1、分程控制与阀位控制 吴平 浙江理工大学自动化系 2015/04/21 内 容?分程控制的概念与方法?分程控制的应用举例-间歇反应器与储罐气封控制?阀位控制方案 间歇放热反应器的控制问题 工艺背景：在反应开始时需要用蒸汽加热，以达到一定的反应速度；而当反应正常进行时，需要用冷却水进行冷却，以防止反应温度超高。控制目标：希望实现反应温度 全过程的自动控制 Y“A”“B”蒸汽冷却水T放热反应器TT 34换热水分程控制的基本设计思想 在分程控制系统中，仅有一个被控变量 CV，但通常有两个操作变量MVs。?分程控制的基本设计思想是，将两个 MVs（或两个控制阀）合并成一个MV，再按单回路方式进行控制；?
2、“分程”是指将控制器输出信号按范围划分成几段，其中每一段只调节一个控制阀的开度（另一控制阀的开度保持不变）。间歇放热反应器分程控制方案 Y“A”“B”TTT 34uTspTmTC 34I/P电/气转换器蒸汽冷却水放热反应器换热水p常规线性控制阀的特性?正常情况下，当电气转换器输出 p全范围变化（0.02 0.10 MPa）时，控制阀从全关至全开或从全开至全关。VAp100f (%)00.020.060.10p,MPa气开阀气关阀I/PTC 34uym分程控制的内部结构 上例中当输出p从0.02 变化至 0.06 MPa 时，VA就可全范围变化（此时，VB开度不变）；而当输出p从0.06 变化至
3、 0.10 MPa时，VB就可全范围变化（此时，VA开度不变）I/P0.020.06MPa0.060.1MPauVAVBp通过手工调节阀门定位器，使控制阀全范围所需的控制信号变窄。双控制阀的分程组合 100f (%)00.020.060.10p,MPa气开阀100f (%)00.020.060.10“A”100f (%)00.020.060.10100f (%)00.020.060.10“A”“B”“B”“B”“A”“A”“B”气关阀气开阀p,MPa气关阀气开阀p,MPap,MPa气关阀气关阀气开阀间歇放热反应器分程控制系统设计分析 Y“A”“B”TTT 34uTspTmTC 34I/P电/气
4、转换器蒸汽冷却水放热反应器换热水p问题讨论 1.选择两控制阀的气开/气关形式；2.两控制阀如何分程协调工作？3.画出该控制系统的方块图 100f (%)00.020.060.10“B”“A”p,MPa气关阀气开阀?1.为了避免气源故障引起反应器温度过高，无气时输入热量最小，蒸汽阀，气开式。冷水阀，气关式。?2.温度偏高，先关蒸汽再开大冷水。节能。温控器为反作用，温度 增高，输出信号下降。要求信号下降，先关小蒸汽，再开大冷水。?3.蒸汽阀分程区间在高信号区。冷水阀在低信号区。100f (%)00.020.060.10“B”“A”p,MPa气关阀气开阀间歇放热反应器分程控制系统方块图 放热反应器T
5、spTC 34Tmu(t)VAVB蒸汽加热器TT 34TcT冷却水回路fAfB1.确定TC34的正反作用；2.分析该控制系统如何具体工作？100f (%)00.020.060.10“B”“A”p,MPa气关阀气开阀?温度控制器，反作用控制器。Y“A”“B”TTT 34uTspTmTC 34I/P电/气转换器蒸汽冷却水放热反应器换热水p调节阀的分程动作关系 气关阀气开阀“A”“B”100阀开度(%)00.020.060.10调节阀气动信号（MPa）工作过程：（1）当温度变低时，调节阀的气动信号增大。若冷水阀还未全关，则先逐步关冷水阀；否则，再开大蒸汽阀；（2）当温度变高时，调节阀的气动信号减少。
6、若蒸汽阀还未全关，则先逐步关蒸汽阀；否则，再开大冷水阀；分程控制系统的非线性 蒸汽阀反应釜温度测量TspTC换热器Tmu(t)冷水阀fA(t)fB(t)问题：mmABTTff?分程控制系统非线性的补偿 mmABABTTfffufu?补偿原理：蒸汽阀反应釜温度测量TspTC换热器Tmu(t)冷水阀fA(t)fB(t)分程控制非线性补偿方法 mmABABTTfffufu?补偿原理：“A”“B”100阀开度(%)00.020.040.10调节阀气动信号（MPa）0.06若:3mmABTTff?3ABffuu?油品罐顶封氮分程控制方案 VB排空N2 气源N2PT 41PT 41气关阀气开阀uPspPm
7、VA问题讨论 1.两控制阀如何分程协调工作？2.确定压力控制器的正反作用；3.如何避免进气阀与排空阀的频繁切换，以节省氮气用量？?目的：防止油品或产品和空气中的氧气接触。?方法：保持储罐氮气气压为微正压。?过程：液面上升，停止补气，将压缩氮气适量排出。液面下降，停止放气，适量补充氮气。?进储罐阀门A 气开，排气阀门B气关。控制器反作用。贮罐气封分程动作过程 气关阀气开阀“B”“A”100阀开度(%)00.020.0580.10调节阀气动信号（MPa）0.0621、控制阀引入不灵敏区。2、同时，控制器引入调节死区 如何避免两调节阀的频繁开闭以减少N2用量?在设计控制系统时，选择控制变量既要考虑经
8、济性和合理性，又要考虑快速性和有效性。但在有些情况下，很难做到两者兼顾。阀位控制系统就是在综合考虑控制变量的快速性、有效性和经济性、合理性基础上发展起来的一种控制系统。阀位控制 经济、合理 但不及时 快速、及时 但不经济 主控制器 阀位控制器 B阀位设定值 阀位控制系统的原理结构 管式加热炉原油出口温度控制 克服干扰的快速性和有效性比较差 及时有效 经济合理 A.O A.O 正作用 反作用 阀位控制系统应用 管式加热炉原油出口温度控制 及时有效 经济合理 A.O A.O 正作用 反作用 稳定情况：被控参数=设定温度R VB开度=r 干扰使时：BATCVPC?（正作用）输出（反作用）输出VA、V
9、B两只阀控制的结果 会使温度上升的趋势降低 稳定情况：被控参数=设定温度R VB开度=r 干扰使P时：BAPPCVPCP?（反作用）输出（正作用）输出蒸汽减压系统压力控制 1.控制变量的选择 要从经济性、合理性和快速性、有效性两个不同角度考虑选择A、B两个控制变量。其中控制变量 A着重考虑它的经济性和合理性,而控制变量B则着重考虑它的快速性和有效性。2.控制阀开闭形式的选择 与单回路控制系统介绍的选择方法相同.阀位控制系统的设计与整定 3.调节规律的选择 主控制器是控制产品质量指标的,应该选择PI或PID.阀位控制器的作用在于最终使控制阀处于一个固定的小开度 r上,因此应该选择PI。原则：与单
10、回路控制系统介绍的选择方法相同.4.调节器正、反作用方式的选择 阀位控制系统的设计与整定 4.调节器正、反作用方式的选择 示例1：管式炉原油出口温度阀位控制系统方框图 A.O A.O B?A?“+”“+”“+”“-”“-”正作用“+”反作用 4.调节器正、反作用方式的选择 低压总管压力阀位控制系统方框图 A.O A.O BP?AP?“+”“+”“+”“+”“+”反作用“-”正作用 示例2：5.阀位控制系统的整定 将其视为两个彼此之间有联系的单回路系统来整定。整定可分两步进行：（1）在阀位控制器处于手动情况下，按单回路系统整定方法整定主控制器的参数。（2）将整定好的主控制器参数放好，使其处于自动状态，然后按单回路系统整定方法整定阀位控制器的参数。多回路PID控制方案总结?为改善被控变量CV的动态性能 (1)串级控制 (2)前馈反馈控制 (3)变比值控制?为满足工艺过程提出的特殊需要 (1)（液位与流量）均匀控制 (2)（两流量之间的）比值控制 (3)（两被控变量之间的）超驰控制或选择控制 (4)（两控制阀之间的）分程控制 (5)（主回路的）阀位控制 HOMEWORK?P5-7
