过程控制72-王再英

7.4比值控制系统定义：实现两个或多个参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。例如要实现两种物料的比例关系，则表示为：,Q2=KQ1,其中：K工艺比值系数；Q1主流量(主物料的流量）；Q2副流量（从物料的流量）。,7.4.1比值控制系统的种类（构成，方框图，工作情况，应用场合）1.开环比值控制系统Q1主流量，Q2副流量。,控制目标：Q2KQ1,试画其方框图？与单回路控制系统的区别？,2.单闭环比值控制系统特点：对Q2进行闭环控制，比值控制精度提高。控制目标：Q2=KQ1,注意：与串级系统的不同,3.双闭环比值控制系统特点：,Q1是主流量，Q2是副流量。两个流量都可控，因此总流量稳定。,有两个闭环控制回路，用比值器联系。控制目标：Q2=KQ1,比值器,副调节器,调节阀,副对象,副流量测量变送器,主调节器,调节阀,主对象,主流量测量变送器,4变比值控制系统,温度控制器TC根据触媒的实际温度与给定温度的偏差，计算流量比值的给定值。,除法器算出蒸汽与煤气流量的实际比值，输入到流量控制器FC。,最后通过调整蒸汽量（改变蒸汽与半水煤气的比值）来使变换炉触媒层的温度恒定在给定值上并保证最高转化率。,试画其方框图？,注意:在变比值控制系统中，流量比值只是一种控制手段，不是最终目的，而第三参数（如本例中温度）往往是主要被控参数。,7.4.2比值控制系统的设计与参数整定1比值控制系统设计1）主流量、副流量的确定原则,2）控制方案的选择,3）调节器控制规律的确定,在单闭环比值控制系统中，比值器K起比值计算作用，若用调节器实现，则选P调节；调节器F2C使副流量稳定，为保证控制精度可选PI调节。,P,PI,双闭环比值控制控制系统：两个调节器均应选PI调节；比值器选P调节。,4）正确选择流量计及其量程,5）比值系数的计算工艺规定的流量（或质量）比值K不能直接作为仪表比值使用，必须根据仪表的量程转换成仪表的比值系数K后才能进行比值设定。,对DDZ-型仪表,代入工艺比值公式：,得换算公式：,而仪表比值公式：,（l）流量与测量信号之间成线性关系时比值系数的计算变送器输出电流信号和流量之间的关系如下：,（2）流量与测量信号之间成非线性关系时比值系数的计算利用节流原理测流量时，流量计输出信号与流量的平方成正比：I=CQ2,代入工艺比值公式：,得换算公式：,则,7.4.2.2比值控制系统的实施与参数整定1）比值系数的实现2）比值控制系统的参数整定,比值控制系统的实施方案,(1)相乘方案.Q2=kQ1-作为流量控制器的设定值(2)相除方案-作为比值控制器的设定值,K,K,Ksp,例：用乘法器(配备恒流给定器)实现相乘控制方案,恒流给定器的输出Ik按照上式确定,即可实现比值控制,FY乘法器.Ik恒流给定器输出恒流实现仪表比值系数K.,根据比值控制要求:,二者比较:,Q2,Q1,如何用Ik实现K？,注意:K在01之间.若K值1,应怎样设计,用乘法器(配备恒流给定器)实现相乘控制方案,Q2,Q1,请推导Ik与K的计算公式,蒸汽最大流量31100m3/h.天然气最大流量11000m3/h.空气最大流量14000m3/h.采用相乘方案.求仪表比值系数K1,K2,乘法器输入电流Ik1,Ik2,注意：流量检测仪表量程的选择：通常工业用流量仪表测量范围分为10档：1,1.25,1.6,2,2.5,3.2,4,5,6.3,8（*10的n次方，n为整数）,7.5均匀控制系统,图7.24所示的两个连续操作的精馏塔。,1#塔（初馏塔）要求液位稳定，设置液位控制系统。2#塔（精馏塔）要求进料量稳定，设置流量控制系统。,问题：两套控制系统的控制目标存在矛盾：,1#塔液位调节,阀1开度变化,2#塔流量变化,2#塔流量调节,阀2开度变化,1#塔液位变化,解决办法：用均匀控制方案。,7.5.1均匀控制系统工作原理及特点为了解决前后工序控制的矛盾，达到前后兼顾、协调操作，使前后工序的控制参数均能符合要求而设计的控制系统称为均匀控制系统。均匀控制的特点如下：（1）两个被控变量在控制过程中都是缓慢变化的。,（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。,7.5.2均匀控制方案1简单均匀控制,控制系统结构与单回路纯液位控制系统相同，控制目的不同。,？怎样进行调节器选型与参数整定才能用液位控制系统结构实现均匀控制目的,实现时体现在调节器选型与参数整定不同,分析：单回路纯液位控制系统，调节器采用P,PI规律，不同比例度,积分时间时液位与流量曲线,即：希望液位变化更平稳，则控制器取小的比例度，小的积分时间.希望排出流量变化更平稳，则控制器取大的比例度，大的积分时间.,采用纯比例调节器，取较宽比例度，使控制作用“弱”,尽量不使用比例积分控制规律，或者使用时取大的积分时间,不用微分控制规律,结论：用单回路液位控制系统结构实现均匀控制目的调节器选型与参数整定注意：,2串级均匀控制,结构同串级系统，控制目的不同，实现时体现在调节器选型与参数整定不同,主、副控制器一般都采用纯比例作用，而且将比例度整定得较大。,7.6分程控制系统一个控制器的输出信号被分割成几个行程段，每一段行程各控制一个调节阀全程动作，故取名为分程控制系统。例：一个控制器的输出信号分程控制两个调节阀A和B，A和B的输入信号各占一半行程。,7.6.1分程控制系统工作原理及类型1分程控制系统工作原理,热水,冷却水,B,A,例：间歇反应器温度控制系统。工艺要求：投料完毕需先加热以引发反应；反应时又需进行冷却以保证反应温度要求。试设计一个合理的控制系统满足工艺控制要求。,被控对象：反应器被控参数：反应器温度调节参数：冷水与蒸汽,控制系统结构：分程控制,为保证安全，热水阀采用气开式，冷水阀采用气关式，则温度调节器设为反作用。,气开,气关,反,工作原理,2分程控制系统的类型调节阀同向动作的分程控制系统,A、B均为气开阀,A、B均为气关阀,调节阀异向动作的分程控制系统,7.6.2.1控制信号的分段与实现-使用阀门定位器,7.6.2分程控制系统设计及工业应用,7.6.2.2调节阀特性的选择与应注意的问题1.根据工艺要求选择同向或异向工作的调节阀,2.流量特性的平滑衔接例：蒸汽压力减压控制系统系统。要求中压蒸汽压力恒定，而生产中中压蒸汽用量的变化范围很大，用一个执行器其流量变化无法满足要求。故采用如图分程控制系统。小负荷时只有A阀控制、B阀不开；负荷较大时A阀全开、B阀控制。设两阀都为气开阀，试（1）画出系统方框图（2）确定调节器正反作用方式（3）作出其分程关系曲线。,注意：两个同向特性的调节阀并联控制一种介质的流量时，总流量特性是两个阀流量特性的叠加组合。此时要求两个阀过渡流量变化要连续，平滑-可采用控制器输出信号区间重叠实现。,3.调节阀的泄漏量,要求大阀的泄漏量很小。,例某厂蒸汽压力减压系统分程控制,设大小两个调节阀的最大流量分别为：QBmax=105m3、QAmax=4.2m3；可调范围均为R=30，求两阀并联使用后的可调范围。解：两个阀的最小流量分别为：QBmin=QBmin/R=105/30=3.5m3QAmin=QAmin/R=4.2/30=0.14m3两个调节阀并联使用时：最小流量为：Qmin=QAmin=0.14最大流量为：Qmax=QBmax+QAmax=107.2m3可调范围R并=Qmax/Qmin=107.2/0.14=780并联使用后调节阀的可调范围增大了26倍。,7.6.2.4分程控制系统的工业应用1、用于扩大调节阀的可调范围,试对此过程进行控制系统设计。(1)选择控制系统类型(2)指出被控变量，操纵变量(3)画出控制系统方框图(4)已知加碱阀选为气开阀，试确定调节器正反作用。(5)如有其他需要设计部分，请给出。,2.用于同一被控参数两个不同控制介质的生产过程练习：在工业废液中和处理工艺中，需要根据废液的酸碱性（pH值），分别控制加酸量或加碱量。试对此过程进行控制系统设计。选择控制系统类型指出被控变量，操纵变量画出控制系统方框图已知加碱阀选为气开阀，加酸阀选为气关阀，试确定调节器正反作用。如有其他需要设计部分，请给出。,废液,碱液,酸液,中和液,练习：储罐氮封分程控制系统设计,氮封技术要求：保持储罐内氮气压呈微量正压。,储罐氮封分程控制系统,排空,阀B,阀A,N2,N2,物料,1.选择控制系统类型2画出控制系统方框图3试确定调节器正反作用。4如有其他需要设计部分，请给出。,7.7选择性控制系统,为了适应在不同工况下能实现自动控制，在控制回路中引入选择器，设计两个或两个以上控制系统，当工况改变时，自动选择一个适当的控制系统投入运行选择性控制系统结构特点采用选择器选择器分类:高选器:选择器的输出等于输入信号中最高者低选器:选择器的输出等于输入信号中最低者,Uo=min(ui1,uiN),Uo=max(ui1,uiN),7.7.1选择性控制系统的类型1.对调节器输出信号进行选择,燃气,锅炉给水,蒸汽,汽包,炉膛,工艺要求锅炉输出蒸汽压力稳定。,特殊工况一：如果使蒸汽压力大幅度降低，蒸汽压力控制系统会使燃气阀门开度大幅度增加，燃气流量大幅度增加，此时燃气压力过高会发生脱火。试设计一个控制系统保证在两种情况下自动切换。,正常工况：用单回路控制系统控制，则根据蒸汽出口压力控制燃气量。,例锅炉蒸汽压力的控制,1.确定控制系统类型2画出控制系统方框图3试确定调节器正反作用。4如有其他需要设计部分，请给出。,燃气,锅炉给水,蒸汽,汽包,炉膛,反,反,气开,1.选择性控制系统。正常工况：用单回路控制系统控制，则根据蒸汽出口压力控制燃气量。为防止产生脱火现象，增加一个燃气高压保护取代控制回路。,用低选器自动地选择两个控制信号中较低的一个，作为阀门的控制信号。,4.需确定选择器性质。,选择器的选择取决于取代调节器,反,2对变送器输出信号进行选择,例固定床反应器中热点温度的控制,7.7.2选择性控制系统的设计原则1选择器的选型选择器有高值选择器HS与低值选择器LS两种。选择器类型的确定，是根据执行器的作用方向和控制回路的切换条件决定的。例1蒸汽压力与燃气压力的自动选择控制例2固定床反应器中热点温度的控制,2调节器调节规律的确定对于正常工况下运行的调节器，由于有较高的控制精度要求，可用PI调节或PID调节；对于取代调节器，一般只要求其迅速发挥保护作用，可用P调节。,3调节器参数整定正常工作调节器的整定要求与常规控制系统相同，可按常规控制系统的整定方法进行整定。取代回路调节器，要求能及时产生自动保护作用，其比例度P应整定得小一些。,练习：液氨蒸发器控制方案,(1)工艺原理：,液氨,气氨,被冷物料,液氨蒸发器,控制指标:要求被冷却物料出口温度稳定.此时液氨液位在一定允许范围内。,液氨,气氨,被冷物料,TC,(a)被冷物料出口温度单回路控制系统,非正常工况:液位高度超过上限.使气氨带液，会损坏后面回收气氨的压缩机,1.确定控制系统类型2画出控制系统方框图3试确定调节器正反作用。4如有其他需要设计部分，请给出。,液氨,气氨,被冷物料,LC,LS,TC,(b)温度与液位选择性控制防超限控制,图液氨蒸发器控制方案,练习：高塔供水控制方案高位槽向用户供水，为保证供水流量平稳，要求对高位槽出口流量进行控制，但为了防止高位槽水位过高而造成溢水事故，需对液位采取保护性措施。根据控制要求设计合适的控制方案。,h,Qi,Qo,1.确定控制系统类型2画出控制系统方框图3试确定调节器正反作用。4如有其他需要设计部分，请给出。,练习：用热交换器用以冷却经压缩后的裂解气，冷却剂为脱甲烷塔的釜液。正常情况下要求釜液流量维持恒定，以保证脱甲烷塔的稳定操作，但是裂解气冷却后的出口温度不得低于15度，因为温度低于此温度时，裂解气中所含的水分就会生成水合物而堵塞管道。为此设计一选择性控制系统。,1画出系统的工艺原理图，控制系统方框图2确定执行器气开，气关型式，试确定调节器正反作用。3确定选择器类型,釜液,裂解气,7.8解耦控制通过采取措施，把相互关联的多参数控制过程转化为几个彼此独立的单入单出控制系统，实现一个调节器只对其对应的被控过程独立地进行调节。把这样的系统称为解耦控制系统（或自治控制系统）。,7.8.1被控过程的耦合现象及对控制过程的影响例:被控过程的耦合现象及对控制过程的影响分析。,精馏塔的塔顶温度控制系统和塔底温度控制系统存在耦合现象。,塔顶温度控制系统和塔底温度控制系统的耦合关系，可抽象为方框图表示,耦合通道,7.8.2解耦控制系统设计1前馈补偿解耦设计利用前馈控制原理实现解耦。,图7.39前馈补偿解耦系统框图,G11(s),Y1(s),U1(s),G21(s),G12(s),G22(s),U2(s),Gc2(s),Gc1(s),Y2(s),X1,X2,+,-,+,+,+,+,+,-,+,根据不变性原理可得U1(s)G21(s)+U1(s)N21(s)G22(s)=0U2(s)G12(s)+U2(s)N12(s)G11(s)=0,求得解耦环节的数学模型,2对角矩阵解耦设计,Y1(s)=G11(s)U1(s)+G12(s)U2(s