化工儀表及其自動(dòng)化-復(fù) 雜 控 制 系 統(tǒng)

復(fù)雜控制器Introduction

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、基本、應(yīng)用廣泛。

But……簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)難以滿足控制要求工業(yè)發(fā)展，生產(chǎn)工藝革新，生產(chǎn)過(guò)程大型化、復(fù)雜化，操作條件的要求更加嚴(yán)格，變量之間的關(guān)系更復(fù)雜?，F(xiàn)代化生產(chǎn)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求很高采用復(fù)雜控制系統(tǒng)Contents串級(jí)控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)多沖量控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)選擇性控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)管式加熱爐出口溫度簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)通道容量滯后很大干擾：燃料壓力或其本身熱值有較大波動(dòng)被控變量：原油出口溫度先影響爐膛溫度原油出口溫度波動(dòng)，難以滿足生產(chǎn)要求逐漸影響原料油出口溫度Part1—串級(jí)控制系統(tǒng)管式加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)爐膛溫度θ2發(fā)生變化原油出口溫度θ1發(fā)生變化T2C工作，改變?nèi)剂霞尤肓縏1C工作，改變T2C給定值干擾：燃料壓力或其本身熱值有較大波動(dòng)對(duì)象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時(shí)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)控制×

串級(jí)控制系統(tǒng)√注意！

F2：燃料油壓力、組分等的變化F1：燃料油流量、溫度的變化Part1—串級(jí)控制系統(tǒng)工作過(guò)程1、干擾進(jìn)入副回路（只有F2）2、干擾作用于主對(duì)象（只有F1）3、干擾同時(shí)作用于副回路和主對(duì)象Part1—串級(jí)控制系統(tǒng)特點(diǎn)

主回路是個(gè)定值控制系統(tǒng)，而副回路是個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。

主變量是反映產(chǎn)品質(zhì)量或生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行情況的主要工藝變量。

副回路具有超前控制作用，有效地克服滯后，提高了控制質(zhì)量。

增加了副回路，具有一定的自適應(yīng)能力，可用于負(fù)荷和操作條件有較大變化的場(chǎng)合。1.引入閉合副回路，不僅能迅速克服作用于副回路的干擾，而且加速克服作用于主對(duì)象上的干擾；2.副回路“先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)”，主回路“后調(diào)、慢調(diào)、細(xì)調(diào)”。主、副回路相互配合，充分發(fā)揮了控制作用主、副變量間應(yīng)有一定的內(nèi)在聯(lián)系應(yīng)使副回路盡量少包含或不包含純滯后主要干擾應(yīng)被包圍在副回路內(nèi)避免主、副回路工作頻率接近，發(fā)生共振“選擇一個(gè)合適的副變量”-DescriptionofthecontentsPart1—副回路選擇原則應(yīng)使副回路包含更多的次要干擾010203控制規(guī)律的選擇控制器正、反作用的選擇控制器參數(shù)的工程整定Part1—串級(jí)控制系統(tǒng)Part2—均勻控制系統(tǒng)甲塔:

為了穩(wěn)定操作需保持塔釜液位穩(wěn)定，必然頻繁地改變塔底的排出量。乙塔：

從穩(wěn)定操作要求出發(fā)，希望進(jìn)料量盡量不變或少變。

兩塔間的供求關(guān)系出現(xiàn)矛盾

為了解決前后工序供求矛盾，達(dá)到前后兼顧協(xié)調(diào)操作，使液位和流量均勻變化，組成的系統(tǒng)稱為均勻控制系統(tǒng)。（1）兩個(gè)變量在控制過(guò)程中都應(yīng)該是緩慢變化的（定值控制是使被控變量恢復(fù)到給定值）。（2）兩個(gè)變量應(yīng)保持在所允許的范圍內(nèi)波動(dòng)。前一設(shè)備的液位和后一設(shè)備的進(jìn)料量之關(guān)系1—液位變化曲線；2—流量變化曲線Part2—均勻控制的要求（目的）Part2—均勻控制方案1、簡(jiǎn)單均勻控制流量會(huì)隨閥前后壓差變化而改變流量改變使液位變化導(dǎo)致塔內(nèi)壓力或排出端壓力變化將比例度δ整定得很大，則當(dāng)液位變化時(shí)，控器的輸出變化很小?？刂撇患皶r(shí)缺陷：一般為純比例，有時(shí)為了克服干擾造成過(guò)大偏差，則引入積分作用。Part2—均勻控制方案2、串級(jí)均勻控制增加一個(gè)流量副回路

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上與串級(jí)系統(tǒng)相同。

本質(zhì)上是均勻控制（協(xié)調(diào)液位和流量之間的關(guān)系）一般為純比例，要求高時(shí)時(shí)為了防止偏差過(guò)大，引入積分作用。

串級(jí)均勻控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)兩個(gè)變量間的關(guān)系是通過(guò)控制器參數(shù)整定來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在串級(jí)均勻控制系統(tǒng)中，參數(shù)整定的目的不是使變量盡快地回到給定值，而是要求變量在允許的范圍內(nèi)作緩慢的變化。注意！Part3—比值控制系統(tǒng)在化工、煉油及其他生產(chǎn)過(guò)程中，工藝上常需要將兩種（或以上）的物料保持一定的比例關(guān)系。造紙生產(chǎn)過(guò)程：紙漿和水應(yīng)以一定比例混合；

重油氣化造氣：進(jìn)入氣化爐的氧氣和重油流量應(yīng)保持一定比例；鍋爐燃燒過(guò)程：燃料量和空氣按一定的比例進(jìn)入爐膛。例：

比值控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)。（通常為流量比值控制系統(tǒng)）Part3—比值控制系統(tǒng)從動(dòng)量：按主物料進(jìn)行配比的物料流量主動(dòng)量：處于主導(dǎo)地位的物料流量造紙生產(chǎn)過(guò)程：紙漿和水應(yīng)以一定比例混合；

重油氣化造氣：進(jìn)入氣化爐的氧氣和重油流量應(yīng)保持一定比例；鍋爐燃燒過(guò)程：燃料量和空氣按一定的比例進(jìn)入爐膛。Part3—比值控制系統(tǒng)的類型1、開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)只能保持執(zhí)行器的閥門開(kāi)度與Q1之間成一定比例關(guān)系對(duì)副流量Q2本身無(wú)抗干擾能力只適用于副流量較平穩(wěn)且比值要求不高的場(chǎng)合Part3—比值控制系統(tǒng)2、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)Q2隨Q1變化而變化，且克服了Q2本身干擾對(duì)比值的影響Q1不受控制，會(huì)影響總物料量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)施方便、應(yīng)用廣泛尤其適用于主物料在工藝上不允許進(jìn)行控制的場(chǎng)合Part3—比值控制系統(tǒng)3、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：提降負(fù)荷較方便，只要緩慢改變F1C的給定值，就可提降Q1，同時(shí)Q2也自動(dòng)跟蹤提降，并保持其比例缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，使用儀表多，投資大，系統(tǒng)調(diào)整比較麻煩適用于主流量干擾頻繁、工藝上不允許有較大波動(dòng)或工藝上經(jīng)常需要提降負(fù)荷的場(chǎng)合。Part3—比值控制系統(tǒng)4、變比值控制系統(tǒng)

有些化學(xué)反應(yīng)，要求兩種物料的比值能靈活地隨第三變量的需要而加以調(diào)整。3、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)1、開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)2、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)定比值控制系統(tǒng)Part4—前饋控制系統(tǒng)反饋與前饋

換熱器的反饋控制

換熱器的前饋控制反饋控制與前饋控制方塊圖反饋——控制信號(hào)在干擾已經(jīng)造成影響、被控變量偏離給定值以后才能產(chǎn)生。前饋——根據(jù)干擾的變化直接產(chǎn)生控制作用。比較Part4—前饋控制系統(tǒng)特點(diǎn)1.前饋控制是基于不變性原理工作的，比反饋控制及時(shí)、有效；2.前饋控制屬于“開(kāi)環(huán)”控制系統(tǒng)；3.前饋控制使用的是視對(duì)象特性而定的“專用”控制器；4.一種前饋?zhàn)饔弥荒芸朔环N干擾。前饋控制系統(tǒng)的補(bǔ)償過(guò)程干擾：使溫度降低前饋控制：使溫度升高Part4—前饋控制系統(tǒng)形式

1、單純的前饋控制形式2、前饋—反饋控制形式前饋與反饋的優(yōu)缺點(diǎn)相對(duì)應(yīng)兩者結(jié)合可取長(zhǎng)補(bǔ)短"前饋"克服主要干擾，"反饋"克服其他干擾Part4—前饋控制適用場(chǎng)合（1）干擾幅值大而頻繁，對(duì)被控變量影響劇烈，僅采用反饋控制達(dá)不到要求的對(duì)象。（2）主要干擾是可測(cè)而不可控的變量。

（3）當(dāng)對(duì)象的控制通道滯后大，反饋控制不及時(shí)，控制質(zhì)量差，可采用前饋或前饋-反饋控制系統(tǒng)，以提高控制質(zhì)量。Part5—選擇性控制系統(tǒng)通常正常工作生產(chǎn)工藝正常時(shí)現(xiàn)代化大型生產(chǎn)過(guò)程克服干擾、維持生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行控制系統(tǒng)應(yīng)有應(yīng)變能力能采取相應(yīng)保護(hù)措施控制器改為手動(dòng)生產(chǎn)出現(xiàn)事故控制系統(tǒng)重新投入工作事故排除后生產(chǎn)正常生產(chǎn)操作達(dá)到安全極限促使生產(chǎn)操作離開(kāi)安全極限或生產(chǎn)暫時(shí)停止Part5—選擇性控制系統(tǒng)生產(chǎn)條件趨向限制條件時(shí)，一個(gè)用于控制不安全情況的控制方案將自動(dòng)取代正常情況下的控制方案。直到生產(chǎn)操作重新回到安全范圍內(nèi)生產(chǎn)操作達(dá)到安全極限時(shí)，有聲、光報(bào)警產(chǎn)生進(jìn)行手動(dòng)操作聯(lián)鎖保護(hù)、自動(dòng)停車影響生產(chǎn)，會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失

硬保護(hù)措施軟保護(hù)措施選擇性控制Part5—選擇性控制系統(tǒng)類型丙烯冷卻器的兩種控制方案1、開(kāi)關(guān)型選擇控制系統(tǒng)→一般用作系統(tǒng)的限值保護(hù)控制變量：氣丙烯出口溫度15℃左右操縱變量：液丙烯（蒸發(fā)吸熱）帶上限節(jié)點(diǎn)的液位變送器液位超限引起氣液夾帶電磁三通閥Part5—選擇性控制系統(tǒng)類型2、連續(xù)型選擇控制系統(tǒng)輔助鍋爐壓力取代控制系統(tǒng)被控變量：蒸汽壓力↓被控變量：燃料氣量↑進(jìn)入爐膛的燃料氣壓力若過(guò)高會(huì)引起脫火低選器燃料氣壓力控制器蒸汽壓力控制器被控變量：燃料氣量↑被控變量：蒸汽壓力↓Part5—選擇性控制系統(tǒng)類型3、混合型選擇控制系統(tǒng)燃料氣壓力過(guò)低，會(huì)出現(xiàn)回火現(xiàn)象。

帶下限節(jié)點(diǎn)的壓力控制器電磁三通閥Part6—分程控制系統(tǒng)

一臺(tái)控制器的輸出可以同時(shí)控制兩臺(tái)甚至兩臺(tái)以上的控制閥?？刂破鞯妮敵鲂盘?hào)被分割成若干個(gè)信號(hào)范圍段，由每一段信號(hào)去控制一臺(tái)控制閥，稱為分程控制系統(tǒng)。分程控制系統(tǒng)方塊圖Part6—分程控制系統(tǒng)1.用于擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍，改善控制品質(zhì)蒸汽減壓系統(tǒng)分程控制目的將10MPa的高壓蒸汽減壓為4MPa的中壓蒸汽節(jié)流減壓選擇大口徑控制閥為適應(yīng)大負(fù)荷下蒸汽供應(yīng)量的需要正常情況下，蒸汽量無(wú)需太大控制閥小開(kāi)度工作閥特性畸變，易產(chǎn)生噪音和振蕩，控制效果變差，控制質(zhì)量降低采用兩臺(tái)控制閥，構(gòu)成分程控制方案。Part6—分程控制系統(tǒng)PC輸出為20-60kPa從全關(guān)到全開(kāi)A閥PC輸出為60-100kPa從全關(guān)到全開(kāi)B閥彌補(bǔ)蒸汽供應(yīng)量不足Part6—分程控制系統(tǒng)2.用于控制兩種不同的介質(zhì)，以滿足工藝生產(chǎn)的要求氣關(guān)式氣開(kāi)式控制兩種不同介質(zhì)反應(yīng)前預(yù)熱反應(yīng)過(guò)程中移走熱量“反”作用預(yù)熱：進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)前的升溫階段，溫度測(cè)量值小于給定值，TC輸出較大，A閥全關(guān)，B閥全開(kāi)。蒸汽通入熱交換管道使循環(huán)水加熱，循環(huán)熱水通入反應(yīng)器夾套為反應(yīng)物加熱。移走熱量：溫度達(dá)到反應(yīng)溫度時(shí)，化學(xué)反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，有熱量放出，反應(yīng)物溫度逐漸升高，TC輸出減小，B閥全關(guān)，A閥逐漸打開(kāi)。此時(shí)，反應(yīng)器夾套流過(guò)的是冷水，不斷移走熱量，維持反應(yīng)溫度不變。反應(yīng)器分程控制系統(tǒng)

A、B閥特性圖Part6—分程控制系統(tǒng)3.用作生產(chǎn)安全的防護(hù)措施

貯罐氮封分程控制方案氣關(guān)式氣開(kāi)式氮封：石油貯罐上方充入N2氣，使油品與空氣隔絕，避免氧化或爆炸。工藝要求：維持氮封壓力抽取物料時(shí)，氮封壓力↓，如不及時(shí)補(bǔ)充N2，貯罐有被吸癟的危險(xiǎn)。打料時(shí)，氮封壓力上升，如不及時(shí)排出一部分N2,貯罐有可能被鼓壞。當(dāng)貯罐壓力升高時(shí)，測(cè)量值將大于給定值，PC的輸出↓，A閥將關(guān)閉，B閥將打開(kāi)，通過(guò)放空的方法將貯罐內(nèi)壓力降下來(lái)。當(dāng)貯罐壓力降低時(shí)，測(cè)量值將小于給定值，PC的輸出↑，A閥將打開(kāi)，B閥將關(guān)閉，氮?dú)獗谎a(bǔ)充加入貯罐，提高了貯罐壓力。

氮封分程閥特性圖Part7—多沖量控制系統(tǒng)

在控制系統(tǒng)中，有多個(gè)變量信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的運(yùn)算后，共同控制一臺(tái)執(zhí)行器，以使某個(gè)被控的工藝變量有較高的控制質(zhì)量。

在鍋爐給水系統(tǒng)控制中應(yīng)用比較廣泛。主要用來(lái)

自動(dòng)控制鍋爐的給水量，

使其適應(yīng)蒸發(fā)量的變化，

維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。

定義適用范圍Part7—多沖量控制系統(tǒng)1.單沖量液位控制系統(tǒng)原理優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用儀表少。

缺點(diǎn)不能適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的劇烈變化。易根據(jù)“假液位”引起控制系統(tǒng)的誤動(dòng)作。根據(jù)汽包液位的信號(hào)來(lái)控制給水量。Part7—多沖量控制系統(tǒng)2.雙沖量液位控制系統(tǒng)雙沖量——液位信號(hào)和蒸汽流量信號(hào)結(jié)構(gòu)——實(shí)際上是一個(gè)前饋-反饋控制系統(tǒng)。缺點(diǎn)——供水壓力擾動(dòng)比較頻繁時(shí)，控制質(zhì)量較差。

優(yōu)點(diǎn)——減少因蒸汽負(fù)荷量的變化而引起的液位波動(dòng)。Part7—多沖量控制系統(tǒng)3.三沖量液位控制系統(tǒng)

這實(shí)質(zhì)上是前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)。主變量：汽包液位副變量：給水流量前饋信號(hào)：蒸汽流量Compare適用場(chǎng)合串級(jí)對(duì)象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)無(wú)法滿足要求時(shí)；