第六章分程與閥位控制系統(tǒng)4.ppt

1、第五節(jié) 分程控制系統(tǒng)和閥位控制系統(tǒng),一、分程控制系統(tǒng) 分程控制系統(tǒng)概念,一般來說，一臺控制器的輸出只控制一只控制閥。但是分程控制卻不是一臺控制器的輸出僅控制一只控制閥。 概念：若一臺控制器去操縱幾只閥門，并且是按輸出信號的不同區(qū)間去操縱不同閥門的，這種控制方式習(xí)慣上稱為分程控制系統(tǒng)。,一、分程控制系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu),以一臺控制器去操縱二只閥門為例來說明分程控制系統(tǒng)的基本原理。,為了實(shí)現(xiàn)分程目的，需借助于附設(shè)在每只控制閥上的閥門定位器，借助于它對信號轉(zhuǎn)換功能。,412mA時(shí)：A閥動作；B閥全開或全關(guān)。 1220mA時(shí)：B閥動作；A閥全開或全關(guān)。,一、分程控制系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)（續(xù)）,分程控制方案

2、中，閥的開關(guān)形式，可分為同向和異向兩種。同向和異向的選擇，全由工藝的需要而定,一、分程控制系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)（續(xù)）,設(shè)計(jì)分程控制的目的 是為擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍，以改善控制系統(tǒng)的品質(zhì)。閥的開關(guān)形式選擇同向。 是滿足工藝上操作的特殊要求。閥的開關(guān)形式選擇異向。,一、分程控制系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)（續(xù)）,用于擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍情況 控制閥有一個(gè)重要指標(biāo)，即閥的可調(diào)范圍R，它是一項(xiàng)靜態(tài)指標(biāo)，表明控制閥執(zhí)行規(guī)律特性（線性特性或等百分比特性）運(yùn)行的有效范圍，可調(diào)范圍可用下式表示： R=Cmax/Cmin,國產(chǎn)控制閥的可調(diào)范圍一般為R=30 對于化工生產(chǎn)過程的絕大部分場合，采用R=30的控制閥已足夠滿足生產(chǎn)

3、要求 。但有極少數(shù)的場合，可調(diào)范圍要求特別大，如廢水處理中的PH值控制。工廠的廢液來自下水道、廢水沉淀池、洗滌器等處，其流量變化可達(dá)45倍。酸堿含量可以變化幾十倍以上。廢水中酸或堿的類型各異，其含量變化使PH值曲線也產(chǎn)生變化，因而這種場合需要的可調(diào)范圍會超過1000。如果不能提供足夠的可調(diào)范圍，其結(jié)果將是要求在高負(fù)荷下試劑供應(yīng)不足或在低負(fù)荷下低于可調(diào)范圍時(shí)產(chǎn)生極限環(huán)。,一、分程控制系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)（續(xù)）,用于擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍時(shí)，總是采用兩只同向動作的分程控制閥關(guān)聯(lián)安裝在同一流體管道上。,一、分程控制系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)（續(xù)）,30,一、分程控制系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)（續(xù)）,分程控制閥的分程范圍

4、，一般取0.020.06MPa及0.060.1MPa兩段進(jìn)行均分，但實(shí)際劃分時(shí)，要結(jié)合閥的特性及工藝要求來決定。 用分程控制，可獲得擴(kuò)展可調(diào)范圍的效果，但從流量特性來看，還存在著由A閥至B閥流量變化平滑過渡的問題。,一、分程控制系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)（續(xù)）,為了說明問題，若前述兩只控制閥為線性閥或等百分比閥，且采用均分的分程信號，假定兩閥為氣開閥，于是可得總的流量特性。,一、分程控制系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)（續(xù)）,與小閥門最大流通能力相對應(yīng)的控制信號就決定了小閥的信號區(qū)間，如412.96。與大閥門最小流通能力相對應(yīng)的控制信號就決定了大閥的信號區(qū)間，如10.9620mA。這就是習(xí)慣上采用的信號重疊方法。,

5、為了緩和在分程點(diǎn)出現(xiàn)的增益突變，改變方法將大閥門的最大流通能力按所需最大流量選定，而小閥門的選擇應(yīng)使最大流通能力稍大于閥門的最小流通能力，為了正確的確定信號分割點(diǎn)，可以將大閥門最大流通能力和小閥門的最小流通能力相對應(yīng)的點(diǎn)分別標(biāo)給在控制器輸出的100%和0%處。,一、分程控制系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)（續(xù)）,用于滿足工藝上操作的要求,控制要求：反應(yīng)開始前，需要用蒸汽加熱以達(dá)到反應(yīng)所需的溫度；當(dāng)反應(yīng)開始后，因放出大量反應(yīng)熱，需要用冷水進(jìn)行冷卻。,例1：間歇聚合反應(yīng)器的控制問題,一、分程控制系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)（續(xù)）,問題： （1）選擇兩調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)屬性； （2）溫度控制器的正反作用； （3）協(xié)調(diào)兩調(diào)節(jié)閥

6、的動作； （4）如何克服廣義對象的非線性。,例1：間歇聚合反應(yīng)器溫度分程控制系統(tǒng),一、分程控制系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)（續(xù)）,設(shè)計(jì)思路： （1）確定閥的氣開、氣閉形式 從安全角度，為了避免氣源故障時(shí)，反應(yīng)器溫度過高，所以要求無氣時(shí)輸入熱量處于最小情況，蒸汽閥選氣開式、冷水閥選氣關(guān)式。溫度控制器應(yīng)選反作用。,（2）決定分程區(qū)間 根據(jù)工藝要求，當(dāng)溫度偏高時(shí)，總是先關(guān)小蒸汽再開大冷水。而由于溫度控制器為反作用，溫度增高時(shí)其輸出信號下降。兩者綜合起來即是要求信號下降時(shí)先關(guān)小蒸汽，在開大冷水。這就意味著蒸汽的分程區(qū)間在高信號區(qū)（1220mA)；冷水的分程區(qū)間在低信號區(qū)（412mA)；,一、分程控制系統(tǒng)基本原理

7、及結(jié)構(gòu)（續(xù)）,工作過程： 當(dāng)反應(yīng)釜備料工作完成后，溫度控制系統(tǒng)投入運(yùn)行，因?yàn)槠鹗紲囟鹊陀谠O(shè)定值，所以具有反向作用的溫度控制器輸出信號升高（最大），B閥打開，用蒸汽加熱以獲得熱水，再通過夾套對反應(yīng)釜加熱，升溫，引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。一旦化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行下去，到反應(yīng)溫度升高并超過設(shè)定值后，則控制器的輸出信號下降。將漸漸關(guān)閉B閥，接著打開A閥通入冷水移走反應(yīng)熱，從而把反應(yīng)溫度控制在設(shè)定值。,一、分程控制系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)（續(xù)）,a. N2氣壓微量正壓,b. 貯存量PuB閥；A閥,c. 貯存量 Pu A閥；B閥,例2：貯罐氣封分程控制系統(tǒng),工藝要求始終保持儲罐內(nèi)的氮?dú)鈮何⒘空龎骸迌?nèi)儲存物料量增減時(shí)，將引起罐頂

8、壓力的升降，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行控制，否則將使儲罐變形。因此，當(dāng)儲罐液位上升時(shí)，應(yīng)停止補(bǔ)氮?dú)?，并將壓縮氮?dú)膺m量排出。反之，當(dāng)液面下降時(shí)應(yīng)停止放氮?dú)?。從而達(dá)到既隔絕空氣，又保證容器不變形。,一、分程控制系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)（續(xù)）,避免兩調(diào)節(jié)閥頻繁開閉的方法： （1）控制閥引入不靈敏區(qū)。 （2）同時(shí)，控制器引入調(diào)節(jié)死區(qū)（為什么？）,針對一般儲罐頂部空隙較大，壓力對象時(shí)間常數(shù)大，而氮的壓力控制精度要求不高的實(shí)際情況，存在一個(gè)間歇區(qū)是允許的。設(shè)計(jì)間歇區(qū)的好處是避免兩只閥的頻繁開閉，以有效節(jié)省氮?dú)狻?一、分程控制系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)（續(xù)）,閥A:411mA 閥B:1120mA 目的：減小閥B通道靜態(tài)增益，增強(qiáng)其通道系

9、統(tǒng)穩(wěn)定性。,二、閥位控制(VPC)系統(tǒng),問題： 在生產(chǎn)上存在這種情況，有兩個(gè)（或多個(gè)）變量均能影響同一被控變量，但具有良好的動態(tài)性能的變量，其靜態(tài)性能（指工藝上的某些性能）都是低劣的。因而要從提高被控變量控制品質(zhì)的角度應(yīng)采用動態(tài)性能好的變量，但從穩(wěn)定優(yōu)化的角度卻會是不合適的。對此，為了協(xié)調(diào)矛盾，可采用包括閥位控制系統(tǒng)在內(nèi)的復(fù)合系統(tǒng)。,二、閥位控制(VPC)系統(tǒng)（續(xù)）,被控變量：加熱爐出口溫度 操縱變量：旁路物料（ VA） 、燃料量（ VB）對溫度均有控制作用。 問題：從動態(tài)上分析，采用旁路閥控制，通道滯后小、控制及時(shí)。因而假若僅考慮控制品質(zhì)，則只要控制VA構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)。然而，從節(jié)能的角度

10、，因?yàn)閮煞N冷熱不同流體的混合過程是不可逆過程，會造成熱損失，且要求燃料量足夠大，所以設(shè)置旁路本身是不合理的。旁路閥全關(guān)才是最節(jié)能的。,為了協(xié)調(diào)矛盾，設(shè)計(jì)了該雙重系統(tǒng)閥位控制VPC系統(tǒng)。,二、閥位控制(VPC)系統(tǒng)（續(xù)）,主回路：溫度變送器、溫度控制器和VA及對象。由于以旁路流量作為操縱變量，所以使回路具有良好的動態(tài)品質(zhì)。 副回路：由閥VA閥位信號即溫度控制器的輸出作為閥位控制器的測量信號，（被控變量），由閥位控制器(VPC)和VB閥及對象構(gòu)成一個(gè)次控制回路。 VPC設(shè)定值：對應(yīng)VA的較小開度（如10%）。 參數(shù)整定：采用寬比例度和大積分時(shí)間，使其具有緩慢控制動作，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，能保證控制閥VA

11、 在小開度。 工作過程：C u1 ,VA ; u2 ,VB ,二、閥位控制(VPC)系統(tǒng)（續(xù)）,討論： 兩回路工作頻率差異較大，討論主回路時(shí)可將副回路看成開路。而在討論副回路時(shí)，又可將主回路的某些快速環(huán)節(jié)的動態(tài)滯后忽略掉。 從結(jié)構(gòu)上看，分程控制系統(tǒng)和閥位控制系統(tǒng)都是有多個(gè)變量和單個(gè)被控變量的過程。分程控制要求各個(gè)控制變量接替工作；而閥位控制器是要求被選作輔助變量的閥位在穩(wěn)定時(shí)處于某個(gè)較?。ɑ蜉^大）值上，以滿足另外指標(biāo)優(yōu)化的要求。,冷凍鹽水和冷水都能影響溫度，兩者比較，冷凍鹽水的影響滯后小，有良好的動態(tài)性能，但價(jià)格貴。在正常情況下，要求通過閥位控制器的調(diào)整使它處于小流量，而當(dāng)受到干擾使溫度突然上升，又能