第七章实现特殊要求的过程控制系统概要.ppt

1 第七章实现特殊要求的过程控制系统 魏莉weili 机电工程学院测控系 2 第一节比值控制系统 一 概述 在工业生产中 常要求两种或多种物料流量成一定比例关系 如果比例关系失调就会影响生产的正常进行和产品质量 浪费原材料 造成环境污染 产生生产事故 如在工业锅炉中 需要自动保持燃料量和空气量成一定比例混合后送入炉膛 在药物生产中 要将药物和注入剂按一定比例混合 在硝酸生产中 氨气和空气的流量要有合适的比例关系 3 所谓比值控制就是使一种物料随另一种物料按一定比例变化的控制系统 主动物料或主流量 Q1表示 处于主导地位或在生产中为主要物料或不可控物料 从动物料或副流量 Q2表示 随主流量变化而变化 控制目标 Q2 Q1 k 4 1开环比值控制系统 在稳定工况下 阀前压力稳定等 Q2 kQ1 5 本质 整个控制系统处于开环状态 Q2流量根据Q1流量 按比例系数开闭阀门 场合 这种方案应用较少 优点 简单 仪表少 缺点 系统开环 Q2波动时比值难以保证 6 2单闭环比值控制系统 增加副流量的闭环控制 当主流量受扰动而变化时 其流量信号由变送器送比值运算器GC1 S 比值运算器按预先设置的比值系数使输出成比例地变化 亦即成比例改变副调节器GC2 S 给定值 使副流量Q2跟随主流量Q1而变化从而保证原设定比值不变 7 系统结构简单 但主流量Q1是可变的 因而总流量是不固定的 这对于负荷变化大又直接参与化学反应的场合是不适宜的 因总流量的改变会影响化学反应过程 当主副流量同时受到扰动时 调节器GC2在克服副流量扰动的同时 又根据新的给定值改变调节阀的开度使主副流量在新数值上保持原设定的比值关系 8 优点 1 能克服Q2的波动2 结构简单 特别是在主流量参数工艺不能控制的场合实施 缺点 1 Q1不固定2 Q1 Q2总量不定3 动态比值较差 场合 应用较广泛 9 3双闭环比值控制系统 可以克服单闭环比值控制系统对主流量不受控制的缺点 由一个定值控制的主流量控制回路和一个跟随主流量变化的副流量控制回路组成 主流量控制回路克服主流量扰动 实现其定值控制副流量控制回路抑制作用于副回路的干扰 使主副流量都稳定 总物料量也较平稳 但用仪表多 投资较高 10 由于主流量控制回路的存在 实现了主流量定值控制 克服了对主流量的干扰的影响 另一个优点是 提升主负荷比较容易 缓慢改变主控制器的给定值 缺点 使用的仪表较多 另外 若主副回路工作频率相近时 容易产生共振 11 有些生产过程中 要求两种物料流量的比值随第三个工艺参数的需要而变化 用除法器构成的变比值控制系统框图如下 实际上 变比值控制系统是一个以第三参数或称以主参数和两个流量比为副参数所组成的比值 串级组合控制系统 4 变比值控制系统 系统稳态时 GC1 S 输出不变 主副流量恒定 其比值一定 系统受干扰时 由比值控制回路保证比值一定 但流量已变使主参数偏离了设定值 GC1 S 输出变化 改变了GC2 S 的设定值 亦即改变了两个流量的比值 使系统在新的比值上重新稳定 12 氧化炉温度串级 比值控制流程图 硝酸生产中 氧化炉温度控制要求高 84 5 影响温度的主要因素是氨气和空气的比值 温度受到干扰而变化时 采用改变氨气流量来补偿 氧化炉温度为主参数 氨气和空气之比为副参数 是一个串级 比值控制系统 13 5 具有逻辑规律的比值控制 比值控制时 负荷变化时 控制主副流量升降顺序 加入逻辑控制 逻辑提量 例子 锅炉燃烧系统 燃料量与空气量成一定比值 逻辑规律 提量 降量 保证燃烧完全 14 1 比值系数的计算 工艺上的比值K是指两流量的体积流量或重量流量之比仪表的读数为K 是流量比值K的函数 二者一般情况下并不相等 在设计时 必须把K折算成K 用单元组合仪表时 也就是折算成相应的标准统一信号 二 比值控制系统设计中特殊问题 15 1 流量与测量信号成非线性关系 当流量从0 Qmax变化时 压差从0 pmax变化 变送器的输出为4 20mADC对任何中间流量主流量Q1和副流量Q2对应的输出信号 I1 Q12 Q21max 16 4I2 Q22 Q22max 16 4 生产工艺要求 Q2 Q1 K则K2 Q22 Q12 则K2 Q22 Q12 Q22max I2 4 Q21max I1 4 K Q22mAX Q21maxK K2Q21max Q22max即为仪表的比值系数 是一个常数 只与变送器的最大量程有关 与负荷大小无关 16 2 流量与测量信号成线性关系 在压差原理测流量的变送器后加了开方器 或直接用转子流量计 涡轮流量计 椭圆齿轮流量计等线性流量计进行测量时 测量信号与流量之间是线性关系 比值系数计算如下 I1 Q1 Q1max 16 4I2 Q2 Q2max 16 4 而K Q2 Q1 Q2max I2 4 Q1max I1 4 K Q2max Q1max K KQ1max Q2max 17 以上是对于电动测量仪表的计算 如果采用气动测量仪表 计算公式是否一样 0 Fmax20 100KPa 对于不同信号范围的仪表 比值系数的计算公式是一样的 18 几点注意事项 1 流量比值K与比值系数K 是两个不同的概念 不能混淆 2 比值系数K 与K有关 同时也和流量变送器的量程有关 3 注意变送器的流量与测量值的线性关系 19 例某比值控制系统用孔板和差压变送器测主副流量 主流量变送器的最大量程Q1max 12 5m3 h 副流量的最大量程Q2max 20m3 h 生产工艺要求Q2 Q1 1 4 1 不加开方器时仪表的比值系数K 2 加开方器的K 解 不加开方器为非线性K KQ21max Q22max 1 4 12 52 202 0 55 加开方器为线性K KQ1max Q2max 1 4 12 5 20 0 875 20 2 比值系统中的非线性特性与开方器的应用 比值系统的非线性特性指系统静态放大系数随负荷变化而变化的特性 对于物料Q2的孔板 P kQ22 pmax kQ22max 例子 对于差压变送器 将压差信号线性转换为电流I2 I2 P Pmax 20 4 4 1 测量环节的非线性 21 这样I2 Q2 Q2max 2 16 4即变送器的输出信号I2与输入Q2是非线性的 其静态放大系数K2为 Q20是流量Q2的静态工作点 也即负荷 K2与负荷成正比 随负荷的变化而变化 是一个非线性特性 意即 当系统处于小负荷时 调节器参数整定好 系统运行正常 当负荷增大时 调节器参数如果不变 系统有可能运行不好 控制质量变坏 这就是流量测量非线性环节对系统的影响 22 将变送器的输出I2 Q2 Q2max 2 16 4代入I 2可得 I 2 Q2 Q2max 4 4 测量变送器和开方器总的静态放大系数 上式说明K 2已不是负荷Q2的函数 系统总静态放大系数是一个定值 其动态品质不受负荷变化的影响 一般要求控制精度高 负荷变化大 要引入开方器 否则 不一定引入开方器 23 2 除法器的非线性 补偿办法 通过对数阀特性补偿 除法器本身就是一个非线性环节 24 3 比值控制系统中主副流量的动态比值问题 在一些特殊的生产工艺中 对比值控制的要求非常高 不仅在静态工况下要求两种物料流量的比值一定 而且在动态情况下 也严格要求两种物料流量的比值一定 必须引入动态补偿环节GZ S 具有动态补偿器的双闭环比值控制 25 工艺要求动态也应Q2 S Q1 S K 干扰F S 对流量Q1 S 的传递函数 主流量Q1 S 对副流量Q2 S 的传递函数 若加开方器K KQ1max Q2max 26 4 比值控制系统的实施方案 为实现Q2 Q1 K或Q2 KQ1的控制目标 可有两种实施方案 相除方案是将Q1和Q2测出相除的商作副调节器的测量输入值而副调节器的给定值应是期望的比值 相乘方案是将主Q1测量出且乘比值系数K的积作为副调节器的给定值 控制Q2 工程上有比值器 乘法器 除法器等仪表可供比值控制时使用 27 I0 K 16 4由K 计算出I0 再由恒流器给出电流值 K 1 采用电动仪表乘法器 28 5 比值控制系统的参数整定 双闭环比值控制系统 主流量回路按单回路控制系统进行整定 变比值控制系统 结构属串级控制系统 主调节器按串级控制方法进行整定 还有单闭环 双闭环的副流量回路 变比值控制的变比回路整定这些回路实际上是随动系统 要求能快速 正确跟随主流量变化 且不宜有超调 最好整定在振荡与不振荡的边界 步骤 1 由工艺生产流量比计算比值系数K 将系统投入自动运行 2 积分时间为最大 由大到小调节比例度 使系统处最快响应 且处振荡与不振荡临界过程 3 若用积分作用 可先适当调高比例度 再投入积分作用 逐步减小积分时间使系统出现振荡与不振荡过程为止 29 第二节均匀控制系统 一 均匀控制问题的提出及特点 在连续生产过程中 前一设备的出料常是后一设备的进料 要综合考虑 兼顾两个以上参数的质量要求 使其在工艺允许范围内缓慢变化 30 二串联精馏塔孤立控制系统为使A塔液位稳在一定范围而设有液位控制系统 为使B塔进料稳定 又设流量控制系统 显然二控制系统工作是相互矛盾 解决办法是在二塔间设缓冲器 既不经济有时又不允许 只能从控制系统设计方案上寻求解决 把液位和流量的控制统一在一个系统中 从系统内部解决参数之间矛盾 即让A塔液位在允许范围内波动 同时让流量平稳缓慢变化 31 若删除流量控制系统如右只设一个液位控制系统 在受到干扰时可能发生三种情况 控制作用强 液位变化不大 流量变化大 控制作用较弱 液位流量变化都不太大就是均匀控制要求 控制作用弱 液位变化很大 流量没变化 32 均匀控制是使前后设备在物料供求上相互均匀 协调 统筹兼顾的特殊控制 有三个特点 1 结构上没有特殊性 前述a是定值控制 而图b是简单的均匀控制系统 它是指控制目的 不是指系统结构 既可是单回路 也可为串级控制系统或其它结构 对于一个普通结构的控制系统 也可通过整定控制器参数达到均匀控制的目的 主要靠降低控制回路的灵敏度而不是靠系统改变结构 2 参数应变化且应缓慢变化 目的是前后设备物料供求的均匀 而不是参数的固定 前图b符合要求 而把两个参数都稳定不变的想法不是均匀控制 但有些场合由重要性分为主次 如有时液位为主 有时以流量位主 3 参数限制在允许范围内变化 被控变量是非单一 非定值的 允许在一定范围内变化 在二个串联的塔中 前一塔液位有一个上下限 过高过低可能造成冲塔或抽干的后果 后塔进料流量不能超过最大负荷和最低处理量 33 1 简单均匀控制 图示为采用单回路控制系统结构的简单均匀控制系统 与单回路液位定值控制系统相同 但调节器参数整定不同其比例度 100 积分时间也取的较大 即控制作用较弱 简单均匀控制系统的优点是结构简单 运行方便 成本低 但控制效果较差 适合于扰动小 对流量的均匀程度要求较低的场合 当调节阀两端压差变化较大时 流量的变化还受压力波动影响 这时就不能用简单的均匀控制方案 二 均匀控制方案 34 2 串级均匀控制 这是一个以流量为副参数 以液位为主参数的串级均匀控制系统 结构上与一般的液位和流量串级控制系统是一致的 但目的不是为了提高主参数液位的控制精度 流量副回路为克服阀前压力波动和过程的自平衡特性对流量的影响 能使流量平缓变化 液位调节器达到均匀控制的目的 35 简单均匀控制系统的调节器和串级均匀控制系统的主调节器一般用纯比例作用 或比例积分控制规律 少用 串级均匀控制的副调节器一般用纯比例作用 为照顾流量副参数 使其变化稳定 也可选比例积分控制规律 在所有的均匀控制系统中 都不加微分控制作用 因微分是加快控制作用的 与均匀控制的要求相反 三 控制规律的选择 双冲量均匀控制器的调节器一般用比例积分控制 积分的引入对液位参数有利 液位不越限 高频噪声 对流量信号不利 平衡状态过程很短 积分饱和 36 四 调节器参数整定 整定的原则 慢 过渡过程不能出现振荡 根据工艺对流量和液位两个参数的要求 适当调整控制器的参数 以保证液位不超出允许的波动范围 先设置好控制器参数 修正控制器参数 充分利用容器的缓冲作用 使液位在最大允许的范围内波动 输出流量尽量平稳 37 均匀控制系统调节器参数整定与定值控制系统基本相同 但其比例度 和积分时间Ti比定值控制系统大的多 1 经验法 串级均匀控制 根据经验 按照先副后主原则 将主副调节器的比例度 调到适当值 然后由小到大 使系统的过渡过程缓慢地非周期衰减变化 最后给主调节器加上积分作用 积分时间一般调的大一点 38 2 停留时间法 串级均匀控制 停留时间 是指介质在过程的被控参数允许变化范围内流过所需要的时间 V Q min Q是介质流量V是容器的容量 具体整定方法 1 副调节器按经验法整定 2 根据 查左表确定液位调节器的整定参数 3 根据工艺要求 适当调整调节器的参数 直到液位 流量的曲线都符合要求为止 对于简单均匀控制系统 与串级均匀控制系统的主调节器参数整定方法相同 39 一 概述 第三节分程控制系统 在一般的反馈控制中 大多是一个调节器的输出控制一个调节阀 但在某些工控中 需将调节器的输出信号分段 去分别控制两个或两个以上的调节阀 使每个调节阀在调节器输出的某段信号范围内作全行程动作 这是分程控制系统 40 间歇式化学反应器 先加料 再加热引发化学反应 反应开始后 加冷却剂冷却取走反应热 保证在规定温度下进行反应 上图为以反应器内温度为被控参数 蒸汽量和冷却水量为调节参数的分程控制 为保安全 汽阀采用气开式 水阀采用气关式 温度调节器为反作用 投料后 系统运行 此时温度低于给定值 调节器输出大于0 06MPa 汽阀开 物料温度上升 反应开始后 温度又高于给定值 调节器输出下降 汽阀关 水阀开 带走反应热 使温度保持在给定值附近 41 1 调节阀同向动作的分程控制系统 调节器输出信号从0 02MPa增大时 阀A打开 信号增大到0 06MPa时 A阀全打开 同时B阀开始打开 当信号为0 1MPa时 阀B也全开 调节器输出信号从0 02MPa增大时 阀A从全开状态开始关闭 信号增大到0 06MPa时 A阀全关 同时B阀由全开状态开始关闭 当信号为0 1MPa时 阀B也全关 42 2 调节阀异向动作的分程控制系统 调节器输出信号从0 02MPa增大时 阀B全开 同时A阀开始启动 信号增大到0 06MPa时 A阀全打开 同时B阀开始关闭 信号为0 1MPa时 阀B全关 调节器输出信号从0 02MPa增大时 阀A从全开状态开始关闭 信号增大到0 06MPa时 A阀全关 同时B阀由全关状态开始开启 当信号为0 1MPa时 阀B全开 43 分程控制系统本质上属于单回路控制系统 其区别是调节器输出信号需要分程而且调节阀多 1 控制信号的分段 调节器输出信号需要分几段 哪一段信号控制哪一个调节阀 完全取决于工艺要求 具体问题要具体分析 二 分程控制系统的设计与实现 44 2 调节阀特性的选择与注意问题 1 根据工艺要求选择同向工作或异向工作的调节阀 2 流量特性要平滑衔接在有些分程控制系统中 把两个调节阀作为一个调节阀使用 要求从一个调节阀向另一个调节阀过渡时 流量变化要平滑 如两个阀的增益不同 会存在流量特性的突变 要采取相应的措施 对于线性流量特性的调节阀 当两个阀的流通能力很接近时 二阀衔接成直线才能用于分程控制 对于对数阀 需通过两个调节阀分程控制信号部分重叠的方法 使调节阀流量特性衔接线性化 达到平滑过渡 45 对数阀平滑过渡例子 A和B二阀 流通能力为 CAmin 0 115 CAmax 4 CBmin 2 CBmax 100其分程信号范围为 小阀为0 02 0 06MPa 大阀为0 06 0 1MPa 以调节阀输入压力为横坐标 以流通能力C的对数坐标为纵坐标做图A 46 由最小开度和最大开度找出小阀的最小流通能力和大阀的最大流通能力连接二点 得到分程流量特性 由CAmax 4和CBmin 2两点找到分程信号范围大阀为0 054 0 1MPa 小阀为0 02 064MPa 重叠信号范围为0 054 0 064MPa即 不等小阀全开 大阀就已开始启动 使两阀特性衔接平滑 如右图 3 调节阀的泄漏量 47 3 分程控制的实现 分程控制是通过调节阀的附件阀门定位器或其他仪表来实现的 具体地说 是根据调节器输出的不同区段信号 通过改变阀门定位器的输出零点和量程 相应控制调节阀作全行程动作 如 一个阀门定位器的输入信号为0 02 0 06MPa时 通过调节使其输出为0 02 0 1MPa 使一个阀门从全开到全关 或从全关到全开 另一个阀门定位器