分程与选择性控制

1、第五节第五节分程控制分程控制选择性控制选择性控制 分程控制系统原理与设计分程控制系统原理与设计 分程控制工业应用分程控制工业应用 选择性控制系统原理与设计选择性控制系统原理与设计 选择性控制工业应用选择性控制工业应用一、分程控制系统原理与设计一、分程控制系统原理与设计注意问题注意问题 在生产过程中，有时为了满足被控参在生产过程中，有时为了满足被控参数宽范围的要求，需要改变几个控制数宽范围的要求，需要改变几个控制参数。如图参数。如图4-50，一个调节器的输出，一个调节器的输出信号分段分别控制两个调节阀动作。信号分段分别控制两个调节阀动作。 一个气动调节一个气动调节阀在调节器输出信阀在调节器输出信

2、号为号为2060kPa范围范围内工作，另一个气内工作，另一个气动调节阀在动调节阀在60100 kPa范围内工作。范围内工作。 某些工业生产要求调节阀工作时某些工业生产要求调节阀工作时其可调范围很大，但国产统一设计的柱其可调范围很大，但国产统一设计的柱塞式调节阀，其塞式调节阀，其可调范围可调范围R30，满足，满足了大流量就不能满足小流量，反之亦然。了大流量就不能满足小流量，反之亦然。为此，可设计和应用分程控制，将两个为此，可设计和应用分程控制，将两个调节阀当作一个调节阀使用，从而可扩调节阀当作一个调节阀使用，从而可扩大其调节范围，提高控制质量。大其调节范围，提高控制质量。 设分程控制中使用的大小

3、两只调设分程控制中使用的大小两只调节阀的节阀的最大最大流通能力流通能力分别为分别为CAmax=4，CBmax=100 可调范围可调范围 RA=RB=30 故小阀的故小阀的最小最小流通能力流通能力为为AmaxAminAC4C= 0.134R30 分程控制把两个调节阀当作一个调分程控制把两个调节阀当作一个调节阀使用，其最小流通能力为节阀使用，其最小流通能力为0.134，最大流通能力为最大流通能力为104，可调范围为，可调范围为 分程后调节阀的可调范围为单个调分程后调节阀的可调范围为单个调节阀的节阀的26倍，既能满足生产的要求，倍，既能满足生产的要求，又能改善调节阀的工作特性，提高控制又能改善调节阀

4、的工作特性，提高控制质量。质量。分AmaxBmaxAminC+C104R=780C4/30 在分程控制系统中，调节器的输在分程控制系统中，调节器的输出信号仍为出信号仍为010mA DC、420mA DC(电动仪表电动仪表)或或20100 KPa(气动仪气动仪表表)。这一输出信号可分为。这一输出信号可分为24段，每一段，每一段带动一个调节阀动作，每个调节阀在段带动一个调节阀动作，每个调节阀在此信号段内从全开到全关或从全关到全此信号段内从全开到全关或从全关到全开动作开动作(全行程动作全行程动作)。 4 12 20 mA DC 20 60 100 KPa 0.02 0.06 0.1 MPa 全关全关

5、 半开半开 全开全开 （气开阀）（气开阀） 全开全开 半开半开 全关全关 （气关阀）（气关阀） 分程控制是通过分程控制是通过阀门定位器阀门定位器来实现的。改变阀门定位器的来实现的。改变阀门定位器的量量程弹簧程弹簧和和调零弹簧调零弹簧，就改变了阀，就改变了阀门定位器的测量范围，从而达到门定位器的测量范围，从而达到了分程控制的目的。了分程控制的目的。 例如二级分程控制，将一个例如二级分程控制，将一个调节阀的阀门定位器的输入范围调节阀的阀门定位器的输入范围调到调到2060KPa，其输出为，其输出为20 100KPa；将另一个调节阀的阀；将另一个调节阀的阀门定位器输入范围调到门定位器输入范围调到601

6、00 KPa，其输出也是，其输出也是20100KPa ，在不同信号区段内，调节阀都是在不同信号区段内，调节阀都是全行程工作的。全行程工作的。 分程控制根据调节阀的气开、分程控制根据调节阀的气开、气关形式和分程信号区段的不同，气关形式和分程信号区段的不同，分为两类：分为两类： 1.调节阀同向动作的分程控制调节阀同向动作的分程控制： 即随着调节阀输入信号的增加即随着调节阀输入信号的增加或减小，调节阀的开度均逐渐开大或减小，调节阀的开度均逐渐开大或均逐渐关小。（图或均逐渐关小。（图451） 2.调节阀异向动作的分程控制，调节阀异向动作的分程控制，即随调节阀输入信号的增加或减小，即随调节阀输入信号的增

7、加或减小，阀开度按一只逐渐开大而另一只逐阀开度按一只逐渐开大而另一只逐渐关小的方向动作。渐关小的方向动作。(图图4-52) 调节阀同向或异向动作的选择完调节阀同向或异向动作的选择完全由生产工艺安全的原则决定。全由生产工艺安全的原则决定。 在分程控制中，实际上是把两个调在分程控制中，实际上是把两个调节阀作为一个调节阀使用，因此要节阀作为一个调节阀使用，因此要求求从一个阀向另一个阀过渡时，其从一个阀向另一个阀过渡时，其流量变化要平滑流量变化要平滑。但由于两个阀的。但由于两个阀的放大系数不同，在放大系数不同，在分程点分程点上常会引上常会引起流量特性的突变，尤其是大、小起流量特性的突变，尤其是大、小阀

8、并联工作时。阀并联工作时。 如前述可调范围达如前述可调范围达780的两个调节的两个调节阀，当均为线性阀时，其突变情况阀，当均为线性阀时，其突变情况非常严重非常严重(图图453a)。当均为对数。当均为对数阀时，突变情况要好一些阀时，突变情况要好一些(图图453b)。 为使总的流量特性比较平滑，一般为使总的流量特性比较平滑，一般应考虑如下措施：应考虑如下措施： 1)尽量选用对数调节阀尽量选用对数调节阀，除非，除非调节阀范围扩展不大时调节阀范围扩展不大时(此时两个调此时两个调节阀的流通能力很接近节阀的流通能力很接近)，可选用线，可选用线性阀。性阀。 2)采用分程信号重叠法采用分程信号重叠法。如图。如

9、图454，使两个阀有一区段重叠的调，使两个阀有一区段重叠的调节器输出信号，这样不等到小阀全节器输出信号，这样不等到小阀全开，大阀就已渐渐打开。开，大阀就已渐渐打开。 调节阀的泄漏量：调节阀的泄漏量： 分程控制分程控制选用的调节阀应不泄漏选用的调节阀应不泄漏或泄漏量极小，尤其是大、小阀并联工或泄漏量极小，尤其是大、小阀并联工作，若大阀泄漏量过大，小阀将不能充作，若大阀泄漏量过大，小阀将不能充分发挥其控制作用，甚至起不到控制作分发挥其控制作用，甚至起不到控制作用。用。 调节器控制规律的选择及其参数整定：调节器控制规律的选择及其参数整定： 可参照单回路系统（可参照单回路系统（分程控制系分程控制系统本

10、质上是一个单回路控制系统统本质上是一个单回路控制系统）。但）。但是分程控制中的两个控制通道的特性不是分程控制中的两个控制通道的特性不会完全相同，所以只能兼顾两种情况，会完全相同，所以只能兼顾两种情况，选取一组比较合适的整定参数。选取一组比较合适的整定参数。二、分程控制工业应用示例二、分程控制工业应用示例1用于节能控制用于节能控制2用于扩大调节阀的可调范围用于扩大调节阀的可调范围 如废水处理中的如废水处理中的PH值控制，值控制，调节阀可调范围特别大，废液流调节阀可调范围特别大，废液流量变化可达量变化可达45倍，酸碱含量变倍，酸碱含量变化几十倍。在这种场合下，若调化几十倍。在这种场合下，若调节阀可

11、调范围不够大，是达不到节阀可调范围不够大，是达不到控制要求的，必须采用大、小阀控制要求的，必须采用大、小阀并联使用的分程控制。并联使用的分程控制。3.用于保证生产过程的安全、稳定用于保证生产过程的安全、稳定4用于不同工况下的控制用于不同工况下的控制 在化工生产中，有时需要加热，有在化工生产中，有时需要加热，有时又需要移走热量，为此配有蒸时又需要移走热量，为此配有蒸 汽和汽和冷水两种传热介质，设计分程控制系统，冷水两种传热介质，设计分程控制系统，以满足生产工艺要求。以满足生产工艺要求。三、选择性控制系统三、选择性控制系统 原理与设计原则原理与设计原则 选择性控制：选择性控制：把生产过程中的限把生

12、产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统上去的一种组合控常的自动控制系统上去的一种组合控制方法。制方法。 系统设有系统设有两个控制器两个控制器(调节器调节器)(或或两个以上的变送器两个以上的变送器)，通过，通过高、低值选高、低值选择器择器选出能适应生产安全状况的控制选出能适应生产安全状况的控制信号，实现对生产过程的自动控制。信号，实现对生产过程的自动控制。 当生产过程趋近于危险极限区，但还当生产过程趋近于危险极限区，但还未进入危险区时，一个用于控制不安未进入危险区时，一个用于控制不安全情况的控制方案通过高、低值选择全情况的控制方案通过高、低值

13、选择器取代正常生产情况下工作的控制方器取代正常生产情况下工作的控制方案案(正常调节器处于开环状态正常调节器处于开环状态)，直至，直至使生产过程重新恢复正常。然后，又使生产过程重新恢复正常。然后，又通过选择器使原来的控制方案重新恢通过选择器使原来的控制方案重新恢复工作。复工作。 这种选择性控制系统又被称为这种选择性控制系统又被称为自动保自动保护系统护系统，或称为，或称为软保护系统软保护系统。 选择器选择器：可以接在两个或多个调节器的：可以接在两个或多个调节器的输出端，对控制信号进行选择，也可以输出端，对控制信号进行选择，也可以接在几个变送器的输出端，对测量信号接在几个变送器的输出端，对测量信号进

14、行选择。进行选择。 1)选择器位于调节器的输出端选择器位于调节器的输出端，对，对调节器的输出信号进行选择的系统，如调节器的输出信号进行选择的系统，如图图458。 2)选择器位于调节器之前选择器位于调节器之前，对变送器输出信号进行选择的系对变送器输出信号进行选择的系统，如图统，如图459。例：例：P205 图图4-37 例：反应器热点极值选择性控制系统例：反应器热点极值选择性控制系统 选择性控制系统可等效为两个选择性控制系统可等效为两个(或或更多个更多个)单回路控制系统。单回路控制系统。系统设计的系统设计的关键关键是选择器的设计选型以及多个控制是选择器的设计选型以及多个控制器控制规律的确定。器控

15、制规律的确定。 1选择器的选型选择器的选型 选择器有选择器有高值选择器高值选择器(HS)与与低值选低值选择器择器(LS)。前者容许较大信号通过，后。前者容许较大信号通过，后者容许较小信号通过。者容许较小信号通过。 在选择器具体选型时，根据生产处在选择器具体选型时，根据生产处于不正常情况下，于不正常情况下，取代调节器取代调节器的输出信的输出信号为高值或为低值来确定选择器的类型。号为高值或为低值来确定选择器的类型。如果取代调节器输出信号为高值时，则如果取代调节器输出信号为高值时，则选用高值选择器；反之则选用低值选择选用高值选择器；反之则选用低值选择器。器。2控制器控制器(调节器调节器)控制规律的确

16、定控制规律的确定 对于对于正常控制器正常控制器，由于控制精度，由于控制精度要求较高，同时要保证产品的质量，所要求较高，同时要保证产品的质量，所以应选用以应选用PI控制规律，如果过程的容量控制规律，如果过程的容量滞后较大，可以选用滞后较大，可以选用PID控制规律；控制规律； 对于对于取代控制器取代控制器，由于在正常生，由于在正常生产时开环备用，仅要求在生产将出问题产时开环备用，仅要求在生产将出问题时，能迅速及时采取措施，以防事故发时，能迅速及时采取措施，以防事故发生，故一般选用生，故一般选用P控制规律控制规律即可。即可。3控制器控制器(调节器调节器)参数整定参数整定 可按单回路控制系统的整定方法

17、可按单回路控制系统的整定方法进行。但取代控制方案投入工作时，取进行。但取代控制方案投入工作时，取代控制器必须发出较强的控制信号，产代控制器必须发出较强的控制信号，产生及时的自动保护作用，所以其比例度生及时的自动保护作用，所以其比例度应整定得小一些。如果有积分作用时，应整定得小一些。如果有积分作用时，积分作用也应整定得弱一点。积分作用也应整定得弱一点。四、选择性控制工业应用举例四、选择性控制工业应用举例 在锅炉的运行中，蒸汽负荷随用在锅炉的运行中，蒸汽负荷随用户需要而经常波动。正常情况下，户需要而经常波动。正常情况下，用控制燃料量的方法来维持蒸汽压用控制燃料量的方法来维持蒸汽压力的稳定。力的稳定

18、。 当蒸汽用量增加时，蒸汽总管压当蒸汽用量增加时，蒸汽总管压力将下降，此时正常调节器输出信力将下降，此时正常调节器输出信号去开大调节阀，增加燃料量。号去开大调节阀，增加燃料量。 同时，燃料气压力随燃料量的增同时，燃料气压力随燃料量的增加而升高。当燃料气压力超过某一加而升高。当燃料气压力超过某一安全极限时，会产生安全极限时，会产生脱火脱火现象，可现象，可能将造成生产事故。为此，设计应能将造成生产事故。为此，设计应用如图用如图460所示的蒸汽压力与燃料所示的蒸汽压力与燃料气压力的选择性控制系统。气压力的选择性控制系统。五选择性控制系统中的积五选择性控制系统中的积分饱和及其防止分饱和及其防止 对于对于具有积分作用的调节器具有积分作用的调节器在开环状态下在开环状态下，由于