《生产过程自动化》-10

10.1基本原理、结构和性能分析1.基本原理和结构【例1】图10-1所示蒸汽减压系统是双重控制系统的应用示例。工艺流程说明:高压蒸汽管与低压蒸汽管之间连接有两路，一路通过控制阀V1，一路通过V2与蒸汽透平(蒸汽透平利用高压蒸汽做功，使能量得到有效利用)，再通往低压蒸汽管。即高压蒸汽是通过两种方式减压为低压蒸汽。一种方案是直接通过减压阀V1的减压方式控制，这个回路具有快速动态响应，控制效果很好，但能量消耗在克服控制阀的阻力上，经济性较差。另一种方式是通过蒸汽透平回收能量，具有较好的工艺合理性，蒸汽能量得到回收，但动态响应迟缓。可以看出对这类生产过程设计简单控制系统是很难满足工艺要求的，如果从操作优化的观点出发，采用图10-1的双重控制系统就能结合上述两种控制方法的优点，克服各自独立工作的缺点。上一页下一页返回10.1基本原理、结构和性能分析理、结构和性能分析图中，VPC是阀位控制器，PC是低压侧压力控制器。在正常工况下，大量蒸汽经蒸汽透平减压，既回收能量又达到减压的日的。控制阀V!的开度处于快速响应条件下尽可能小的开度(例如10%开度)。稳态工况时，V1开度为10%。一旦蒸汽用量变化，在控制器PC出现偏差的开始阶段，主要通过动态响应快速的操纵变量(即控制阀V1)来迅速消除偏差，同时压力控制器的输出信号P也作为VPC控制器的测量信号，VPC控制器根据这个测量值的变化一也发出控制作用，保证被控变量迅速消除偏差，逐渐改变控制阀V2的开度，使控制阀V1平缓地回复到原来的设定开度10%。因此，双重控制系统既能迅速消除偏差，又能最终回复到较好的静态性能指标。图10-2为低压总管压力阀位控制系统的方块图。上一页下一页返回10.1基本原理、结构和性能分析

分析该系统工作过程:由图10-2中上回路可确定主控制器的正、反作用。按照安全生产要求，阀V1应选气开式，KV1>0。当阀V1开大时，低压蒸汽总管压力将上升，压力对象增益KD1>0要构成负反馈，主控制器气GDC(s)必须选反作用。再根据图10-2中下回路确定阀位控制器的正、反作用。从生产安全角度考虑，阀V2应选气开式，即KV2>0。当阀V2开大时，低压总管压力将上升，压力对象增益KD2>0。阀位控制器GVDC(s)的作用方向的确定:因为主控制器为反作用，当扰动使D增加，控制器GDC(s)输出则减少，即阀位控制器的输人信号测量值γ2减小，根据γ2-R2=e2，因此偏差e2也减小，由于控制阀V2是正作用，此时应该关小，一也就是控制阀膜头压力应减小，管线压力P才能下降。为了构成负反馈，GVDC(s)必须选用正作用。图10-3所示为双重控制系统方框图，其等效框图如图10-4所示。上一页下一页返回10.1基本原理、结构和性能分析图10-4中令‘Gm(s)=1,Go1(s)是快响应广义对象传递函数，它的传递函数为Go1(s)=Gv1(s)GDi(s)GO2(s）是慢响应广义对象传递函数，它的传递函数为Go2(s)=「Gv2(s)

串级与双重控制系统的区别如下。①由方块图可见，稳态时控制阀V1的开度等于副控制器的设定值，这就是双重控制系统副控制器又称为阀位控制器(ValvePositionController)的原因。②串级控制系统主控制器的输出是副控制器的设定值，双重控制系统主控制器输出是副控制器的测量。③串级控制系统中两个控制回路是串联的，双重控制系统中两个控制回路是并联的，这就是双重控制系统(DualControlSvstem)名称的由来。④二者的控制功能均是“急则治标，缓则治本”，但解决的问题不同。上一页下一页返回10.1基本原理、结构和性能分析2.双重控制系统的性能分析双重控制系统增加了副回路，与由主控制器、副控制器和慢对象组成的慢响应的单回路控制系统比较，有下列特点。(1)增加开环零点，改善控制品质，提高系统稳定性(2)提高双重控制系统的工作频率(3)动静结合，快慢结合,“急则治标,缓则治本”上一页下一页返回10.1基本原理、结构和性能分析【例2】喷雾干燥过程的双重控制系统。在食品加工、化工等行业中应用的喷雾干燥过程如图10-5所示。浆料经阀V1后从喷头喷淋下来，与热风接触换热，进料被干燥并从干燥塔底部排出，干燥的程度由间接指标温度控制。为了获得高精度的温度控制及尽可能节省蒸汽的消耗量，采用图示的双重控制系统可取得良好的控制效果。上一页下一页返回10.1基本原理、结构和性能分析图中，进料量由于受前工序来料的影响，一般不能控制;换热器的空气量旁路控制阀具有快速响应特性，但经济性较差;蒸汽量控制阀具有工艺合理的优点，但动态响应慢。当扰动影响时系统控制作用分析如下:当扰动作用使干燥塔温度升高或降低，控制器TC输出将增加或降低，旁路控制阀则开大或关小使温度维持在给定值SP1;同时，控制器TC输出是VPC控制器测量信号，VPC输出的变化调整蒸汽控制阀使其关小或开大，使蒸汽量逐渐改变，以适应热量平衡的需要。喷雾干燥过程中操纵变量的选择十分重要。图示控制系统将调节旁路阀和蒸汽阀的优点结合起来，当温度有偏差时，先改变旁路风量，使温度快速回复到设定值，同时，代表阀位的信号作为VPC的测量，直接检测蒸汽量是否合适，在VPC的调节下，蒸汽量逐渐改变，以适应热量平衡的需要，因此，扰动的影响最终通过改变载热体流量来克服。上一页返回10.2双重控制系统设计和工程应用

1.主、副操纵变量的选择2.主、副控制器的选择3.主、副控制器正反作用的选择4.双重控制系统的关联5.双重控制系统的投运和参数整定6.应用实例分析下一页返回10.2双重控制系统设计和工程应用

【例3】管式加热炉原油出日温度控制。管式加热炉原油出日温度控制，一般都选原油出日温度为被控变量，选择燃料油(或气)作为操纵变量，组成如图10-6所示的温度控制系统。该系统中选用燃料油(或气)作为操纵变量是经济的、合理的，然而它对克服外界干扰的影响却不及时。这是因为燃料量的变化至出日温度这一通道容量较大(即时间常数较大)，燃料量变化所改变的燃烧热要通过辐射、传导和对流等传热过程，将热量传给管道中的原油后，才能使原油出日温度发生变化，这段时间比较长(有的多至十几分钟)，这对克服干扰的有效性就比较差。也就是说该系统调节通道容量较大(即To较大)，如果在原油人日和出日之间直引一条支管，并以它作为操纵变量B，从而构成如图10-7所示的阀位控制系统，就可以明显地提高系统的控制质量。上一页下一页返回10.2双重控制系统设计和工程应用

管式炉原油出u温度阀位控制系统的方块图如图10-8所示。Ge(s)、Gvdc(s)分别状表主控制器及阀位控制器传递函数GvA(s),GvB(s)分别代表控制阀VA及VB的传递函数GOA(s).GoB(s),,分别代表两阀所在通道的对象A,B的传递函数。由图可以看出，系统肩两个回路:其一是从主控制器出发，经阀VB

、对象B及反馈回路返回主控制器;另一个是从主控制器出发，经阀位控制器、阀VA

、对象A，再经反馈回路返回主控制器上一页返回下一页10.2双重控制系统设计和工程应用

(1)从第一回路可确定主控制器的正、反作用(2)阀位控制器的正、反作用从第二回路的分析中确定上一页下一页返回10.2双重控制系统设计和工程应用

【例4】换热器出日温度的双重控制。换热器出u温度的双重控制系统如图10-9所示。被控变量是换热器出口温度是θo;操纵变量有两个:一是旁路流量V2，其响应较快，未经换热不经济;另一个是蒸汽流量V1,,它在工艺上更合适。按照图中控制流程，温度调节器TC的输出一方面直接送往旁路调节阀，另一方面同时送往阀位调节器(VPC)作为测量值，而阀位调节器设定值是固定的。阀位调节器的作用通常是缓慢的，它逐渐改变蒸汽调节阀的开度。最后达到稳态时，旁路阀开度保持原来设定的开度，通过改变蒸汽流量来克服扰动，使出日温度θo回到设定值。当被控温度θo升高则控制阀V2开大，迅速响应将使温度θo下降，实现急治标功能;同时，在温度θo升高时，VPC控制器逐渐改变蒸汽调节阀开度使V1关小，使被控温度θo进一步下降接近设定值，实现缓治本功能。总的来说，