化工DCS自动控制系统的识用-复杂控制系统

化工DCS识用与操作

知识点：串级控制系统项目十：自动控制系统的识用内容提要串级控制系统串级控制系统概述串级控制系统的特点及应用主、副控制器控制规律的选择主、副控制器正反作用的选择控制器参数工程整定与系统投运1一、串级控制系统概述4

当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级控制系统。举例说明串级控制系统的结构及其工作原理

可延长炉子寿命，防止炉管烧坏；可保证后面精馏分离的质量。控制好温度图1管式加热炉出口温度控制系统

在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时，该简单控制系统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动较大，难以满足生产上的要求。

根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度

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当燃料压力或燃料本身的热值变化后，先影响炉膛的温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料油的出口温度，这个通道容量滞后很大，时间常数约15min左右，反应缓慢，而温度控制器TC是根据原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以当干扰作用在对象上后，并不能较快地产生控制作用以克服干扰被控变量的影响。当工艺上要求原料油的出口温度非常严格时，为了解决容量滞后问题，还需对加热炉的工艺作进一步分析。原因以原料油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统

图2管式加热炉出口温度串级控制系统图3管式加热炉出口温度串级控制系统的方框图

在上述控制系统中，有两个控制器T1C和T2C，接收来自对象不同部位的测量信号θ1和θ2。T1C的输出作为T2C的给定值，而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构看，这两个控制器是串接工作的。几个串级控制系统中常用的名词

主变量工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。副变量串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量。主对象为主变量表征其特性的生产设备。副对象为副变量表征其特性的工艺生产设备。主回路由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路。副回路由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副对象所构成的内回路。其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器。副控制器主控制器按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器。几个串级控制系统中常用的名词

图4串级控制系统典型方块图二、串级控制系统的特点及应用1.系统的结构

串级控制系统有两个闭合回路。主回路是个定值控制系统,副回路是个随动系统。在串级控制系统中,主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺参数。副变量的引入往往是为了提高主变量的控制质量,它是基于主,副变量之间具有一定的内在关系而工作的。选择串级控制系统的副变量一般有两类情况：

一类情况是选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量;

另一类选择的副变量就是操纵变量本身,这样能及时克服它的波动,减小对主变量的影响。13

通过这套串级控制系统，能够在塔釜温度稳定不变时，蒸汽流量能保持恒定值，而当温度在外来干扰作用下偏离给定值时，又要求蒸汽流量能作相应的变化，以使能量的需要与供给之间得到平衡，从而保持釜温在要求的数值上。图5精馏塔塔釜温度串级控制系统1—精馏塔；2—再沸器

在上例中，选择的副变量就是操纵变量（加热蒸汽量）本身。这样，当干扰来自蒸汽压力或流量的波动时，副回路能及时加以克服，以大大减少这种干扰对主变量的影响，使塔釜温度的控制质量得以提高。(1)干扰作用于副回路F2引起θ2变化，控制器T2C及时进行控制，使其很快稳定下来；如果干扰量小，经过副回路控制后，F2一般影响不到温度θ1；如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服，波及到被控变量温度θ1再由主回路进一步控制，彻底消除干扰的影响，使被控变量回复到给定值。2.系统的特性

由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，有效地克服燃料油压力或热值变化对原料油出口温度的影响，从而大大提高了控制质量。在确定副回路时，除了要考虑它的快速性外，还应该使副回路包括主要干扰，可能条件下应力求包括较多的次要干扰。小结图6加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统如果燃料油的压力比较稳定,而燃料油的组分波动较大,那么,该图串级控制系统的副回路作用就不大。(2)干扰同时作用于副回路和主对象在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同。主、副变量的变化方向相反，一个增加，另一个减小。在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服过程。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。小结

3.自适应能力

由于增加了副回路,使串级控制系统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。当对象的滞后和时间常数很大,干扰作用强而频繁,负荷变化大,简单控制系统满足不了要求时,使用串级控制系统是合适的,尤其是当主要干扰来自控制阀方面时,选择控制介质的流量或压力作为副变量来构成串级控制系统是很适宜的。三、主、副控制器控制规律的选择23目的为了高精度地稳定主变量。主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无差控制。副变量的给定值是随主控制器的输出变化而变化的。副控制器一般采用比例控制规律。选择方法序号对变量的要求应选控制规律备注主变量副变量主控副控1234重要指标,要求很高主要指标,要求较高允许变化,要求不高要求不高,互相协调允许变化,要求不严主要指标,要求较高要求较高,变化较快要求不高,互相协调PIPIPPPPIPIP主控必要时引入微分工程上很少采用表1主、副变量不同时应选用的控制规律24

四、主、副控制器正反作用的选择

串级控制系统中的副控制器作用方向的选择，根据工艺安全等要求，选定执行器的气开、气关形式后，按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定。例如图2所示的管式加热炉温度-温度串级控制系统中的副回路。

气源中断，停止供给燃料油时，执行器选气开阀，“正”方向。燃料量加大时，炉膛温度θ2（副变量）增加，副对象“正”方向。为使副回路构成一个负反馈系统，副控制器T2C选择“反”方向。1.副控制器作用方向的选择

当主、副变量增加（减小）时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小（增加），要求控制阀的动作方向是一致的时候，主控制器应选“反”作用；反之，则应选“正”作用。2.主控制器作用方向的选择例如图2所示的管式加热炉串级控制系统。

主变量θ1或副变量θ2增加时，都要求关小控制阀，减少供给的燃料量，才能使θ1或θ2降下来，所以此时主控制器T1C应确定为反作用方向。五、控制器参数整定与系统投运串级控制系统主、副控制器的参数整定的两种方法。1.两步整定法

按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。（1）在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用运行的条件下，将主控制器的比例度先固定在100％的刻度上，逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比（如4∶1）过渡过程下的副控制器比例度和操作周期，分别用δ2s和T2s表示。（2）在副控制器比例度等于δ2s的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度δ1s和操作周期T1s。整定过程（3）根据上面得到的δ1s、T1s、δ2s、T2s，按表12-3（或表12-4）的规定关系计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。（4）按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定规律，将计算出的控制器参数加到控制器上。（5）观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。共振问题

如果主、副对象时间常数相差不大，动态联系密切，可能会出现“共振”现象。

可适当减小副控制器比例度或积分时间，以达到减小副回路操作周期的目的。同理，可以加大主控制器的比例度或积分时间，以期增大主回路操作周期，使主、副回路的操作周期之比加大，避免“共振”。

如果主、副对象特性太接近，就不能完全靠控制器参数的改变来避免“共振”了。2.一步整定法

副控制器的参数按经验直接确定,主控制器的参数按简单控制系统整定。实践证明

这种整定方法，对于对主变量要求较高，而对副变量没有什么要求或要求不严，允许它在一定范围内变化的串级控制系统，是很有效的。3132副变量放大倍数Kc2比例度δ2s／％温度压力流量液位5.0～1.73.0～1.42.5～1.255.0～1.2520～6030～7040～8020～80表2采用一步整定法时副变量的选择范围33一步整定法的整定步骤：

（1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照表13-2所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。（2）利用简单控制系统中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。（3）如果出现“共振”现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数整定值，一般即能消除。化工DCS识用与操作

知识点：其他复杂控制系统

项目十：自动控制系统的识用其他复杂控制系统均匀控制系统比值控制系统前馈控制系统取代控制系统分程控制系统多冲量控制系统2内容提要概述3根据根据系统的结构和所担负的任务复杂控制系统串级控制系统

均匀控制系统比值控制系统分程控制系统

前馈控制系统选择控制系统

三冲量控制系统知识点：其他复杂控制系统一、均匀控制系统甲塔: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排出量。乙塔：从稳定操作要求出发，希望进料量尽量不变或少变。甲、乙两塔间的供求关系出现了矛盾。

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，组成的系统称为均匀控制系统。图1前后精馏塔的供求关系

1—出料阀；2—小阀1.均匀控制的目的均匀控制的要求（1）两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。（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。图2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；2—流量变化曲线2.均匀控制方案目的

为了协调液位与排出流量之间的关系，允许它们都在各自许可的范围内作缓慢的变化。满足均匀控制要求的方法通过控制器的参数整定来实现。图3简单均匀控制（1）简单均匀控制（2）串级均匀控制

可在简单均匀控制方案基础上增加一个流量副回路，即构成串级均匀控制。参数整定的方法

由小到大地进行调整。

串级均匀控制系统的主、副控制器一般都采用纯比例作用的。只在要求较高时，为了防止偏差过大而超过允许范围，才引入适当的积分作用。图4串级均匀控制特点

由于增加了副回路，可以及时克服由于塔内或排出端压力改变所引起的流量变化。

串级均匀控制系统协调两个变量间的关系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。二、比值控制系统

工业上为了保持两种或两种以上物料的比值为一定的控制叫比值控制。几个概念主物料、主动信号从物料、从动信号1.开环比值控制比值控制系统的类型：从物料量Q2与主物料量Q1的比值关系为图5开环比值控制

结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值要求来设定。主、副流量均开环；这种比值控制方案对从物料量Q2本身无抗干扰能力。所以这种系统只能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。

特点2.单闭环比值控制

单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的不足，在开环比值控制系统的基础上，通过增加一个副流量的闭环控制系统而组成的。

图6单闭环比值控制这种方案的优点是结构简单,能确保两流量比值不变,是应用最多的方案。

在比值控制系统中,我们一般用比值系数K′来表示两种物料经过变送器以后的流量信号之间的比值，假定（1-1）当流量信号与流量成线性关系时,则有（1-2）当流量信号与流量成平方关系时,则有（1-3）3.变比值控制系统

要求两种物料的比值能灵活地随第三参数的需要而加以调整，这样就出现一种变比值控制系统。图7变比值控制系统三、前馈控制系统反馈与前馈图8换热器的反馈控制图9换热器的前馈控制反馈控制与前馈控制比较

不论什么干扰,只要引起被控变量变化,都可以进行控制,这是反馈控制的优点。前馈控制是一种按扰动变化大小进行控制的系统,控制作用在扰动发生的同时就产生,这就是前馈控制的主要特点。往往用“前馈”来克服主要干扰,再用“反馈”来克服其他干扰,组成“复合”的前馈-反馈控制系统。图10换热器的前馈-反馈控制

用前馈控制来克服由于进料量波动对被控变量θ的影响,而用温度控制器的控制作用来克服其他干扰对被控变量θ的影响,前馈与反馈控制作用相加,共同改变加热蒸汽量,以使出料温度θ维持在给定值上。四、取代控制系统

一般控制系统,都是在正常工况下工作的。当生产不正常时，通常的处理办法有两种，一种是改用手动遥控；另一种是联锁保护紧急停车，防止事故发生，即所谓硬限控制。由于硬限控制对生产和操作都不利，近年来采用了安全软限控制。生产的软限措施

当一个变量将要达到危险值时,就适当降低生产要求,让它暂时维持生产,并逐渐调整生产,使之朝正常工况发展。实现软限控制系统,称为取代控制系统,又称为选择性控制系统。控制器Ⅰ控制器Ⅱ选择器控制阀参数Ⅰ参数Ⅱ⊕⊕图11取代控制示意图图12辅助锅炉压力取代控制系统五、分程控制系统

分程控制就是由一只调节器的输出信号控制两只或更多只控制阀,每只控制阀在控制器输出信号的某段范围内工作。图13分程控制示意框图

从控制系统的结构来看,分程控制属于单回路的定值控制系统,其控制过程与简单控制系统一样。分程控制系统常用的应用场合：1.生产中需用多种物料作调节介质的过程图14热交换器温度分程控制

采用热水与蒸汽两种不同物料作为调节介质,在一般控制系统中难于实现,但在分程控制系统中,不仅充分利用了热水,而且节省了蒸汽。2.用来保证在不同负荷下的正常控制

有时生产过程负荷变化很大,要求有较大范围的流量变化。若用一个控制阀,由于控制阀的可调范围R是有限的,当最大流量和最小流量相差太悬殊时,就会降低控制系统的控制质量,这时可采用分程控制系统。举例丙烯腈生产过程图15阀门动作示意图图16分程控制3.用以补充控制手段维持安全生产

有些生产过程在接近事故状态或某个参数达到极限值时,应当改变正常的控制手段,采用补充手段或放空来维持安全生产。一般控制系统很难兼顾正常与事故两种不同状态。采用分程控制系统,用不同的阀门,分别使用在控制器输出信号的不同范围内,就可保证在正常或事故状态下,系统都能安全运行。

多冲量控制系统指在控制系统中，有多个变量信号，经过一定的运算后，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。

多冲量控制系统在锅炉给水系统控制中应用比较广泛。主要用来自动控制锅炉的给水量，使其适应蒸发量的变化，维持汽包水位在允许的范围内。定义适用范围六、多冲量控制系统1.单冲量液位控制系统原理根据汽包液位的信号来控制给水量。优点结构简单、使用仪表少。

缺点不能适应蒸汽负荷的剧烈变化。易根据“假液位”引起控制系统的误动作。图17单冲量控制系统2.双冲量液位控制系统双冲量——液位信号和蒸汽流量信号从结构上看，它实际上是一个前馈

-反馈控制系统。当供水压力扰动比较频繁时，该系统的控制质量较差。

图18双冲量控制系统3.三冲量液位控制系统图19三冲量控制系统

该系统除了液位、蒸汽流量信号外,再增加一个给水流量的信号。它有助于及时克服由于供水压力波动而引起的汽包液位的变化。例题分析1.某聚合反应釜内进行放热反应,釜温过高会发生事故,为此采用夹套水冷却。由于釜温控制要求较高,且冷却水压力、温度波动较大,故设置串级控制系统,如图13-26所示。试确定控制阀的气开、气关型式与控制器的正、反作用。图20聚合釜温度控制解：为了在气源中断时保证冷却水继续供给,以防止釜温过高,故控制阀应采用气关型,为“-”方向。

当冷却水流量增加时,釜温和夹套温度都是下降的,故对象为“-”方向。测量变送器为“+”方向故按单回路系统的确定原则,副控制器T2C应为“反”作用。主控制器T1C的作用方向可以这样来确定:由于主、副变量(温度T1、T2)增加时,都要求冷却水的控制阀开大,因此主控制器应为“反”作用。整个串级控制系统的工作过程是这样的:当夹套内温度T2(副变量)升高时,副控制器的输出降低,控制阀开大,冷却水流量增加以克服副变量的波动;当釜内温度T1(主变量)升高时,主控制器T1C的输出降低,即副控制器T2C给定值降低,因此副控制器的输出降低,控制阀开大,冷却水流量增加以使釜内温度降下来。

由这个例子可以清楚地看出,串级控制系统主控制器的作用方向完全是由工艺情况确定的,与控制阀的开关形式、副控制器的正反作用完全无关。所以,串级控制系统的控制流程一经确定之后,即可按主、副变量变化对控制阀开度变化的要求直接确定主控制器的作用方向,然后按一般单回路控制系统,再确定控制阀的开、关型式及副控制器的作用方向,这将使整个串级控制系统控制器作用方向的确定工作简捷而方便。从大量实际的串级控制系统分析,发现大多数的串级控制系统主、副变量的变化对控制阀的动作方向要求是一致的,所以使用反作用方向的主控制器为多数。2.一高位槽的出口流量需要进行平稳控制,但为防止高位槽液位过高而造成溢出事故,又需对槽的液位采取保护性措施。根据上述情况要求设计一选择性控制系统,画出该系统的结构图、方块图、选择控制阀的开关型式,控制器的正、反作用及选择器的高低类型,并简要说明该系统的工作过程。图21流量液位选择性控制系统原理图解：根据要求,设计了一个高位槽液位与流出量的选择性系统,图21是它的结构原理图。图中的开方器是为了使流量测量信号线性化而采用的。图22是该选择性控制系统的方块图。液位控制器流量控制器选择器执行器流量对象液位对象开方器流量测量、变送液位测量、变送流量液位--图22流量液位选择性控制系统方块图

根据工艺要求，应选择气关型控制阀，以使在气源中断时，阀门自动打开，防止发生溢液事故。流量控制器和液位控制器的正、反作用可以分别按简单控制系统中控制器作用方向的选择原则来确定。由于控制阀为“-”，流量对象为“+”，故流量控制器应选择正作用。而液位对象为“-”，故液位控制器应选择反作用。