第7章_实现特殊工艺要求的过程控制系统-过程控制与自动化仪表-潘永湘

1、 第第7 7章章 实现特殊要求过程控制系统实现特殊要求过程控制系统 1 1）了解比值控制的工业应用背景，熟悉比值控）了解比值控制的工业应用背景，熟悉比值控 制系统的结构类型；制系统的结构类型； 2 2）掌握比值控制系统中比值器参数计算方法；）掌握比值控制系统中比值器参数计算方法； 3 3）了解比值控制系统中的非线性补偿、动态补）了解比值控制系统中的非线性补偿、动态补 偿以及实施方案等；偿以及实施方案等； 4 4）了解均匀控制的特点及设计方法；）了解均匀控制的特点及设计方法； 5 5）了解分程控制的特点及应用场合；）了解分程控制的特点及应用场合； 6 6）了解自动选择性控制的特点及应用场合。）了

2、解自动选择性控制的特点及应用场合。 工艺要求。工艺要求。 问题：问题：Q2Q2容易受干扰和非线性的影响容易受干扰和非线性的影响 而破坏而破坏Q1Q1与与Q2Q2的比值关系。的比值关系。 1 1、开环比值控制系统开环比值控制系统 2 2、单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统 问题：问题：这种单闭环这种单闭环 比值控制系统可以比值控制系统可以 精确的控制精确的控制Q1Q1与与 Q2Q2的比值关系但的比值关系但 Q1Q1的值不可控。的值不可控。 3 3、双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统 问题：问题：该控制方案该控制方案 所用仪表较多，投所用仪表较多，投 资较高。资较高。 比值设定方法：比值设定方

3、法： TF1 TF2CF2 给定值 TF1 TF 2 CF 2 相除比值相除比值 给定值 相乘比值相乘比值 4、 变比值控制系统。变比值控制系统。 应该注意应该注意: 在变比值控制系统中，比值通常只是一种控制手段不是最在变比值控制系统中，比值通常只是一种控制手段不是最 终目的，而第三参数终目的，而第三参数y(s)y(s)往往往往是产品质量指标。是产品质量指标。 在有些生产过程中，要求两种物料的流量比随第三个工艺参数的在有些生产过程中，要求两种物料的流量比随第三个工艺参数的 要求而变化，也就是比值系数不是固定的而是随工况而变化的，这就是要求而变化，也就是比值系数不是固定的而是随工况而变化的，这就

4、是 变比值变比值控制。控制。 基于除法器的变比值控制 实例实例 硝酸生产控制系统硝酸生产控制系统 氧化炉温度串级比值控制流程氧化炉温度串级比值控制流程 如上所述，比值控制是解决不同物料流量之间的比例关系问题。当如上所述，比值控制是解决不同物料流量之间的比例关系问题。当 使用单元组合仪表时，因输入输出参数均为统一标准信号，所以，比使用单元组合仪表时，因输入输出参数均为统一标准信号，所以，比 值器参数必须由实际物料流量的比值系数折算成仪表的标准统一信号。值器参数必须由实际物料流量的比值系数折算成仪表的标准统一信号。 以下分两种情况。以下分两种情况。 （1 1）流量与检测信号呈非线性关系）流量与检测

5、信号呈非线性关系 （2）流量与检测信号呈线性关系）流量与检测信号呈线性关系 1 1、比值器参数的计算、比值器参数的计算 2 1max 2max 2 1 4 4 q KK q I I 说明：当物料流量的比值一定、流量与其说明：当物料流量的比值一定、流量与其 检测信号呈平方关系时，比值器的参数与检测信号呈平方关系时，比值器的参数与 物料流量的实际比值和最大值之比的乘积物料流量的实际比值和最大值之比的乘积 也呈平方关系。也呈平方关系。 1max2 2max1 4 4 qI KK qI 说明：当物料流量的比值一定、流量与说明：当物料流量的比值一定、流量与 其测量信号呈线性关系时，比值器的参其测量信号呈

6、线性关系时，比值器的参 数与物料流量的实际比值和最大值之比数与物料流量的实际比值和最大值之比 的乘积也呈线性关系。的乘积也呈线性关系。 （3）实例计算）实例计算 已知某流量比值系统采用差压式流量计测量主副流量，已知某流量比值系统采用差压式流量计测量主副流量， 其最大量程分别为：其最大量程分别为： hmQ hmQ /20 /5.12 3 max2 3 max1 工艺要求工艺要求 4.1 1 2 Q Q K 试计算不加开方器与加开方器后仪表的比值系数试计算不加开方器与加开方器后仪表的比值系数K。 不加开方器时不加开方器时: 766.0 20 5.12 4.1 2 2 2 max 2 2 max 2

7、 1 2 Q Q KK 解解: 加开方器后加开方器后:875. 0 20 5 .12 4 . 1 K 2 2、比值控制系统中的非线性补偿比值控制系统中的非线性补偿 比值控制系统中的非线性特性是指被控过程的静态放大系数随负荷变化而 变化的特性，在设计比值控制系统时必须要加以注意。 （1）测量变送环节的非线性特性）测量变送环节的非线性特性 流量与测量信号无论是呈线性关系还是 呈非线性关系，其比值系数与负荷的大 小无关，均保持其为常数。但是，当流 量与测量信号呈非线性关系时对过程的 动态特性却是有影响的。 其输入输出关系有：其输入输出关系有： 2 max2max2 2 22 kqp kqp 采用采用

8、DDZDDZ型仪表将差压信号型仪表将差压信号 线性地转换为电流信号：线性地转换为电流信号： 4) 420( max2 2 2 p p I 测量变送环节是非线性的，其静态放大系数为：测量变送环节是非线性的，其静态放大系数为： 20 2 max22 2 2 32 202 q qq I K qq 问题：当负荷增大时，调节器的整定参数如果不能随之改变，则系统的当负荷增大时，调节器的整定参数如果不能随之改变，则系统的 运行质量就会下降运行质量就会下降 。 （2）非线性补偿）非线性补偿 为了克服这一不利影响，通常用开方器进行补偿，即在差压变送器后 串接一个开方器，使流量与测量信号之间呈现线性关系。 差压变

9、送器的输出电流信号与开方器的输出电流信号之间的关系为： 22 44II 测量变送环节和开方器串接后总的静态放大系数为： 220 2 2 22max 4I K qq q q 常量，它已不再受负荷变化的影响 3比值控制系统中的动态补偿比值控制系统中的动态补偿 在某些特殊的生产工艺中，对比值控制的要求非常高，即不仅在静 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要求两种 物料流量的比值一定。 为实现动态比值一定，必须满足 2 1 Qs K K Qs 为常数 动态补偿器的传递函数为 2022 2max 12021max 1 cm Z mc G s G s Gsq G s G s G s G

10、 sq 注意：注意：由于从动流量总要滞后于主动流量，所以动态补偿器一般应具有超前由于从动流量总要滞后于主动流量，所以动态补偿器一般应具有超前 特性。特性。 4比值控制系统的实现比值控制系统的实现 比值控制的具体实现方案有两比值控制的具体实现方案有两 种种: : 二、把一个流量的测量值乘以比值系 数，其乘积作为副调节器的设定值， 称为相乘控制方案。 在工程上，具体实现比值控制时，通常有比值器、乘法器或除法器等 单元仪表可供选用，相当方便。 一、把两个流量的测量值相除，其商 作为调节器的反馈值，称为相除控制 方案。 1均匀控制的提出均匀控制的提出 均匀控制系统具有使控制量与被控制量均匀缓慢地在一定

11、范均匀控制系统具有使控制量与被控制量均匀缓慢地在一定范 围内变化的特殊功能。围内变化的特殊功能。 控制目标控制目标： 1 1、 稳定塔稳定塔A A的液位的液位 解决的方法： 增加中间储存容器 2 2、稳定塔、稳定塔B B的进料流量的进料流量 解决的方法： 采用均匀控制采用均匀控制 图示图示 图图a a图图c c是普通的单回路控制系统的控制结果，只有图是普通的单回路控制系统的控制结果，只有图b b才体现才体现 了均匀控制的思想，即了均匀控制的思想，即L L和和F F都缓慢波动且都稳定在一定范围都缓慢波动且都稳定在一定范围内内。 将液位控制与流量控制统一在一个控制系统中，从系统内部解决两种将液位控

12、制与流量控制统一在一个控制系统中，从系统内部解决两种 工艺参数供求之间的矛盾，即使工艺参数供求之间的矛盾，即使A A塔的液位在允许的范围内波动的同塔的液位在允许的范围内波动的同 时，也使流量平稳缓慢地变化。时，也使流量平稳缓慢地变化。 均匀控制的设计思想：均匀控制的设计思想： 液位控制时前后设备的液位、流量关系液位控制时前后设备的液位、流量关系 2. 均匀控制的特点均匀控制的特点 1 1、结构上无特殊性、结构上无特殊性 同样一个单回路液位控制系统，由于控制作用强弱不一，既同样一个单回路液位控制系统，由于控制作用强弱不一，既 可以是单回路定值控制系统，也可以是均匀控制系统。因此均匀可以是单回路定

13、值控制系统，也可以是均匀控制系统。因此均匀 控制是靠降低控制回路的灵敏度而不是靠结构变化获得的。控制是靠降低控制回路的灵敏度而不是靠结构变化获得的。 2 2、参数有变化，而且是缓慢地变化、参数有变化，而且是缓慢地变化 因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀，所以表征因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀，所以表征 两个物料的参数都不应是某一固定值。那种试图把两个参数都两个物料的参数都不应是某一固定值。那种试图把两个参数都 稳定不变的想法绝非均匀控制的目的。无需将两个参数平均分稳定不变的想法绝非均匀控制的目的。无需将两个参数平均分 配，而是视前后设备的特性及重要件等因素来确定其主次。配，而是

14、视前后设备的特性及重要件等因素来确定其主次。 3 3、参数应在、参数应在限定限定范围内变化范围内变化 在均匀控制系统中，被控变量是非单一、非定值的，允许它在均匀控制系统中，被控变量是非单一、非定值的，允许它 们在一定的范围内变化，但前塔的液位变化有一个规定的上、下们在一定的范围内变化，但前塔的液位变化有一个规定的上、下 限。同样，后塔的进料流量也不能超过它所能承受的最大负荷和限。同样，后塔的进料流量也不能超过它所能承受的最大负荷和 最低处理量，否则不能保证反应塔的正常工作。最低处理量，否则不能保证反应塔的正常工作。 均匀控制系统的设计主要包括：控制方案的选择，调节规律的选择均匀控制系统的设计主

15、要包括：控制方案的选择，调节规律的选择 ， 调节器的参数整定调节器的参数整定 1.控制方案的选择控制方案的选择 （1）简单均匀控制系统）简单均匀控制系统 注意：注意：当调节阀两端的压差变化较大时，流量大小不仅取决于调当调节阀两端的压差变化较大时，流量大小不仅取决于调 节阀开度的大小，还将受到压差波动的影响。节阀开度的大小，还将受到压差波动的影响。 （2）串级均匀控制系统）串级均匀控制系统 为了克服调节阀前后压力波动和被控过程的自平衡待性对流量的影响为了克服调节阀前后压力波动和被控过程的自平衡待性对流量的影响 ，设计了以流量为副参数、以液位为主参数的串级均匀控制系统。，设计了以流量为副参数、以液

16、位为主参数的串级均匀控制系统。如图如图 所示。所示。 从结构上看，从结构上看，它与一般的液位和流量串级控制系统是一致的。但它与一般的液位和流量串级控制系统是一致的。但 这里采用串级形式的目的并不是为了提高主参数液位的控制精度，这里采用串级形式的目的并不是为了提高主参数液位的控制精度， 而是为了克服阀前压力波动及自平衡特性对流量的影响，使流量而是为了克服阀前压力波动及自平衡特性对流量的影响，使流量 变化平缓。变化平缓。 2.调节规律的选择调节规律的选择 3.调节器的参数整定调节器的参数整定 (1) (1) 在所有的均匀控制系统中，不应加微分控制在所有的均匀控制系统中，不应加微分控制。 (2)(2

17、) 主调节器一般采用比例控制或比例积分控制，而在串级控制中，主调节器一般采用比例控制或比例积分控制，而在串级控制中， 副调节器一般采用比例控制，特殊情况下，也可采用比例积分控制。副调节器一般采用比例控制，特殊情况下，也可采用比例积分控制。 （1） 经验法经验法 即根据经验，按照即根据经验，按照“先副后主先副后主” ，把主、副调节器的，把主、副调节器的 比例度比例度调节到某一适当值；然后由小到大进行调节，使系统的过渡调节到某一适当值；然后由小到大进行调节，使系统的过渡 过程缓慢地、非周期衰减变化，最后再根据过程的具体情况，给主调过程缓慢地、非周期衰减变化，最后再根据过程的具体情况，给主调 节器加

18、上积分作用。需要注意的是，主调节器的积分时间要调得大一节器加上积分作用。需要注意的是，主调节器的积分时间要调得大一 些。些。 （2）停留时间法）停留时间法 即依据控制介质流过被控过程所需要的时间整定即依据控制介质流过被控过程所需要的时间整定 调节器的参数，使被控参数在允许的范围内变化。调节器的参数，使被控参数在允许的范围内变化。 min V q t (1) (1) 所有均匀控制中，所有均匀控制中， 均比定值控制要均比定值控制要 大。大。 I T与 (2) (2) 对串级均匀控制可采用停留时法进行整定对串级均匀控制可采用停留时法进行整定。 停留时间停留时间t tminmin20202020404

19、04040 比例度比例度（% %）100100150150150150200200200200250250 积分时间积分时间T Ti iminmin5 510101515 整定参数与停留时间整定参数与停留时间t t的关系的关系 最后还需指出的是： 间歇式化学反应器分程控制系统 在一般的控制系统中，调在一般的控制系统中，调 节器的输出只控制一个调节节器的输出只控制一个调节 阀，但在某些工业生产中，阀，但在某些工业生产中， 根据工艺要求，需将调节器根据工艺要求，需将调节器 的输出信号分段，去分别控的输出信号分段，去分别控 制两个或两个以上的调节阀。制两个或两个以上的调节阀。 这种控制系统通常称为：

20、这种控制系统通常称为：分分 程控制系统程控制系统。 分程控制系统的信号分段 蒸汽阀为气开，冷水阀为气关 1 1、调节阀同向动作调节阀同向动作 分程控制系统有两种类型分程控制系统有两种类型: : 2 2、调节阀异向动作调节阀异向动作 a)a)阀阀A A气开、阀气开、阀B B气关气关b)b)阀阀A A气关、阀气关、阀B B气开气开 分程控制系统本质上是属于单回路控制系统。 由于调节器的输出信号要进行分程而且所用调节阀较多，所以在系统设 计上也有一些特殊之处。 即将调节器输出分成几个区段即将调节器输出分成几个区段,一段信号控制一个调节阀。一段信号控制一个调节阀。 1 1、调节器输出信号的分程调节器输

21、出信号的分程 2 2、调节阀的选择及注意的问题调节阀的选择及注意的问题 （1）调节阀类型的选择）调节阀类型的选择 根据工艺要求选择同向工作或异向工作的调节阀。 （2）调节阀流量特性的选择）调节阀流量特性的选择 在分程控制中，当把两个调节阀作为一个调节阀使用时，要求分程点处的 流量特性平滑 （3）调节阀的泄漏量）调节阀的泄漏量 在分程控制系统中，必须保证在调节阀全关时无泄漏或泄漏量极小。 1 1、用于节能用于节能 2用于扩大调节阀的可调范围用于扩大调节阀的可调范围 由于我国目前统一设计的调节阀，其可调范围为30，因而不能满足需要 调节阀可调范围大的生产过程。解决这一问题的办法之一是采用分程控 制

22、，将流通能力不同、可调范围相同的两个调节阀当一个调节阀使用， 扩大其可调节范围，以满足特殊工艺的要求。 由此可见，分程控制中调节阀的可调范围与单个调节阀相比，扩大了26 倍，从而满足了工艺上的特殊要求。 。此时，调节阀的最大流通能力分别为调节阀此时，调节阀的最大流通能力分别为调节阀 例如，某一分程控制系统的两个调节阀，其最小流通能力分别为例如，某一分程控制系统的两个调节阀，其最小流通能力分别为 1max2max1min 109.2 0.14780RCCC 分 1min2min 0.143.5CC和 而可调范围均为而可调范围均为 12 30RR 的最大流通能力分别为 1max2max 4.210

23、5CC和。若将两个调节阀当成一个调节 阀当成一个调节阀使用，则最小流通能力为0.14，最大流通能力为 109.2，由此可算出分程控制调节阀的可调范围为 3用于两个不同控制介质的生产过程用于两个不同控制介质的生产过程 废液中和过程分程控制废液中和过程分程控制 7PH 7PH 7PH 酸性酸性 碱性碱性 中性中性 7.4.1 7.4.1 自动选择性控制概述自动选择性控制概述 一般的过程控制系统是在正常工况下，为保证生产过程的物料平衡、能一般的过程控制系统是在正常工况下，为保证生产过程的物料平衡、能 量平衡和生产安全而设计的，它们没有该考虑到在事故状态下的安全生量平衡和生产安全而设计的，它们没有该考

24、虑到在事故状态下的安全生 产问题，即当操作条件到达安全极限时，应有保护性措施。如大型透平产问题，即当操作条件到达安全极限时，应有保护性措施。如大型透平 压缩机的防喘振，化学反应器的安全操作及锅炉燃烧系统的防脱火、防压缩机的防喘振，化学反应器的安全操作及锅炉燃烧系统的防脱火、防 回火等。回火等。 事故状态的保护性措施大致可分成两类：事故状态的保护性措施大致可分成两类： 一种是自动报警，然后由人工进行处理，或采用自动连锁、自一种是自动报警，然后由人工进行处理，或采用自动连锁、自 动停机的方法进行保护，称为动停机的方法进行保护，称为“硬保护硬保护”。 另一种措施称为另一种措施称为“软保护软保护”，即所谓选择性控制系统。，即所谓选择性控制系统。 7.4.2 7.4.2 系统的类型及工作过程系统的类型及工作过程 1选择调节器的输出信号选择调节器的输出信号 对调节器输出信号进行选择的系统框图为：对调节器输出信号进行选择的系统框图为： ： 2选择变送器的输出信号选择变送器的输出信号 这种系统至少采用两个或两个以上的变送器。变送器的输出信号 均送入选择器，选择器选择符合工艺要求的信号反馈至调节器。 化学反应过程峰值温度自动选择性控制系统流程图 反应器峰值温度自动选择性控制系统框图 7.4.3 7.4.3 自动选择性控制系统的设计自动选