过程控制_国海峰过程控制30讲

1 4.4.比值控制系统4.4.比值控制系统 4.4.2比值控制系统的设计与整定4.4.2比值控制系统的设计与整定 1主、从动量的确定1主、从动量的确定 设计比值控制系统时，需要先确定主、从动量。其原 则是：在生产过程中起主导作用或可测但不可控、且 较昂贵的物料流量一般为主动量，其余的物料流量以 它为准进行配比，为从动量。 当然，当生产工艺有特殊要求时，主、从动量的确定 应服从工艺需要。 2 4.4.比值控制系统4.4.比值控制系统 2控制方案的选择2控制方案的选择 比值控制有多种控制方案，在具体选用时应分析各种方 案的特点，根据不同的工艺情况、负荷变化、扰动性质、 控制要求等进行合理选择。 3调节器控制规律的确定3调节器控制规律的确定 要根据不同控制方案和控制要求而确定。例如，单闭环 控制的从动回路调节器选用PI控制规律，因为它将起比 值控制和稳定从动量的作用；双闭环控制的主、从动回 路调节器均选用PI控制规律，因为它不仅要起比值控制 作用，而且要起稳定各自的物料流量的作用；变比值控 制可仿效串级调节器控制规律的选用原则。 3 4.4.比值控制系统4.4.比值控制系统 4正确选用流量计与变送器4正确选用流量计与变送器 ? 流量测量与变送是实现比值控制的基础，必须正确 选用。 ? 用差压流量计测量气体流量时，若环境温度和压力 发生变化，其流量测量值将发生变化。 ? 所以对于温度、压力变化较大，控制质量要求较高 的场合，必须引入温度、压力补偿装置，对其进行 补偿，以获得精确的流量测量信号。 4 4.4.比值控制系统4.4.比值控制系统 5比值控制方案的实施5比值控制方案的实施 实施比值控制方案基本上有相乘方案和相除方案两 大类。在工程上可采用比值器、乘法器和除法器等 仪表来完成两个流量的配比问题。在计算机控制系 统中，则可以通过简单的乘、除运算来实现。 6比值系数的计算6比值系数的计算 设计比值控制系统时，比值系数计算是一个十分重 要的问题，当控制方案确定后，必须把两体积流量 或重量之比值K折算成比值器上的比值系数K。 5 4.4.比值控制系统4.4.比值控制系统 变送器的输出信号与被测流量成线性关系 1max 2max q KK q = 变送器的输出信号与被测流量成平方关系 2max 2 1max 2 q KK q = 将计算出的比值K，设置在原比值器上，比值 控制系统就能按工艺要求正常运行。 6 4.4.比值控制系统4.4.比值控制系统 7比值控制系统的参数整定7比值控制系统的参数整定 ? 比值控制系统调节器参数整定是系统设计和应用中 的一个十分重要的问题。 ? 对于定值控制(如双闭环比值控制中的主回路)可按 单回路系统进行整定。 ? 对于随动系统(如单闭环比值控制、双闭环的从动回 路及变比值的变比值回路)，要求从动量能快速、正 确跟随主动量变化，不宜过调，以整定在振荡与不 振荡的边界为最佳。 7 4.4.比值控制系统4.4.比值控制系统 4.4.3工业应用举例4.4.3工业应用举例（自来水消毒的比值控制）（自来水消毒的比值控制） ? 来自江河湖泊的水，虽然经过净化，但往往还有大量 的微生物，这些微生物对人体健康是有害的。 ? 因此，必须进行消毒处理。氯气是常用的消毒剂，氯 气具有很强的杀菌能力，但如果用量太少，则达不到 灭菌的作用，而用量太多，则会对人们饮用带来副作 用，同时过多的氯气注入水中，不仅造成浪费，而且 使水的气味难闻，另外对餐具会产生强烈的腐蚀作用。 为了使氯气注入自来水中的量合适，必须使氯气注入 量与自来水量成一定的比值关系。 8 4.4.比值控制系统4.4.比值控制系统 自来水消毒的比值控制 氯气 水 9 4.5 分程与选择性控制4.5 分程与选择性控制 4.5.分程与选择性控制4.5.分程与选择性控制 ? 前面介绍的过程控制系统有个显著特点，即在正常生产 情况下，组成系统的各部分如检测器、变送器、调节器、 调节阀等，一般工作在一个较小的工作区域内。 ? 为了使系统工作范围扩大或在系统受到大扰动甚至事故 状态下仍能安全生产，开发了分程与选择性控制系统。 ? 分程与选择性控制是通过有选择的非线性切换方式使不 同的部件工作在不同区域内来实现工作范围的扩大。 10 4.5 分程与选择性控制4.5 分程与选择性控制 4.5.1分程控制系统原理与设计注意问题4.5.1分程控制系统原理与设计注意问题 ? 单回路控制系统是由一个调节器的输出带动一个调 节阀动作的。 ? 在生产过程中，有时为了满足被控制参数宽范围的 工艺要求，需要改变几个控制参数。 ? 这种由一个调节器的输出信号分段分别去控制两个 或两个以上调节阀动作的系统称为分程控制系统。 1.分程控制原理1.分程控制原理 11 4.5 分程与选择性控制4.5 分程与选择性控制 分程控制框图 A:2060kPa B:60lOOkPa 将两个调节阀当作一个调节 阀使用，从而可扩大其调节 范围，改善其特性，提高控 制质量。 12 4.5 分程与选择性控制4.5 分程与选择性控制 最大流通能力 可调范围 可知小阀最小流通能力为 大阀最大流通能力为 可调范围： Amax 4C=Bmax 100C= AB 30RR= Amax Amin A 4 0.134 30 C C R = BmaxAmax Amin 104 26 30780 4/30 CC R C + = 分 ， Bmax 100C= 为单个调节阀的26倍 13 4.5 分程与选择性控制4.5 分程与选择性控制 例如，调节阀A的阀门定位器的输入信号范围为20一 60kPa，其输出(Bp调节阀的输入)信号是20 100kPa，调节阀A作全行程动作；调节阀B的阀门定 位器输入是60lOOkPa，使调节阀B全行程动作。也 就是说，当控制器(调节器)输出信号小于60kPa时， 调节阀A动作，调节阀B不工作；当信号大于60kPa 时，调竹阀A已动至极限，调节阀B动作。 分程控制是通过阀门定位器或电气阀门定位器来实 现的。它将调节器的输出压力信号分成几段，不同区 段的信号由相应的阀门定位器转化为20100kPa压力 信号，使调节阀全行程动作。 14 4.5 分程与选择性控制4.5 分程与选择性控制 同向：随着调节阀的输入信号的增大，两个阀都开大 或关小。 2.分程控制对调节阀的要求2.分程控制对调节阀的要求 （1）根据要求选择同向或异向规律的调节阀（1）根据要求选择同向或异向规律的调节阀 调节阀同向动作 气开 气关 15 4.5 分程与选择性控制4.5 分程与选择性控制 反向规律调节阀：随着调节阀输入信号的增大，一 个阀关闭，另一个阀门开大 调节阀异向动作 A气开，B气关A气关，B气开 分程控制中调节阀同向或异向动作的选择完全由生产 工艺安全的原则决定。 16 4.5 分程与选择性控制4.5 分程与选择性控制 ? 在分程控制中，实际上是把两个调节阀作为一个调节阀 使用，因此要求从一个阀向另一个阀过渡时，其流量变 化要平滑。 ? 但由于两个阀的放大系数不同，在分程点上常会引起流 量特性的突变，尤其是大、小阀并联工作时，更需注意。 如采用前面介绍的可调范围达780的两个调节阀，当均为 线性阀时，其突变情况非常严重，当均采用对数阀时， 突变情况要好一些。 17 4.5 分程与选择性控制4.5 分程与选择性控制 分程控制调节阀的流量特性(无重叠) 线性阀A、B对数阀A、B 18 4.5 分程与选择性控制4.5 分程与选择性控制 ? 在分程控制中，调节阀流量特性的选择非常重要，为 使总的流量特性比较平滑，一般应考虑如下措施： 1)尽量选用对数调节阀，除非调节阀范围扩展不大时 (此时两个调节阀的流通能力很接近)，可选用线 性阀。 2)采用分程信号重叠法。使两个阀有一区段重叠的调 节器输出信号，这样不等到小阀全开，大阀就已 渐开。 19 4.5 分程与选择性控制4.5 分程与选择性控制 （2）泄漏量问题（2）泄漏量问题 调节阀的泄漏量大小是实现分程控制的一个很重要 的问题。选用的调节阀应不泄漏或泄漏量极小，尤 其是大、小阀并联工作，若大阀泄漏量过大，小阀 将不能充分发挥其控制作用，甚至起不到控制作用。 20 4.5.2 分程控制工业应用4.5.2 分程控制工业应用 分程控制能扩大调节阀的可调范围，提高控制质 量，同时能解决生产过程中的一些特殊问题，所以 应用很广。 例1 用于节能控制例1 用于节能控制 如在某生产过程中，冷物料通过热交换器用热水(工 业废水)和蒸汽对其进行加热，当用热水加热不能满 足出口温度要求时，则再同时使用蒸汽加热，从而 减少能源消耗，提高经济效益。为此，设计了温度 分程控制系统。 4.5 分程与选择性控制4.5 分程与选择性控制 21 4.5 分程与选择性控制4.5 分程与选择性控制 ? 蒸汽阀和热水阀均选气开式，调节器为反作用，在正常情况下， 调节器输出信号使热水阀工作，此时蒸汽阀全关，以节省蒸汽； ? 当扰动使出口温度下降，热水阀全开仍不能满足出口温度要求 时，调节阀输出信号同时使蒸汽阀打开，以满足出口温度的工艺 要 温度分程控制 22 4.5 分程与选择性控制4.5 分程与选择性控制 例2 用于扩大调节阀的可调范围例2 用于扩大调节阀的可调范围 如废水处理中的pH值控制，调节阀可调范围特别大， 废液流量变化可达45倍，酸碱含量变化几十倍，在 这种场合下，若调节阀可调范围不够大，是达不到控 制要求的，为此必须采用大、小阀并联使用的分程控 制。 23 4.5 分程与选择性控制4.5 分程与选择性控制 例3 用于保证生产过程的安全、稳定例3 用于保证生产过程的安全、稳定 为了保证储罐内的原料或产品与空气隔绝，以免被氧化变质或 引起爆炸危险，常采用罐顶充氮气的方法。采用氮封技术的工 艺要求是保持储罐内的氮气压力呈微正压。当储罐内的原料或 产品增减时，将引起罐顶压力的升降，故必须及时进行控制， 否则将引起储罐变形，甚至破裂，造成浪费或引起燃烧、爆炸 危险。所以，当储罐内原料或产品增加时，即液位升高时，应 及时使罐内氮气适量排空，并停止充氮气；