1、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章 生产过程中，经常需要几种物料的流量保持一定生产过程中，经常需要几种物料的流量保持一定的比例关系。例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃的比例关系。例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。定义：定义：实现两个或多个参数符合一定比例关系的实现两个或多个参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。控制系统，称为比值控制系统。例如要实现两种物料的比例关系，则表示为：例如要实现两种物料的比例关系，则表示为：Q2=K Q1 其中：其中：K比值系数；比值系数；Q1主流量；主流量；
2、Q2副副流量流量。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.4.1比值控制系统的种类比值控制系统的种类 1.开环比值控制系统开环比值控制系统如图如图Q1是主流量，是主流量，Q2是副流量。流量变送器是副流量。流量变送器FT检测主物料流量检测主物料流量Q1；由控制器；由控制器FC及安装在从物料管及安装在从物料管道上的阀门来控制副流量道上的阀门来控制副流量Q2。FTFCQ1Q2此控制方案的优点是此控制方案的优点是结构简单、成本低。缺点结构简单、成本低。缺点是无抗干扰能力，当副流是无抗干扰能力，当副流管线压力等改变时，不能管线压力等改变时，不能保证所要求的比值。保证所要求的比值。控制目标：控
3、制目标：Q2K Q1过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章Q Q2 2控制器控制器执行器执行器对象对象测量、变送测量、变送给定给定Q Q1 1开环比值控制系统方块图开环比值控制系统方块图 FTFCQ1Q2过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章2.单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统为了克服开环比值控制的不足，在开环比值控为了克服开环比值控制的不足，在开环比值控制的基础上，增加对副流量的闭环控制。制的基础上，增加对副流量的闭环控制。特点：特点：q对对Q2进行闭环控制，比值控制精度提高进行闭环控制，比值控制精度提高。q控制目标：控制目标：Q2=K Q1 q对对Q1只测量、不控只
4、测量、不控制。制。Q1变化，变化，Q2跟着变跟着变化，总流量不稳定。化，总流量不稳定。F1TQ1Q2 KF2TF2C过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章控制器控制器F F2 2C C执行器执行器对象对象副测量、变送副测量、变送控制器控制器F F1 1C C给定给定主测量、变送主测量、变送Q Q1 1Q Q2 2单闭环比值控制系统方块图单闭环比值控制系统方块图 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章3.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中主流量不受控制的缺为了克服单闭环比值控制中主流量不受控制的缺点，增加了主流量控制回路。点，增加了主流量控制回路。
5、特点：特点：qQ1是主流量，是主流量，Q2是副是副流量。两个流量都可控，流量。两个流量都可控，因此总流量稳定。因此总流量稳定。F1TQ1Q2F1CF2TF2CKq有两个闭环控制回路，有两个闭环控制回路，用比值器联系。用比值器联系。q控制目标：控制目标：Q2=K Q1 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章给定给定K K对象对象主流量控制器主流量控制器执行器执行器主测量、变送主测量、变送对象对象副流量控制器副流量控制器执行器执行器副测量、变送副测量、变送Q Q1 1Q Q2 2双闭环比值控制系统方块图双闭环比值控制系统方块图 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章4变比值控制
6、系统变比值控制系统以上介绍的都是定比值控制系统。在有些生产过以上介绍的都是定比值控制系统。在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个工艺参数的程中，要求两种物料流量的比值随第三个工艺参数的需要而变化，为满足这种工艺的要求，就出现了变比需要而变化，为满足这种工艺的要求，就出现了变比值控制系统。值控制系统。例如，变换炉工艺中，煤气与水蒸气（例如，变换炉工艺中，煤气与水蒸气（58倍）在倍）在触媒的催化下，转化成二氧化碳和氢气。温度越高转触媒的催化下，转化成二氧化碳和氢气。温度越高转化率越高，但温度过高会影响触媒寿命。如果根据触化率越高，但温度过高会影响触媒寿命。如果根据触媒层的温度调节其比例系
7、数，就能保持最佳的触媒温媒层的温度调节其比例系数，就能保持最佳的触媒温度和最高的转化率。度和最高的转化率。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章C 11 11 21C 22 12 22U()N()N()U()U()N()N()U()ss s sss s s F1TF2T TT转化气转化气温度控制器温度控制器TC根据根据触媒的实触媒的实际温度与给定温度的偏差，际温度与给定温度的偏差，计算流量比值的给定值计算流量比值的给定值。除法器算出蒸汽与煤气除法器算出蒸汽与煤气流量的实际比值，输入流量的实际比值，输入到流量控制器到流量控制器FC。最后通过调整蒸最后通过调整蒸汽量汽量（改变（改变蒸汽蒸
8、汽与半水煤气的比与半水煤气的比值值）来使变换炉来使变换炉触媒层的温度恒触媒层的温度恒定在给定值上。定在给定值上。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章图图7.23 变比值控制系统框图变比值控制系统框图Gc2(s)Y(s)+Gv2(s)G02(s)G0(s)Gc1(s)X(s)Gm(s)Q1(s)Q2(s)Gm2(s)Gm1(s)+KKr_ _ _应当注意，在变比值控制系统中，流量比值只应当注意，在变比值控制系统中，流量比值只是一种控制手段，不是最终目的，而第三参数（如是一种控制手段，不是最终目的，而第三参数（如本例中温度）往往是主要被控参数。本例中温度）往往是主要被控参数。过程控制系
9、统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.4.2比值控制系统的设计与参数整定比值控制系统的设计与参数整定 1比值控制系统设计比值控制系统设计1）主流量、副流量的确定原则：）主流量、副流量的确定原则：生产中起主导作用的物料流量，一般选为主流生产中起主导作用的物料流量，一般选为主流量，其余的物料流量跟随其变化，为副流量。量，其余的物料流量跟随其变化，为副流量。工艺上不可控的物料流量，一般选为主流量。工艺上不可控的物料流量，一般选为主流量。成本较昂贵的物料流量一般选为主流量。成本较昂贵的物料流量一般选为主流量。当生产工艺有特殊要求时，主、副物料流量的当生产工艺有特殊要求时，主、副物料流量的确定应服从
10、工艺需要。确定应服从工艺需要。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章2）控制方案的选择）控制方案的选择控制方案选择应根据不同的生产要求确定，同时控制方案选择应根据不同的生产要求确定，同时兼顾经济性原则。兼顾经济性原则。如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定，而如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定，而对总流量无要求，可用单闭环比值控制方案。对总流量无要求，可用单闭环比值控制方案。如果主、副流量的扰动频繁，而工艺要求主、如果主、副流量的扰动频繁，而工艺要求主、副物料总流量恒定的生产过程，可用双闭环比值控制副物料总流量恒定的生产过程，可用双闭环比值控制方案。方案。当生产工艺要求两种物料流量的
11、比值要随着第当生产工艺要求两种物料流量的比值要随着第三参数的需要进行调节时，可用变比值控制方案。三参数的需要进行调节时，可用变比值控制方案。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章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中，调节器的控制规律是根据控比值控制系统中，调节器的控制规律是根据控制方案和控制要求而定。制方案和控制要求而定。F1TQ1Q2 KF2TF2C在单闭环比值控制系在单闭环比值控制系统中，比值器统中，比值器K起比值计起比值计算作用，若用调节器实现，算作用，若用调节器实现，则选则选P调节；调节器调节；调节器F2C使副流量稳定，为保证控使副流量稳定，为保证控制
12、精度可选制精度可选PI调节。调节。PPI过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章双闭环比值控制不仅双闭环比值控制不仅要求两流量保持恒定的比要求两流量保持恒定的比值关系，而且主、副流量值关系，而且主、副流量均要实现定值控制，所以均要实现定值控制，所以两个调节器均应选两个调节器均应选PI调节；调节；比值器选比值器选P调节。调节。F1TQ1Q2F1CF2TF2CKPIPIP 4）正确选择流量计及其量程）正确选择流量计及其量程各种流量计都有一定的适用范围（一般正常流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量选在满量程的70左右），必须正确地选择和使左右），必须正确地选择和使用，可
13、参考有关设计资料、产品手册。用，可参考有关设计资料、产品手册。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章5）比值系数的计算）比值系数的计算工艺规定的流量（或质量）比值工艺规定的流量（或质量）比值K不能直接作为不能直接作为仪表比值使用，必须根据仪表的量程转换成仪表的仪表比值使用，必须根据仪表的量程转换成仪表的比值系数比值系数K后才能进行比值设定。后才能进行比值设定。变送器的转换特性不同，比值系数变送器的转换特性不同，比值系数K的计算公的计算公式不同。式不同。（l）流量与测量信号之间成线性关系）流量与测量信号之间成线性关系如果如果Q1的流量计测量范围为的流量计测量范围为0Q1max、Q2的流
14、的流量计测量范围为量计测量范围为0Q2max，则变送器输出电流信号和，则变送器输出电流信号和流量之间的关系如下：流量之间的关系如下：过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章因因NoImageNoImage代入工艺比值公式：代入工艺比值公式：NoImage2.6-1.60(2.7 1)(0.3 1)(2.7 1)(0.2 1)11()03.8 14.5 12.742.6-0.870.2 10.18 1(0.25 1)ssssGSsssss得换算公式：得换算公式：NoImage而仪表比值公式：而仪表比值公式：过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章（2）流量与测量信号之间成非线性关
15、系）流量与测量信号之间成非线性关系利用节流原理测流量时，流量计输出信号与流量的利用节流原理测流量时，流量计输出信号与流量的平方成正比：平方成正比：I=CQ2 NoImage代入工艺比值公式：代入工艺比值公式：得换算公式：得换算公式：则则94.052.0)21.0)328.0)(sNNoImageNoImage过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章6）流量测量中的温度、压力补偿）流量测量中的温度、压力补偿用差压流量计测量气体流量时，被测气体温度和用差压流量计测量气体流量时，被测气体温度和压力的变化会使其密度发生变化，流量的测量值将产压力的变化会使其密度发生变化，流量的测量值将产生误差。
16、生误差。NoImage对于温度、压力变化较大、而控制质量要求较高对于温度、压力变化较大、而控制质量要求较高的对象，必须进行温度、压力补偿，以保证流量测量的对象，必须进行温度、压力补偿，以保证流量测量值的准确。值的准确。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.4.2.2 比值控制系统的实施与参数整定比值控制系统的实施与参数整定1）比值系数的实现）比值系数的实现比值系统的实现有相乘和相除二种方法。在工程比值系统的实现有相乘和相除二种方法。在工程上可采用比值器、乘法器、除法器等仪表实现；用计上可采用比值器、乘法器、除法器等仪表实现；用计算机控制时，通过比例、乘、除运算程序实现。算机控制时
17、，通过比例、乘、除运算程序实现。2）比值控制系统的参数整定）比值控制系统的参数整定比值系统的主流量回路，可按单回路控制系统进比值系统的主流量回路，可按单回路控制系统进行整定；比值系统的副流量整定为振荡与不振荡的边行整定；比值系统的副流量整定为振荡与不振荡的边界为佳，即过渡过程既不振荡而反应又快。界为佳，即过渡过程既不振荡而反应又快。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.5 均匀控制系统均匀控制系统在连续生产过程中，有许多装置是前后紧密联在连续生产过程中，有许多装置是前后紧密联系的。系的。前一设备的出料，往往是后一设备的进料，前一设备的出料，往往是后一设备的进料，各设备的操作也互相
18、关联、互相影响。例如各设备的操作也互相关联、互相影响。例如图图7.24所所示的两个连续操作的精馏塔。示的两个连续操作的精馏塔。LC1#2#FTFCLT 1#塔要求液塔要求液位稳定，设液位位稳定，设液位控制系统。控制系统。2#塔要求进塔要求进料量稳定，设流料量稳定，设流量控制系统。量控制系统。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章显然，这两套控制系统的控制目标存在矛盾：显然，这两套控制系统的控制目标存在矛盾：解决办法：解决办法：1、设中间贮设中间贮槽，使前后影响减槽，使前后影响减小，但成本高。小，但成本高。2、用均匀调、用均匀调节方案。节方案。1#塔液位调节塔液位调节阀阀 1 开度变化
19、开度变化LC1#2#FTFCLT12 2#塔流量变化塔流量变化2#塔流量调节塔流量调节阀阀 2 开度变化开度变化 1#塔液位变化塔液位变化过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.5.1 均匀控制系统工作原理及特点均匀控制系统工作原理及特点为了解决前后工序控制的矛盾，达到前后兼顾、为了解决前后工序控制的矛盾，达到前后兼顾、协调操作，使前后工序的控制参数均能符合要求而设协调操作，使前后工序的控制参数均能符合要求而设计的控制系统称为计的控制系统称为均匀控制系统均匀控制系统。如上例中，均匀控制应通过对液位和流量两个变如上例中，均匀控制应通过对液位和流量两个变量同时兼顾的控制方案，使两个互相
20、矛盾的变量相互量同时兼顾的控制方案，使两个互相矛盾的变量相互协调，都能满足各自的的工艺要求。协调，都能满足各自的的工艺要求。和其它控制方式相比，均匀控制的特点如下：和其它控制方式相比，均匀控制的特点如下：（1）两个被控变量在控制过程中都是缓慢变化）两个被控变量在控制过程中都是缓慢变化的。的。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章因为若因为若将将1#塔液位控制成平稳的直线，会导致塔液位控制成平稳的直线，会导致2#塔的进料量波动很大；反之若将塔的进料量波动很大；反之若将2#塔的进料量控制成塔的进料量控制成平稳的直线，会导致平稳的直线，会导致1#塔液位波动很大。即无法实现塔液位波动很大。即
21、无法实现两个被控参数都很平稳。两个被控参数都很平稳。只有让两者都有一定程度的波动，但波动都比较只有让两者都有一定程度的波动，但波动都比较缓慢、且幅度较小，才有可能同时符合控制要求。缓慢、且幅度较小，才有可能同时符合控制要求。tLL FFO（a）1#塔液位稳定、塔液位稳定、2#塔流量变化大塔流量变化大LFL FtO（b）1#塔液位变化大、塔液位变化大、2#塔流量稳定塔流量稳定L FLFtO（c）1#塔液位、塔液位、2#塔流量均变化较小塔流量均变化较小过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章（2）前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保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
22、。持在所允许的范围内波动。如图，如图，1#塔塔釜液位的升降变化不能超过规定的塔塔釜液位的升降变化不能超过规定的上下限。上下限。2#塔进料流量也不能超越塔进料流量也不能超越规定的上下限规定的上下限，否，否则就不能满足工艺要求。则就不能满足工艺要求。LC1#2#FTFCLT12L FLFtO过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.5.2 均匀控制方案均匀控制方案均匀控制常用的方案有简单均匀控制、串级均匀均匀控制常用的方案有简单均匀控制、串级均匀控制等形式，下面介绍这两种控制方案。控制等形式，下面介绍这两种控制方案。1简单均匀控制简单均匀控制LC1#2#LT结构与简单液位结构与简单液位定
23、值控制系统一样，定值控制系统一样，但系统控制的目的不但系统控制的目的不同。均匀控制的目的同。均匀控制的目的是是协调控制协调控制液位和排液位和排出流量两个变量。出流量两个变量。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章由于控制目的不同，均匀控制要求兼顾两个变由于控制目的不同，均匀控制要求兼顾两个变量，是通过调节器的参数整定来实现的。量，是通过调节器的参数整定来实现的。简单均匀控制系统中的控制器一般都是纯比例简单均匀控制系统中的控制器一般都是纯比例作用，而且将比例度整定得很大。作用，而且将比例度整定得很大。LC1#2#LT当液位变化时，当液位变化时，控制器的输出变化很控制器的输出变化很小，排
24、出流量只作微小，排出流量只作微小缓慢的变化，以较小缓慢的变化，以较弱的控制作用达到均弱的控制作用达到均匀控制的目的。匀控制的目的。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章LC1#2#LT因此，简单均因此，简单均匀控制适用于干扰匀控制适用于干扰不大、对流量的均不大、对流量的均匀程度要求较低的匀程度要求较低的场合。场合。简单均匀控制的优点是结构简单，投运方便，成简单均匀控制的优点是结构简单，投运方便，成本低。但对另一个被控变量是不测不控的兼顾操作，本低。但对另一个被控变量是不测不控的兼顾操作，其控制精度不一定能保证。其控制精度不一定能保证。如此例中，当前后塔的压力变化较大时，尽管调如此例中
25、，当前后塔的压力变化较大时，尽管调节阀的开度不变，输出流量也会发生较大变化。节阀的开度不变，输出流量也会发生较大变化。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章2串级均匀控制串级均匀控制为了克服简单均匀控制只有一个控制回路，为了克服简单均匀控制只有一个控制回路，只能只能保证一个被控变量保证一个被控变量精度的缺点，可在简单均匀控制方精度的缺点，可在简单均匀控制方案基础上增加一个副控制回路，构成串级均匀控制。案基础上增加一个副控制回路，构成串级均匀控制。q结构与串级控结构与串级控制系统相同。增加制系统相同。增加了流量控制回路，了流量控制回路，可以及时克服压力可以及时克服压力干扰，保证流量控干
26、扰，保证流量控制精度。制精度。FC1#2#FTLCLT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章q串级均匀控制方案中，主、副变量都有控制精度串级均匀控制方案中，主、副变量都有控制精度要求，二者均在规定的范围内作缓慢的变化，所以控要求，二者均在规定的范围内作缓慢的变化，所以控制手法上与串级控制不同。制手法上与串级控制不同。v主、副控制器一般都采用纯比例作用，而且将比主、副控制器一般都采用纯比例作用，而且将比例度整定得较大。例度整定得较大。v串级均匀控制方案串级均匀控制方案适用于干扰较大的场合。适用于干扰较大的场合。但使用仪表较多，投运、但使用仪表较多，投运、维护较复杂。维护较复杂。FC1#
27、2#FTLCLT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章 7.5.3 均匀控制系统的参数整定均匀控制系统的参数整定 7.5.3.1 控制规律的选择控制规律的选择 简单均匀控制系统控制器一般采用纯比例作用，简单均匀控制系统控制器一般采用纯比例作用，对无差控制要求的系统可采用比例积分控制规律。对无差控制要求的系统可采用比例积分控制规律。串级均匀控制系统的主、副控制器一般都采用纯串级均匀控制系统的主、副控制器一般都采用纯比例作用，只在要求较高时，才引入积分控制。比例作用，只在要求较高时，才引入积分控制。所有均匀控制系统都不允许加入微分控制作用。所有均匀控制系统都不允许加入微分控制作用。7.5
28、.3.2 控制器参数的整定控制器参数的整定 简单均匀控制系统、串级均匀控制系统控制器参简单均匀控制系统、串级均匀控制系统控制器参数的整定方法，与普通的单回路、串级系统的整定方数的整定方法，与普通的单回路、串级系统的整定方法相同，只不过控制指标的要求不同而已。法相同，只不过控制指标的要求不同而已。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.6 分程控制系统分程控制系统在分程控制系统中，一个控制器的输出信号被分在分程控制系统中，一个控制器的输出信号被分割成几个行程段，每一段行程各控制一个调节阀，故割成几个行程段，每一段行程各控制一个调节阀，故取名为分程控制系统。取名为分程控制系统。例如，例
29、如，一个控制器的输出信号一个控制器的输出信号分程分程控制控制两个两个调节调节阀阀A和和B，A和和B的输入信号各占一半行程。的输入信号各占一半行程。q可调整阀门定可调整阀门定位器来缩小调节阀位器来缩小调节阀的输入量程的输入量程。CABMM过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.6.1 分程控制系统工作原理及类型分程控制系统工作原理及类型1分程控制系统工作原理分程控制系统工作原理如某一间歇式生产的化学反应过程中，每次投料如某一间歇式生产的化学反应过程中，每次投料完毕后，需要先对其加热引发化学反应。完毕后，需要先对其加热引发化学反应。TT热水热水冷却水冷却水B TCA一旦反应开始进行，一
30、旦反应开始进行，就会持续产生大量的反就会持续产生大量的反应热，如果不及时降温，应热，如果不及时降温，物料温度会越来越高，物料温度会越来越高，有发生爆炸的危险。因有发生爆炸的危险。因此，必须降温。此，必须降温。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章为此，可设计以反应器内温度为被控参数、以热为此，可设计以反应器内温度为被控参数、以热水流量和冷却水流量为控制变量的分程控制系统，调水流量和冷却水流量为控制变量的分程控制系统，调节阀节阀A、B分别控制冷却水和热水。分别控制冷却水和热水。为保证安全，为保证安全，热水阀采用气开热水阀采用气开式，冷水阀采用式，冷水阀采用气关式，则温度气关式，则温度调
31、节器设为反作调节器设为反作用。用。TT热水热水冷却水冷却水B TCA反反反反正正过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章图图7.29 调节阀分程关系曲线调节阀分程关系曲线MPa0100%0.020.060.10A阀阀B阀阀 TT热水热水冷却水冷却水B TCA正正反反反反工作原理如下：工作原理如下：当装料完成、化学反应开始前，温度测量值小当装料完成、化学反应开始前，温度测量值小于设定值。调节器于设定值。调节器TC输出气压大于输出气压大于0.06MPa，A（冷（冷水）阀关闭，水）阀关闭，B（热水）阀开启，反应器夹套中进的（热水）阀开启，反应器夹套中进的热水使反应物料温度上升。热水使反应物料
32、温度上升。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章反应开始后，反应物温度逐渐升高，调节器输出反应开始后，反应物温度逐渐升高，调节器输出逐渐下降，热水阀逐渐关小；当反应物料温度达到并逐渐下降，热水阀逐渐关小；当反应物料温度达到并高于高于设定值设定值时，调节器输出气压将小于时，调节器输出气压将小于0.06MPa，热热水阀水阀完全关闭，冷水阀逐渐打开，冷水进入夹套将反完全关闭，冷水阀逐渐打开，冷水进入夹套将反应热带走，使反应物料温度保持在应热带走，使反应物料温度保持在设定值设定值。图图7.29 调节阀分程关系曲线调节阀分程关系曲线MPa0100%0.020.060.10A阀阀B阀阀 TT热水
33、热水冷却水冷却水B TCA正正反反反反过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章2分程控制系统的类型分程控制系统的类型按照调节阀的气开、气关形式和分程信号区段按照调节阀的气开、气关形式和分程信号区段不同，可分为以下两种类型：不同，可分为以下两种类型：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例：两个调节阀同向动作例：两个调节阀同向动作A、B均为正作用阀均为正作用阀A、B均为反作用阀均为反作用阀MPa0100%0.020.060.10A阀阀B阀阀MPa0100%0.020.060.10A阀阀B阀阀过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章MPa0100%0.020.06
34、0.10A阀阀B阀阀MPa0100%0.020.060.10A阀阀B阀阀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例：两个调节阀异向动作例：两个调节阀异向动作在在0.020.06MPa区区间，间，B阀全开、阀全开、A阀逐渐阀逐渐开大；在开大；在0.060.10MPa区间，区间，A阀全开、阀全开、B阀逐阀逐渐关小。渐关小。在在0.020.06MPa区区间，间，B阀全关、阀全关、A阀逐渐阀逐渐关小；在关小；在0.060.10MPa区间，区间，A阀全关、阀全关、B阀逐阀逐渐开大。渐开大。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章给定给定执行器执行器1对象对象变送器变送器控制器控制
35、器干扰干扰执行器执行器27.6.2 分程控制系统设计及工业应用分程控制系统设计及工业应用分程控制系统本质上属于单回路控制系统。二者分程控制系统本质上属于单回路控制系统。二者的主要区别是：单回路控制系统中调节器输出控制一的主要区别是：单回路控制系统中调节器输出控制一个调节阀，分程控制系统中调节器输出控制多个调节个调节阀，分程控制系统中调节器输出控制多个调节阀。因此，系统设计上有所不同。阀。因此，系统设计上有所不同。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.6.2.1 控制信号的分段控制信号的分段 在分程控制中，调节器输出信号分段是由生产工在分程控制中，调节器输出信号分段是由生产工艺要求
36、决定的。调节器输出信号需要分成几段，哪一艺要求决定的。调节器输出信号需要分成几段，哪一段信号控制哪一个调节阀，完全取决于工艺要求。段信号控制哪一个调节阀，完全取决于工艺要求。如在此例反应如在此例反应器温度控制中，工器温度控制中，工艺需要控制两个调艺需要控制两个调节阀。因此，调节节阀。因此，调节器输出信号需要分器输出信号需要分成两段。成两段。TT热水热水冷却水冷却水B TCA反反反反正正热水热水反应器温度：反应器温度：正作用正作用冷却水冷却水反应器温度：反作用反应器温度：反作用正正过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章 TT热水热水冷却水冷却水B TCA反反反反正正7.6.2.2 调节
37、阀特性的选择与应注意的问题调节阀特性的选择与应注意的问题 1.根据工艺要求选择同向或异向工作的调节阀根据工艺要求选择同向或异向工作的调节阀 如此例中，为保证安全，热水阀采用气开式，冷如此例中，为保证安全，热水阀采用气开式，冷水阀采用气关式。这就决定了两个调节阀异向工作。水阀采用气关式。这就决定了两个调节阀异向工作。又因工艺要求一个阀打开时，另一个必须关闭。因此又因工艺要求一个阀打开时，另一个必须关闭。因此两个阀的特性组合应是：两个阀的特性组合应是：MPa0100%0.020.060.10A阀阀B阀阀正正热水热水反应器温度：正作用反应器温度：正作用冷却水冷却水反应器温度：反作用反应器温度：反作用
38、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章2.流量特性的平滑衔接流量特性的平滑衔接如图为蒸汽压力减压系统。小负荷时只有如图为蒸汽压力减压系统。小负荷时只有A阀控阀控制、制、B阀阀不开；负荷较大时不开；负荷较大时A阀全开、阀全开、B阀阀控制。控制。两个同向特性的调节阀并联控制一种介质的流量两个同向特性的调节阀并联控制一种介质的流量时，总流量特性是两个阀流量特性的叠加组合。时，总流量特性是两个阀流量特性的叠加组合。CU()N()U()s s s PTMPa0100%0.020.060.10A阀阀B阀阀过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章如果两个调节阀的增益差距较大，如果两个调节阀
39、的增益差距较大，组合后的总流组合后的总流量量特性有突变点，会影响调节品质。特性有突变点，会影响调节品质。P（MPa）（a）二阀特性比较接近）二阀特性比较接近0流量流量 Q（%）1000.020.060.10 45（b）二阀特性差距较大）二阀特性差距较大01000.020.060.10 45P（MPa）流量流量 Q（%）如果两个调节阀都用直线特性，组合后的总流量如果两个调节阀都用直线特性，组合后的总流量特性有下列两种情况：特性有下列两种情况：过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章（a）分程信号不重叠）分程信号不重叠P（MPa）流量流量 Q（%）01000.020.060.10 如果调节
40、阀是对数流量特性，其总流量特性衔接如果调节阀是对数流量特性，其总流量特性衔接处必有突变点。处必有突变点。可以通过两个调节阀分程信号部分重迭的办法，可以通过两个调节阀分程信号部分重迭的办法，使调节阀流量特性实现平滑过渡。即将两个阀的工作使调节阀流量特性实现平滑过渡。即将两个阀的工作范围扩大，形成一段重迭区。范围扩大，形成一段重迭区。（b）分程信号重叠）分程信号重叠P（MPa）01000.020.060.10流量流量 Q（%）过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章3）调节阀的泄漏量）调节阀的泄漏量 在分程控制中，调节阀的泄漏量太大会影响控制在分程控制中，调节阀的泄漏量太大会影响控制质量。
41、尤其当大、小阀并联工作时，若大阀的泄漏量质量。尤其当大、小阀并联工作时，若大阀的泄漏量接近或大于小阀的正常的调节量，则小阀的调节能力接近或大于小阀的正常的调节量，则小阀的调节能力大大降低。大大降低。因为大阀的泄漏量因为大阀的泄漏量相当于存在一个不受控相当于存在一个不受控制的旁路管道，所以要制的旁路管道，所以要求大阀的泄漏量很小。求大阀的泄漏量很小。CU()N()U()s s s PT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.6.2.3 分程控制的实现分程控制的实现 分程控制要求对调节阀的输入量程进行压缩。分程控制要求对调节阀的输入量程进行压缩。一般是通过调整阀门定位器的输入信号零点和
42、量程，一般是通过调整阀门定位器的输入信号零点和量程，使调节阀在规定的信号区段作全行程动作。使调节阀在规定的信号区段作全行程动作。（b）分程信号重叠）分程信号重叠P（MPa）01000.020.060.10流量流量 Q（%）例如，使调节阀例如，使调节阀A在在0.020.07MPa范围内作全范围内作全行程动作；使调节阀行程动作；使调节阀B在在0.050.10MPa范围内作全范围内作全行程动作。行程动作。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.6.2.4 分程控制系统的工业应用分程控制系统的工业应用 分程控制系统的工业应用广泛，介绍应用比较多分程控制系统的工业应用广泛，介绍应用比较多的两
43、种形式：的两种形式：1、用于扩大调节阀的可调范围、用于扩大调节阀的可调范围 有的生产工艺要求控制的流量变化范围较大，但有的生产工艺要求控制的流量变化范围较大，但是调节阀的可调范围是有限的是调节阀的可调范围是有限的（国产统一设计柱塞调国产统一设计柱塞调节阀可调范围节阀可调范围R30）。若采用一个调节阀，能够控若采用一个调节阀，能够控制的最大流量和最小流量相差不可能太悬殊，满足不制的最大流量和最小流量相差不可能太悬殊，满足不了生产上流量大范围变化的要求，这时可考虑采用两了生产上流量大范围变化的要求，这时可考虑采用两个控制阀并联的分程控制方案。个控制阀并联的分程控制方案。过程控制系统与仪表过程控制系
44、统与仪表 第第7章章例例 某厂蒸汽压力减压系统某厂蒸汽压力减压系统用节流减压的方法将用节流减压的方法将10MPa的高压蒸汽减压成的高压蒸汽减压成4MPa的中压蒸汽。中压蒸汽的使用量变化很大。的中压蒸汽。中压蒸汽的使用量变化很大。如果只用一个阀门控制，只能选择大口径阀。而如果只用一个阀门控制，只能选择大口径阀。而大口径阀在小开度下工作时，控制效果变差。大口径阀在小开度下工作时，控制效果变差。如果用两个阀分程如果用两个阀分程控制，小负荷时只开小控制，小负荷时只开小阀，负荷增大时再开大阀，负荷增大时再开大阀。则两个调节阀组合阀。则两个调节阀组合后，可调范围扩大。后，可调范围扩大。CU()N()U()
45、s s s PT过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章 设大小两个调节阀的最大流通能力分别为：设大小两个调节阀的最大流通能力分别为：CBmax=105 m3、CAmax=4.2m3；可调范围均为；可调范围均为 R=30 则两个阀的最小流通能力分别为：则两个阀的最小流通能力分别为：CBmin=CBmin/R=105/30=3.5 m3CAmin=CAmin/R=4.2/30=0.14 m3 两个调节阀并联使用时：两个调节阀并联使用时：最小流通能力为：最小流通能力为：Cmin=CAmin=0.14 最大流通能力为：最大流通能力为：Cmax=CBmax+CAmax=107.2 m3 可调范
46、围可调范围R并并=Cmax /Cmin=107.2/0.14=78并联使用后调并联使用后调节阀的可调范围增大了节阀的可调范围增大了780/30=26倍。倍。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章2.用于一个控制回路需要控制多个操纵量用于一个控制回路需要控制多个操纵量例如在工业废液中和处理工艺中，需要根据废例如在工业废液中和处理工艺中，需要根据废液的酸碱性（液的酸碱性（pH值），分别控制加酸量或加碱量。值），分别控制加酸量或加碱量。MPa0100%0.020.060.10酸阀酸阀碱阀碱阀 pHT反反反反正正废液废液 pHC正正碱液碱液酸液酸液中和液中和液碱液碱液中和液：正作用中和液：正
47、作用酸液酸液中和液：反作用中和液：反作用过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.7 选择性控制系统选择性控制系统通常的自动控制系统是在正常生产状态下对某参通常的自动控制系统是在正常生产状态下对某参数进行稳定性控制。一旦生产过程出现非正常状态数进行稳定性控制。一旦生产过程出现非正常状态（如其它参数超过安全线），就得放弃对此参数的控（如其它参数超过安全线），就得放弃对此参数的控制，否则会发生事故。待采取制，否则会发生事故。待采取生产保护措施生产保护措施消除非正消除非正常状态后，控制系统再重新投入工作。常状态后，控制系统再重新投入工作。传统的传统的生产保护措施是硬保护措施。当生产操作生产
48、保护措施是硬保护措施。当生产操作达到安全极限时，发出声、光报警。操作工立即将控达到安全极限时，发出声、光报警。操作工立即将控制器切到手动操作、或是通过专门设置的联锁保护线制器切到手动操作、或是通过专门设置的联锁保护线路实现自动停车，以排除险情。路实现自动停车，以排除险情。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章如果控制系统具有自动应变能力，对于不同的如果控制系统具有自动应变能力，对于不同的生产状态，能自动选择不同的控制方案。生产状态，能自动选择不同的控制方案。当生产出当生产出现不正常状况时，能自动切换到保护性控制回路，现不正常状况时，能自动切换到保护性控制回路，让保护性控制回路来恢复让
49、保护性控制回路来恢复生产状态；生产状态；当生产恢复正当生产恢复正常时，再自动切回稳定性控制回路常时，再自动切回稳定性控制回路。这样就不需要这样就不需要通过人工或停车操作对生产进行保护，称为软保护通过人工或停车操作对生产进行保护，称为软保护措施。措施。选择性控制选择性控制系统就系统就是能根据是能根据生产状态自动选择生产状态自动选择合适的控制方案合适的控制方案的控制系统。系统设有有多个控制的控制系统。系统设有有多个控制回路，由选择器根据设计的逻辑关系选通某个回路，由选择器根据设计的逻辑关系选通某个控制控制回路回路。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章7.7.1选择性控制系统的类型选择性
50、控制系统的类型选择性控制系统通过选择器实现选择功能。选择选择性控制系统通过选择器实现选择功能。选择器可以接在调节器的输出端，对控制信号进行选择；器可以接在调节器的输出端，对控制信号进行选择；也可以接在变送器的输出端，对测量信号进行选择。也可以接在变送器的输出端，对测量信号进行选择。1.对调节器输出信号进行选择对调节器输出信号进行选择给定给定2变送器变送器2执行器执行器对象对象被控量被控量2给定给定1变送器变送器1控制器控制器1选择器选择器被控量被控量1干扰干扰控制器控制器2正常控制正常控制取代控制取代控制过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第7章章例例1 锅炉蒸汽压力的控制锅炉蒸汽压力的控
