第7章 实现特殊工艺要求的过程控制系统

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。）了解自动选择性控制

2、的特点及应用场合。 引子引子 例1：稀硝酸生产 氨与空气按一定比例混合氧化 氧化炉氨、空气比超出一定极限会引起爆炸，非常危险。 控制系统的要求：必须维持氨、空气比恒定 采用反馈控制待氨与空气变化再调节，为时己晚，事故己发生。 例2：炼油厂催化裂化装置的再生器 作用：使催化剂再生，烧去催化剂表面的焦碳 进入再生器内催化剂与空气应有一定的比例 空气过低：燃烧不充分，不能保证催化剂的活性，影响下一工艺 空气过剩：降低再生器温度、加大影响主风机的负荷，增加能耗 设计一种特定的控制系统，根据空气量的变化调节氨的量 根据再生催化剂量去调节主风量 例3：工业废水处理装置 含NaOH废水直接排入河道将污染环境

3、 含量大时采取回收；含量小时采用加酸中和，保证废水的PH=7 根据碱的含量及浓度调整酸流量 怎么样完成上述功能来满足工艺要求呢？根据某一流量的变化调节另一流量比值控制： 物料流量成一定比例关系物料流量成一定比例关系课本例子：1）锅炉燃烧过程：燃料与空气量成比例 2）制药生产过程：药物和注入剂成比例 3）硝酸生产过程：氨气和空气量成比例主导：主动物料、主流量、主导：主动物料、主流量、q1q1随变：从动流量、副流量、随变：从动流量、副流量、q2q2q2/q1 = K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、

4、开环比值控制系统开环比值控制系统比值较不稳定总量不稳定q12 2、单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统问题：问题：这种单闭这种单闭环比环比值控制系统可以值控制系统可以 精确地控制精确地控制Q1Q1与与Q2Q2的比值关系。的比值关系。但但Q1Q1的值不可控。的值不可控。比值稳定总量不稳定3 3、双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统问题：问题：所用仪表较多，投资较高。所用仪表较多，投资较高。 比值稳定总量稳定4、 变比值控制系统变比值控制系统注意注意: 在变比值控制系统中，比值通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。常只是一种控制手段不是最终目的。第三参数第三参数y(s)y(s

5、)往往往往是产品质量指标。是产品质量指标。第三个工艺参数第三个工艺参数三三串级控制形式副环：比值稳定主环：总量稳定比值设定方法：比值设定方法：TF1TF2CF2相除比值相除比值给定值TF1TF2CF2给定值相乘比值相乘比值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

6、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）流量与检测信号呈非线性关系 1 1、比值器参数的计算、比值器参数的计算 qCp22max164qImAq说明：差压与流量平方成正比说明：差压与流量平方成正比 说明：说明：DDZ-IIIDDZ-III型仪表型仪表2222max222max222211max11max44qImAqqKKqqImAq（1 1）流量与检测信号呈非线性关系）流量与检测信号呈非线性关系 （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

7、数的计算 21max2max2144qKKqII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。 1max22max144qIKKqI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。 差压变送器后串接开方器差

8、压变送器后串接开方器（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：hmQhmQ/20/5.123max23max1工艺要求工艺要求4.112QQK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: 766.0205.124.1222max22max212QQKK解解:加开方器后加开方器后:875. 0205 .124 . 1K2 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 非线性特性：被控过程的静态放大系数

9、静态放大系数随负荷变化而变化的特性（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：2max2max2222kqpkqp采用采用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(max222ppI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：202max222232202qqqIKqq问题：当负荷增大时，调

10、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 开方器：使流量与测量信号之间呈现线性关系。开方器：使流量与测量信号之间呈现线性关系。 差压变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：22222max4416qIIq测量变送环节和开方器串接后总的静态放大系数为： 2202222max4IKqqq 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，

11、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 21QsK KQs为常数1max2maxqKKq 21202120221mzccmQsGs Gs K Gs GsQ sGs Gs Gs动态补偿器的传递函数为 20222max12021max1cmZmcG s G s GsqG sG s G s G 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种比值控制的具体实现方案有两种: :二、把一个流量的测量值

12、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。比值控制系统的参数整定n双闭环：主动量回路参照单回路控制系统n变比值：主调节器参照串级控制系统n步骤：1）计算比值器参数K2）积分时间置于最大，比例系数p(比例度由大到小，直至临界过程为止，曲线b)3）先适当减小p（放宽比例度，一般20%），再加入积分作用（逐步减小积分时间），直至临界过程为止，曲线c原则：整定在振荡与不振荡的临界状态1均匀控制的提出均匀控制的提出 均匀控制系统

13、具有使控制量与被控制量均匀缓慢地在一定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

14、内部解决两种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：只设计液位控制时前后设备的液位、流量关系只设计液位控制时前后设备的液位、流量关系 Kc较大 Kc适中 Kc较小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

15、制系统，也可以是均匀控制系统。因此均匀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

16、备的特性及重要件等因素来确定其主次。配，而是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

17、，调节规律的选择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 ，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。

18、如图，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。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并不是为了提高主参数液位的控制精度，而是而是为了克服阀前压力波动及自平衡特性对流量的影响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，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 (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) 主调节器一般采用比例

19、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。3.调节器的参数整定调节器的参数整定 （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

20、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。minVqt (1) (1) 所有均匀控制中，所有均匀控制中， 均比定值控制要大。均比定值控制要大。IT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 tminmin2020202040404040比例度比例

21、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，在一般的控制系统中，调节器的输出只控制一个调调节器的输出只控制一个调节阀节阀. 但在某些工业生产中，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：这种控制系统通常称为：分分程控制系统程

22、控制系统。分程控制系统的信号分段TC:反作用蒸汽阀:气开冷水阀: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出信号的分程 2 2、调节阀的选择及注意的

23、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，将流通能力不同、可调范围相同的两个调节阀当一个调

24、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1max2max1min109.2 0.14780RCCC分1min2min0.143.5CC和而可调范围均为而可调范围均为1230RR的最大流通能力分别为1max2max4.2105CC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

25、，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7PH7PH7PH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，它们没有该考虑到在事故状态下的安全生产问题，即产问题，即当操作条件到达安全极限当操作条件到达安全极限时，应有保护性措

26、施。如大型透平时，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： ：高反作用低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