过程控制系统课件 第6章 简单控制系统的设计

过程控制系统

——特殊控制方法

电气与控制工程学院提纲比值控制系统均匀控制系统分程控制系统自动选择控制系统应用举例8/26/20242一、比值控制原理6.1比值控制系统1、方法的产生

在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成一定比例关系；一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。如：燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定比例混合后送入炉膛。制药生产中要求药物和注入剂按比例混合。造纸过程中为保证纸浆浓度，要求自动控制纸浆量和水量比例。水泥配料系统……8/26/202432、比值控制的含义

凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控制系统，统称为比值控制系统。3、变量及关系

主动量---起主导作用而又不可控的物料流量；从动量---跟随主动量而变化的物料流量；比例系数:K=Q2/

Q1二、比值控制系统的结构类型1、开环比值控制(1)系统组成：如下图所示8/26/20244（2）特点简单、成本低；只有当Q1变化时才起控制作用；

Q2变化时Q1不会响应，比例关系被破坏。（3）适用场合从动量没有干扰的情况。

8/26/202452、单闭环比值控制（1）特点:能克服开环比值方案的不足。（2）系统组成：如下图所示（3）工作过程稳定状态下……

主动量变化时……

从动量由于干扰而变化时……（4）优缺点优点：不但能实现从动量跟随主动量变化，而且能克服从动量本身干扰对比值的影响等。缺点：主动量不受控。（5）适用场合

在负荷变化不太大的场合得到广泛应用。8/26/202468/26/202473、双闭环比值控制（1）特点：能克服单闭环主流量不受控的不足。（2）系统组成：如下图所示（3）优点：※对主动量实行定值控制，克服了干扰对主、从动量的影响。※升降负荷比较方便。（4）适用场合常用在主动量干扰频繁或工艺上不允许负荷有较大的波动，或工艺上经常需要升降负荷的场合。8/26/20248（5）使用中的注意事项

防止从动量回路产生“共振”。

主、从控制器都不宜采用微分作用。4、变比值控制系统（1）方法的产生

在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个变量的变化而变化。

为了满足上述生产工艺要求，开发并应用变比值控制。（2）系统结构：如下图所示（3）变比值控制的含义变比值控制系统是一个以第三个变量为主变量(质量指标)、以两个流量比为副变量的串级控制系统。（4）工作过程

8/26/20249系统稳定时……

当Q1、Q2出现扰动时……

当出现其他扰动(如温度、压力、成分等变化)时……（5）特点比值只是一种手段，不是最终目的，而第三变量y(t)往往是产品质量指标。

8/26/202410（6）应用实例8/26/202411例：如图所示为单闭环比值控制系统，试问：（1）系统中为什么要加开方器？（2）为什么说该系统对主物料来说是开环的，而对从物料来说是一个随动控制系统？（3）如果其后续设备对从物料来说是不允许断料的，试选择调节阀的气开、气关型式；（4）确定FC的正、反作用。KFCQ1Q2因为节流装置的输出差压信号是与流量的平方成比例的，加开方器后，使其输出信号与流量成线性关系因为主物料只测量，不控制，故是开环的。从物料FC的给定值是随主物料的流量变化而变化，要求从物料流量亦随主物料流量变化而变化，故为随动控制系统。气关型正作用8/26/202412三、比值控制系统设计1、主、从动量的选择（1）单闭环比值控制系统主、从动量的选择（一个流量可控，另一个流量不可控）不可控的流量作为主动量，可控的流量作为从动量。（2）双闭环比值控制系统主、从动量的选择（两个流量都可控）可以掌握以下原则：①分析两种物料的供应情况，将有可能供应不足的物料流量作为主动量，供应充足的物料流量作为从动量。②将对生产负荷起关键作用的物料流量作为主动量。③从安全角度出发，分析两种物料流量分别在失控情况下，看哪一种情况必须保持比值一定，就将这种情况下的那种物料流量作为主动量较为合适。8/26/2024132、比值系数的换算

要实现流量比值控制，首先就必须将工艺上的流量比值K换算成仪表上的信号比值K’。换算方法随流量与测量信号间是否成线性关系而不同。（1）流量与测量信号成线性关系流量检测信号经过开方器后与流量信号成线性关系。对DDZ－Ⅲ型仪表，当流量由零变至最大值Qmax时，仪表对应的输出信号为4～20mA（DC），则流量的任一中间值Q所对应的输出电流为：(5-1)则：(5-2)8/26/202414根据式（5-2）(5-3)所以仪表比值K’为：(5-4)

对于气动单元组合仪表，当流量由零变至最大值Qmax时，仪表对应的输出信号为0.02～0.1Mpa，则流量的任一中间值Q所对应的输出信号为：(5-5)所以仪表比值K’为：(5-6)8/26/202415（2）流量与测量信号成非线性关系

流量与压差的关系为：(5-7)

当压差信号是由零变到最大值△pmax时，DDZ－Ⅲ型仪表对应的输出信号为4～20mA（DC），气动仪表对应的输出信号为0.02～0.1Mpa。对于电动仪表则(5-8)所以(5-9)则有(5-10)得(5-11)8/26/2024163、实施方案的选择（1）应用比值器方案DDZ-Ⅲ电动比值器(5-12)(5-13)

在流量比值稳定操作时，控制器的测量值应等于设定值，即

式中的K’由式（5-4）和（5-11）的换算公式求得。

比值器的输入、输出信号关系式为：8/26/202417（2）应用乘法器方案

乘法器的输入、输出信号关系式为：(5-14)

由于系统在稳态时，控制器的测量值I2应等于设定值I0，将I0=I2代入式（5-14）得：(5-15)8/26/202418

如果采用开方器，流量为线性变送时，(5-16)

如果没有采用开方器，流量为非线性变送时，(5-17)

由于DDZ-Ⅲ电动单元组合仪表采用的标准信号为4—20mA，要保证IS在标准信号范围内，则要求(5-18)8/26/202419

所以在选择流量检测仪表的量程时，应满足(5-18)

假定由于仪表量程选择的限制和工艺K的条件造成K’＞1，为了使IS在标准信号范围内，可将乘法器由主流量一侧改接在从流量一侧，不失原来的比值控制作用，如图6.8所示。此时，乘法器的输入、输出信号关系式为：(5-19)系统稳态时，，代入（5-20）得：(5-20)利用此方法解决了设定值电流的设置问题。8/26/202420（3）应用除法器方案利用乘法器实现的单闭环比值控制系统如图6.9所示。由于乘法器的输出是两流量的比值，可直接显示。使用时注意事项：乘法器总是用小信号除以大信号。对于从动量控制回路而言，乘法器被包括在回路当中，乘法器的非线性对控制系统品质将会造成影响。8/26/2024214、开方器的选择

在用差压法测量流量时，测量信号与流量的关系为：(5-22)它的静态放大系数为：(5-23)

由（5-23）可知，k正比于流量，即随着负荷的增大而增大。从而影响系统的动态品质。采用开方器后，静态放大系数与负荷大小无关，系统的动态品质将不受其影响。8/26/2024225、从动量对主动量的动态跟踪

当系统除了要求静态比值恒定外，还要求动态比值一定。为此，在单闭环比值控制系统中，于比值器的后面引入一个动态补偿环节GZ，如图6.10所示。8/26/202423

要做到从动量Q2对主动量Q1的动态跟踪，即保持二者的比值关系不变，则(5-24)

对于比值器，其传递函数为

Gk（s）则(5-25)式（5-25）即为严格的动态补偿环节的传递函数。8/26/202424四、比值控制系统整定1、变比值控制系统其主控制器的参数整定可按串级控制系统进行。2、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统（1）由K到K′，按照K′进行投运；（2）将TI=∞，由大到小逐渐改变比例度δ，直到在阶跃干扰下过渡过程处于振荡与不振荡的临界过程（非周期临界情况）为止。（3）如果TI≠∞，在适当放宽比例度（一般为20%）的情况下，缓慢地减小积分时间，直到出现非周期临界情况或稍有一点过调为止。3、双闭环比值控制系统中的主动量回路控制器是定值控制系统，，可按单回路定值控制系统进行整定（为非周期过程）。8/26/202425例：如图所示为一控制系统示意图，QA、QB分别为A、B两种物料的流量，试问：（1）这是一个什么控制系统？（2）主物料和从物料分别指什么？（3）如A、B物料比值要求严格控制，试确定调节阀的气开、气关型式；（4）确定调节器的正、反作用；（5）说明对于物料A、B来说，是定值系统还是随动系统？（6）如果A、B物料流量同时增加，试说明系统的控制过程。8/26/202426一、均匀控制的用途、概念及特点1、问题的提出在连续生产过程中，一个装置或设备往往与前后的装置或设备紧密地联想着，前一装置或设备的出料量是后一装置或设备的进料量，而后一装置或设备的出料量又输送给其他的装置或设备。例如石油裂解气分离工艺，前后共串联了八个塔。前后有物料联系的精馏塔，前塔的液位与后塔的进料量的稳定要求会发生矛盾，如下图所示。6.2均匀控制系统8/26/2024272、解决方案两塔之间增设缓冲器(不适宜)。采用均匀控制系统(上策)。3、均匀控制的概念

使两个有关联的被控变量在规定范围内能缓慢地、均匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾、均匀协调的系统。8/26/2024284、均匀控制的特点

表征前后供求矛盾的两个参数都是变化的，变化是缓慢的，是在允许范围内波动的。参见下图。非均匀控制前塔的液位变化不能超过规定的上、下限。后塔的进料量也不能超过最大和最小处理量。8/26/202429二、均匀控制系统的结构形式1、简单均匀控制系统（1）方案示例如下图8/26/202430（5）适用场合

（2）与液位定值控制相比通常适用于扰动较小、对流量的均匀程度要求较低的场合。比例作用是基本的；不能引入微分；积分是否引入视情况而定。系统的结构和所使用的仪表是完全一样的，但控制目的不同。（3）对控制参数应做适当选择（4）特点简单均匀控制系统的最大优点是结构简单、操作方便、成本低；但控制效果差。8/26/2024312、串级均匀控制系统（1）组成结构为了克服调节阀前后压力波动和被控过程的自衡特性对流量的影响，设计以流量为副变量的流量控制副回路，如下图所示。8/26/202432（2）与典型串级的异同

不能加微分作用；液位宜采用PI规律；流量一般用P规律。

串级均匀控制系统能克服控制阀前后压力较大的扰动，使主、副变量变化均匀缓慢平稳，控制质量较高。结构方案相同，目的不同；均匀串级控制的目的是使液位与流量均匀协调。（3）控制过程设干扰使1#塔液位上升…

设2#塔因塔压变化使其入料量发生变化…（4）控制作用选择(十分重要)（5）特点8/26/2024333、双冲量均匀控制系统（1）含义所谓双冲量均匀控制系统，就是将两个变量的测量信号通过加法器后作为被控量的均匀控制系统。（2）应用示例8/26/202434（3）一般方框图（4）适用场合

由于双冲量均匀控制系统的主控制器比例度不可调，所以它只适用于生产负荷比较稳定的场合。8/26/202435三、控制器的参数整定

简单均匀控制系统和双冲量均匀控制系统，要整定的控制器都是一个，可以按照单回路控制系统的整定方法进行，但注意比例度要宽、积分时间要长，通过“看曲线、整参数”，使液位和流量达到均匀协调的最终目的。串级均匀控制系统有两个控制器，其参数整定方法如下：1、经验整定法

所谓经验整定法就是根据经验给主、副控制器设置一个适当的参数，然后由小到大进行调整，使被控变量的过渡过程曲线呈缓慢的非周期衰减过程，其具体步骤为：

8/26/202436（1）先将主控制器的比例度放到一个适当的经验数值上，然后对副控制器的比例度由小到大调整，直到副变量呈现缓慢的非周期衰减过程为止。（2）已整定好的副控制器比例度不变，由小到大地调整主控制器的比例度，直到主变量呈现缓慢的非周期衰减过程为止。（3）根据对象的具体情况，为了防止同向干扰造成被控变量出现的余差超过允许范围，可适当加人积分作用。2、停留时间法所谓停留时间t，就是操纵量在被控对象的可控范围内通过所需要的时间。据推证，t约等于对象时间常数T的一半，即t=T／2。因此，按停留时间整定控制器参数，实际上是按对象的特性进行参数整定。8/26/202437如果没有对对象特性进行过测定，而不知对象时间常数T时，可根据对象的结构和液位控制范围进行计算确定。停留时间法整定控制器参数的步骤为：（1）计算停留时间t。（2）副控制器选用P作用时，按经验整定其比例度δ2。（3）根据停留时间t查表6.1确定主控制器整定参数值。若照顾流量，选用数值较大的一组参数；若照顾液位，选用数值较小的一组参数；若两者都需要兼顾，则在两组参数范围内细心调整，直到满足生产要求为止。8/26/2024388/26/202439一、分程控制的基本概念

1、特点

多阀：一个控制器的输出信号去带动两个或两个以上的控制阀工作。如有A、B两个控制阀；控制器输出信号压力为0.020.1MPa。

当控制信号<0.06MPa时，A阀动作，B阀不动；当控制信号>0.06MPa时，A阀动至极限，B阀才动,如右图。

分程：每一个控制阀仅在控制器输出信号整个范围的某段内工作。2、实现方法6.3分程控制系统3、分类

控制阀同向动作：见下图。

控制阀异向动作：见下图。8/26/202441二、分程控制的应用1、用于扩大控制阀的可调比

在过程控制中，有些场合需要控制阀的可调范围很宽。如果仅用一个大口径的控制阀，当控制阀工作在小开度时，阀门前后的压差很大，流体对阀芯、阀座的冲蚀严重，并会使阀门剧烈振荡，影响阀门寿命，破坏阀门的流量特性，从而影响控制系统的稳定。若将控制阀换小，其可调范围又满足不了生产需要，致使系统不能正常工作。在这种情况下，可将大小两个阀并联分程后当作一个阀使用，从而扩大了可调比，改善了阀门工作特性，使得在小流量时有更精确的控制。8/26/202442

假定并联的两个阀，其小阀A的最大流通能力为CAmax＝4；大阀B的最大流通能力为CBmax

＝l00。两阀的可调比相同，即RA＝RB＝30。根据可调比的定义，可以算出小阀A的最小流通能力为:那么两阀并联组合在一起的可调比RAB为:可见，组合后的可调比为一个阀可调比的26倍。8/26/202443如图所示的氨厂蒸汽减压分程控制系统就是扩大可调比的一个应用。该系统需要把压力为10MPa、温度为482℃的高压蒸汽通过控制阀和节流孔板减至压力为4MPa、温度为362℃的中压蒸汽。如果采用单只控制阀，根据可能出现的最大流量，则需要安装一个口径很大的控制阀。而该阀在正常的生产条件下开度就很小，再加上压差大、温度高，不平衡力使控制阀振荡剧烈，严重影响控制阀的寿命和控制系统品质。为此，改为一个小阀和一个大阀分程控制，在正常的小流量时，只有小阀进行控制，大阀处于关闭状态，如果流量增大到小阀全开时还不够时，在分程控制信号的操纵下，大阀打开参与控制。从而保证了控制精度和可调范围。8/26/2024448/26/2024452、满足工艺操作上的特殊要求

如图所示的罐顶氮封分程控制系统。在炼油厂或石油化工厂中，有许多贮罐存放着各种油品或石油化工产品。这些贮罐建造在室外，为使这些油品或产品不与空气中的氧气接触、被氧化变质，或引起爆炸危险，常采用罐顶充氮气的办法，使其与外界空气隔绝。实行N2封的技术要求是要始终保持罐内的N2气压为微量正压。贮罐内贮存的物料量增减时，将引起罐顶压力的升降，应及时进行控制，否则将会造成贮罐变形。8/26/202446因此，当贮罐内液位上升时，应停止继续补充N2气，并将罐顶压缩的N2气适量排出。反之，当液位下降时，应停止排放N2气而继续补充N2气。只有这样才能做到既隔绝了空气，又保证了贮罐不变形的目的。8/26/2024478/26/202448三、分程控制实施中的几个问题1、对控制阀泄漏量的要求泄漏量：阀门完全关闭时的流动量。注意：在大阀与小阀并联分程时，要求大阀的泄漏量要小。3、分程信号的衔接两个阀并联分程时，实际上就是将两个阀当作一个阀来使用，这时存在由一个阀向另一个阀平滑过渡的问题。2、利用阀门定位器实现信号分程仪表厂生产的控制阀，接受的控制信号范围一般为0.02—0.1MPa，自身没有信号分程能力。通过调整阀门定位器的零点和范围来实现信号分程。8/26/202449

(1)两个线性阀并联分程使用

由于小阀和大阀流量特性的放大系数不同，致使两阀在衔接处有突变现象，形成一个折点。这对控制品质带来不利影响。要克服这种现象，维持全行程的放大倍数恒定，只有令小阀分程信号的范围为0.02—0.0232MPa，大阀为0.0232—0.1MPa，大小阀衔接处才没有折点，如图中虚线所示。但这样的分程信号范围太悬殊，几乎和不分程一样。所以要想将直线阀用于分程控制，只有当两个控制阀的流通能力很接近时才可以。8/26/202450(2)两个对数流量特性的阀并联分程使用

如果使用两个对效流量特性的阀进行并联分程，效果要比两个线性阀分程好得多。但是，从图上可以看出。在两特性的衔接处仍不平滑，还存在有一定的突变现象。此时可采用部分分程信号重叠的办法加以解决。分程信号范围：小阀为0.02—0.065MPa，大阀为0.055—0.1MPa。这样，分程控制时，不等到大阀全关，小阀已开始关小；不等到小阀全开，大阀已开始渐开，从而使两阀在衔接处平滑过被。8/26/202451由于对数阀合成的流量特性比线性阀效果好，一般都采用两个对数阀并联分程。如果系统要求合成阀的流量特性为线性，则可以通过添加其他非线性补偿环节的方法，将合成的对数特性校正为线性特性。四、分程控制系统的参数整定分程控制系统属于单回路控制系统，其参数整定方法与一般单回路定值控制系统相同。8/26/202452例：如图所示为一管式加热炉，工艺要求用煤气与燃料油加热，使原油出口温度保持恒定。为节省燃料，要求尽量采用煤气供热，只有当煤气气量不足以提供所需热量时，才以燃料油作为补充。根据以上要求：（1）设计一控制系统，画出其原理图及方框图，并阐述系统的工作原理；（2）以不烧坏炉子为安全条件，选择阀门的气关、气开型式；（3）决定每个阀的工作信号段（假定分程点为60KPa）；并画出两控制阀的分程特性图；（4）确定调节器的正、反作用方式。8/26/202453

（1）设计分程控制系统，其方框图如图所示。

工作过程如下；当温度很低时，两只阀全打开，使温度逐渐升高；当温度较高时。逐渐关小燃料油阀，直至全关；若温度还高，就逐渐关小煤气阀，直到温度达到要求为止；8/26/202454（2）两阀均采用气开阀，当气源事故中断时，两阀均关闭，以免烧坏炉子；（3）两阀的工作信号段如图所示。其中A阀为燃料油阀，工作信号段为60—100kPa；B阀为煤气，工作信号段为20—60kPa；（4）分程控制系统中调节器正、反作用的确定，可按单回路控制系统中调节器正、反作用确定的原则进行。本题中的阀为气开阀，特性为“＋”；燃料油或煤气流量增加时，原油出口温度上升，故对象特性亦为“＋”；调节器应为”反”作用，只有这样，当温度升高时，调节器输出下降，阀门逐渐关小，起到负反馈的作用。8/26/202455例：如图所示为一燃料气混合罐，罐内压力需要控制。一般情况下，通过改变甲烷流出量QA来维持罐内压力。当罐内压力降低到QA=0仍不能使其回升时，则需要调整来自燃料气发生罐的流量QB，以维持罐内压力达到规定值。为此要求：（1）设计一控制系统，画出其原理图及方框图；（2）罐内压力不允许过高，请选择调节阀的气关、气开型式；（3）决定每个阀的工作信号段（假定分程点为60KPa）；并画出两控制阀的分程特性；（4）确定调节器的正、反作用方式。

QAQB气关气开8/26/202456一、基本概念1、超弛控制的由来从整个生产流程控制的角度，所有控制系统可分为三类：物料平衡（或能量平衡）控制，质量控制和极限控制。超弛控制属于极限控制。它们一般是从生产安全角度提出来的。如要求温度、压力、流量、液位等参数不能超限。2、极限控制的特点：在正常情况下，该参数不会超限，所以不考虑对它进行直接控制；而在非正常工况下，该参数会达到极限值，这时又要求采取强有力的控制手段，避免超限。6.4自动选择控制系统8/26/2024573、防超限的方法：（1）参数达到第一极限时报警设法排除故障若没有及时排除故障，参数值会达到更严重的第二极限，经联锁装置动作，自动停车。这种做法称硬保护。（2）参数达到第一极限时报警设法排除故障同时，改变操作方式，按使该参数脱离极限值为主要控制目标进行控制，以防该参数进一步超限。这种操作方式一般会使原有控制质量降低，但能维持生产的继续运转，避免了停车。这种做法称软保护。

超弛控制就是为实现软保护而设计的控制系统。8/26/2024584、超弛控制（OverrideControl）的定义系统具有两台控制器，通过选择器对两个输出信号的选择来实现对控制阀的两种控制方式。在正常工况下，应选某一控制器输出信号，而当达到极限值时，则应选另一控制器的输出。这种系统中具有选择器，所以又归为“选择性控制”这大类。8/26/202459二、选择性控制系统的类型对被控变量的选择性控制系统、对操纵变量的选择性控制系统、对测量信号的选择。三、选择器的性质确定低值选择器和高值选择器的确定选择器性质取决与超弛作用的控制器。如图所示，由于液位控制器为反作用，当测量值超过设定值时，控制器输出信号会减小。该信号减小后要求被选择器选中，则该选择器为低值选择器。8/26/202460对被控变量的选择性控制系统

从安全角度考虑，控制阀选用气开式，温度控制器选择正作用方式。当被冷却物料的出口温度升高时，控制器的输出增大，控制阀门开度增大，液态氨流量增大，从而有更多的液态氨气化，使被冷却物料的出口温度下降。

8/26/202461

在正常工况下，操纵液氨流量使被冷却物料的出口温度得到控制，而液位在允许的一定范围内变化。如果突然出现非正常工况，假设有杂质油漏入被冷却物料管线，使导热系数下降，原来的传热面积不能带走同样多的热量，只有使液位升高，加大传热面积。如果当液位升高到全部淹没换热器的所有列管时，传热面积已达到极限，出口温度仍没有降下来，温度控制器会不断地开大控制阀门，使液位继续升高。如果液面太高，会导致气氨中央带液氨进入压缩机，损坏压缩机叶片。为此。需要在温度控制系统的基础上，增加一个液面超限的取代单回路控制系统，如图所示。8/26/202462增设了液面超限控制系统

显然，从工艺上看，操纵变量只有液氨的流量一个，而被控变量却有温度和液位两个，从而形成了对被控变量的选择性控制系统。其中液位控制器选择反作用方式。选择器为低值选择器LS。8/26/202463控制参数一个，被控参数却有温度和液位两个8/26/202464系统工作过程：在正常工况下，液位处于安全范围，低于界限位，由于液位控制器的反作用使其输出高于温度控制器的输出，从而低值选择器选中了温度控制器，液位控制器处于开环待命状态。这是正常工况下的控制系统。当氨的液位达到高限位时，要保护压缩机不致损坏已成为主要矛盾，冷物料出口温度暂时降为次要矛盾。此时由于液位升高而使液位控制器的输出减小，同时，冷物料出口温度较高，正作用的温度控制器输出较大，因而低值选择器立即选中液位控制器，而温度控制器则成为开环状态，即取代液位控制器顶替了正常的温度控制器的工作。在液位控制器的作用下，液位恢复到正常高度时，温度对象的故障排除后，温度控制器又会自动恢复工作，液位控制器再次处于待命状态。8/26