《生产过程自动化》-7

7.1均匀控制概述

1.均匀控制原理流程工业属于连续生产过程，生产设备都紧密联系在一起。前一设备的出料往往就是后一设备的进料，若为保证各设备自身的稳定运行，各自均设计厂液位、流量的定值控制系统，系统之间将会产生矛盾。为协调此矛盾提出“均匀”控制的思想。例如，石油在裂解炉(反应器)中进行反应，生成烷烃(甲烷、乙烷、丙烷……)、烯(乙烯、丙烯……)与其他组分的混合物。要获得这些产品必须将它们分离，图7-1是著名的石油裂解气深冷分离乙烯装置的8塔系统工艺流程图。为讨论问题方便起见，将其中两个串联的分馏塔的控制流程图绘成图7-2下一页返回7.1均匀控制概述

图中前塔出料是后塔的进料，为保证前塔分馏过程正常进行，需要维持塔底液位稳定，设计一个液位控制系统。而后塔要求进料量相对稳定，以保证物料平衡，也设计一个进料流量控制系统。当两套系统对调节量的调节作用方向相反时，系统间就会产生矛盾，不能正常运行。显然这类连续生产过程，要使前塔塔底液位和流出量两个变量都稳定是不可能的。上一页下一页返回7.1均匀控制概述2.均匀控制的特点(1)表征前后供求矛盾的两个变量都应该做缓慢变化图7-3描述厂被控变量液位和流量的三种变化状况:图(a)是单纯的液位定值控制，流量变化剧烈;图(b)是单纯的流量定值控制，液位变化剧烈;图(c)是兼顾液位和流量的均匀控制，两个被控变量都做缓慢变化。图(a)与图(b)说明若要求被控变量液位和流量的变化曲线都呈直线是不可能的，因为对于作为被控变量的液位控制系统来说，流量是操纵变量，要使液位恒定，在扰动下流量必须变动;反之，流量控制系统若要恒定，则液位必定变动。值得注意的是，均匀的意思并不是绝对平均，可以按工艺要求，对被控变量的控制分出主、次。上一页下一页返回7.1均匀控制概述(2)前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在工艺操作所允许的范围内均匀控制要求在最大扰动作用下，液位能在上、下限内波动，而流量应在一定范围内变化，避免对后道工序产生较大的干扰。上一页返回7.2均匀控制系统的类型

1.简单均匀控制系统图7-4为采用一个液位调节器来实现均匀控制的简单均匀控制系统。从系统结构看，它像一个简单液位定值控制系统，但均匀控制系统设计目的不同，它不要求液位保持在设定值上，只需要控制在一定范围内做缓慢变化。简单液位定值控制系统与液位均匀控制系统的主要区别在于调节器参数的整定上，均匀控制需要兼顾两个变量，要求控制作用弱，为此，比例度设置值应适当加大，积分时间也相应增加。而定值控制需要被控变量在受到扰动作用后能尽快回到设定值上，因而要求控制作用强，比例度和积分时间往往较小。下一页返回7.2均匀控制系统的类型

图7-5所示的液位均匀系统适用于对液位要求较高的场合。设计日的要求液位在一定范围内做缓慢变化。比例度б适当加大，积分时间Ti相应增加。图7-6所示的流量均匀控制系统，由于液位对象特性具有积分环节的特性，所以虽然是无差控制，但很可能在对象内部造成物料不平衡，即流人量不等于流出量(Fi≠F0)，会产生储罐溢出或被抽空的危险，因此这种方案通常不被采用。上一页下一页返回7.2均匀控制系统的类型

2.串级均匀控制系为了克服调节阀前后压力波动的影响(例如塔压变化及液位自衡作用对流量的干扰)，可引人流量控制副回路，构成液位一流量串级均匀控制系统，如图7-7所示。图中流量副回路所起的作用与串级控制系统中的副回路相同，而对主回路的要求则与简单均匀控制系统相同。结构上与液位一流量串级控制系统完全一样。该串级均匀控制系统副环设计目的有两点:一是克服调节阀2前后压力波动；二是克服塔釜液位自衡作用的影响。图7-8是石油气分离装置的第一脱乙烷塔塔顶分离器的压力一流量串级均匀控制系统，它是通过稳定分离器的压力来达到稳定塔压的日的，用分离出来的气体量作操纵变量。由于分离出的气体将进人氢反应器，加氢反应过程要求进气量稳定。串级均匀控制系统适用于调节阀前后压力扰动较大，过程自衡作用较显著以及对流量要求比较平稳的场合，该系统的控制质量较高，在工业生产中得到广泛应用。该串级均匀控制系统设计要求有两点:一是稳定塔压，通过稳定分离器的压力来实现;二是保证进人氢反应器流量稳定，可通过增加分离出来的气体流量副回路来实现。上一页下一页返回7.2均匀控制系统的类型

3.双冲量均匀控制系冲量的概念是指短暂作用的信号或参数。这里把它引申为连续的信号或参数。双冲量均匀控制就是用一个调节器，以综合两个测量信号(液位和流量)为被控变量的控制系统。图7-9是冲量均匀控制系统的原理图。

图7-10是双冲量均匀控制系统的方块图。上一页下一页返回7.2均匀控制系统的类型

其结构仍属简单控制系统形式。它以塔釜液位和采出流量两个信号相减作为被控变量(如果流量信号是进料流量，则取为两个信号之和)，通过调节塔底采出量使液位、流量两个参数缓慢、均匀地变化。图中DL是液位测量值DLr是液位设定值DF是流量测量值;C是加法器常数;DO是加法器LY输出;Dr是流量调节器给定值;DS=C-DLr,为偏置值。当采用气动仪表构成控制系统，以气动加法器代替串级的液位调节器，各信号关系即加法器输出，见下面的公式:上一页下一页返回7.2均匀控制系统的类型

当系统处于稳定工况时，符号相反，互相抵消，DO=60kPa，即调节阀阀位应处于中间位置(即通过调节C和DLr的大小使DO为60kPa左右，作为流量调节器给定值)。当流量正常，液位受到扰动而上升时，加法器感受正信号，DO增大，要求流量应加大，以使液位恢复正常。当液位正常，而流量DF受到扰动而增加时，加法器感受负信号，其输出DO减小，调节阀关小，于是流量逐步减小。该系统的优点是用加法器代替液位调节器，具有串级的性质，而且调节器参数整定又能像简单均匀系统一样。上一页返回7.3均匀控制系统的特点①均匀控制系统结构上与普通控制系统结构相似，采用一个控制器实现对两个变量的控制，这种控制是通过控制器参数的合理整定实现的。②表征前后供求矛盾的两个变量都应该是变化的，而且变化是缓慢的，应该保持在工艺允许的范围内变化。③均匀并不意味着平均，有时根据实际情况以一个参数为主，使其波动小一些，另一个波动大一些。返回7.4其他需要说明的问题

1.气体压力与流量的均匀控制对于气相物料，前后设备间物料的均匀控制将不是液位和流量之间的均匀，而是压力与流量之间的均匀。例如，图7-11所示脱乙烷塔塔顶分离器内气相物料压力与流量的串级均匀控制。主参数即分离器内压力稳定则精馏塔塔顶压力稳定，从分离器出来的气体是加氢反应器的进料，因此也要求尽量平稳，为此设计厂这种气相物料的压力与流量的均匀控制系统。这种控制系统和液相物料的液位与流量的均匀控制系统是极为相似的，但由于压力对象比液位对象的自衡作用要强得多，因此，采用简单均匀控制方案一般不易满足要求，往往采用串级均匀控制方案。下一页返回7.4其他需要说明的问题

2.实现均匀控制的其他方法解决物料供求矛盾的均匀控制，除厂采用单回路、串级、双冲量等结构形式，并在参数整定上采取必要措施外，也可以应用非线性控制器来实现。这类非线性控制器具有多种输人、输出特性，诸如带不灵敏区或有死区等，有关这方面的内容可以参考其他教材的非线性控制系统。上一页返回7.5调节器控制规律选择和调节器参数的整定

1.控制规律的选择(1)简单均匀控制系统(2)串级均匀控制系统(3)双冲量均匀控制系统下一页返回7.5调节器控制规律选择和调节器参数的整定

2.均匀控制系统中引入积分作用时的参数整定方法(1)均匀控制系统引人积分作用的有利方面(2)均匀控制系统引人积分作用的不利方面(3)参数整定原则(4)方法步骤

1)纯比例控制①先将比例度放置在估计液位不会越限的数值，例如б=100%②观察记录曲线，若液位的最大波动小于允许范围，则可增加比例度，比例度的增加必然使液位控制“质量”降低，而使流量过程曲线变好。③如发现液位超出允许的波动范围，则应减小比例度。④这样反复调整比例度，直到液位、流量的曲线都满足工艺提出的均匀要求为止。上一页下一页返回7.5调节器控制规律选择和调节器参数的整定2)比例积分控制①按纯比例控制进行整定，得到合适的比例度。②适当加大比例度值后(放大20"}，加人积分作用，逐步减小积分时间，直到流量曲线将要出现缓慢的周期性衰减振荡过程为止，而液位或压力有回复到给定值的趋势。③最终根据工艺要求，调整参数，直到液位或压力、流量的曲线都符合要求为止。均匀控制系统主、副控制器控制规律的选择可参考表7-1上一页下一页返回7.5调节器控制规律选择和调节器参数的整定

表7-2是均匀控制系统控制