《过程控制与集散系统》-6-特殊控制方法

6特殊控制方法,本章学习内容6.1比值控制系统6.2均匀控制系统6.3分程控制系统6.4选择性控制系统6.5阀位控制系统,6.1.1比值控制系统基本概念,凡实现两个或两个以上参数维持一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。一般是指流量比值控制系统。K=Q2/Q1在实际的生产过程控制中，比值控制系统除了实现一定的物料比例关系外，还能起到在扰动量影响到被控过程质量指标之前及时控制的作用，具有前馈控制的实质。,6.1比值控制系统,6.1.2比值控制系统的分析,按比值的特点可分为定比值和变比值控制系统。两个或两个以上参数之间的比值是通过改变比值器的比值系数来实现的，一旦比值系数确定，系统投入运行后，此比值系数将保持不变（为常数），具有这种特点的系统称为定比值控制系统。两个或两个以上参数之间的比值不是一个常数，而是根据另一个参数的变化而不断地修正，具有这种特点的系统称为变比值控制系统。,（1）定比值控制系统可分三类开环比值控制系统结构最简单的比值控制系统,图6.1开环比值控制系统（a）工艺流程图(b)原理方框图,单闭环比值控制系统为克服开环比值控制系统不足，在其基础上，增加一个副流量的闭环控制回路，组成了单闭环比值控制系统。,优点：单闭环比值控制系统不但可以实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且还可以克服副流量本身干扰对比值的影响，能够确保主、副两个流量的比值不变。同时，系统的结构比较简单，方案实现起来方便。缺点：当主流量受到干扰出现大幅度波动时，副流量难以跟踪，控制过程中主、副流量的比值会较大地偏离工艺要求的流量比。,双闭环比值控制系统为克服单闭环比值控制中主流量不受控制的不足，在其基础上，增设一个主流量控制回路，构成双闭环比值控制系统。,图6.3双闭环比值控制系统（a）系统图（b）原理方框图,优点：双闭环比值控制系统能克服主流量扰动，实现其定值控制。副流量控制回路能抑制作用于副回路中的扰动，使副流量与主流量成比值关系。当扰动消除后，主、副流量都恢复到原设定值上，其比值不变，并且主、副流量变化平稳。当系统需要升降负荷时，只要改变主流量的设定值，主、副流量就会按比例同时增加或减小，从而克服了上述单闭环比值控制系统的缺点。,双闭环比值控制系统常用于主副流量扰动频繁，工艺上经常需要升降负荷，同时要求主、副物料总量恒定的生产过程。在采用双闭环比值控制方案时，对主流量控制器的参数整定应尽量保证其输出为非周期变化，以防止共振的产生。,(2)变比值控制系统当系统中存在着除流量干扰外的其他干扰，为了保证产品质量，必须适当修正两物料的比值。因此，出现了按照一定工艺指标自行修正比值系数的变比值控制系统。,图6.4变比值控制系统（a）系统图（b）原理方框图,需要注意到一点：上面提到的变比值控制方案中是用除法器来实现的，实际上还可采用其他运算单元如乘法器来实现。同时从系统的结构看，上例是单闭环变比值控制系统，如果工艺控制需要，也可构成双闭环变比值控制系统。,6.1.3比值控制系统设计,1、主、副流量的确定(1)工业生产过程中起主导作用的物料流量一般选为主流量，其它的物料流量选为副流量。(2)在工业生产过程中不可控的或者工艺上不允许控制的物料流量一般选为主流量，可控的物料流量选为副流量。(3)在生产过程中较昂贵的物料流量可选为主流量，避免造成浪费。(4)按生产工艺的特殊要求确定主、副物料流量。,2、控制方案的选择（1）如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定，负荷变化不大，主流量不可控制，则可选单闭环比值控制方案。（2）在生产过程中，主、副流量扰动频繁，负荷变化较大，同时要保证主、副物料流量恒定，则可选用双闭环比值控制方案。（3）当生产要求两种物料流量的比值能灵活地随第三个参数的需要进行调节时，可选用串级比值控制方案。,3、控制器控制规律的确定（1）单闭环比值控制系统中，可选P控制规律或采用一个比值器；从动回路控制器选PI控制规律。（2）双闭环比值控制系统中，两个调节器均应选PI控制规律。（3）串级（变）比值控制系统，主控制器选PI或PID控制规律，副控制器选用P控制规律。,4、流量计或变送器的选择流量测量是比值控制的基础，各种流量计都有一定的适用范围，必须正确选择使用。变送器的零点及量程的调整都是十分重要的。,6.1.4比值控制系统的实施,1、比值系数的折算（1）流量与测量信号成线性关系流量的任一中间值Q所对应的电流为则有由上式可得工艺要求的流量比值,折算成仪表的比值系数为（2）流量与其测量信号成非线性关系利用差压流量计测量，未经开方处理时，流量与压差的关系为,任一中间流量值Q(即相应差压P)所对应的流量变送器的输出信号为由上式可得工艺要求的流量比值,折算成仪表的比值系数为2、比值控制的实施方案(1)应用比值器方案,比值器的输入、输出信号关系式为I。(Il-4)+4(mA)在流量比值稳定操作时，控制器的测量值应等于设定值，即I2=I。(Il-4)+4(mA)所以,(2)应用乘法器方案应用乘法器实现两个信号相乘，或对一个信号乘以一个常系数的运算。,乘法器的运算信号为：系统在稳态时，控制器的设定值I0和测量值I2相等，所以上式可写成：,如果使用开方器，流量为线性变送时：如果没有使用开方器，流量为非线性变送时：,假定由于仪表量程选择的限制和工艺比值K的条件造成1，为了使乘法器的设定电流Is在标准信号范围内，可将乘法器由主流量一侧改接在副流量一侧，如下图所示。,根据乘法器的信号关系有系统稳态时，I1=I0：,(3)应用除法器方案除法器用以实现两个信号相除的运算。,除法器的信号关系为由于稳态时Is=I0，所以,优点：可以直接显示读出比值，且设定操作方便，若将比值控制器的给定值改成第三参数，即能组成变比值控制系统。不足：应用除法器构成比值控制系统时，比值系数不能设置在1附近。对于副流量控制回路而言，除法器被包括在回路当中，除法器的非线性对控制系统品质将会造成影响。,除法器的静态放大系数为：当采用开方器时：当没有采用开方器时：,6.1.5比值控制系统的整定,(1)变比值控制系统，其主控制器参数整定可按串级控制系统进行。(2)单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统中的从动量回路与变比值控制系统中的变比值回路的整定方法和要求基本相同。(3)双闭环比值控制系统中，主动量回路的过渡过程，希望进行得慢一些，以便从动量能跟得上，所以主动量回路过渡过程一般应整定成非周期过程。,6.1.6比值控制系统中的若干问题,1、开方器的采用差压法测量流量时测量信号与流量关系为,它的静态放大系数为,由上式可知，采用差压法测量流量时，其静态放大系数K0正比于流量，即随负荷的增大而增大。这样的环节，将影响系统的动态品质，即小负荷时系统稳定。随着负荷的增大，系统的稳定性将下降。若将测量信号经过开方运算后，其输出信号与流量则成线性关系，从而使包括开方器在内的测量变送环节成为线性环节，它的静态放大系数与负荷大小无关，系统的动态性能不再受负荷变化的影响。,2、动态跟踪问题系统在比值器GK(s)的前面，引入一个动态补偿环节Gb(s)。,该系统传递函数：,若能使Q2(s)/Q1(s)=K，就能实现副流量对主流量的动态跟踪。,又因为Gk(s)=K=KQ1max/Q2max，所以可求得补偿环节的传递函数为：,动态补偿环节应具有超前特性，即需要微分特性环节。工程上，对于动态补偿环节的形式可以通过闭环动态特性测试求得当曲线无变凹点时，补偿环节为：,当曲线有变凹点时，补偿环节为：,3、有逻辑规律的比值控制系统生产中有时工艺上不仅要求物料量成一定比例，而且要求在负荷变化时，它们的提、降量有一定的先后次序，实现相应功能的比值控制系统称为有逻辑规律的比值控制系统。所谓逻辑规律，是指工艺上对主、副流量提降时的先后要求，所以具有逻辑规律的比值控制也称为逻辑提量。,例：锅炉燃烧过程的逻辑规律比值控制系统,串级和比值控制的组合系统。逻辑提量功能的实现：高值选择器HS和低值选择器LS的作用,动作顺序？,6.2.1均匀控制的概念,6.2均匀控制系统,均匀控制针对“流程”工业中协调前后工序的物料流量而提出。,均匀控制系统可定义为：使两个有关联的被控变量在规定范围内缓慢地、均匀地变化，使前后设备在物料的供求上相互兼顾、均匀协调的系统称之为均匀控制系统，也有称之为均流控制。,均匀控制系统特点：(1)两被控变量都应该是变化的。(2)两个被控变量的调节过程应该是缓慢的，这与定值控制希望控制过程要短的要求不同。(3)两个被控变量的变化应在工艺允许的操作范围内。,6.2.2均匀控制系统的结构形式（1）简单均匀控制系统,简单均匀控制系统：结构简单、投运方便、成本低廉。只适用于干扰不大、对流量的均匀程度要求较低的场合。,（2）串级均匀控制系统,串级均匀控制方案：能克服较大的干扰，适用于系统前后压力波动较大的场合。,（3）双冲量均匀控制系统“冲量”的原来含义是作用强度大、作用时间短的信号或参数，这里引申为连续的信号或参数。所谓双冲量均匀控制系统，就是以两个测量信号（液位和流量）之差（或和）作为被控变量的系统。,例：精馏塔液位与出料量的双冲量均匀控制系统。,假定该系统用气动单元组合式仪表来实施。加法器的运算规律为：,由于流量控制器接受的是由加法器送来的两个变量之差，并且又要使两变量之差保持在固定值上，所以控制器应该选择PI控制规律。,原理分析：流量正常，液位受到干扰引起液位上升时；液位正常，出料量受到干扰使增大时；,双冲量均匀控制系统与串级均匀控制系统相比，用一个加法器取代了其中的主控制器，结构上相当于一个以两个信号之差为被控变量的单回路系统，故而参数整定可按简单均匀控制考虑。,图6.17双冲量均匀控制系统的原理方框图,6.2.3控制器的参数整定,“看曲线”，“整参数”。主要原则是一个“慢”字。,（1）整定原则：以保证液位不超出允许的波动范围来初步设置好控制器参数；修正控制器参数，充分利用储罐的缓冲作用，使液位在最大允许的波动范围内，输出流量尽量平稳。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。,（2）方法步骤纯比例控制时a.先将比例度放置在估计不会引起液位越限的数值；b.观察记录曲线，若液位的最大波动小于允许范围，则可增加值；c.当发现液位的最大波动可能会超出允许范围时，则应减小值；d.这样反复调整值，直到液位曲线满足工艺提出的均匀要求为止。,比例积分控制时a.按纯比例控制进行整定，得到液位最大波动接近允许范围时的值；b.适当增加值后，加入积分作用。逐渐减小积分时间，使液位在每次扰动过后，都有回复到设定值的趋势；c.减小积分时间，直到流量记录曲线将要出现缓慢的周期性衰减振荡过程为止。,6.3.1基本概念将控制器输出信号全程分割成若干个信号段，每一个信号段控制一个控制阀，习惯上将这种控制系统称为分程控制系统。分程控制系统中，每个气动控制阀的输入（驱动）信号都是00201MPa，控制器输出信号的分段是由附设在控制阀上的阀门定位器来实现的。,6.3分程控制系统,根据控制阀的作用方式，在分程控制的应用中，可以形成四种不同的组合形式。,分程阀同向或异向的选择要根据生产工艺的实际需要来确定。,图6.18两控制阀的分程组合(a)两阀同向(b)两阀异向,6.3.2分程控制的应用（1）扩大控制阀的可调范围，改善控制品质阀的可调范围是一项静态指标，表明控制阀执行规定特性（线性特性或等百分比特性）运行的有效范围。可用下式表示：,假定并联的两个阀A、B，两只阀的最大流通能力均为；两阀的可调范围相同，即=30，根据可调范围的定义可得：当采用两只控制阀组成分程控制时，最小流通能力不变，而最大流通能力应是两阀都全开时的流通能力，即：那么两阀构成分程控制时，两阀组合后的可调范围为：,60,组合后的可调范围比一个阀的可调范围扩大了一倍。下图为扩大可调范围的氨厂蒸汽减压分程控制系统应用。,（2）用于控制两种不同的介质，以满足工艺操作上的特殊要求。,图6.20间歇聚合反应器分程控制系统,（3）用作生产安全的防护措施,图6.22罐顶氮封分程控制系统,6.3.3分程阀总流量特性的改善,两个同向动作的控制阀并联分程时，可以提高控制阀的可调范围。但这时存在由一个阀向另一个阀平滑过渡的问题。,图6.24A、B分程阀特性图6.25A、B分程阀组合特性,为了使总流量特性达到平稳过渡，可采取如下方法：（1）两个线性流量特性的阀并联分程使用本法是先根据单个分程阀的特性找寻组合后的总流量特性，再根据单个分程阀的特性与组合总流量特性的关系找出响应的分程点，确定各分程阀的分程信号。（2）两个对数流量特性的阀并联分程使用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。,6.4.1基本概念,选择性控制又称为取代控制，也称超弛控制。生产保护措施分两类：硬保护措施和软保护措施。要构成选择性控制系统，生产操作必须具有一定的选择性逻辑关系。而选择性控制的实现则需要靠具有选择功能的自动选择器（高值选择器和低值选择器）或有关的切换装置（切换器、带接点的控制器或测量装置）来完成。,6.4选择性控制,6.4.2选择性控制系统的类型及应用,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。根据选择性控制系统中被选择的变量性质，也可分为以下三类：1、对被控变量的选择性控制系统2、对操纵变量的选择性控制系统3、对测量信号的选择,6.4.3选择性控制系统的设计,选择性控制系统的设计包括控制阀开、闭形式选择，控制器规律及正、反作用选择以及选择器类型的选择等内容。控制阀开、闭形式与控制器正反作用与单回路系统中的确定方法完全相同。关于控制规律的选择，一般正常情况下应选PI形式；如果考虑到对象的容量滞后比较大，还可以选择PID控制器。至于非正常情况工作的控制器，其控制规律应选窄比例式（比例放大倍数很大）。选择器的类型可以根据生产处于非正常情况下控制器的输出信号高低来确定。,图为氨冷却器出口温度与液氨液位选择控制系统通过前面的分析做出如下选择：1.控制阀应选择气开式。2.温度控制器选PID控制规律。3.温度控制器选择“正”作用，液位控制器取“反”作用。4.选择器必须选低值选择器。,6.4.4积分饱和及其防止措施,概念：一个具有积分作用的控制器，当其处于开环工作状态时，如果偏差输入信号一直存在，那么，由于积分作用的结果，将使控制器的输出不断增加（当控制器为正作用且偏差为正时）或不断减小（当偏差为负时），一直达到输出的极限值为止，这种现象称之为“积分饱和”。产生条件：一是控制器具有积分作用；二是控制器处于开环工作状态；三是偏差信号长期存在。,防积分饱和主要有三种方法：1.限幅法采用一些专门的技术措施对积分反馈信号加以限制，从而使控制器输出信号限制在控制阀工作信号范围之内。2.外反馈法控制器在开环情况下，不再使用它自身的信号做积分反馈，而是采用合适的外部信号作为积分反馈信号。从而也切断了积分正反馈，防止了进一步的偏差积分作用。3.积分切除法使控制器积分作用在开环情况下暂时自动切除，使之仅具有比例功能。所以这类控制器称为PI-P控制器。,6.5.1基本概念,选择控制变量时既要考虑到它的经济性和合理性，又要考虑它的快速性和有效性。阀位控制系统就是在综合考虑控制变量的快速性、有效性、经济性和合理性基础上发展起来的一种控制系统。,6.5阀位控制系统,阀位控制系统原理图如下所示：,系统选用了两个控制变量A和B。控制变量A从经济性和工艺的合理性考虑比较合适，但是对克服干扰的影响不够及时、有效。控制变量B快速性、有效性较好，也就是克服干扰的影响迅速、及时，但经济性、合理性较差。,6.5.2阀位控制系统的应用,(1)管式加热炉原油出口温度控制一般选原油出口温度为被控变量，选燃料油或气作为控制变量，控制系统如下图：,该系统选择燃料油或气作为控制变量是经济合理的，但它克服外界干扰的影响不及时。,为提高系统控制质量，在原油的入口和出口之间引一条支管，把它作为控制变量B，它对控制原油出口温度十分及时、有效。但从工艺角度考虑并不经济，因为它增加了能耗