）图中哪个控制器要整定的最慢，哪个控制器要整定的最快？为什么？4）阀门V1是气开还是气关？为什么？V2是气开还是气关？为什么？5）指出各图中控制器的正反作用，并给出选取的理由；6）给出图中控制规律的选取。练习（续）答： 是串级分程控制系统。 最主要的被控变量是反应器内温度，最主要的操纵变量是冷剂流量。 图中T1C要整定的最慢，FC最快。 阀门V1是气关，保证反应温度不致过高，从而生成其它产物。阀门V2是气关气关。 图中：T1C反作用，T2C正作用正作用，FC正作用。 (6) T1C：PID；T2C：P（PI，I弱）；FC：P。练习题TC进料顶产品底产品气开PBPDPm如图所示