过程控制技术第7章(2)课件

1、7.3 分程控制系统分程控制系统 7.3.1 分程控制分程控制 1. 分程控制的出现 先看一个具体例子，然后由此引出分程控制系统（Split-ranging Control System）的概念、常见类型等内容。 图 7-14 为某化学反应器温度控制示意图，其中 TT 为温度检测器，TC为温度控制器，温度为被控参数，直接影响产品质量。当反应容器的物料填装完成后，由于初始温度过低，需对物料进行加热，才能开始反应过程。此时控制器输出大于 0.06MPa 信号（需经 420mA / 0.020.1MPa 的电气转换），打开 A 阀（气开式），见图 7-15，让蒸汽进入反应容器，开始化学反应。等到化学

2、反应发生后，会释放大量的热，容器内温度迅速上升，A阀减小开度。由于反应必须在规定的温度下进行，温度过高，一来影响产品质量，二来可能出现事故。所以，必须尽快将过高的温度压下去，于是关掉蒸汽阀 A，并打开冷却水阀 B（气闭式），带走反应热，使容器降温。随着温度下降，B阀逐渐减小开度，见图 7-15，物料温度最终达到并维持在工艺要求的水平上。 上述这种根据工艺要求，将整个控制器的输出信号进行分段，以驱动两个或两个以上调节阀在各自的区段工作，称实现这种控制方式的系统为分程控制系统分程控制系统。图7-15 调节阀分程关系图7-14 化学反应器温度控制示意图 简单地说，分程控制系统就是在单回路控制系统的基

3、础上增加了一个或多个调节阀（以增加一个居多）。两个调节阀工作在控制器输出的不同区段（具体实现将在后面具体介绍），两分程控制系统一般性结构方框图见图 7-16。图7-16 二分程控制系统一般性结构 2. 两分程控制的类型 从以上叙述可以看出，分程控制系统本质上仍然是单回路控制系统，仅增多了一个调节阀（也可能多于两个调节阀）。由于调节阀有气开式和气闭式之分，在不同的信号区段，它们的开启与闭合是应该引起注意的。所以，这里就这个问题作进一步讨论。至于实践中究竟是选哪种形式，需由生产工艺和安全作业等因素决定。 （1）调节阀同向动作的分程控制 图 7-17 为调节阀同方向分程动作示意图，其中（a）为气开式

4、调节阀动作走势，（b）为气闭式调节阀动作走势。在7-17（a）图中，当控制器输出信号为 0.02MPa 时，A 阀（逐渐）打开，B 阀关闭。输出信号为 0.06 MPa 时，A阀全开，同时 B 阀开始（逐渐）打开。当输出信号图7-17 调节阀同向动作分程图(a)(b)为 0.1MPa 时，B 阀全开；在图 7-17（b）中，当控制器输出 0.02 MPa 时，A 阀由原来的全开开始逐渐关闭，B 阀全开不变。当控制器输出为 0.06 MPa 时，A 阀全闭，B 阀开始逐渐关闭。当信号为 0.1MPa 时，B 阀全关闭。 （2）调节阀异向动作的分程控制 调节阀异向动作，是指两个调节阀，一个是气开式

5、，另一个是气闭式，在一个系统中分程执行控制信号的情形。在图 7-18（a）中，当控制器输出信号为 0.02MPa 时，气开式A调节阀开始（逐渐）打开，气闭式调节阀B维持全开。当输出信号为 0.06MPa 时，A 阀全开，B阀开始关(b)（a）图7-18 调节阀异向动作分程图小。当输出信号为 0.10 时，B 阀全关，A阀维持全开不变。在图 7-18（b）中，当控制器输出0.01MPa 时，气闭式调节阀B开始关小。当输出信号为 0.06MPa 时，B阀全关，气开式调节阀A开始打开。当输出信号为 0.10MPa 时，A 阀全开，B 阀仍关闭。前面的化学反应器温度分程控制系统就是采用这种形式。 调节

6、阀按气开式和气闭式分类，进行两两组合，一共有四种选择结果。设计时应根据工艺要求、生产安全和经济节俭的原则来选择。7.3.2 值得关注的问题及其解决方法值得关注的问题及其解决方法 大体上说，分程控制系统的设计可按单回路控制系统进行。但是，由于使用了两个或两个以上的调节阀，因此产生了一些新的问题，需要有相应的解决办法。例如，控制器输出信号分几段、各调节阀如何实现各自的执行范围、各调节阀特性在选择上有什么值得注意的地方，以及因调节阀分程控制引起的控制性能变化等。 1. 分几程的问题 分程控制涉及：控制器输出信号分为几段？分别为几个调节阀提供操纵信号？要回答这类问题，必须了解生产工艺的要求。要求决定控

7、制、要求决定方式。通过事先对生产工艺过程的深入了解，发现问题，提出具体的解决方案。实践中二分程的居多。就拿本节前面的化学反应器温度控制系统来说，反应初期，反应器中的物料温度低于设定值，反应不能发生，需要加温，蒸汽加温就可满足这一需要。再考虑节约和安全的原因，蒸汽加温调节阀选气开式的。当物料温度上升后，物料反应发生，并释放大量的热。由于反应器中温度过高，影响产品质量和安全，需关断蒸汽阀，并进行降温。于是，冷水阀开启，带走热量，温度下降，最终维持在设定值上。由该过程可知，整个过程需加热和冷却两个调节阀即可，控制器输出信号经电气转换器后，也相应分为两段：0.060.10 MPa，0.020.06 M

8、Pa。 2. 分程控制的实现问题 分程控制系统中的调节阀与单回路控制系统中的调节阀，在输入信号工作范围上是不一样的。单回路控制系统只有一个调节阀，其输入信号范围是 0.020.1 MPa，而二分程控制系统中，有两个调节阀，其工作范围一个是 0.020.06 MPa，另一个为0.060.1 MPa。分程控制是通过调节阀的附件阀门定位器，如气动阀门定位器或电气阀门定位器，来实现的。具体说，根据每段输入信号范围，改变阀门定位器的弹簧或迁移输入信号零点，调整调节阀全行程动作所对应的信号区间。例如，当输入信号为 0.060.10 MPa 时，通过改变阀门定位器调节弹簧和零点，使其输出为 0.020.1

9、MPa，实现阀门从全关到全开，或全开到全关。当一个调节阀在其信号范围内工作时，另一个调节阀应保持先前状态不动作（全开或全闭）。 除了用阀门定位器实现控制信号的分程以外，如果用计算机进行过程控制，也可用计算机作工具，进行控制信号的分程。将计算机输出的控制信号进行区间划分、零点迁移、量程调整或标度变换等处理后，然后从不同的通道传输给相应的调节阀执行。 3. 因调节阀切换引起的问题 二分程控制系统的两个调节阀的选择一般与生产工艺过程要求有直接关系。从流量特性上来说，主要有两点要求： 第一是每个调节阀特性与过程特性的乘积应为常数，使得被控过程具有线性特征，并且每个控制通道（阀+过程）的特性应变化较小，

10、或者基本不变化。在工艺允许的情况下，尽量选择相近或相同特性的调节阀，为达到预期控制效果创造条件。 第二是所选的调节阀在切换时，其流量变化应连续、平滑。如果两个阀在流通能力、增益大小等方面有差异，它们切换时，流量会有变化，只是大小不同而已。一般来说，工艺上要求流量连续、过度平滑，应该在选择调节阀时有所考虑，或采取一定的补救措施。当然，如果工艺上对于这种变化无关紧要，可以置之不理。 图 7-19 为两线性调节阀组成的分程控制综合流量特性图。图7-19（a）表明由于线性阀A和B 流量特性相差较远，在由 A 阀切换至 B 阀时，出现大的转折，呈现较为严重的非线性。这对于一些严格的工艺过程可能是不允许的

11、。图 7-19（b）显示，线性阀 A 和 B 流量特性较为接近，由阀A切换至阀 B 后，基本上仍维持原线性特性。(a) A、B两阀特性相差较远图7-19 两线性调节阀组成的分程控制系统综合流量特性曲线(b) A、B两阀特性较为接近 当二分程控制系统采用的是两个对数流量特性的调节阀时，由 A 阀切换至 B 阀，很容易产生图 7-20（a）所示的情形，即在两调节阀流量衔接处出现弯曲。这种不平滑的过渡对一些工艺过程是不希望出现的。为此，可采取切换区域重叠的方法进行解决。假如原分程控制在气压为0.06 MPa 时，由 A 阀切至 B 阀，现在气压为 0.06 MPa 前后分别扩展一小区，作为由 A 阀

12、向 B 阀切换的重叠区，在该区两阀均工作，从而消除衔接处的弯曲，使流量平滑，过了该区后，A 阀停止工作。于是，解决了因阀切换而产生流量不平滑的问题，见图 7-20（b）。(a) 原两阀切换前后流量特性曲线图7-20 两对数调节阀组成的分程控制系统综合流量特性(b) 处理后两阀切换前后流量特性曲线 4. 控制器参数整定的问题 如果所选的两个调节阀在流量特性上相近，且调节阀的切换不会带来工艺流程上的明显差别，此时不会给控制性能带来较大影响。问题是如果两个调节阀相差较大，或切换调节阀还带 来工艺流程上的不同，此时将引起被控过程不小的变化，由于不能实时调整控制器参数，会给系统的控制质量带来影响。对于这

13、种情况，通常是采用折中的办法处理，整定的参数对任何一程工作状况虽不是最好的，但双方均可接受。当然，也可采用一些高等级的控制规律来解决问题，但这不是本节要讨论的内容。7.3.3 应用举例应用举例 分程控制的应用主要表现在两方面：一是满足工艺要求，实现分程分段控制，实践中以二分程居多；二是扩大调节阀的可调范围，一个调节阀用大流量的，另一个用小流量的，两者衔接使用，扩展流量控制范围，提高控制系统质量。 1. 废液的中和过程控制 在前面比值控制系统中，我们曾经叙述过用酸性液体来中和废碱液的变比值控制系统的例子，这里再举一个与其相似的例子，以此来说明分程控制的应用。 在一些诸如印染、造纸和化工等生产过程

14、中，常常排除一些酸性的，或者碱性的废弃液体。如果不对其进行处理，直接排入江河湖泊，将会污染环境，危害人和动物的健康。为此，需要对这些废弃液体进行中和无害化处理。由于废弃液体有酸性的（ ），也有碱性的 ( ),所以，需要对废弃液体进行 pH 值检测，根据检测结果，施加酸溶液或碱溶液，对废液进行中和，中和的理想结果应该是 ，然后排出中和液体。图 7-21 是废液中和过程分程控制示意图，其中 pHT 为检测器，也称 pH 计，pHC 为控制器。 pH7pH7pH7 设两个调节阀均为气开式，由于这里的中和液（被控量）比较特殊，可以考虑被控过程为正作用，而控制器取反作用方式，整个闭环构成负反馈。pH 检

15、测器是通过测量废弃液中氢离子 图7-21 废液中和过程分程控制示意图 浓度来检测酸碱度的。氢离子浓度越大，pH 值越小，但 pH 计输出的电流越大。设 时，检测器输出电流为 ，若 pH 检测器的输出电流为 ，则废弃液体呈碱性，此时应开启控制酸液的A阀（ B 阀应处在关闭状态），加入适量的酸性溶液，中和废碱液；相反，如果 ，则废弃液体呈酸性，此时应开启控制碱液的B阀（A 阀应处在关闭状态），加入碱性溶液，中和酸性废液。pH7IoIIoII 2. 扩大调节阀的可调范围 目前国产调节阀的可调范围一般为 30，在一些场合，这显得不够用。借助分程控制，将两个阀作一个阀使用，可实现扩大可调范围，即扩程。

16、扩程要求调节阀一个是大流通能力的，一个是小流通能力的，而且所用阀应为同向动作阀，大阀的泄漏量原则上不应超过小阀的正常工作调节量。 例如，大调节阀A的最大流通能力为 ，可调范围为 30，泄漏量为 0.9，则该阀最小流通能力为 （流通能力单位为：体积单位时间单位）。 Amax90CAmin90/303C 小阀 B 的最大流通能力为 ，可调范围为 30，则该阀最小流通能力为 泄漏量为 0。由此可算得总可调范围为 Bmax5C7.4 选择性控制系统选择性控制系统Bmin5/300.17C90588.80.90.17R由此可见，可调范围提高了不少。7.4.1 选择性控制的产生与概念选择性控制的产生与概念

17、 在生产过程中，生产设备和系统昼夜不停地工作，时间久了，难免会发生这样或那样的故障。以前碰到这种情况，往往会停车或停机检查、修理。对于较为复杂的控制系统，从发现问题，到排除，往往需要几小时、十几小时，甚至几天的时间。这严重地影响了生产，在经济上造成较大损失。随着技术的进步和需求的增加，生产也在向大规模、联动化和自动化的方向发展，一处的故障，可能引起全线的停机。于是，生产的安全性、控制系统的保护性问题就出现了。 生产过程控制中，当系统出现不正常状态时，既能自动发挥保护作用，又不停止设备运行的装置就是选择性控制系统（Selective Control System），也称超驰控制超驰控制（Over

18、ride Control）系 统，取代控制取代控制（Substitution Control）系统和软保护软保护（Soft Protection）系统。选择控制是将生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常控制系统中，当生产过程趋近于正常边缘区，但尚未到达危险区（安全软限）时，通过选择器（Selector），用一个称作取代控制器的装置自动顶替正常工作状况下的控制器运行，使生产过程脱离危险区，回到安全范围，从而取代控制器退出，恢复原控制器作用。 这里，选择器是该控制系统中非常重要的部分，它对输入信号的高低电位进行比较、判断，既可选中高值信号，也可选取低值信号，这通常由具体的工艺要求和过程条

19、件来决定。7.4.2 选择控制系统的类型、结构与原理选择控制系统的类型、结构与原理 选择控制系统的特点是采用了选择器，它既可接在两个及两个以上的控制器输出端后，对控制信号进行选择，又可接在两调节阀前对执行机构进行选择，还可接在两个即两个以上检测器输出端，对测量信号进行选择，以满足生产过程控制的需要。下面介绍这些选择性控制系统。 1. 对控制器输出的选择性控制系统 也称对被控量的选择性控制系统，这类选择性控制系统的结构如图 7-22 所示。图中有两个控制器，一个是正常情况下使用的控制器，简称正常控制器（Normal/Regular Controller）；另一个是异常情况下使用的控制器，称为取代

20、控制器（Alternative Controller），或替代控制器。选择器通常对两个来自控制器的输出信号进行比较判断，确定选择哪个。 当生产正常运行时，选择器选择正常控制器的输出信号作调节阀的操纵量，驱动调节阀进行正常自动化工作。与此同时，取代控制器处在等候状态，不参与控制活动；当生产出现不正常时，选择器将切断正常控制器工作，转而启用取代控制器，使系统进入非正常生产过程控制状态。一旦生产状态恢复正常，选择器发现并自动切换，重新接纳正常控制器的输出信号，切断取代控制器的作用，使控制系统又进入正常工作状态。由于这类选择性控制系统结构简单，构建和维护方便，因而被广泛使用，它也是本节后面讨论的重点。

21、 图 7-22 对控制器输出信号进行选择的可控制系统方框图 2. 对调节阀的选择性控制系统 该类控制系统也称对操纵量的选择性控制系统，如图 7-23 所示。它与前面对被控量选择性控制系统的差别在于，本被控量只有一个，而操纵量却有两个，即调节阀是两个；与单回路控制系统相比，它增加了一个影响被控量的控制通道。 举例来说，在炼油或化工厂，常采用多种燃料对加热炉进行加热，设有低值燃料A和高值燃料B。被加热物料经加热后的温度被列为被控量，它反映所需热量的一个指标。为节省能源 图7-23 对调节阀的选择性控制系统方框图与成本，在轻载荷时，使用低值燃料 A，负荷增加后，温度上升较慢时，才将高燃料 B 投入使

22、用，于是有了对操纵量的选择问题。当然，这里的选择器有计算和决策的问题，它比前一种选择器显得复杂些。 3. 对检测量的选择性控制系统 （1）高测量值或低测量值选择 该类选择器通常位于检测器之后、控制器之前，主要用于对检测信号取最高值、最低值、中间值或可靠值。图 7-24 为对三个检测器输出信号进行选择的控制系统。选择器的输入信号可以是两个或两个以上检测器输出信号，然后根据选择规则，挑出一个输出。这里的选择规则，可以是高选（High Selector, HS），也可以是低选（Low Selector, LS）。总之，根据需要进行选择。图7-24 对检测器输出进行选择的控制系统 图 7-25 为反应

23、器最热点温度选择示意图。其中 （ ）为温度检测器，HS 为（最）高温选择器。固定床反应器内装有固定触媒层，氢气和氮气在触媒作用下，生成氨。反应温度是反映氨合成律的间接指标，而反应器中的最热点是反应状况的被控参数，它过高会烧毁触媒。当反应气体在反应器中自上而下流动时，最热点温度的位置会随流量大小而变。所以，在反应器多处安插热电偶测量温度，然后将测量值送至高值选择器 HS，选出最高温度值输出，经过温度控制回路的控制作用，可以防止触媒被烧毁。最低值选择有类似的特点，只是“高”字改为“低”字。i=1,2,3,4iTT （2）可靠测量值选择 在一些易燃易爆场的生产现场合，一般安装有监测和控制装置，为了防

24、止事故发生，常常同时安装多个（例如三个）检测器。检测器输出信号进入选择器，选出可靠的测量信号进行控制，以提高系统运行的可靠性。图7-26 为某反应器成分信号中值的选择性控制,其中 iC T(i=1,2,3)图7-25 反应器中最热点温度选择图7-26 可靠测量值选择为成分检测器。取成分为被控参数，如果检测器的可靠性不好，因检测故障导致控制失败时，可能发生爆炸事故。为此，采用冗余技术，安置三个组分检测器，通过选择器，选取它们输出的中间值作反馈信号。通过高值选择和低值选择两道选择，获得中间值。即三个检测器，两两选高（HS），然后在两高中取低（LS），即为成分信号的中值。当然，如果采用计算机控制，其

25、选择可改由软件实施，实现更简单。7.4.3 选择性控制系统的设计选择性控制系统的设计 1. 选择器的确定 选择器是选择性控制系统极为关键的部分，其作用在系统设计中占有举足轻重的地位。其作用是将来自正常控制器和取代控制器的输出信号，或者来自不同位置的检测输出信号，进行比较判断，决定选用哪种信号。它分高值选择和低值选择两种，所谓高值选择是在所有输入选择器的信号中，选择幅值最大的信号为选择器的输出信号，其它信号被阻挡；低值选择是在所 有输入信号中，选择幅值最小的信号为选择器输出信号，而其它信号被阻拦。在具体选型时，根据生产处于不正常状态下，取代控制器输出信号是高值或低值，来确定选择器的类型。如果取代

26、控制器输出信号为高值时，则选用高值型选择器，如果取代控制器输出信号为低值时，则选用低值选择器。 2. 控制器的控制规律与作用方式 第一类选择性控制系统中有两个控制器，一个是正常控制器，另一个是取代控制器。在系统正常工作时，正常控制器发挥作用，其控制器选择与单回路控制系统相同。如果有较高的控制精度要求，为保证控制质量，通常选用 PI 控制规律，假如还有较大容量滞后，可选 PID 控制规律；取代控制器在系统正常工作时，处在侯备侯备状态，一旦生产出现异常，取代控制器应迅速投入运行，防止事故发生与扩大。所以取代控制器常选用 P 控制规律。如果对极限值要求严格，也可用 PI 控制律，但应有抗积分饱和措施

27、。至于控制器的正、反作用方式，按单回路控制系统的设计原则来确定。 3. 控制器参数整定 正常控制器的参数整定与通常的控制器常规控制规律的参数整定是一样的，值得注意到是取代控制器的参数整定。由于取代控制器是“临危受命”，所以一旦启动，希望它迅速行动，及时起到保护作用。于是，比例度应整定得小些，即比例增益大些，比例度应整定得小些，即比例增益大些，如果有积分作用，积分作用不应过强，弱些为好，不影响快速性。 4. 控制器积分饱和及其应对措施 不论是正常控制器，还是取代控制器，如果控制规律中含有积分，当它处在开环状态（即未被选择器选中）时，由于输入存在偏差，其控制器的输出将达到最大值或最小值，并出现积分

28、饱和现象。若正常控制器出现积分饱和，当选择器由取代控制器切换到正常控制器后，由于正常控制器此时处在饱和状态而失去控制能力，只能等到输入变化，输出退出饱和后，该控制器才能发挥作用；若取代控制器出现积分饱和，当生产出现异常工况时，需要等饱和消退后才能起保护作用，此时事故可能已经发生。所以，应该采取措施，消除控制器积分饱和现象。 防止控制器积分饱和的方法有很多，这里介绍积分外反馈法、PI-P 法和限幅法。 （1）积分外反馈法 当选择性控制的两个控制器均含有积分控制 I 时，处在备用开环状态的控制器，利用正在工作的控制器的输出作为它的积分反馈，不用自身的输出作积分反馈，以达到防止备用控制器积分饱和目的

29、。这就是积分外反馈法。图 7-27 中被选中的信号送至调节阀，同时被反馈至两个控制器的积分端，实现积分外反馈。 图 7-27 为积分外反馈原理示意图，其中，LS为低电位选择器，设控制器 1 和控制器 2 均为PI 控制规律， 和 分别为控制器 1 和控制器 2 的输出， 和 分别为检测器 1 和检测器 2。图7-27 积分外反馈原理示意图o1uo2u1U T2U T当 时，控制器 1 被选中，其输出表达式为 o1o2uuo1c111i11duKee tT其中 为控制器 1 的输入偏差信号， 和 分别为控制器 1 放大系数和时间常数。该输出反馈至积分外反馈，对于控制器 1 来说是自身输出，PI

30、规律不受影响。但是，对于待用控制器 2 来说，其输出为o2c221i21duKee tT1ec1Ki1T其中积分项的被积信号是控制器 1 的偏差 ，而不是控制器 2 的偏差信号 ，不会因为 带来积分饱和问题。随着系统的稳定， 将趋于零，积分项也变为常数，不会饱和。一旦条件逆转，控制器 2 被选用，控制器 2 立即执行 PI 控制规律，因无饱和，也就不存在退饱和而影响控制实时性问题。1e1e2e2e （2）PI-P 法 也称积分切除法。它从控制器结构上下手，当 PI 控制器处在开环状态（待工作）时，暂时切除积分 I 作用，保留比例P作用；当 PI 控制器处在闭环状态（工作）时，恢复原有的 PI 作用。现在的 DDZ- 型仪表有现成产品供选购。 （3）限幅法 利用高值或低值限幅器，使控制器输出信号不超过正常工作信号最高限和最低限，即不进入饱和区。在 DDZ- 型仪表中，有偏差反馈积分限幅和积分反馈积分限幅两类控制器供选用。 7.4.4 选择性控制系统的应用选择性控制系统的应用 图 7-28 是一个锅炉压力选