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1、过程控制与自动化仪表,胡素梅主编,乌海职业技术学院,一、串级控制系统（一）串级控制系统的组成 在复杂控制系统中，串级控制系统的应用是最广泛的。以精馏塔控制为例（如图4-1所示），工艺上要求精馏塔的塔釜温度保持恒定，才能保证塔底产品分离的纯度，以利于生产质量的提高。拟解决方案为：以塔釜温度T为被控变量Y，以对塔釜温度影响最大的加热蒸汽流量F为操纵变量q组成“简单温度控制系统”，如图4-1（a）所示。但是实际生产过程中，如果蒸汽流量频繁波动，将会引起塔釜温度的频繁变化，尽管图4-1（a）的温度简单控制系统能克服这种扰动。可是，这种克服是在扰动对温度已经产生作用，使温度发生变化之后进行的。这势必对产
2、品质量产生很大的影响，因此这种方案控制效果不理想。,1-精馏塔塔釜 2-再沸器图4-1 精馏塔塔底温度控制,显然，使蒸汽流量平稳成为关键问题。图4-1（b）所示的“简单流量控制方案”可以解决蒸汽流量稳定的问题。这是一种预防扰动的方案，就克服蒸汽流量影响这一点，应该说是很好的。但是对精馏塔而言，影响塔釜温度的不只是蒸汽流量，比如说进料流量、温度、成分的干扰，也同样会使塔釜温度发生改变，方案4-1（b）简单系统对此亦无能为力。,所以，最好的办法是将二者结合起来。即将最主要、最强的干扰以图4-1（b）流量控制的方式预先处理（粗调），而其它干扰的影响最终用图4-1（a）温度控制的方式彻底解决（细调），
3、控制方案如图4-1（c）所示，即将温度控制器的输出串接在流量控制器的外设定上。因出现信号相串联形式，故称该系统为“提馏段温度串级控制系统”。在此方案中，为稳定主要变量（温度），引入了一个副变量（流量），组成“复杂控制系统”。,图4-2 双闭环串级控制系统,二、均匀控制系统（一）均匀控制系统的组成 工业生产装置的生产设备都是前后紧密联系的。前一设备的出料往往是后一设备的进料。如图4-3中，脱丙烷塔（简称B塔）的进料来自第一脱乙烷塔（简称A塔）的塔釜。对A塔来说，需要保证塔釜液位稳定，故有图4-3中的液位定值控制系统。而对B塔来说，希望进料量较稳定，故有图4-3中的流量定值控制系统。,假设由于扰动
4、作用，使A塔塔釜液位升高，则液位控制系统会使阀门1开度开大，以使A塔液位达到要求。而这一动作的结果，却使B塔进料量增大高于设定值，则流量定值控制系统又会关小阀门2，以保持流量稳定，于是两塔的供需就出现了矛盾，在同一个管道上两阀“开大”、“关小”使连续流动的流体无所适从。为解决前后工序的供求矛盾，使两个变量之间能够互相兼顾和协调操作，则采用“均匀控制系统”。,A-第一脱乙烷塔 B-脱丙烷塔图4-3 塔釜物料供求关系示图,(1)两个变量在控制过程中都应该是变化的,且变化缓慢。(2)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。,图4-4均匀控制系统示图,图4-5 串级均匀控制系统示图
5、,（三）均匀控制的特点 多数均匀控制系统都是要求兼顾液位和流量两个变量，也有兼顾压力和流量的，其特点是：不仅要使被控变量保持不变（不是定值控制），而又要使两个互相联系的变量都在允许的范围内缓慢变化。,开环比值控制系统,（2）单闭环比值控制系统 为了解决开环比值控制对副流量无抗干扰能力的问题，现增加一个副流量闭环控制系统，构成单闭环比值控制系统，如图4-7所示，结构上与串级控制系统很相似，由于单闭环比值控制系统主动量F1仍为开环状态，而串级控制系统主、副变量形成的是两个闭环，所以二者还是有区别的。,单闭环比值控制,图4-8 换热器的前馈控制,2前馈控制的特点（1）前馈控制是基于不变性原理工作的，
6、比反馈控制及时有效。（2）前馈控制系统如果能使对被控变量的影响与扰动对被控变量的影响大小相等、方向相反的话，将能完全克服扰动对被控变量的影响。（3）前馈控制属于“正反馈”闭环环控制系统，系统稳定性差。（4）前馈控制没有通用的控制器，而是视对象而定“专用”控制器。（5）一种前馈只能克服一种干扰。,3前馈-反馈控制系统较理想的做法是综合二者的优点，构成前馈-反馈控制系统，如图4-9示。用前馈来克服主要干扰，再用反馈来克服其它干扰以使被控变量稳定在所要求的设定值上。,图4-9 换热器的前馈-反馈控制,五、分程控制系统（一）概述 分程控制系统是将一个控制器的输出分成若干个信号范围，由各个信号段去控制相
7、应的控制阀，从而实现了一个控制器对多个控制阀的控制，有效地提高了过程控制系统的控制能力。,把控制器的输出信号分成两段，利用不同的输出信号分别控制两个控制阀。如阀A在控制器的输出信号为0.02MPa0.06MPa范围内工作，阀B则在控制器输出信号为0.06MPa0.1MPa范围内工作，每个控制阀的动作信号范围都是相同的。,就控制阀的气开、气关形式可分为两类：一类是控制阀同向动作，即随着控制器输出信号的增加或减小，控制阀均逐渐开大或逐渐减小，同向分程控制的两个控制阀同为气开式或同为气关式。,另一类是控制阀异向动作，即随着控制器输出信号的增加或减小，控制阀中一个逐渐开大，另一个逐渐减小，异向分程控制
8、的两个控制阀一个为气开式，一个为气关式。分程控制中控制阀同向或异向的选择，要根据生产工艺的实际需要来确定。,为了实现分程控制，一般需要在每个控制阀上引入阀门定位器。阀门定位器相当于一台放大系数可变且零点可调的放大器。借助于它对信号的转换功能，多个控制阀在分别接受控制器输出的不同信号段后，均被调整为0.02MPa0.1MPa，使之走完全行程。,2用于控制两种不同的介质，以满足工艺生产的要求某些间歇式生产的化学反应过程,一方面需配置蒸汽和冷水两种传热介质，并安装上控制阀；另一方面需设计一个分程控制系统，用温度控制器输出信号的不同区间来控制这两个阀。当反应物料投入设备后，开始需加热升温，以引发反应；
9、一旦达到反应温度后，由于放出大量反应热，若不及时移走热量，会使反应越来越剧烈，严重时会有爆炸的危险。利用A、B两个控制阀，分别控制冷水和蒸汽两种介质，以满足工艺上需要冷却和加热的不同要求。,根据节能的要求，升温期间应关闭冷水阀，打开蒸汽阀；当温度偏高需要降温时，应先关小蒸汽再开大冷水。由于温度控制器为反作用，这就意味着要求其输出信号下降时先关小蒸汽阀再开大冷水阀，因此，冷水阀应在低信号区工作（0.02 MPa0.06MPa），蒸汽阀应在高信号区工作（0.06 MPa0.1MPa）。,在进行化学反应前的升温阶段，由于温度的测量值小于给定值，控制器TC输出较大（大于0.06MPa），因此，阀A将关
10、闭，阀B将打开，此时通入蒸汽使循环水被加热，循环热水再通过反应器夹套为反应物加热，以使反应物温度慢慢升高。当反应物温度达到反应温度时，化学反应开始，有热量放出，反应物的温度将逐渐升高。由于温度控制器TC是反作用，故随着反应物温度的升高，控制器的输出逐渐减小。与此同时，阀B将逐渐关小。待控制器输出小于0.06MPa以后，阀B关闭，阀A将逐渐打开。这时，反应器夹套中流过的将不再是热水而是冷水。这样一来，反应所产生的热量就不断被冷水所移走，从而达到维持反应温度不变的目的。,3.用于保证生产过程的安全和稳定 采用氮封技术的工艺要求是保持贮罐内的氮气压力为微正压。贮罐中物料量的增减，将引起罐顶压力的升降
11、，故必须及时进行控制，否则将引起贮罐变形，甚至破裂，造成浪费或引起燃烧、爆炸等危险。因此，当贮罐内物料量增加时（即液位升高时），应及时使罐内氮气适量排出；反之，当贮罐内物料量减少时（即液位下降时），为保证罐内氮气呈微正压的工艺要求，向贮罐充氮气。,六、选择性控制系（一）选择性控制系统概述 非正常工况时的控制系统安全保护性措施有两类：一类是硬保护措施，一类是软保护措施。硬保护措施：就是联锁保护系统，当生产工况超出一定范围时，联锁保护系统采取一系列相应的措施，如有声光警报产生、自动到手动、联锁等，使生产过程处于相对安全的状态。缺点:这种硬保护措施经常使生产停车，造成较大的经济损失。,软保护措施:通
12、过一个特定设计的自动选择性控制系统，当生产短期内处于不正常工况时，既不使设备停车又起到对生产进行自动保护的目的。用一个控制不安全情况的控制方案自动取代正常生产情况下工作的控制方案，用取代控制器代替正常控制器，直至使生产过程重新恢复正常，而后又使原来的控制方案重新恢复工作，用正常控制器代替取代控制器。,通常系统中设有两个控制器（或两个以上的变送器），通过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。构成该系统应具备两方面:一是生产操作上有一定的选择性规律；二是组成控制系统的各个环节中，必须包含具有选择性功能的选择单元。,（二）选择性控制系统分类 1、开关型选择性控制系统 这种
13、控制系统一般有两个可供选择的变量。一个变量是工艺操作的主要技术指标，另一个变量只在工艺上对其有一限值要求，只要不超出该限值，就能保证生产的正常进行。因此，正常情况下就按照影响生产的主要变量来进行连续控制。一旦另一变量达到极限要求时，为了防止事故的发生，选择性控制系统通过专门的装置（电接点、信号器、切换器等）切断主要变量控制器的输出，而将控制阀迅速打开或关闭，直到该变量回到限值以内时，系统才自动重新恢复到之前的连续控制。,2、选择器位于两个控制器与一个执行器之间，这是选择性控制系统中常用的类型。,以锅炉为例,正常情况下，通过控制燃料量来保证蒸汽压力的稳定。当蒸汽用量增加时，蒸汽压力就会下降，为保证蒸汽压力不变，必须在增加供水量的同时，相应地增加燃料气量。然而，燃料气的压力也随燃料气量的增加而升高，当燃料气压力过高超过某一安全极限，会产生脱火现象。一旦脱火现象发生，燃烧室内由于积存大量燃料气与空气的混合物，会有爆炸的危险。锅炉控制系统中常采用蒸汽压力与燃料气压力的选择性控制系统，以防止脱火现象产生。,
