分程控制系统

2.5分程控制系统2.5分程控制系统1分程控制系统的基本概念2分程控制系统的方案实施3阀位控制系统2.5分程控制系统

2.5.1分程控制系统的基本概念1．分程调节系统一般来说，一台调节器的输出仅操纵一只调节阀，若一只调节器去控制两个以上的阀并且是按输出信号的不同区间去操作不同的阀门，这种控制方式习惯上称为分程控制。图2.5-1表示了分程控制系统的简图。

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图2.5-1分程控制系统示意图2.5分程控制系统

图中表示一台调节器去操纵两只调节阀，实施（动作过程）是借助调节阀上的阀门定位器对信号的转换功能。例如图中的A、B两阀，要求A阀在调节器输出信号压力为0.02～0.06MPa变化时，作阀的全行程动作，则要求附在A阀上的阀门定位器，对输入信号0.02～0.06MPa时，相应输出为0.02～0.1MPa，而B阀上的阀门定位器，应调整成在输入信号为0.06～0.1MPa时，相应输出为0.02～0.1MPa。按照这些条件，当调节器（包括电/气转换器）输出信号小于0.06MPa时A阀动作，B阀不动；当输出信号大于0.06MPa时，而B阀动作，A阀已动至极限；由此实现分程控制过程。2.5分程控制系统调节阀分程动作（同向）

图2.5-2调节阀分程动作（同向）

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图2.5-3调节阀分程动作（异向）

（a）气关-气开型

（b）气开-气关型调节阀分程动作（异向）

2.5分程控制系统一般调节阀分程动作的采用：同向规律的是为满足工艺上扩大可调比的要求；反向规律的选择是为满足工艺的特殊要求。2.5分程控制系统2．分程控制系统的应用1）为扩大调节阀的可调范围。调节阀有一个重要指标，即阀的可调范围。它是一项静态指标，表明调节阀执行规定特性（线性特性或等百分比特性）运行的有效范围。可调范围可用下式表示：

(2.5-1)2.5分程控制系统

式中——阀的最大流通能力，流量单位。

——阀的最小流通能力，流量单位。国产柱塞型阀固有可调范围比，所以。须指出阀的最小流通能力不等于阀关闭时的泄漏量。一般柱塞型阀的泄漏量仅为最大流通能力的0.1～0.01%。对于过程控制的绝大部分场合，采用的控制阀已足够满足生产要求了。但有极少数场合，可调范围要求特别大，如果不能提供足够的可调范围，其结果将是在高负荷下供应不足，或在低负荷下低于可调范围时产生极限环。

2.5分程控制系统例如蒸汽压力调节系统，设锅炉产生的是压力为10MPa的高压蒸汽，而生产上需要的是4MPa平稳的中压蒸汽。为此，需要通过节流减压的方法将10MPa的高压蒸汽节流减压成4MPa的中压蒸汽。在选择调节阀口径时，如果选用一个调节阀，为了适应大负荷下蒸汽供应量的需要，调节阀的口径要选择得很大，而正常情况下蒸汽量却不需要哪么大，这就需要将阀关的小一些。也就是说，正常情况下调节阀只是在小开度工作，因为大阀在小开度下工作时，除了阀的特性会发生畸变外，还容易产生噪声和震荡，这样控制会使控制效果

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变差控制质量降低。为了解决这一矛盾，可选用两只同向动作的调节阀构成分程控制系统，如图2.5-2所示的分程控制系统采用了A、B两只同向动作的调节阀（根据工艺要求均选为气开式）其中A阀得在调节器输出信号4～12mA（气压信号为0.02～0.06MPa）时由全闭到全开，B阀得在调节器输出信号12～20mA（气压信号为0.06～0.1MPa）时由全闭到全开，这样，在正常情况下，即小负荷时，B阀处于全关，只通过A阀开度的变化来进行控制；当大负荷时，A阀已全开仍满足不了蒸汽量的需求，这时B阀也开始打开，以补足A阀全开时蒸汽供应量的不足。

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图2.5-4蒸汽减压分程控制系统原理图2.5分程控制系统

假定系统中所采用的A、B两只调节阀的最大流通能力均为100，可调范围=30。由于调节阀的可调范围为：(2.5-2)

据上式可求得

(2.5-3)

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当采用两支阀构成分程控制系统时，最小流通能力不变，而最大流通能力为两阀最大流通能力之和，即，因此A、B两阀组合后的可调范围应是：

这就是说采用两支流通能力相同的调节阀构成分程控制系统后，其调节阀的可调范围比单只调节阀增大一倍。

2.5分程控制系统2）满足工艺操作的特殊要求。在某些间歇式生产化学反应过程中，当反应物投入设备后，为了使其达到反应温度，往往在反应开始前需要给它提供一定的热量。一旦达到反应温度后，就会随着化学反应的进行不断释放出热量，这些热量如不及时移走，反应就会越来越激烈，以致会有爆炸的危险。因此对于这种间歇式化学反应器既要考虑反应前的预热问题，又要考虑反应过程中及时移走反应热的问题。为此设计了如图2.5-5所示的分程控制系统。2.5分程控制系统

图2.5-5间歇式化学反应器分程控制系统图

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图中温度调节器选择反作用，冷水调节阀选择气关式（A阀），热水调节阀选择气开式（B阀）。该系统工作过程如下:在进行化学反应前的升温阶段，由于温度测量值小于给定值，因此调节器输出增大，B阀开大，A阀关闭，即蒸汽阀开、冷水阀关，以便使反应器温度升高。当温度达到反应温度时，化学反应发生，于是就有热量放出，反应物的温度逐渐提高。当温升使测量值大于给定值时，调节器输出将减小（由于调节器是反作用），随着调节器的输出的减小，B阀将

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逐渐关小乃至完全关闭，而A阀则逐渐打开。这时反应器夹套中流过的将不再是热水而是冷水。这样一来，反应所产生的热量就被冷水所带走，从而达到维持反应温度的目的。2.5分程控制系统2.5.2分程控制系统的方案实施1．分程区间的确定分程控制系统设计主要是多个阀之间的分程区间问题，设计原则：①先确定阀的开关作用形式（以安全生产为主）；③最后决定各个阀的分程区间。②再决定调节器的正反作用；2.5分程控制系统当调节阀采用分程控制，如果它们的流通能力不同，组合后的总流通特性，在信号交接处流量的变化并不是光滑的。例如选用和这两只调节阀构成分程控制，两阀特性及它们的组合总流量特性如图2.5-6所示。2．分程阀总流量特性的改善2.5分程控制系统

图2.5-6分程系统大、小阀连接组合特性图2.5分程控制系统

由图2.5-6可以看出，原来线性特性很好的两只控制阀，当组合在一起构成分程控制时，其总流量特性已不再呈现线性关系，而变成非线性关系了。特别是在分程点，总流量特性出现了一个转折点。由于转折点的存在，导致了总流量特性的不平滑，这对系统的平稳运行是不利的。为了使总流量特性达到平滑过渡，解决在0.06处出现了大的转折，呈严重的非线性方法可采用如下方法。①选用等百分比阀此时可自然解决；②线性阀则可通过添加非线性补偿调节的方法将等百分比特性校正为线性。

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2.5.3

阀位控制系统1．概述一个控制系统在受到外界干扰时，被控变量将偏离原先的给定值，而发生变化，为了克服干扰的影响，将被控变量拉回到给定值，需要对控制变量进行调整。对一个系统来说，可供选择作为控制变量的可能是多个，选择控制变量既要考虑它的经济性和合理性，又要考虑它的快速性和有效性。但是，在有些情况下，所选择的控制变量很难做到两者兼顾。阀门控制系统就是在综合考2.5分程控制系统

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。

图2.5-7阀位控制系统结构原理图2.5分程控制系统

阀位控制系统的原理结构如图2.5-7所示。在阀位控制系统中选用了两个控制变量蒸汽量和物料量，其中控制变量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。控制变量却正好相反，快速性、有效性较好，但经济性、工艺的合理性较差。这两个控制变量分别由两支控制器来控制。其中控制流量变量的主控制器为TC，控制蒸汽变量的为阀位控制器VPC。主控制器给定值即产品质量指标，阀门控制器的给定值是控制变量管线上控制阀，阀位控制系统也因此得名。

如图2.5-8的阀位控制系统，假定A阀、B阀均选为气开阀，主控制器TC（温度调节器）为正作用，阀位控制器VPC为反作用。系统稳定情况下，被控变量等于主控制器的设定值R，A阀处于某一开度，控制B阀处于阀位调节器VPC所设置的小开度r。当系统受到外界干扰使原油出口温度上升时，温度调节器的输出将增大，这一增大的信号送往两处：

2.5分程控制系统2．阀位控制系统的工作原理

2.5分程控制系统

其一去B阀；其二去VPC。送往B阀的信号将使B阀的开度增大，这会将原油出口温度拉下来；送往VPC的信号是作为其测量值，在r不变的情况下，测量值增大，VPC的输出将减小，A阀的开度将减小，燃料量则随之减小，出口温度也将因此而下降。这样A和B两只阀动作的结果都将会使温度上升的趋势减低。随着出口温度上升趋势的下降，温度调节器的输出逐渐减小，于是B阀的开度逐渐减小，A阀的开度逐渐加大。2.5分程控制系统这一过程一直进行到温度调节器及阀位调节器的偏差都等于0时为止。温度调节器偏差等于0，意味着出口温度等于给定值，即阀位调节器偏差等于零，意味着调节阀B的阀压与阀位调节器VPC的设定值r相等，而B的开度与阀压是有着一一对应的关系的，也就是说阀B最终会回到设定值r所对应的开度。2.5分程控制系统由上面的分析可以看到：本系统利用控制变量的有效性和快速性，在干扰一旦出现影响到被控变量偏离给定值时，先行通过对控制变量的调整来克服干扰的影响。随着时间的增长，对控制变量的调整逐渐减弱，而控制出口温度的任务逐渐转让给控制变量来担当。最终阀B停止在一个很小的开度(由设定值r来决定)上，而维持控制的合理性和经济性。

例题

某生产过程中，冷物料通过热交换器用热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。设计如图所示的温度分程控制系统。例题试求：（1）画出系统的结构方块图；（2）确定蒸汽阀和热水阀的气开、气关形式；（3）确定调节器的正、反作用。例题（1）系统的结构方块图（2）蒸汽阀和热水阀均为气开式。（3）调节阀为反作用。例题

在一些生产过程中，许多存放石油化工原料的储罐建在室外，