华南农业大学过程控制课件过程控制系统6-2

§6-2均匀控制系统在连续生产过程中，一个装置或设备往往与前后的装置或设备紧密地联想着，前一装置或设备的出料量是后一装置或设备的进料量，而后一装置或设备的出料量又输送给其他的装置或设备。例如石油裂解气分离工艺，前后共串联了八个塔。前后有物料联系的精馏塔，前塔的液位与后塔的进料量的稳定要求会发生矛盾，如下图所示。

一、均匀控制的用途及特点1、问题的提出

是指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地、均匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾、均匀协调的系统。两塔之间增设缓冲器(不适宜)。采用均匀控制系统(上策)。3、均匀控制的含义2、解决办法4、均匀控制的特点表征前后供求矛盾的两个参数都是变化的，变化是缓慢的，是在允许范围内波动的。参见下图。前塔的液位变化不能超过规定的上、下限。后塔的进料量也不能超过最大和最小处理量。非均匀控制二、均匀控制系统的结构方案

1、方案示例：如下图(一)、简单均匀控制去下一精馏塔5、适用场合

2、与液位定值控制相比通常适用于扰动较小、对流量的均匀程度要求较低的场合。比例作用是基本的；不能引入微分；积分是否引入视情况而定。系统的结构和所使用的仪表是完全一样的，但控制目的不同。3、对控制参数应做适当选择4、特点简单均匀控制系统的最大优点是结构简单、操作方便、成本低；但控制效果差。(二)、串级

均匀控制

1、组成结构：

为了克服调节阀前后压力波动和被控过程的自衡特性对流量的影响，设计以流量为副变量的流量控制副回路，如右图所示。2、与典型串级的异同

不能加微分作用；液位宜采用PI规律；流量一般用P规律。

串级均匀控制系统能克服控制阀前后压力较大的扰动，使主、副变量变化均匀缓慢平稳，控制质量较高。结构方案相同，目的不同；均匀串级控制的目的是使液位与流量均匀协调。3、控制过程设干扰使1#塔液位上升…

设2#塔因塔压变化使其入料量发生变化…4、控制作用选择(十分重要)5、特点(三)、双冲量均匀控制

所谓双冲量均匀控制系统，就是将两个变量的测量信号通过加法器后作为被控量的均匀控制系统。

图中PO=PH-PQ+PS+C

1、含义2、应用示例：见下图。3、一般方块图：如下图所示。

1、问题的提出

控制中往往会出现一些随机的特殊要求，如在故障情况下能保证安全生产；发出报警后改由人工操作或联锁保护不是最佳办法。

2、对选择性控制的要求

故障时自动起保护作用而又不停车--是一种取代控制系统。

§6-3选择性控制系统一、基本概念§6-3选择性控制系统

3、选择性控制的设计思想

在选择性控制系统中，把生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系叠加到正常的控制系统中去.即当工艺过程参数趋近于危险极限，但还未到达危险极限(也称此为安全软限)时，一个用于控制不安全情况的控制方案将取代正常情况下工作的控制方案，用取代控制器自动顶替正常工况下的控制器的工作。即使正常控制器处于开环状态，通过取代控制器的工作，使生产过程参数脱离“安全软限’’而回到安全范围内。

这时，取代控制器又自动退出，处于开环状态，正常情况下的控制器接通，又恢复到原来的控制方案上。

这种正常情况和不正常情况可由高值选择器或低值选择器进行判别，以实现正常控制器与取代控制器的自动切换。

二、选择性控制系统的类型(一)、对被控参数的选择性控制系统§6-3选择性控制系统根据选择器在控制回路中的位置可分为两类：一类是选择器接在控制器与执行器之间；另一类是选择器接在变送器与控制器之间。

控制参数一个，被控参数却有温度和液位两个。

b)图增设了液面超限控制系统。对比方案从安全角度考虑，控制阀选用气开式，温度控制器选择正作用方式。正常工况:

当被冷却物料的出口温度升高时，控制器的输出增大，控制阀门开度增大，液态氨流量增大，从而有更多的液态氨气化，使被冷却物料的出口温度下降。非正常工况:

假设有杂质油漏入被冷却物料管线，使导热系数下降，原来的传热面积不能带走同样多的热量，只有使液位升高，加大传热面积。如果当液位升高到全部淹没换热器的所有列管时，传热面积已达到极限，出口温度仍没有降下来，温度控制器会不断地开大控制阀门，使液位继续升高。这时就可能带来生产事故。液面太高，会导致气氨中央带液氨进入压缩机，损坏压缩机叶片。为了保护压缩机的安全，要求氨蒸发器有足够的气化空间，这就限制了氨液面的上限高度(安全软限)。

一个液面超限的取代单回路控制

:液位控制器选择反作用方式，选择器为低值选择器LS。

选择控制系统工作:当氨的液位达到高限值时，要保护压缩机不致损坏已成为主要矛盾，冷物料出口温度暂时降为次要矛盾。

H↑→液位控制器HC输出↓冷物料出口温度↑→温度控制器TC输出↑(一)、对被控参数的选择性控制系统低值选择器选取HC为控制器(二)、对控制参数的选择性控制系统一般选择性控制方案如图4-58所示。被控参数（量）只有一个，而控制参数（操纵量）却有两个。多种燃料选择性控制方案如图所示.(三)、对测量信号的选择性控制系统选择器接在变送器的输出端,对测量信号进行选择.图中的反应器内装有固定触媒层，由于热点温度的位置可能会随着催化剂的老化、变质和流动等原因而有所移动，为防止反应温度过高烧坏触媒，反应器内各处温度都应参加比较，选择其中的最高温度用于控制。多阀：一只控制器的输出信号去带动两个或两个以上的控制阀工作。分程：每一个控制阀仅在控制器输出信号整个范围的某段内工作。

§6-4分程控制系统

如有A、B两个控制阀；控制器输出信号压力为0.020.1MPa。

当控制信号<0.06MPa时，A阀动作，B阀不动；当控制信号>0.06MPa时，A阀动至极限，B阀才动.一、分程控制的概念1、特点2、实现为了实现分程的目的，往往要借助于附设在每个阀上的阀门定位器，将控制器的输出信号压力分成若干个区间，再由阀门定位器将不同区间内的信号压力转换成能使相应的控制阀作全行程动作的信号压力0．02～0．1MPa。

§6-4分程控制系统某系统有两个控制阀，阀A和阀B。要求A阀在控制器输出信号压力为0．02～0．06MPa变化时，作全行程动作；B阀在控制器输出信号压力为0．06～0．1MPa时，作全行程动作。利用A阀上的阀门定位器将0．02～0．06MPa的控制信号压力转换成0．02～0．1MPa的控制信号。利用B阀上的阀门定位器将0．06～0．1MPa的控制信号转换成0．02～0．1MPa的控制信号，从而使A阀在控制器输出信号小于0．06MPa时动作；当信号大于0．06MPa时，A阀已处于极限位置，B阀开始动作。实现了分程控制过程.

3、分类根据控制阀的气开和气关作用方式，以及两个控制阀是同向动作还是异向动作，在分程控制的应用中，可以形成四种不同的组合形式两个阀同方向动作。随着控制信号压力的增大(减小)，两阀都同方向开大(关小)。§6-4分程控制系统二、分程控制的作用1、用于扩大控制阀的可调比在过程控制中，有些场合需要控制阀的可调范围很宽。如果仅用一个大口径的控制阀，当控制阀工作在小开度时，阀门前后的压差很大，流体对阀芯、阀座的冲蚀严重，并会使阀门剧烈振荡，影响阀门寿命，破坏阀门的流量特性，从而影响控制系统的稳定。若将控制阀换小，其可调范围又满足不了生产需要，致使系统不能正常工作。

在这种情况下，可将大小两个阀并联分程后当作一个阀使用，从而扩大了可调比，改善了阀的工作特性，使得在小流量时有更精确的控制。假定并联的两个阀，其小阀A的最大流通能力为CAmax＝4；大阀B的最大流通能力为CBmax＝100。两阀的可调比相同，即RA＝RB＝30。根据可调比的定义，可以算出小阀A的最小流通能力为

1、用于扩大控制阀的可调比1、用于扩大控制阀的可调比(例子)蒸汽减压分程控制系统需要把压力为10MPa、温度为482℃的高压蒸汽通过控制阀和节流孔板减至压力为4MPa、温度为362℃的中压蒸汽。改为一个小阀和一个大阀分程控制，在正常的小流量时，只有小阀进行控制，大阀处于关闭状态，如果流量增大到小阀全开时还不够时，在分程控制信号的操纵下，大阀打开参与控制。从而保证了控制精度和可调范围。

2、满足工艺上特殊的要求罐顶氮封分程控制系统。

实行N2封的技术要求是要始终保持罐内的N2气压为微量正压。

●贮罐内贮存的物料量增减时，将引起罐顶压力的升降，应及时进行控制，否则将会造成贮罐变形。●当贮罐内液位上升，应停止继续补充N2气，并将罐顶压缩的N2气适量排出。

●当液位下降，应停止排放N2气而继续补充N2气。只有这样才能做到既隔绝了空气，又保证了贮罐不变形的目的。

●罐顶氮封分程控制系统中，PT为压力检测变送器；PC为压力控制器，选择PI控制规律，具有反作用；充气阀A选择气开式，排气阀B选择气关式。●当罐顶压力减小时，控制器输出增大，将打开充气阀而关闭排气阀。●当罐顶压力增大时，控制器输出减小，关闭充气阀，打开排气阀。

●为了避免A、B两阀频繁开闭，有效节省氮气，针对一般贮罐顶部空隙较大，压力对象时间常数较大，同时对压力的控制精度要求又不高，所以，B阀的分程信号压力为0．02～0．058MPa，A阀的分程信号压力为0．062～0．1MPa，中间存在一个间歇区或称为不灵敏区，如图6．22所示。

2、满足工艺上特殊的要求3、注意问题两个阀并联分程时，实际上就是将两个阀当作一个阀来使用，这时存在由一个阀向另一个阀平滑过渡的问题。例如两个线性阀并联分程使用，小阀C1＝4，大阀C2＝100，它们的分程信号范围：小阀为0．02～0．06MPa，大阀为0．06～0．1MPa。两个阀的合成流量特性如图6．23所示。由于小阀和大阀流量特性的放大系数不同，致使两阀在衔接处有突变现象，形成一个折点，这对控制品质带来不利影响。

泄露量分程信号的衔接即为阀门完全关闭时的流动量。在大阀与小阀并联分程时，要求大阀的泄漏量要小，否则小阀将不能充分发挥其控制作用，甚至不起控制作用。要克服这种现象，维持全行程的放大倍数恒定，只有令小阀分程信号的范围为0．02～0．0232MPa，大阀为0．0232～0．1MPa，大小阀衔接处才没有折点，如图中虚线所示。但这样的分程信号范围太悬殊，几乎和不分程一样。所以要想将直线阀用于分程控制，只有当两个控制阀的流通能力很接近时才可以。

如果使用两个对数流量特性的阀进行并联分程，效果要比两个线性阀分程好得多。例如小、大阀门的流通能力分别为：

它们的分程信号范围仍为小阀为0．02～0．06MPa，大阀为0．06～0．1MPa，其合成流量特性如图6．24所示。

分程信号的衔接采用部分分程信号重叠的办法加以解决。具体方法步骤如下：(1)如图6．25所示，在由控制信号压力为横坐标，以流通能力C的对数值为纵坐标组成的半对数坐标上，找出0．02MPa对应小阀的最小流通能力点D和0．1MPa对应大阀的最大流通能力点A，连接AD即为对数阀的分程流量特性。(2)在纵坐标上找出小