分程控制系統(tǒng)

1、分程控制系統(tǒng)2.5 分程控制系統(tǒng)2.5.1 分程控制系統(tǒng)的基本概念1 .分程調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般來(lái)說(shuō)，一臺(tái)調(diào)節(jié)器的輸出僅操縱一只調(diào) 節(jié)閥，若一只調(diào)節(jié)器去控制兩個(gè)以上的閥并且是 按輸出信號(hào)的不同區(qū)間去操作不同的閥門，這種控制方式習(xí)慣上稱為分程控制。圖2.5-1表示了 分程控制系統(tǒng)的簡(jiǎn) 圖。圖中表示一臺(tái)調(diào) 節(jié)器去操縱兩只調(diào)節(jié) 閥，實(shí)施（動(dòng)作過(guò)程） 是借助調(diào)節(jié)閥上的閥門定位器對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能。例如圖中的A B兩閥，要求A閥在調(diào)節(jié)器輸 出信號(hào)壓力為0.020.06MP建化時(shí)，作閥得全 行程動(dòng)作，則要求附在 煙上的閥門定位器，對(duì) 輸入信號(hào)0.020.06MP田寸，相應(yīng)輸出為0.02 0.1MPa,而B(niǎo)閥上的閥門

2、定位器，應(yīng)調(diào)整成在輸 入信號(hào)為0.060.1圖2.5-1 分程控制系統(tǒng)示意圖MPa寸，相應(yīng)輸出為0.020.1MP8按照這些條 件，當(dāng)調(diào)節(jié)器（包括電/氣轉(zhuǎn)換器）輸出信號(hào)小,B閥不動(dòng)；當(dāng)輸出信號(hào)大于0.06MPa寸，而B(niǎo)閥動(dòng)彳K A閥已動(dòng)至極限；由 此實(shí)現(xiàn)分程控制過(guò)程。分程控制系統(tǒng)中，閥的開(kāi)閉形式，可分同向 和異向兩種，見(jiàn)圖2.5-2和圖2.5-3 。1.02。0 6（公氣開(kāi)型0. IJIPa0. 020.030, IMPa3）氣關(guān)型圖2.5-2 調(diào)節(jié)閥分程動(dòng)作（同向）63Qi. 020.060,師m7出整短)蛆*整10095年開(kāi)典/、5關(guān)型Q0.020. OS 0, la圖2.5-3調(diào)節(jié)閥分程

3、動(dòng)作（異向）人般調(diào)節(jié)閥分程動(dòng)作采用同向規(guī)律的是為了滿足工藝上擴(kuò)大可調(diào)比的要求；反向規(guī)律的選 擇是為了滿足工藝的特殊要求。2 .分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用 1）為擴(kuò)大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍調(diào)節(jié)閥有一個(gè)重要指標(biāo)，即閥的可調(diào)范圍 R 它是一項(xiàng)靜態(tài)指標(biāo)，表明調(diào)節(jié)閥執(zhí)行規(guī)定特性(線性特性或等百分比特性)運(yùn)行的有效范圍 可調(diào)范圍可用下式表示：r CmaxCmin式中 CmaxCmin(2.5-1 )閥的最大流通能力，流量單位閥的最小流通能力，流量單位國(guó)產(chǎn)柱塞型閥固有可調(diào)范圍r=30,所以 Cmin 30%Cmax。須指出閥的最小流通能力不等于閥關(guān) 閉時(shí)的泄漏量。一般柱塞型閥的泄漏量Cs僅為最 大流通能力的0.10.01

4、%。對(duì)于過(guò)程控制的絕大 部分場(chǎng)合，采用r=30的控制閥已足夠滿足生產(chǎn) 要求了。但有極少數(shù)場(chǎng)合，可調(diào)范圍要求特別大， 如果不能提供足夠的可調(diào)范圍，其結(jié)果將是或在 高負(fù)荷下供應(yīng)不足，或在低負(fù)荷下低于可調(diào)范圍 時(shí)產(chǎn)生極限環(huán)。例如蒸汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，設(shè)鍋爐產(chǎn)生的是壓力 為10MPa勺高壓蒸汽，而生產(chǎn)上需要的是4MP0F 穩(wěn)的中壓蒸汽。為此，需要通過(guò)節(jié)流減壓的方法 將10Mpa勺高壓蒸汽節(jié)流減壓成 4Mpa勺中壓蒸 汽。在選擇調(diào)節(jié)閥口徑時(shí)，如果選用一個(gè)調(diào)節(jié)閥， 為了適應(yīng)大負(fù)荷下蒸汽供應(yīng)量的需要，調(diào)節(jié)閥的口徑要選擇得很大，而正常情況下蒸汽量卻不需 要哪么大，這就需要將閥關(guān)的小一些。也就是說(shuō)， 正常情況下調(diào)節(jié)

5、閥只是在小開(kāi)度工作，因?yàn)榇箝y 司、開(kāi)度下工作時(shí)，除了閥的痔性會(huì)發(fā)生釐一 外，還容易產(chǎn)生噪聲和震蕩，這樣控制會(huì)使控制 效果變差控制質(zhì)量降低。為了解決這一矛盾，可 選用兩只同向動(dòng)作的調(diào)節(jié)閥構(gòu)成分程控制系統(tǒng)， 如圖2.5-2所示的分程控制系統(tǒng)采用了 A B兩只 同向動(dòng)作的調(diào)節(jié)閥（根據(jù)工藝要求均選為氣開(kāi) 式）其中煙得在調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)412mA（氣壓 信號(hào)為0.020.06MPa）時(shí)由全閉到全開(kāi)，B閥得 在調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)1220mA氣壓信號(hào)為0.06 0.1MPa）時(shí)由全閉到全開(kāi)，這樣，在正常情況下， 即小負(fù)荷時(shí)，B閥處于全關(guān)，只通過(guò)A閥開(kāi)度的變 化來(lái)進(jìn)行控制；當(dāng)大負(fù)荷時(shí)，A閥已全開(kāi)仍滿足 不了蒸汽量的

6、需求，這是B閥也開(kāi)始打開(kāi)，以補(bǔ) 足A閥全開(kāi)時(shí)蒸汽供應(yīng)量的不足。MW.1r鶴米里2 0,口 o6 JIO開(kāi)o %圖2.5-4蒸汽減壓分程控制系統(tǒng)原理圖假定系統(tǒng)中所采用的A、B兩只調(diào)節(jié)閥的最大流通能力Cmax 土勻?yàn)?00,可調(diào)范圍R=30。由于調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍為:maxCmin(2.5-2 )據(jù)上式可求得Cmin Cmax, 30=1OO 30 3.33(2.5-3 )當(dāng)采用兩支閥構(gòu)成分程控制系統(tǒng)時(shí)，最小流通能 力不變，而最大流通能力為兩閥最大流通能力之 和2=*=200,因此A、B兩閥組合后的可調(diào)范圍應(yīng) 是：CJ maxCmin2003.3360這就是說(shuō)采用兩支流通能力相同的調(diào)節(jié)閥 構(gòu)成分程控

7、制系統(tǒng)后，其調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍比單 只調(diào)節(jié)閥增大一倍。2)滿足工藝操作的特殊要求在某些間歇式生產(chǎn)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，當(dāng)反應(yīng) 到反應(yīng)溫度后，就會(huì)隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行不斷釋 放出熱量，這些熱量如不及時(shí)移走，反應(yīng)就會(huì)越反應(yīng)開(kāi)始前需要給它提 供一定的熱量。一旦達(dá)來(lái)越激烈，以致會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。因此對(duì)于這種間歇式化學(xué)反應(yīng)器既要考慮反應(yīng)前的預(yù)熱問(wèn)題， 又要考慮反應(yīng)過(guò)程中及時(shí)移走反應(yīng)熱的問(wèn)題。為此設(shè)計(jì)了如圖2.5-5所示的分程控制系統(tǒng)。圖2.5-5間歇式化學(xué)反應(yīng)器分程控制系統(tǒng)圖圖中溫度調(diào)節(jié)器選擇反作用，冷水調(diào)節(jié)閥選 擇氣關(guān)式（A牛，熱水調(diào)節(jié)閥選擇氣開(kāi)式（B閥） 該系統(tǒng)工作過(guò)程如下：在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)前的升溫 階段，由于溫

8、度測(cè)量值小于給定值，因此調(diào)節(jié)器 輸出增大，B閥開(kāi)大，AM關(guān)閉，即蒸汽閥開(kāi)、冷 水閥關(guān)，以便使反應(yīng)器溫度升高。當(dāng)溫度達(dá)到反 應(yīng)溫度時(shí)，化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，于是就有熱量放出， 反應(yīng)物的溫度逐漸提高。當(dāng)溫升使測(cè)量值大于給 定值時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出將減?。ㄓ捎谡{(diào)節(jié)器是反作 用），隨著調(diào)節(jié)器的輸出的減小，B閥將逐漸關(guān)小 乃至完全關(guān)閉，而A閥則逐漸打開(kāi)。這時(shí)反應(yīng)器夾套中流過(guò)的將不再是熱水而是冷水。這樣一來(lái)，反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量就被冷水所帶走， 從而達(dá) 到維持反應(yīng)溫度的目的。2.5.2 分程控制系統(tǒng)的方案實(shí)施1 .分程區(qū)間的決定分程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是多個(gè)閥之間的分程區(qū)間 先確定閥的開(kāi)關(guān)作用形式（以安全生產(chǎn)為主） 再?zèng)Q定調(diào)節(jié)

9、器的正反作用；最后決定各個(gè)閥的分程區(qū)間。2 .分程閥總流量特性的改善當(dāng)調(diào)節(jié)閥采用分程控制，如果它們得流通能 力不同，組合后的總流通特性，在信號(hào)交接處流 量的變化并不是光滑的。例如選用Cmax 4和=100 這兩只調(diào)節(jié)閥構(gòu)成分程控制，兩閥特性及它們的 組合總流量特性如圖2.5-6所示。源惠患力o. 口日ra tu)國(guó)Cc i. E外程網(wǎng)城臺(tái)恃修圖2.5-6 分程系統(tǒng)大、小閥連接組合特性圖由圖2.5-6可以看出，原來(lái)線性特性很好的兩 只控制閥，當(dāng)組合在一起構(gòu)成分程控制時(shí)，其總 流量特性已不再呈現(xiàn)線性關(guān)系，而變成非線性關(guān) 系了。特別是在分程點(diǎn)，總流量特性出現(xiàn)了一個(gè) 轉(zhuǎn)折點(diǎn)。由于轉(zhuǎn)折點(diǎn)的存在，導(dǎo)致了總

10、流量特性 的不平滑。這對(duì)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行是不利的，為了 使總流量特性達(dá)到平滑過(guò)渡，可采用如下方法。解決在0.06處出現(xiàn)了大的轉(zhuǎn)折，呈嚴(yán)重的非 線性方法 選用等百分比閥此時(shí)可自然解決； 線性閥則可通過(guò)添加非線性補(bǔ)償調(diào)節(jié)的方法 將等百分比特性校正為線性。2.5.3 閥位控制系統(tǒng)1 .概述一個(gè)控制系統(tǒng)在受到外界干擾時(shí)，被控變量 將偏離原先的給定值，而發(fā)生變化，為了克服干 擾的影響，將被控變八 了量拉回到給定值，需或竹氣1I要對(duì)控制變量進(jìn)行調(diào) he整。對(duì)一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，TS小廠B闊可供選擇作為控制變單量的可能是多個(gè)，選擇控制變量既要考慮它的經(jīng)濟(jì)性和合理性， 又要 考慮它的快速性和有效性。但是，在有些情況下

11、， 所選擇的控制變量很難做到兩者兼顧。閥門控制 系統(tǒng)就是在綜合考慮控制變量的快速性、有效 性、經(jīng)濟(jì)性和合理性基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種控制 系統(tǒng)。閥位控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖 2.5-7所示。 在閥位控制系統(tǒng)中選用了兩個(gè)控制變量蒸汽量 Gs和物料量Q,其中控制變量Gs從經(jīng)濟(jì)性和工藝 的合理性考慮比較合適，但是對(duì)克服干擾的影響 不夠及時(shí)有效?？刂谱兞縌卻正好相反，快速性、 有效性較好，但經(jīng)濟(jì)性、工藝的合理性較差。圖2.5-7閥位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖這兩個(gè)控制變量分別由兩支控制器來(lái)控制。其中 控制變量Q的為主控制器TC,控制變量Gs的為閥 位控制器VPC。主控制器的給定值即產(chǎn)品的質(zhì) 量指標(biāo)，閥門控制器的給定

12、值是控制變量管線上 控制閥的閥位，閥位控制系統(tǒng)也因此而得名。2 .閥位控制系統(tǒng)的工作原理如圖2.5-8的閥位控制系統(tǒng)，假定 A閥、B 閥均選為氣開(kāi)閥，主控制器TC （溫度調(diào)節(jié)器） 為正作用，閥位控制器 VPC為反作用。系統(tǒng)穩(wěn) 定情況下，被控變量等于主控制器的設(shè)定值R, A閥處于某一開(kāi)度，控制 B閥處于閥位調(diào)節(jié)器VPC所設(shè)置的小開(kāi)度r。當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾使 原油出口溫度上升時(shí)，溫度調(diào)節(jié)器的輸出將增 大，這一增大的信號(hào)送往兩處：其一去B閥；其二去VPC。送往B閥的信 號(hào)將使B閥的開(kāi)度增大，這會(huì)將原油出口溫度拉 下來(lái)；送往VPC的信號(hào)是作為后者的測(cè)量值， 在r不變的情況下，測(cè)量值增大，VPC的輸出

13、將減小，A閥的開(kāi)度將減小，燃料量則隨之減小， 出口溫度也將因此而下降。這樣 A、B兩只閥動(dòng) 作的結(jié)果都將會(huì)使溫度上升的趨勢(shì)減低。隨著出 口溫度上升趨勢(shì)的下降，溫度調(diào)節(jié)器的輸出逐漸 減小，于是B閥的開(kāi)度逐漸減小，A閥的開(kāi)度逐 漸加大。這一過(guò)程一直進(jìn)行到溫度調(diào)節(jié)器及閥位 調(diào)節(jié)器的偏差都等于0時(shí)為止。溫度調(diào)節(jié)器偏差 等于0,意味著出口溫度等于給定值，即閥位調(diào) 節(jié)器偏差等于零，意味著調(diào)節(jié)閥B的閥壓與閥位 調(diào)節(jié)器VPC的設(shè)定值r相等，而B(niǎo)的開(kāi)度與閥 壓是有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系的，也就是說(shuō)閥B最終 會(huì)回到設(shè)定值r所對(duì)應(yīng)的開(kāi)度。由上面的分析可以看到：本系統(tǒng)利用控制變 量Q的有效性和快速性，在干擾一旦出現(xiàn)影響到

14、被控變量偏離給定值時(shí)，先行通過(guò)對(duì)控制變量 Q 的調(diào)整來(lái)克服干擾的影響。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，對(duì) 控制變量Q的調(diào)整逐漸減弱，而控制出口溫度的 任務(wù)逐漸轉(zhuǎn)讓給控制變量Gs來(lái)?yè)?dān)當(dāng)。最終閥B停 止在一個(gè)很小的開(kāi)度（由設(shè)定值r來(lái)決定）上，而 維持控制的合理性和經(jīng)濟(jì)性。2.6 選擇性控制系統(tǒng)2.6.1 概述選擇性控制系統(tǒng)又叫取代控制，也稱超馳控 制。通常自動(dòng)控制系統(tǒng)只能在生產(chǎn)工藝處于正 常情況下進(jìn)行工作，一旦生產(chǎn)出現(xiàn)事故狀態(tài)，控 制器就要改為手動(dòng)，待事故排除后，控制系統(tǒng)再 重新投入工作。在大型生產(chǎn)工藝過(guò)程中，除了要 求控制系統(tǒng)在生產(chǎn)在正常情況下能夠克服外界 的干擾，平穩(wěn)操作外，還必須考慮事故狀態(tài)下安 全生產(chǎn)。即

15、當(dāng)生產(chǎn)操作達(dá)到安全極限時(shí)，應(yīng)有保 護(hù)性措施。屬于生產(chǎn)保護(hù)性措施的有兩類：一類是硬保 護(hù)措施；一類是軟保護(hù)措施。所謂硬保護(hù)措施就是當(dāng)生產(chǎn)操作達(dá)到安全 極限時(shí)，有聲、光報(bào)警產(chǎn)生。此時(shí)有操作工將控 制器切換到手動(dòng)，進(jìn)行手動(dòng)操作、處理；或是通過(guò)專門設(shè)置的聯(lián)鎖保護(hù)線路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車， 達(dá)到 保護(hù)生產(chǎn)的目的。對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程來(lái)說(shuō)，即使 短暫的設(shè)備停車，也會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因 此這種硬保護(hù)措施已逐漸不為人們所歡迎，相應(yīng) 地出現(xiàn)了軟保護(hù)措施。所謂軟保護(hù)措施，就是通過(guò)一個(gè)特定設(shè)計(jì)的 選擇性控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)短期內(nèi)處于不正常情況 時(shí)，生產(chǎn)設(shè)備不須停車，由選擇性控制系統(tǒng)自動(dòng) 改變操作方式，使參數(shù)脫離極限值。并且當(dāng)參

16、數(shù) 恢復(fù)正常時(shí)原控制系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)，避免停車而且 無(wú)需人的參入與。2.6.2 超馳控制設(shè)計(jì)應(yīng)用如圖（2.6-1 ） （a）、（b）可用來(lái)說(shuō)明氨蒸發(fā) 器是如何從一個(gè)能夠滿足正常生產(chǎn)情況下的控 制方案，演變成為烤爐極限條件下的超馳控制的 實(shí)例。圖2.6-1液氨蒸發(fā)器的控制方案液氨蒸發(fā)器是一個(gè)換熱設(shè)備，它是利用液氨 的汽化需要大量的熱量，以此來(lái)冷卻流經(jīng)管內(nèi)的 被冷物料。在生產(chǎn)中，往往要求物料的出口溫度 穩(wěn)定，即構(gòu)成一個(gè)以被冷物料的出口溫度為被控 變量，以液氨流量為操縱變量的控制方案。 見(jiàn)圖 2.6-1 （a）,這一控制方案用的是改變傳熱面積 來(lái)調(diào)節(jié)傳熱量的方法。因液位高度會(huì)影響熱交換 器的浸潤(rùn)傳熱面積

17、，因此液位高度反應(yīng)傳熱面積 的變化。由此可見(jiàn)液氨蒸發(fā)器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)單輸 入（液氨流量）兩輸出（溫度和液位）系統(tǒng)。通 過(guò)工藝合適設(shè)計(jì)，正常情況下溫度得到控制以 后，液位也應(yīng)該在一定允許區(qū)間。超限現(xiàn)象是因?yàn)槌霈F(xiàn)了非正常工況的緣故。 不妨假設(shè)有雜質(zhì)油漏入被冷物料管線，使傳熱系 數(shù)猛降，為了取走同樣的熱量，就要大大增加傳 熱面積。但當(dāng)液位淹沒(méi)了換熱器的所有列管時(shí)， 傳熱面積的增加已達(dá)極限，如果繼續(xù)增加氨蒸發(fā) 器內(nèi)的液氨量，并不會(huì)提高傳熱量。但是液位的 繼續(xù)升高，卻可能帶來(lái)生產(chǎn)事故。這是因?yàn)闅饣?的氨是要回收重復(fù)使用的，氣氨將進(jìn)入壓縮機(jī)入 口，若氣氨帶液，液滴會(huì)損壞壓縮機(jī)葉片，因而 液氨蒸發(fā)器上部必須留

18、有足夠的氣化空間，所以 就要限制液位不要超過(guò)某一限高。為此就必須在 原有溫度控制的基礎(chǔ)上加一個(gè)防液位超限的控 制系統(tǒng)。兩個(gè)控制系統(tǒng)的工作規(guī)律如下：正常情況下，由溫度控制器操縱閥門進(jìn)行溫度控制； 當(dāng)出 現(xiàn)非正常工況，引起氨液位達(dá)到高限時(shí)，被冷卻 物料的溫度即使仍偏高，此時(shí)溫度的偏離給定值 暫時(shí)成為次要因素，而保護(hù)氨壓縮機(jī)已經(jīng)上升為 主要矛盾，于是液位控制器取代溫度控制器工 作。等引起不正常的因素消失，液位恢復(fù)到正常 區(qū)域，此時(shí)又應(yīng)恢復(fù)溫度控制的閉環(huán)運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)上述功能的防超限控制方案如圖 2.6-1 （b）,它具有兩臺(tái)控制器，通過(guò)選擇器對(duì)兩個(gè)輸 出信號(hào)的選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制閥的兩種控制方式。 正常情況

19、下應(yīng)該選溫度控制器輸出信號(hào)，當(dāng)液位 達(dá)到極限時(shí)，則應(yīng)選上液位控制器輸出。這種控 制方式，習(xí)慣上稱為“超馳控制”?？傊?，選擇性控制系統(tǒng)工作過(guò)程是：（1）在 正常情況下，溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)工作（2）當(dāng)液面達(dá)到高限時(shí)，LCW節(jié)器搶奪（3）當(dāng) 液面恢復(fù)正常值時(shí)，T靖度調(diào)節(jié)的恢復(fù)正常工 作。選擇性控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：（1）實(shí)現(xiàn)工藝要 求的邏輯關(guān)系或極值條件（2）系統(tǒng)中具體實(shí)現(xiàn) 邏輯功能的選擇器（3）保護(hù)性系統(tǒng)必須是短時(shí) 的（4） “救急”的控制系統(tǒng)。選擇性調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：（1）被調(diào)節(jié)參數(shù)的 選擇（2）調(diào)節(jié)器的選型及參數(shù)整定（3）選擇器 的選擇步驟，先確定閥的開(kāi)、關(guān)形式；再確定出 調(diào)節(jié)器的正反作用；最后看超馳系統(tǒng)參數(shù)的極限 輸出，是高選擇器選為高選。是低為低選。正常 回路參數(shù)變化與選擇器選擇無(wú)關(guān)。2.6.3 關(guān)于防積分飽和的方法由于選擇性控制系統(tǒng)中，總有一臺(tái)控制器處于 開(kāi)環(huán)狀態(tài)，因此易產(chǎn)生積分飽和。防積分飽和的 三種方法：限幅法：用高低值限幅器，控制器積分反 饋信號(hào)限定在某個(gè)區(qū)域。 外反饋法：在控制器開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，不再 使它自身的信號(hào)做積分反饋，而是采用合適的外 部信號(hào)作為積分反饋信號(hào)。從而也切斷了積分正 反饋