化工仪表及其自动化-复 杂 控 制 系 统

1、复复 杂杂 控控 制制 器器Introduction 简单控制系统简单、基本、应用广泛。 But简单控制系统简单控制系统难以满足控制难以满足控制要求要求工业发展，生产工艺革新，工业发展，生产工艺革新，生产过程大型化、复杂化，生产过程大型化、复杂化，操作条件的要求更加严格，操作条件的要求更加严格，变量之间的关系更复杂。变量之间的关系更复杂。现代化生产对产品的质量现代化生产对产品的质量要求很高要求很高采用复杂控制系统Contents串级控制系统串级控制系统均匀控制系统均匀控制系统比值控制系统比值控制系统分程控制系统分程控制系统多冲量控制系统多冲量控制系统复杂控制系统前馈控制系统前馈控制系统选择性控

2、制系统选择性控制系统简单简单控制系统控制系统 管式加热炉出口温度简单控制系统管式加热炉出口温度简单控制系统通道容量滞后很大干扰：燃料压力或其本身热值有较大波动被控变量：原油出口温度先影响炉膛温度原油出口温度波动，难以满足生产要求逐渐影响原料油出口温度Part 1串级控制系统串级控制系统管式加热炉出口温度串级控制系管式加热炉出口温度串级控制系统统炉膛温度2发生变化原油出口温度1发生变化T2C工作，改变燃料加入量T1C工作，改变T2C给定值干扰干扰：燃料压力或其本身热值有较大波动对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时简单控制系统控制简单控制系统控制 串级控制系统串

3、级控制系统1rQ1c1u2f2c1f 1pG主对象 2pG副对象 vG控制阀 2cG2u副控制器 1cG主控制器1mH主变送器1y2mH副变送器2y主回路副回路F2：燃料油压力、组分等的变化F1：燃料油流量、温度的变化Part 1串级控制系统工作过程1、干扰进入副回路（只有、干扰进入副回路（只有F2）2、干扰作用于主对象（只有、干扰作用于主对象（只有F1）3、干扰同时作用于副回路和主对象、干扰同时作用于副回路和主对象Part1串级控制系统特点1rQ1c1u2f2c1f 1pG主对象 2pG副对象 vG控制阀 2cG2u副控制器 1cG主控制器1mH主变送器1y2mH副变送器2y主回路副回路 主

4、回路是个定值控制系统，而副回路是个随动控制系统。 主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。 副回路具有超前控制作用，有效地克服滞后，提高了控制质量。 增加了副回路，具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。1. 引入闭合副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且加速克服作用于主对象上的干扰；2. 副回路“先调、粗调、快调”， 主回路“后调、慢调、细调”。主、副变量主、副变量间应有一定的间应有一定的内在联系内在联系应使副回路尽应使副回路尽量少包含或不量少包含或不包含纯滞后包含纯滞后主要干扰主要干扰应被包围在应被包围在副回路内副回路内避免主、副回避免主、副回路工

5、作频率接路工作频率接近，发生共振近，发生共振“选择一个合适的副变量选择一个合适的副变量”- Description of the contentsPart1副回路选择原则应使副回路应使副回路包含更多的包含更多的次要干扰次要干扰控制规律的选择控制器正、反作用的选择控制器参数的工程整定Part 1串级控制系统串级控制系统Part 2均匀控制系统均匀控制系统为了稳定操作需保持塔釜液为了稳定操作需保持塔釜液位稳定，必然频繁地改变塔底的位稳定，必然频繁地改变塔底的排出量。排出量。从稳定操作要求出发，希从稳定操作要求出发，希望进料量尽量不变或少变。望进料量尽量不变或少变。 两塔间的供求关系出现矛盾两塔间的

6、供求关系出现矛盾 为了解决前后工序供求矛盾为了解决前后工序供求矛盾，达到前后兼顾协调操作，使液位和流量均匀变化使液位和流量均匀变化，组成的系统称为均匀控制系统。（1 1）两个变量在控制过程中都应该是）两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的的 （定值控制是使被控变量恢复到给定值定值控制是使被控变量恢复到给定值）。）。（2 2）两个变量应保持在所）两个变量应保持在所允许的范围内波动允许的范围内波动。 前一设备的液位和后一设备的进料量之关系前一设备的液位和后一设备的进料量之关系1液位变化曲线；液位变化曲线；2流量变化曲线流量变化曲线Part 2均匀控制的要求（目的）均匀控制的要求（目的）Part 2

7、均匀控制方案均匀控制方案1、简单均匀控制、简单均匀控制流量会随阀前后压差变化而改变流量改变使液位变化导致导致塔内压力或排出端压力变化将比例度整定得很大，则当液位变化时，控器的输出变化很小。控制不及时缺陷缺陷：一般为纯比例，有时为了克服干扰造成过大偏差，则引入积分作用。Part 2均匀控制方案均匀控制方案2、串级均匀控制、串级均匀控制增加一个增加一个流量副回路流量副回路v 系统结构系统结构上与串级系统串级系统相同。v 本质本质上是均匀控制均匀控制 （协调液位和流量之间的关系）一般为纯比例，要求高时时为了防止偏差过大，引入积分作用。 串级均匀控制系统协调两个变量间的关系串级均匀控制系统协调两个变量

8、间的关系是通过控制器参数整定来实现的。是通过控制器参数整定来实现的。 在串级均匀控制系统中，参数整定的目的在串级均匀控制系统中，参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值，而是要求变量不是使变量尽快地回到给定值，而是要求变量在允许的范围内作缓慢的变化。在允许的范围内作缓慢的变化。Part 3比值控制系统比值控制系统 在化工、炼油及其他生产过程中，工艺上常需要将两种（或以上）的物料保持一定的比例关系。v 造纸生产过程：纸浆和水应以一定比例混合；v 重油气化造气：进入气化炉的氧气和重油流量 应保持一定比例；v 锅炉燃烧过程：燃料量和空气按一定的比例进 入炉膛。 例：例： 比值控制系统：实现两个或两个

9、以上参数符合一定比例比值控制系统：实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统。（通常为流量比值控制系统）关系的控制系统。（通常为流量比值控制系统） Part 3比值控制系统比值控制系统12QQK从动量：按主物料从动量：按主物料进行配比的物料流量进行配比的物料流量主动量：处于主导主动量：处于主导地位的物料流量地位的物料流量v 造纸生产过程：纸浆和水应以一定比例混合；v 重油气化造气：进入气化炉的氧气和重油流量 应保持一定比例；v 锅炉燃烧过程：燃料量和空气按一定的比例进 入炉膛。Part 3比值控制系统的类型比值控制系统的类型1、开环比值控制系统、开环比值控制系统只能保持执行器的只能保持执

10、行器的阀门开度与阀门开度与Q1之间之间成一定比例关系成一定比例关系对副流量对副流量Q2本身本身无抗干扰能力无抗干扰能力只适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合Part 3比值控制系统比值控制系统2、单闭环比值控制系统、单闭环比值控制系统Q2随随Q1变化而变化，变化而变化，且克服了且克服了Q2本身干扰本身干扰对比值的影响对比值的影响Q1不受控制，会不受控制，会影响总物料量影响总物料量结构简单、实施方便、应用广泛尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合Part 3比值控制系统比值控制系统3、双闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统优点：提降负荷较方便，只要缓慢改变F1C的给定值，就可提降Q1，同

11、时Q2也自动跟踪提降，并保持其比例缺点：结构较复杂，使用仪表多，投资大，系统调整比较麻烦适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合。Part 3比值控制系统比值控制系统4、变比值控制系统、变比值控制系统 有些化学反应，要求两要求两种物料的比值能灵活地随第种物料的比值能灵活地随第三变量的需要而加以调整。三变量的需要而加以调整。3、双闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统1、开环比值控制系统、开环比值控制系统2、单闭环比值控制系统、单闭环比值控制系统定比值控制系统定比值控制系统Part 4前馈控制系统前馈控制系统 换热器的反馈控制换热器的反馈控制 换热器的前馈控制换热

12、器的前馈控制反馈控制与前馈控制方块图反馈控制与前馈控制方块图反馈反馈控制信号在干扰已经造成影响、被控变量偏离给定值以后才能产生。前馈前馈根据干扰的变化直接产生控制作用。Part 4前馈控制系统特点前馈控制系统特点前馈控制系统前馈控制系统的补偿过程的补偿过程干扰：使干扰：使温度降低温度降低前馈控制：使前馈控制：使温度升高温度升高Part 4前馈控制系统形式前馈控制系统形式 1、单纯的前馈控制形式、单纯的前馈控制形式2、前馈、前馈反馈控制形式反馈控制形式前馈与反馈的优缺点相对应两者结合可取长补短前馈克服主要干扰，反馈克服其他干扰Part 4前馈控制适用场合前馈控制适用场合（1 1）干扰幅值大而频繁

13、）干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，对被控变量影响剧烈， 仅采用反馈控制达不到要求的对象。仅采用反馈控制达不到要求的对象。 （2 2）主要干扰是可测而不可控的变量。 （3 3）当对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，反馈控制不及时， 控制质量差，可采用前馈或前馈控制质量差，可采用前馈或前馈- -反馈控制系反馈控制系 统，以提高控制质量。统，以提高控制质量。 Part 5选择性控制系统选择性控制系统通常通常正常工作正常工作生产工艺正常时现代化大型现代化大型生产过程生产过程克服干扰、维持生产平稳运行克服干扰、维持生产平稳运行控制系统应有应变能力控制系统应有应变能力能采取相应保护措施能采取相应保

14、护措施控制器改为手动控制器改为手动生产出现事故控制系统控制系统重新投入工作重新投入工作事故排除后生产正常生产操作达到安全极限促使生产操作促使生产操作离开安全极限离开安全极限或生产暂时停止或生产暂时停止Part 5选择性控制系统选择性控制系统生产条件趋向限制条件时，生产条件趋向限制条件时，一个用于控制不安全情况的一个用于控制不安全情况的控制方案将自动取代控制方案将自动取代正常情况下的控制方案。正常情况下的控制方案。直到生产操作直到生产操作重新回到安全范围内重新回到安全范围内生产操作达到安全极限时，生产操作达到安全极限时，有声、光报警产生有声、光报警产生进行手动操作进行手动操作联锁保护、自动停车联

15、锁保护、自动停车影响生产，影响生产，会造成巨大经济损失会造成巨大经济损失 硬保护措施硬保护措施软保护措施软保护措施选择性控制Part 5选择性控制系统类型选择性控制系统类型丙烯冷却器的两种控制方案丙烯冷却器的两种控制方案1、开关型选择控制系统、开关型选择控制系统一般用作系统的限值保护控制变量：气丙烯控制变量：气丙烯出口温度出口温度15左右左右操纵变量：液丙烯操纵变量：液丙烯（蒸发吸热）（蒸发吸热）带上限节点的带上限节点的液位变送器液位变送器液位超液位超限引起限引起气液夹带气液夹带电磁三通阀电磁三通阀Part 5选择性控制系统类型选择性控制系统类型2、连续型选择控制系统、连续型选择控制系统辅助锅

16、炉压力取代控制系统辅助锅炉压力取代控制系统被控变量：被控变量：蒸汽压力蒸汽压力被控变量：被控变量：燃料气量燃料气量进入炉膛进入炉膛的燃料气的燃料气压力若过压力若过高会引起高会引起脱火脱火低选器低选器燃料气燃料气压力压力控制器控制器蒸汽压力蒸汽压力控制器控制器被控变量：被控变量：燃料气量燃料气量被控变量：被控变量：蒸汽压力蒸汽压力Part 5选择性控制系统类型选择性控制系统类型3、混合型选择控制系统、混合型选择控制系统电磁三通阀电磁三通阀Part 6分程控制系统分程控制系统一台控制器一台控制器的输出可以同时控制两台甚至两台以两台甚至两台以上的控制阀上的控制阀。控制器的输出信号被分割成若干个信号若

17、干个信号范围段范围段，由每一段信号去控制一台控制阀，称为分程分程控制系统控制系统。 分程控制系统方块图分程控制系统方块图Part 6分程控制系统分程控制系统1.用于扩大控制阀的可调范围，改善控制品质蒸汽减压系统分程控制蒸汽减压系统分程控制目的目的将将10MPa的高压蒸汽减压的高压蒸汽减压为为 4MPa的中压蒸汽的中压蒸汽节流减压节流减压选择大口选择大口径控制阀径控制阀为适应大负荷下为适应大负荷下蒸汽供应量的需要蒸汽供应量的需要正常情况下，正常情况下，蒸汽量无需太大蒸汽量无需太大控制阀小控制阀小开度工作开度工作阀特性畸变，易产生噪音和振荡，控制效果变差，控制质量降低采用两台控制采用两台控制阀，构

18、成分程阀，构成分程控制方案。控制方案。Part 6分程控制系统分程控制系统PCPC输出为输出为2020-60kPa-60kPa从全关到全开从全关到全开A阀PCPC输出为输出为6060-100kPa-100kPa从全关到全开从全关到全开B阀弥补蒸汽供弥补蒸汽供应量不足应量不足Part 6分程控制系统分程控制系统2.用于控制两种不同的介质，以满足工艺生产的要求气关式气关式气开式气开式控制两种不同介质控制两种不同介质反应前预热反应前预热反应过程中移走热量反应过程中移走热量“反反”作用作用预热：进行化学反应前的升温阶段，温度测量值小于给定值，TC输出较大，A阀全关，B阀全开。蒸汽通入热交换管道使循环水

19、加热，循环热水通入反应器夹套为反应物加热。移走热量：温度达到反应温度时，化学反应开始时，有热量放出，反应物温度逐渐升高，TC输出减小，B阀全关，A阀逐渐打开。此时，反应器夹套流过的是冷水，不断移走热量，维持反应温度不变。反应器分程控制系统反应器分程控制系统 A、B阀特性图阀特性图Part 6分程控制系统分程控制系统3.用作生产安全的防护措施 贮罐氮封分程控制方案贮罐氮封分程控制方案气关式气关式气开式气开式氮封：氮封：石油贮罐上方充入N2气，使油品与空气隔绝，避免氧化或爆炸。工艺要求工艺要求：维持氮封压力：维持氮封压力u抽取物料时，氮封压力，如不及时补充N2，贮罐有被吸瘪的危险。u打料时，氮封压力上升，如不及时排出一部分N2,贮罐有可能被鼓坏。当贮罐压力升高时，测量值将大于给定值，PC的输出，A阀将关闭，B阀将打开，通过放空的方法将贮罐内压力降下来。当贮罐压力降低时，测量值将小于给定值，PC的输出，A阀将打开，B阀将关闭，氮气被补充加入贮罐，提高了贮罐压力。 氮封分程阀特性图氮封分程阀特性图Part 7多冲量控制系统多冲量控制系统在控制系统中，有多个变量多个变量信号，经过一定的运算后，共同控制一台执行器共同控制一台执行器，以使某个被控的工艺变量有较高的控制质量较高的控制质量。 在