分程控制系統(tǒng)

2.5分程控制系統(tǒng)2.5分程控制系統(tǒng)1分程控制系統(tǒng)的基本概念2分程控制系統(tǒng)的方案實(shí)施3閥位控制系統(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)一般來說，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。

2.5分程控制系統(tǒng)

圖2.5-1分程控制系統(tǒng)示意圖2.5分程控制系統(tǒng)

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0.02～0.06MPa變化時(shí)，作閥的全行程動(dòng)作，則要求附在A閥上的閥門定位器，對(duì)輸入信號(hào)0.02～0.06MPa時(shí)，相應(yīng)輸出為0.02～0.1MPa，而B閥上的閥門定位器，應(yīng)調(diào)整成在輸入信號(hào)為0.06～0.1MPa時(shí)，相應(yīng)輸出為0.02～0.1MPa。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)小于0.06MPa時(shí)A閥動(dòng)作，B閥不動(dòng)；當(dāng)輸出信號(hào)大于0.06MPa時(shí)，而B閥動(dòng)作，A閥已動(dòng)至極限；由此實(shí)現(xiàn)分程控制過程。2.5分程控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥分程動(dòng)作（同向）

圖2.5-2調(diào)節(jié)閥分程動(dòng)作（同向）

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圖2.5-3調(diào)節(jié)閥分程動(dòng)作（異向）

（a）氣關(guān)-氣開型

（b）氣開-氣關(guān)型調(diào)節(jié)閥分程動(dòng)作（異向）

2.5分程控制系統(tǒng)一般調(diào)節(jié)閥分程動(dòng)作的采用：同向規(guī)律的是為滿足工藝上擴(kuò)大可調(diào)比的要求；反向規(guī)律的選擇是為滿足工藝的特殊要求。2.5分程控制系統(tǒng)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。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：

(2.5-1)2.5分程控制系統(tǒng)

式中——閥的最大流通能力，流量單位。

——閥的最小流通能力，流量單位。國產(chǎn)柱塞型閥固有可調(diào)范圍比，所以。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僅為最大流通能力的0.1～0.01%。對(duì)于過程控制的絕大部分場(chǎng)合，采用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)。

2.5分程控制系統(tǒng)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的高壓蒸汽，而生產(chǎn)上需要的是4MPa平穩(wěn)的中壓蒸汽。為此，需要通過節(jié)流減壓的方法將10MPa的高壓蒸汽節(jié)流減壓成4MPa的中壓蒸汽。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，正常情況下調(diào)節(jié)閥只是在小開度工作，因?yàn)榇箝y在小開度下工作時(shí)，除了閥的特性會(huì)發(fā)生畸變外，還容易產(chǎn)生噪聲和震蕩，這樣控制會(huì)使控制效果

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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式）其中A閥得在調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)4～12mA（氣壓信號(hào)為0.02～0.06MPa）時(shí)由全閉到全開，B閥得在調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)12～20mA（氣壓信號(hào)為0.06～0.1MPa）時(shí)由全閉到全開，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A閥開度的變化來進(jìn)行控制；當(dāng)大負(fù)荷時(shí)，A閥已全開仍滿足不了蒸汽量的需求，這時(shí)B閥也開始打開，以補(bǔ)足A閥全開時(shí)蒸汽供應(yīng)量的不足。

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圖2.5-4蒸汽減壓分程控制系統(tǒng)原理圖2.5分程控制系統(tǒng)

假定系統(tǒng)中所采用的A、B兩只調(diào)節(jié)閥的最大流通能力均為100，可調(diào)范圍=30。由于調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍為：(2.5-2)

據(jù)上式可求得

(2.5-3)

2.5分程控制系統(tǒng)

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，即，因此A、B兩閥組合后的可調(diào)范圍應(yīng)是：

這就是說采用兩支流通能力相同的調(diào)節(jié)閥構(gòu)成分程控制系統(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。

2.5分程控制系統(tǒng)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)過程中，當(dāng)反應(yīng)物投入設(shè)備后，為了使其達(dá)到反應(yīng)溫度，往往在反應(yīng)開始前需要給它提供一定的熱量。一旦達(dá)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)越來越激烈，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)熱問題，又要考慮反應(yīng)過程中及時(shí)移走反應(yīng)熱的問題。為此設(shè)計(jì)了如圖2.5-5所示的分程控制系統(tǒng)。2.5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

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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閥），熱水調(diào)節(jié)閥選擇氣開式（B閥）。該系統(tǒng)工作過程如下:在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)前的升溫階段，由于溫度測(cè)量值小于給定值，因此調(diào)節(jié)器輸出增大，B閥開大，A閥關(guān)閉，即蒸汽閥開、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

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逐漸關(guān)小乃至完全關(guān)閉，而A閥則逐漸打開。這時(shí)反應(yīng)器夾套中流過的將不再是熱水而是冷水。這樣一來，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分程控制系統(tǒng)2.5.2分程控制系統(tǒng)的方案實(shí)施1．分程區(qū)間的確定分程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是多個(gè)閥之間的分程區(qū)間問題，設(shè)計(jì)原則：①先確定閥的開關(guān)作用形式（以安全生產(chǎn)為主）；③最后決定各個(gè)閥的分程區(qū)間。②再?zèng)Q定調(diào)節(jié)器的正反作用；2.5分程控制系統(tǒng)當(dāng)調(diào)節(jié)閥采用分程控制，如果它們的流通能力不同，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。例如選用和這兩只調(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。2．分程閥總流量特性的改善2.5分程控制系統(tǒng)

圖2.5-6分程系統(tǒng)大、小閥連接組合特性圖2.5分程控制系統(tǒng)

由圖2.5-6可以看出，原來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)到平滑過渡，解決在0.06處出現(xiàn)了大的轉(zhuǎn)折，呈嚴(yán)重的非線性方法可采用如下方法。①選用等百分比閥此時(shí)可自然解決；②線性閥則可通過添加非線性補(bǔ)償調(diào)節(jié)的方法將等百分比特性校正為線性。

2.5分程控制系統(tǒng)

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，將被控變量拉回到給定值，需要對(duì)控制變量進(jìn)行調(diào)整。對(duì)一個(gè)系統(tǒng)來說，可供選擇作為控制變量的可能是多個(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，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2.5分程控制系統(tǒng)

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)展起來的一種控制系統(tǒng)。

圖2.5-7閥位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖2.5分程控制系統(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)控制變量蒸汽量和物料量，其中控制變量從經(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?？刂谱兞繀s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。這兩個(gè)控制變量分別由兩支控制器來控制。其中控制流量變量的主控制器為TC，控制蒸汽變量的為閥位控制器VPC。主控制器給定值即產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)，閥門控制器的給定值是控制變量管線上控制閥，閥位控制系統(tǒng)也因此得名。

如圖2.5-8的閥位控制系統(tǒng)，假定A閥、B閥均選為氣開閥，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閥處于某一開度，控制B閥處于閥位調(diào)節(jié)器VPC所設(shè)置的小開度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：

2.5分程控制系統(tǒng)2．閥位控制系統(tǒng)的工作原理

2.5分程控制系統(tǒng)

其一去B閥；其二去VPC。送往B閥的信號(hào)將使B閥的開度增大，這會(huì)將原油出口溫度拉下來；送往VPC的信號(hào)是作為其測(cè)量值，在r不變的情況下，測(cè)量值增大，VPC的輸出將減小，A閥的開度將減小，燃料量則隨之減小，出口溫度也將因此而下降。這樣A和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閥的開度逐漸減小，A閥的開度逐漸加大。2.5分程控制系統(tǒng)這一過程一直進(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的開度與閥壓是有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系的，也就是說閥B最終會(huì)回到設(shè)定值r所對(duì)應(yīng)的開度。2.5分程控制系統(tǒng)由上面的分析可以看到：本系統(tǒng)利用控制變量的有效性和快速性，在干擾一旦出現(xiàn)影響到被控變量偏離給定值時(shí)，先行通過對(duì)控制變量的調(diào)整來克服干擾的影響。隨著時(shí)間的增長，對(duì)控制變量的調(diào)整逐漸減弱，而控制出口溫度的任務(wù)逐漸轉(zhuǎn)讓給控制變量來擔(dān)當(dāng)。最終閥B停止在一個(gè)很小的開度(由設(shè)定值r來決定)上，而維持控制的合理性和經(jīng)濟(jì)性。

例題

某生產(chǎn)過程中，冷物料通過熱交換器用熱水和蒸汽對(duì)其進(jìn)行加熱，當(dāng)用熱水加熱不能滿足出口溫度要求時(shí)，則再同時(shí)使用蒸汽加熱，從而減少能源消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)計(jì)如圖所示的溫度分程控制系統(tǒng)。例題試求：（1）畫出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方塊圖；（2）確定蒸汽閥和熱水閥的氣開、氣關(guān)形式；（3）確定調(diào)節(jié)器的正、反作用。例題（1）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方塊圖（2）蒸汽閥和熱水閥均為氣開式。（3）調(diào)節(jié)閥為反作用。例題

在一些生產(chǎn)過程中，許多存放石油化工原料的儲(chǔ)罐建在室外，