1、1第第8章章 满足特定要求的过程满足特定要求的过程控制系统控制系统在现代工业生产过程中，常需要保持两种物料的流量成一定比例关系，如果一旦比例失调，就会影响产品的质量，严重的甚至会造成生产事故。为此在实际生产过程中需要自动保持两个或多个参数之间的比例关系，这类控制系统就是比值控制系统。比值控制系统是使一种物料随另一种物料而变化的系统。8.1.1 概述概述 图8-1 开环比值控制系统 a）控制系统流程图 b）控制系统组成框图 8.1.2 控制方案控制方案 根据实际生产过程的不同要求，常用的比值控制系统主要有以下几种类型：1单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统 为确保主、副物料流量间的实际比值不变，
2、设计单闭环比值控制系统，它是在开环比值控制的基础上，设计了一个副物料流量闭环控制回路，如图8-2所示。图8-2 单闭环比值控制系统 a）系统流程图 b）系统组成框图8.1.2 控制方案控制方案2双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统为了克服单闭环比值控制对主流量不受控制的不足，在单闭环控制的基础上，设计了双闭环比值控制系统。如图8-3所示。图8-3 双闭环比值控制系统 a）系统流程图 b）系统组成框图8.1.2 控制方案控制方案3变比值控制系统变比值控制系统单闭环比值控制和双闭环比值控制是实现两种物料流量间的定值控制，在系统运行过程中其比值系数是不变的。而有些生产过程，要求两种物料流量的比值随第
3、三个参数的需要而变化，为了满足上述生产工艺要求，开发并应用变比值控制系统。图8-4为用除法器构成的变比值控制系统方框图。图8-4 变比值控制系统 a）系统流程图 b）系统组成框图8.1.3 系统设计系统设计 比值控制系统的设计包括以下内容：控制方案选择、主物料流量和副物料流量确定、控制规律确定、选择正确的变送器和测量元件、计算比值系数等：1控制方案选择控制方案选择比值控制系统有单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统等多种方案。在具体选用时应分析各种方案的特点，根据不同的生产工艺、负荷变化、扰动性质、控制要求等情况选择合适的比值控制方案。2主、副物料流量的确定主、副物料流量的确定
4、比值控制系统按比值性质可分为定比值控制和变比值控制两种。在工业生产过程中，维持两流量比值不变，有时不一定是生产上的最终目的，而仅仅是保证产品产量、质量或安全的一种手段。8.1.3 系统设计系统设计3调节器控制规律的确定调节器控制规律的确定比值控制系统调节器控制规律是由不同的控制方案和控制要求而定。4变送器和其量程选择变送器和其量程选择流量测量是比值控制的基础，各种流量计都有一定的适用范围（一般正常流量选在满量程的70%左右），必须正确选择和使用。5比值系数计算比值系数计算在工业生产中，比值控制是解决物料流量之间的比例关系问题，工艺物料流量的比值K，是指两流量的体积流量或重量流量之比。8.1.4
5、 系统实施系统实施 比值控制系统能实现对Q2/Q1=K或Q2=K Q1的自动控制。其实施方案基本上有两大类。一是相除控制方案相除控制方案，见图8-5a。二是相乘方案相乘方案，见图8-5b。图8-5 比值控制系统的实施方案a）相除方案 b）相乘方案 8.1.5 系统整定系统整定 单回路比值系统的动态整定比较简单，只是要注意，比值控制系统的闭环实际上是一个流量随动系统，即要求被控量按一定比例随主流量作相应的变化。在图8-6中就是物料A的流量按某个比例跟踪物料B的流量。图8-6 比值控制系统的整定8.1.6 注意问题注意问题1流量测量中的温度、压力补偿流量测量中的温度、压力补偿2比值系统中的非线性特
6、性比值系统中的非线性特性 比值控制系统的非线性特性是指系统的增益随负荷的变化而变化的特性。主要是由于流量变送器的非线性引起的。均匀控制系统具有使控制量与被控量缓慢地在一定范围内变化的特殊功能。在定值控制系统中，为了保持被控量为恒值，控制量幅度可以较大地变化，而在均匀控制系统中，控制量与被控量常常是同样重要，控制的目的，是使两者在扰动作用下，都有一个缓慢而均匀的变化。某一装置或设备都与前后的装置或设备紧密地联系着，前一个装置或设备的出料量一般就是后一个装置或设备的进料量，而后一装置或设备的出料量又输送给其他装置或设备。所以，各个装置或设备是互相联系而又互相影响的，为了保证生产的正常运行，要求生产
7、的各个环节必须保持稳定。为此，必须采用均匀控制系统。8.2.1 概述概述 图8-7 液位与流量均匀变化曲线8.2.2 控制方案控制方案 目前，实现液位流量均匀控制的系统有三种方案。1简单均匀控制方案简单均匀控制方案 图8-8为两个精馏塔液位和流量简单均匀控制系统的实例。图8-8 简单均匀控制系统8.2.2 控制方案控制方案 2串级均匀控制方案串级均匀控制方案图8-9 串级均匀控制系统8.2.2 控制方案控制方案 3双冲量均匀控制方案双冲量均匀控制方案 双冲量均匀控制系统是串级均匀控制系统的变形，它用一个加法器来代替串级控制系统中的主调节器，把液位和流量的两个测量信号通过加法运算后作为调节器的测
8、量值。图8-10 双冲量均匀控制系统8.2.3 系统整定系统整定1经验法经验法 所谓经验法就是根据经验，按照“先副后主”的原则，把主、副调节器的比例度调到某一适当值；然后由大到小进行调节，使系统的过渡过程呈缓慢的非周期衰减变化；最后，根据过程的具体情况，可给主调节器加上积分环节，调整积分时间到较大值。2停留时间法停留时间法 停留时间是指介质在被控过程的被控参数允许变化范围内流过所需的时间。图8-11 立式液位过程在前述过程控制系统中，调节器输出信号仅带动一个调节阀作全行程运作。但在某些工业生产中，根据工艺要求，将一个调节器的输出信号分段，分别控制两个或两个以上调节阀工作，即每个调节阀在调节器输
9、出的某段信号范围内作全行程动作，这种过程控制系统就叫分程控制系统。8.2.1 概述概述 图8-12 温度分程控制系统8.3.2 控制方案控制方案 根据调节阀的气关、气开形式和分程信号区段不同，分程控制系统可分为以下两种类型：1调节阀同向动作的分程控制系统调节阀同向动作的分程控制系统。图8-13 调节阀同向动作分程系统输入输出关系a）气开阀输入输出关系 b）气关阀输入输出关系8.3.2 控制方案控制方案 2调节阀异向动作的分程控制系统调节阀异向动作的分程控制系统 图8-14所示为调节阀异向动作的分程控制系统。图8-14 调节阀异向动作分程系统输入输出关系a）阀A为气开阀、阀B为气关阀输入输出关系
10、 b）阀A为气关阀、阀B为气开阀输入输出关系8.3.3 系统设计系统设计 分程控制系统本质上是属单回路控制系统。因此，单回路控制系统的设计原则完全适用于分程控制系统的设计。但是，与单回路控制系统相比，分程控制系统的主要特点是分程调节阀多。1分程信号的确定分程信号的确定2调节阀特性的选择调节阀特性的选择3调节器控制规律的选择调节器控制规律的选择 与参数整定与参数整定图8-15 确定分程信号的重叠部分8.3.4 工业应用工业应用1分程控制的实现分程控制的实现分程控制是通过调节阀的附件，即阀门定位器（气动阀门定位器或电气阀门定位器）或其他仪表来实现的。2分程控制的工业应用及示例分程控制的工业应用及示
11、例设计分程控制系统的目的，归纳起来有两个方面。一是满足某些生产工艺的特殊要求；二是扩大调节阀的可调范围，提高系统品质。图8-16 温度分程控制系统8.3.4 工业应用工业应用 废液中和过程的控制任务就是要维持废液PH值在7附近。为此设计废液中和分程控制系统，见图8-17。图8-17 废液中和过程的分程控制系统在工业生产中，生产限制条件多而且复杂，尤其在开车、停车过程中更容易发生误操作。由于生产的速度太快，操作人员跟不上生产变化速度，所以无法进行控制。为了有效地防止生产事故的发生，减少开车、停车的次数，设计和应用了一种能适应短期内生产异常、改善控制品质的控制方案即选择性控制。选择性控制是把工业生
12、产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统上去的一种组合控制方法。即在一个过程控制系统中，设有两个调节器（或两个以上变送器），通过高、低值选择器选出能适应生产安全状况的控制信号，实现对生产过程的自动控制。这种选择性控制系统又被称为自动保护系统。8.4.1 概述概述 8.4.2 控制方案控制方案 选择性控制系统的特点是采用了选择器。选择器可以接在两个或多个调节器的输出端，对控制信号进行选择；可以接在几个变送器的输出端，对测量信号进行选择，以适应不同生产过程的需要。根据选择器在系统结构中的位置不同，选择性控制系统可分为以下两种。1选择器位于调节器的输出端，对调节器输出信号进行选择
13、的系统选择器位于调节器的输出端，对调节器输出信号进行选择的系统 图8-18 对调节器输出信号进行选择的选择性控制系统框图8.4.2 控制方案控制方案 2选择器位于调节器之前，选择器位于调节器之前，对变送器输出信号进行对变送器输出信号进行 选择的系统选择的系统图8-19 反应器最高温度选择性控制系统a）控制系统流程图 b）控制系统框图图8-19所示选择性控制系统的特点是：几个变送器合用一个调节器。8.4.2 控制方案控制方案 2选择器位于调节器之前，对变送器输出信号进行选择的系统选择器位于调节器之前，对变送器输出信号进行选择的系统图8-20 中值选择性控制系统流程图8.4.3 系统设计系统设计
14、选择性控制系统设计包括调节阀气开、气关形式的选择，调节器控制规律及其正、反作用方式的确定，选择器造型以及系统整定等内容。1调节阀气开、气关形式的选择调节阀气开、气关形式的选择 在设计选择性控制系统时，调节阀气开、气关形式的选用原则与前述单回路过程控制系统设计中调节阀的选用原则相同。2调节器控制规律的选取及其正、反作用方式的确定调节器控制规律的选取及其正、反作用方式的确定 在整定选择性控制系统中，有两个调节器即正常调节器和取代调节器。3选择器的选型选择器的选型正常与取代调节器的输出信号同时在选择器中进行比较，其被选取的信号作用于调节阀，以实现对生产过程的自动控制。选择器有高值选择器和低值器两种。4调节器参数整定调节器参数整定 在选择性控制系统调节器参数时，由于系统中两个调节器是轮换进行工作的，因此，可按单回路控制系统的整定方法进行整定。8.4.4 设计原理应用举例设计原理应用举例 在锅炉的运行中，蒸汽负荷随用户需要而经常波动。在正常情况下，用控制燃料量的方法来维持蒸汽压力的稳定。当蒸汽用量增加时，蒸汽总管压力将下降，此时正常调节器输出信号去开大调节阀，以增加燃料量。同时，燃料气压力也随燃料量的增加而升高。当燃料气压力超过某一安全极限时，会产生脱火现象，可能造成生产事故。图8-21 蒸汽压力与燃料压力选择性控制系统
