1、化学工业出版社化学工业出版社 化工仪表及自动化化工仪表及自动化 第十三章第十三章 复杂控制系统复杂控制系统 化学工业出版社化学工业出版社 内容提要内容提要 串级控制系统串级控制系统 串级控制系统概述串级控制系统概述 串级控制系统的特点及应用串级控制系统的特点及应用 主、副控制器控制规律的选择主、副控制器控制规律的选择 主、副控制器正反作用的选择主、副控制器正反作用的选择 控制器参数工程整定与系统投运控制器参数工程整定与系统投运 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 均匀控制系统均匀控制系统 1 化学工业出版社化学工业出版社 内容提要内容提要 比值控制系统比值控制系统 前馈控制系统前馈控制系统 取代
2、控制系统取代控制系统 分程控制系统分程控制系统 多冲量控制系统多冲量控制系统 2 化学工业出版社化学工业出版社 概述概述 3 根据根据系统的结构和所担负的任务根据根据系统的结构和所担负的任务 复杂控制系统复杂控制系统 串级串级 控制控制 系统系统 均匀均匀 控制控制 系统系统 比值比值 控制控制 系统系统 分程分程 控制控制 系统系统 前馈前馈 控制控制 系统系统 选择选择 控制控制 系统系统 三冲量三冲量 控制系控制系 统统 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 一、串级控制系统概述一、串级控制系统概述 4 当对象的滞后较大当对象的滞后较大，干扰比较剧烈干扰比
3、较剧烈、频繁时频繁时，可考可考 虑采用串级控制系统虑采用串级控制系统。 举例举例 说明串级控制系统的结构及其工作原理说明串级控制系统的结构及其工作原理 可延长炉子寿命可延长炉子寿命，防止炉管烧坏；防止炉管烧坏； 可保证后面精馏分离的质量可保证后面精馏分离的质量。 控制好温度控制好温度 图13-1 管式加热炉出口温度 控制系统 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 在实际生产过程中在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料特别是当加热炉的燃料 压力或燃料本身的热值有较大波动时压力或燃料本身的热值有较大波动时，该简单控该简单控 制系统的控制质量往往很差制系统的控制质量往
4、往很差，原料油的出口温度原料油的出口温度 波动较大波动较大，难以满足生产上的要求难以满足生产上的要求。 根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度 5 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 6 当燃料压力或燃料本身的热值变化后，先影响当燃料压力或燃料本身的热值变化后，先影响 炉膛的温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料炉膛的温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料 油的出口温度，这个通道容量滞后很大，时间常数油的出口温度，这个通道容量滞后很大，时间常数 约约15min左右，反应缓慢，而温度控制器左右，反应缓慢，而温度控制器
5、TC是根据是根据 原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以当原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以当 干扰作用在对象上后，并不能较快地产生控制作用干扰作用在对象上后，并不能较快地产生控制作用 以克服干扰被控变量的影响。当工艺上要求原料油以克服干扰被控变量的影响。当工艺上要求原料油 的出口温度非常严格时，为了解决容量滞后问题，的出口温度非常严格时，为了解决容量滞后问题， 还需对加热炉的工艺作进一步分析。还需对加热炉的工艺作进一步分析。 原因原因 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 7 以原料油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛温以原料油出口温度为主要
6、被控变量的炉出口温度与炉膛温 度的串级控制系统度的串级控制系统 图13-3 管式加热炉出口温度串级 控制系统的方框图 图13-2 管式加热炉出口 温度串级控制系统 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 在上述控制系统中，有两个控制器T1C和T2C，接收 来自对象不同部位的测量信号1和2。T1C的输出作为 T2C的给定值，而后者的输出去控制执行器以改变操纵变 量。从系统的结构看，这两个控制器是串接工作的。 几个串级控制系统中常用的名词几个串级控制系统中常用的名词 主变量主变量 工艺控制指标工艺控制指标，在串级控制系统中起主导在串级控制系统中起主导 作用的被控变量作
7、用的被控变量。 8 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 9 主对象主对象 为主变量表征其特性的生产设备为主变量表征其特性的生产设备。 副对象副对象 为副变量表征其特性的工艺生产设备为副变量表征其特性的工艺生产设备。 主控制器主控制器 按主变量的测量值与给定值而工作按主变量的测量值与给定值而工作，其输其输 出作为副变量给定值的那个控制器出作为副变量给定值的那个控制器。 副变量副变量 串级控制系统中为了稳定主变量或因某串级控制系统中为了稳定主变量或因某 种需要而引入的辅助变量种需要而引入的辅助变量。 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制
8、系统 主回路主回路 由主变量的测量变送装置由主变量的测量变送装置，主主、副控制器副控制器， 执行器和主执行器和主、副对象构成的外回路副对象构成的外回路。 副回路副回路 由副变量的测量变送装置由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副控制器执行器和 副对象所构成的内回路副对象所构成的内回路。 其给定值来自主控制器的输出其给定值来自主控制器的输出，并按副变并按副变 量的测量值与给定值的偏差而工作的那个量的测量值与给定值的偏差而工作的那个 控制器控制器。 副控制器副控制器 10 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 11 图13-4 串级控制系统典型方块图 化学工业出
9、版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 二、串级控制系统的特点及应用二、串级控制系统的特点及应用 12 1 1. .系统的结构系统的结构 串级控制系统有两个闭合回路。主回路是个定值控 制系统, 副回路是个随动系统。 在串级控制系统中,主变量是反映产品质量或生产 过程运行情况的主要工艺参数。副变量的引入往往是为 了提高主变量的控制质量,它是基于主,副变量之间具有 一定的内在关系而工作的。 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 选择串级控制系统的副变量一般有两类情况：选择串级控制系统的副变量一般有两类情况： 一类情况是选择与主变量有一定关系的某一
10、中间变量 作为副变量; 另一类选择的副变量就是操纵变量本身,这样能及时克 服它的波动,减小对主变量的影响。 13 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 14 举例举例 通过这套串级控制系统， 能够在塔釜温度稳定不变时， 蒸汽流量能保持恒定值，而 当温度在外来干扰作用下偏 离给定值时，又要求蒸汽流 量能作相应的变化，以使能 量的需要与供给之间得到平 衡，从而保持釜温在要求的 数值上。 图13-5 精馏塔塔釜温度串级 控制系统 1精馏塔；2再沸器 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 在上例中，选择的副变量就是操纵变量（加热 蒸汽量）
11、本身。这样，当干扰来自蒸汽压力或流量 的波动时，副回路能及时加以克服，以大大减少这 种干扰对主变量的影响，使塔釜温度的控制质量得 以提高。 15 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 ( (1 1) )干扰作用于副回路干扰作用于副回路 F2引起2变化，控制器T2C及时进行控制，使其很快稳 定下来； 如果干扰量小，经过副回路控制后，F2一般影响不到 温度1； 如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服， 波及到被控变量温度1再由主回路进一步控制， 彻底消除干扰的影响，使被控变量回复到给定值。 16 2 2. .系统的特性系统的特性 化学工业出版社化学工业出版社 第一
12、节第一节 串级控制系统串级控制系统 由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干 扰进入回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控扰进入回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控 制作用，有效地克服燃料油压力或热值变化对原料油制作用，有效地克服燃料油压力或热值变化对原料油 出口温度的影响，从而大大提高了控制质量。出口温度的影响，从而大大提高了控制质量。 在确定副回路时，除了要考虑它的快速性外，还应在确定副回路时，除了要考虑它的快速性外，还应 该使副回路包括主要干扰，可能条件下应力求包括较该使副回路包括主要干扰，可能条件下应力求包括较 多的次要干扰。多的次要干
13、扰。 小结小结 17 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 图13-6 加热炉出口温度与 燃料油压力串级控制系统 如果燃料油的压力比较稳定如果燃料油的压力比较稳定, , 而燃料油的组分波动较大而燃料油的组分波动较大, , 那么那么, ,该图串级控制系统的该图串级控制系统的 副回路作用就不大。副回路作用就不大。 18 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 ( (2 2) )干扰同时作用于副回路和主对象干扰同时作用于副回路和主对象 在干扰作用下在干扰作用下，主主、副变量的变化方向相同副变量的变化方向相同。 回复设定值副控制器的输出给定
14、值测量值 主控制器的输出 原料油出口温度炉膛温度 1 12 19 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 20 主主、副变量的变化方向相反副变量的变化方向相反，一个增加一个增加，另一个减小另一个减小。 副控制器输出不变，偏差为零时副控制器的测定值 主控制器的输出原料油出口温度炉膛温度 2 12 , 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路， 不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作 用于主对象上的干扰也能加
15、速克服过程。用于主对象上的干扰也能加速克服过程。副回路副回路 具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、 细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服 掉的干扰影响能彻底加以克服。掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控因此，在串级控 制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充， 充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。 小结小结 21 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 3 3. .自适应
16、能力自适应能力 由于增加了副回路,使串级控制系统具有一定的自 适应能力,可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。 当对象的滞后和时间常数很大,干扰作用强而频繁, 负荷变化大,简单控制系统满足不了要求时,使用串级控 制系统是合适的,尤其是当主要干扰来自控制阀方面时, 选择控制介质的流量或压力作为副变量来构成串级控制 系统是很适宜的。 22 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 三、主、副控制器控制规律的选择三、主、副控制器控制规律的选择 23 目的目的 为了高精度地稳定主变量。主控制器通常都选 用比例积分控制规律，以实现主变量的无差控 制。 副变量的给定值是随主控制
17、器的输出变化而 变化的。副控制器一般采用比例控制规律。 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 选择 方法 序号 对变量的要求 应选控 制规律 备 注 主 变 量 副 变 量 主 控 副 控 1 2 3 4 重要指标,要求很高 主要指标,要求较高 允许变化,要求不高 要求不高,互相协调 允许变化,要求不严 主要指标,要求较高 要求较高,变化较快 要求不高,互相协调 PI PI P P P PI PI P 主控必要时引入微分 工程上很少采用 表13-1 主、副变量不同时应选用的控制规律 24 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 25
18、 四、主、副控制器正反作用的选择四、主、副控制器正反作用的选择 串级控制系统中的副控制器作用方向的选择，根据 工艺安全等要求，选定执行器的气开、气关形式后，按 照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定。 例如图例如图1313- -2 2所示的管式加热炉温度所示的管式加热炉温度- -温度串级控制系统温度串级控制系统 中的副回路中的副回路。 气源中断，停止供给燃料油时，执行器选气开阀， “正”方向。 燃料量加大时，炉膛温度2（副变量）增加，副对象 “正”方向。 为使副回路构成一个负反馈系统，副控制器T2C选择“反” 方向。 1.副控制器作用方向的选择副控制器作用方向的选择 化学工业出版社化学工
19、业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 当主、副变量增加（减小）时，如果由工艺分析得出， 为使主、副变量减小（增加），要求控制阀的动作方向是 一致的时候，主控制器应选“反”作用；反之，则应选 “正”作用。 26 2. 主控制器作用方向的选择主控制器作用方向的选择 例如图例如图1313- -2 2所示的管式加热炉串级控制系统所示的管式加热炉串级控制系统。 主变量1或副变量2增加时，都要求关小控制阀， 减少供给的燃料量，才能使1或2降下来，所以此时主 控制器T1C应确定为反作用方向。 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 五、控制器参数整定与系统投运五、控
20、制器参数整定与系统投运 27 串级控制系统主串级控制系统主、副控制器的参数整定的两种方法副控制器的参数整定的两种方法。 1 1. .两步整定法两步整定法 按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副 控制器，后整定主控制器的方法。 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 （1）在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用运行 的条件下，将主控制器的比例度先固定在100的刻度 上，逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某 种衰减比（如41）过渡过程下的副控制器比例度和操 作周期，分别用2s和T2s表示。 （2）在副控制器比例度等于2s的条件下，逐步减小主 控制器的比例度
21、，直至得到同样衰减比下的过渡过程， 记下此时主控制器的比例度1s和操作周期T1s。 整定过程整定过程 28 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 29 （3）根据上面得到的1s、T1s、2s、T2s，按表12-3 （或表12-4）的规定关系计算主、副控制器的比例度、 积分时间和微分时间。 （4）按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整 定规律，将计算出的控制器参数加到控制器上。 （5）观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡 过程。 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 共振问题共振问题 如果主、副对象时间常数相差不大，动态联
22、系密切， 可能会出现“共振共振”现象。 可适当减小副控制器比例度或积分时间，以达到减 小副回路操作周期的目的。同理，可以加大主控制器的 比例度或积分时间，以期增大主回路操作周期，使主、 副回路的操作周期之比加大，避免“共振”。 如果主、副对象特性太接近，就不能完全靠控制器 参数的改变来避免“共振”了。 30 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 2 2. .一步整定法一步整定法 副控制器的参数按经验直接确定副控制器的参数按经验直接确定, ,主控制器的参数按主控制器的参数按 简单控制系统整定简单控制系统整定。 实践证明实践证明 这种整定方法，对于对主变量要求较高，
23、而对副变 量没有什么要求或要求不严，允许它在一定范围内变化 的串级控制系统，是很有效的。 31 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 32 副变量副变量 放大倍数放大倍数K Kc2 c2 比例度比例度2s 2s 温度 压力 流量 液位 5.0 1.7 3.0 1.4 2.5 1.25 5.0 1.25 20 60 30 70 40 80 20 80 表 13-2 采用一步整定法时副变量的选择范围 化学工业出版社化学工业出版社 第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 33 一步整定法的整定步骤：一步整定法的整定步骤： （1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按
24、 照表13-2所列的数据，将副控制器比例度调到某一适 当的数值。 （2）利用简单控制系统中任一种参数整定方法整定 主控制器的参数。 （3）如果出现“共振”现象，可加大主控制器或减 小副控制器的参数整定值，一般即能消除。 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 一、均匀控制系统一、均匀控制系统 34 甲塔:为了稳定操作需保持塔釜 液位稳定，必然频繁地改变塔底 的排出量。 乙塔：从稳定操作要求出发， 希望进料量尽量不变或少变。 甲、乙两塔间的供求关系出现 了矛盾。 为了解决前后工序供求矛盾为了解决前后工序供求矛盾，达到前后兼顾协调操作达到前后兼顾协调操作， 使
25、液位和流量均匀变化使液位和流量均匀变化，组成的系统称为均匀控制系统组成的系统称为均匀控制系统。 图13-7 前后精馏塔的供求关系 1出料阀；2小阀 1 1. .均匀控制的目的均匀控制的目的 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 35 均匀控制的要求均匀控制的要求 （1）两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。 （2）前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许 的范围内波动。 图13-8 前一设备的液位和后一设备的进料量之关系 1液位变化曲线；2流量变化曲线 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 36 2 2.
26、.均匀控制方案均匀控制方案 目的目的 为了协调液位与排出流量之 间的关系，允许它们都在各自许 可的范围内作缓慢的变化。 满足均匀控制要求的方法满足均匀控制要求的方法 通过控制器的参数整定来实现。 图13-9 简单均匀控制 （1 1）简单均匀控制简单均匀控制 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 37 （2 2）串级均匀控制串级均匀控制 可在简单均匀控制方案基础可在简单均匀控制方案基础 上增加一个流量副回路上增加一个流量副回路，即构成即构成 串级均匀控制串级均匀控制。 参数整定的方法参数整定的方法 由小到大地进行调整。 串级均匀控制系统的主、副控制器一般都
27、采用纯比例 作用的。只在要求较高时，为了防止偏差过大而超过允许 范围，才引入适当的积分作用。 图13-10 串级均匀控制 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 特点特点 由于增加了副回路，可以及时克服由于塔内或排 出端压力改变所引起的流量变化。 串级均匀控制系统协调两个变量间的关系是通过 控制器参数整定来实现的。 在串级均匀控制系统中，参数整定的目的不是 使变量尽快地回到给定值，而是要求变量在允许的范 围内作缓慢的变化。 38 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 二、比值控制系统二、比值控制系统 39 工业上为了
28、保持两种或两种以上物料的比值为一定 的控制叫比值控制比值控制。 几个概念几个概念 主物料主物料、主动信号主动信号 从物料从物料、从动信号从动信号 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 40 1 1. .开环比值控制开环比值控制 12 QQK 比值控制系统的类型：比值控制系统的类型： 从物料量Q2与主物料量Q1 的比值关系为 图13-11 开环比值控制 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以 根据比值要求来设定。 主、副流量均开环； 这种比值控制方案对从物料量Q2本身无抗干
29、扰能力。 所以这种系统只能适用于副流量较平稳且比值要求不 高的场合。 41 特点特点 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 42 2 2. .单闭环比值控制单闭环比值控制 单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案 的不足，在开环比值控制系统的基础上，通过增加一个 副流量的闭环控制系统而组成的。 图13-12 单闭环比值控制 这种方案的优点是结 构简单,能确保两流 量比值不变,是应用 最多的方案。 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 12 QQK 在比值控制系统中,我们一般用比值系数K来表示两
30、种 物料经过变送器以后的流量信号之间的比值，假定 （13-1） max2 max1 Q Q KK 当流量信号与流量成线性关系时,则有 （13-2） 2 max2 2 max1 2 Q Q KK 当流量信号与流量成平方关系时,则有 （13-3） 43 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 44 3 3. .变比值控制系统变比值控制系统 要求两种物料的比值能灵活地随第三参数的需要而加 以调整，这样就出现一种变比值控制系统。 图13-13 变比值控制系统 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 三、前馈控制系统三、前馈控制
31、系统 45 反馈与前馈反馈与前馈 图13-14 换热器的反馈控制 图13-15 换热器的前馈控制 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 反馈控制与前馈控制比较反馈控制与前馈控制比较 不论什么干扰,只要引起被控变量变化,都可以进行控 制,这是反馈控制的优点。 前馈控制是一种按扰动变化大小进行控制的系统,控 制作用在扰动发生的同时就产生, 这就是前馈控制的主 要特点。 往往用“前馈”来克服主要干扰,再用“反馈”来克 服其他干扰,组成“复合”的前馈-反馈控制系统。 46 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 图13-16
32、 换热器的前馈-反馈 控制 用前馈控制来克服由于进料 量波动对被控变量的影响,而用 温度控制器的控制作用来克服其 他干扰对被控变量的影响,前馈 与反馈控制作用相加,共同改变加 热蒸汽量,以使出料温度维持在 给定值上。 47 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 四、取代控制系统四、取代控制系统 48 一般控制系统,都是在正常工况下工作的。当生产不 正常时，通常的处理办法有两种，一种是改用手动遥控； 另一种是联锁保护紧急停车，防止事故发生，即所谓硬 限控制。由于硬限控制对生产和操作都不利，近年来采 用了安全软限控制。 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第
33、二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 49 生产的软限措施生产的软限措施 当一个变量将要达到危险值时,就适当降低生产要 求,让它暂时维持生产,并逐渐调整生产,使之朝正常工 况发展。实现软限控制系统,称为取代控制系统,又称 为选择性控制系统。 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 控制器 控制器 选择器 控制阀 参数 参数 图13-17 取代控制示意图 图13-18 辅助锅炉压力取代 控制系统 50 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 五、分程控制系统五、分程控制系统 分程控制分程控制就是由一只调节器的输出信号控
34、制两只或更 多只控制阀,每只控制阀在控制器输出信号的某段范围内 工作。 图13-19 分程控制示意框图 51 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 从控制系统的结构来看,分程控制属于单回路的定值控 制系统,其控制过程与简单控制系统一样。 分程控制系统常用的应用场合：分程控制系统常用的应用场合： 1 1. .生产中需用多种物料作调节介质的过程生产中需用多种物料作调节介质的过程 图13-20 热交换器温度分程控制 采用热水与蒸汽两种不同 物料作为调节介质,在一般控 制系统中难于实现,但在分程 控制系统中,不仅充分利用了 热水,而且节省了蒸汽。 52 化学工业
35、出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 2.2.用来保证在不同负荷下的正常控制用来保证在不同负荷下的正常控制 有时生产过程负荷变化很大,要求有较大范围的流量变 化。若用一个控制阀,由于控制阀的可调范围R是有限的,当 最大流量和最小流量相差太悬殊时,就会降低控制系统的控 制质量, 这时可采用分程控制系统。 举例举例 丙烯腈生产过程丙烯腈生产过程 图13-21 阀门动作示意图 图13-22 分程控制 53 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 3.3.用以补充控制手段维持安全生产用以补充控制手段维持安全生产 有些生产过程在接近事
36、故状态或某个参数达到极限值 时,应当改变正常的控制手段,采用补充手段或放空来维持 安全生产。一般控制系统很难兼顾正常与事故两种不同状 态。 采用分程控制系统,用不同的阀门,分别使用在控制器 输出信号的不同范围内,就可保证在正常或事故状态下,系 统都能安全运行。 54 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 多冲量控制系统多冲量控制系统指在控制系统中，有多个变量信 号，经过一定的运算后，共同控制一台执行器，以使 某个被控的工艺变量有较高的控制质量。 多冲量控制系统在锅炉给水系统锅炉给水系统控制中应用比较 广泛。主要用来自动控制锅炉的给水量，使其适应 蒸发量的
37、变化，维持汽包水位在允许的范围内。 定义定义 适用范围适用范围 55 六六、多冲量控制系统多冲量控制系统 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 1 1. .单冲量液位控制系统单冲量液位控制系统 原理原理 根据汽包液位的信号来控制给水量。 优点优点 结构简单、使用仪表少。 缺点缺点 不能适应蒸汽负荷的剧烈变化。 易根据易根据“假液位假液位”引起控制系统的误动作引起控制系统的误动作。 56 图13-23 单冲量控制系统 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 2 2. .双冲量液位控制系统双冲量液位控制系统 双冲量双冲量
38、液位信号和蒸汽流量信号 从结构上看从结构上看，它实际上是一个前馈 -反馈控制系统。 当供水压力扰动比较频繁时当供水压力扰动比较频繁时，该系统的控制质量较差该系统的控制质量较差。 57 图13-24 双冲量控制系统 化学工业出版社化学工业出版社 第二节第二节 其他复杂控制系统其他复杂控制系统 3 3. .三冲量液位控制系统三冲量液位控制系统 58 图13-25 三冲量控制系统 该系统除了液位该系统除了液位、蒸蒸 汽流量信号外汽流量信号外, ,再增加一个再增加一个 给水流量的信号给水流量的信号。它有助它有助 于及时克服由于供水压力于及时克服由于供水压力 波动而引起的汽包液位的波动而引起的汽包液位的
39、 变化变化。 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 1.某聚合反应釜内进行放热反应,釜温过高会发生事故,为 此采用夹套水冷却。由于釜温控制要求较高,且冷却水压力、 温度波动较大,故设置串级控制系统,如图13-26所示。试确 定控制阀的气开、气关型式与控制器的正、反作用。 图13-26 聚合釜温度控制 解：解：为了在气源中断时保证冷 却水继续供给,以防止釜温过高, 故控制阀应采用气关型,为“-” 方向。 59 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 当冷却水流量增加时,釜温和夹套温度都是下降的,故 对象为“-”方向。测量变送器为“+”方向故按单回路系统的 确定原则,副控制器T2
40、C应为“反”作用。 主控制器T1C的作用方向可以这样来确定:由于主、副变 量(温度T1、T2)增加时,都要求冷却水的控制阀开大,因此主 控制器应为“反”作用。 整个串级控制系统的工作过程是这样的:当夹套内温度 T2(副变量)升高时,副控制器的输出降低,控制阀开大,冷却 水流量增加以克服副变量的波动;当釜内温度T1(主变量)升 高时,主控制器T1C的输出降低,即副控制器T2C给定值降低, 因此副控制器的输出降低,控制阀开大,冷却水流量增加以 使釜内温度降下来。 60 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 由这个例子可以清楚地看出,串级控制系统主控制器 的作用方向完全是由工艺情况确定的,
41、与控制阀的开关形 式、副控制器的正反作用完全无关。所以,串级控制系统 的控制流程一经确定之后,即可按主、副变量变化对控制 阀开度变化的要求直接确定主控制器的作用方向,然后按 一般单回路控制系统,再确定控制阀的开、关型式及副控 制器的作用方向,这将使整个串级控制系统控制器作用方 向的确定工作简捷而方便。从大量实际的串级控制系统分 析,发现大多数的串级控制系统主、副变量的变化对控制 阀的动作方向要求是一致的,所以使用反作用方向的主控 制器为多数。 61 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 2.一高位槽的出口流量需要进行平稳控制,但为防止高位槽液 位过高而造成溢出事故,又需对槽的液位采取
42、保护性措施。根 据上述情况要求设计一选择性控制系统,画出该系统的结构图、 方块图、选择控制阀的开关型式,控制器的正、反作用及选择 器的高低类型,并简要说明该系统的工作过程。 图13-27 流量液位选择性控制 系统原理图 解：解：根据要求,设计了一个高 位槽液位与流出量的选择性系 统,图13-27是它的结构原理图。 图中的开方器是为了使流量测 量信号线性化而采用的。图 13-28是该选择性控制系统的 方块图。 62 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 液位控制器 流量控制器 选择器 执行器 流量对象 液位对象 开方器 流量测量、变送 液位测量、变送 流量 液位 - - 图13-28
43、流量液位选择性控制系统方块图 63 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 根据工艺要求，应选择气关型控制阀，以使在气源中 断时，阀门自动打开，防止发生溢液事故。 流量控制器和液位控制器的正、反作用可以分别按简 单控制系统中控制器作用方向的选择原则来确定。由于控 制阀为“-”，流量对象为“+”，故流量控制器应选择正作 用。而液位对象为“-”，故液位控制器应选择反作用。 64 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 由于该选择性控制系统是为了防止液位过高而设置 的,故选择器的类型应按液位控制器的输出情况来确定。 当液位过高时，由于液位控制器是反作用的，故输出降 低。此时为了能够选
44、中液位控制器的输出信号，选择器 应为低值选择器。 该控制系统的工作过程如下：当高位槽的液位在正 常范围时，LC输出较高，FC输出较低, LS选中FC作为正 常控制器。此时流量增大时，FC输出增加，阀门关小， 以控制流量平稳为目标。当液位过高时，LC输出大大降 低，被LS选中，使阀门开大，以降低液位，保证安全。 65 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 3.图13-29是某厂锅炉燃烧过程控制系统,试选择控制阀的 开关型式及控制器的正反作用。 图13-29 锅炉燃烧过程控制系统 解：解：先来决定控制阀的 开关型式。为了保证在 气源中断时,停止燃料供 给,防止锅炉烧坏,燃料 阀采用气开型
45、式;为了保 证在气源中断时,继续供 给空气,防止燃烧不完全, 空气阀采用气关型式。 66 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 在正常工况时，蒸汽压力的变化通过低值选择器LS 作为燃料油流量控制器F1C的给定，而F1C的测量值信号 来自燃料油流量变送器，因此这实际上是一个串级控制 系统。 燃料油流量的变化作为空气流量控制器F2C的给定， 从而使空气流量与燃料油流量之间保持一定的比例。根 据单回路系统确定控制器正反作用的原则，在已知燃料 阀为气开、空气阀为气关的情况下，显然F1C应为反作用, F2C应为正作用。 67 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 由于蒸汽压力控制器与
46、燃料油流量控制器组成串级控制 系统，并且蒸汽压力增加或燃料油流量增加时，都需要关小 燃料阀，即对阀的动作要求是一致的，因此主控制器PC应为 反作用。 当蒸汽压力降低需要提高燃料油流量时，为了使燃烧完 全，必须先加大空气流量。由于PC是反作用的，故压力降低 时，PC的输出增加，通过高值选择器HS作为F2C的给定值， 以加大空气供给量。 68 化学工业出版社化学工业出版社 例题分析例题分析 此时蒸汽压力控制器与空气流量控制器组成串级控制 系统。由于蒸汽压力降低或空气流量降低，对空气阀动作 方向的要求也是一致的(要求开大)，所以压力控制器应是 反作用的。由此可见,虽然燃料阀与空气阀的开关型式不 同, F1C与F2C的作用方向也不同，但作为主控制器PC来说, 却都应为反作用的。 69 化学工业出版社化学工业出版社
