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1、第7章 实现特殊要求过程控制系统,教学目的与要求：1）了解比值控制的工业应用背景，熟悉比值控制系统的结构类型；2）掌握比值控制系统中比值器参数计算方法；3）了解比值控制系统中的非线性补偿、动态补偿以及实施方案等；4）了解均匀控制的特点及设计方法；5）了解分程控制的特点及应用场合；6）了解自动选择性控制的特点及应用场合。,讲授内容提要及顺序安排：,7.1 比值控制系统7.2 均匀控制系统7.3 分程控制系统7.4 主动选择性控制系统,教学重点：比值控制系统的结构类型；比值器参数计算方法；非线性补偿、动态补偿以及实施方案等；均匀控制的特点及设计方法；分程控制的特点及应用场合；自动选择性控制的特点及
2、应用场合教学难点：比值器参数计算方法；非线性补偿、动态补偿以及实施方案,7.1 比值控制系统比值控制系统概述,比值控制系统就是使一种物料随着另一种物料按一定比例变化的控制系统,问题：Q2容易受干扰和非线性的影响 而破坏Q1与Q2的比值关系。,1、开环比值控制系统,2、单闭环比值控制系统,问题：这种单闭环比值控制系统可以精确的控制Q1与Q2的比值关系但Q1的值不可控。,3、双闭环比值控制系统,问题：该控制方案所用仪表较多，投资较高。,4、变比值控制系统,应该注意:在变比值控制系统中，比值通常只是一种控制手段不是最终目的，而第三参数y(s)往往是产品质量指标。在有些生产过程中，要求两种物料的流量比
3、随第三个工艺参数的要求而变化，也就是比值系数不是固定的而是随工况而变化的，这就是变比值控制。,基于除法器的变比值控制,实例,硝酸生产控制系统,氧化炉温度串级比值控制流程,比值控制系统的设计,如上所述，比值控制是解决不同物料流量之间的比例关系问题。当使用单元组合仪表时，因输入输出参数均为统一标准信号，所以，比值器参数必须由实际物料流量的比值系数折算成仪表的标准统一信号。以下分两种情况。,（1）流量与检测信号呈非线性关系,（2）流量与检测信号呈线性关系,1、比值器参数的计算,说明：当物料流量的比值一定、流量与其检测信号呈平方关系时，比值器的参数与物料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈平方关系。,
4、说明：当物料流量的比值一定、流量与其测量信号呈线性关系时，比值器的参数与物料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈线性关系。,（3）实例计算,已知某流量比值系统采用差压式流量计测量主副流量，其最大量程分别为：,试计算不加开方器与加开方器后仪表的比值系数K。,加开方器后:,2、比值控制系统中的非线性补偿,比值控制系统中的非线性特性是指被控过程的静态放大系数随负荷变化而变化的特性，在设计比值控制系统时必须要加以注意。,（1）测量变送环节的非线性特性,流量与测量信号无论是呈线性关系还是呈非线性关系，其比值系数与负荷的大小无关，均保持其为常数。但是，当流量与测量信号呈非线性关系时对过程的动态特性却是有影
5、响的。,其输入输出关系有：,采用DDZ型仪表将差压信号线性地转换为电流信号：,测量变送环节是非线性的，其静态放大系数为：,问题：当负荷增大时，调节器的整定参数如果不能随之改变，则系统的运行质量就会下降。,（2）非线性补偿,为了克服这一不利影响，通常用开方器进行补偿，即在差压变送器后串接一个开方器，使流量与测量信号之间呈现线性关系。,差压变送器的输出电流信号与开方器的输出电流信号之间的关系为：,测量变送环节和开方器串接后总的静态放大系数为：,常量，它已不再受负荷变化的影响,3比值控制系统中的动态补偿,在某些特殊的生产工艺中，对比值控制的要求非常高，即不仅在静态工况下要求两种物料流量的比值一定，而
6、且在动态情况下也要求两种物料流量的比值一定。,为实现动态比值一定，必须满足,动态补偿器的传递函数为,注意：由于从动流量总要滞后于主动流量，所以动态补偿器一般应具有超前特性。,4比值控制系统的实现,比值控制的具体实现方案有两种:,二、把一个流量的测量值乘以比值系数，其乘积作为副调节器的设定值，称为相乘控制方案。,在工程上，具体实现比值控制时，通常有比值器、乘法器或除法器等单元仪表可供选用，相当方便。,一、把两个流量的测量值相除，其商作为调节器的反馈值，称为相除控制方案。,7.2 均控制系统,7.2.1 均匀控制的提出与特点,1均匀控制的提出,均匀控制系统具有使控制量与被控制量均匀缓慢地在一定范围
7、内变化的特殊功能。,控制目标：1、稳定塔A的液位 解决的方法：增加中间储存容器 2、稳定塔B的进料流量解决的方法：采用均匀控制,图示,图a图c是普通的单回路控制系统的控制结果，只有图b才体现了均匀控制的思想，即L和F都缓慢波动且都稳定在一定范围内。,将液位控制与流量控制统一在一个控制系统中，从系统内部解决两种工艺参数供求之间的矛盾，即使A塔的液位在允许的范围内波动的同时，也使流量平稳缓慢地变化。,均匀控制的设计思想：,液位控制时前后设备的液位、流量关系,2.均匀控制的特点,1、结构上无特殊性 同样一个单回路液位控制系统，由于控制作用强弱不一，既可以是单回路定值控制系统，也可以是均匀控制系统。因
8、此均匀控制是靠降低控制回路的灵敏度而不是靠结构变化获得的。,2、参数有变化，而且是缓慢地变化 因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀，所以表征两个物料的参数都不应是某一固定值。那种试图把两个参数都稳定不变的想法绝非均匀控制的目的。无需将两个参数平均分配，而是视前后设备的特性及重要件等因素来确定其主次。,3、参数应在限定范围内变化 在均匀控制系统中，被控变量是非单一、非定值的，允许它们在一定的范围内变化，但前塔的液位变化有一个规定的上、下限。同样，后塔的进料流量也不能超过它所能承受的最大负荷和最低处理量，否则不能保证反应塔的正常工作。,均匀控制系统的设计,均匀控制系统的设计主要包括：控制方案的
9、选择，调节规律的选择，调节器的参数整定,1.控制方案的选择,（1）简单均匀控制系统,注意：当调节阀两端的压差变化较大时，流量大小不仅取决于调节阀开度的大小，还将受到压差波动的影响。,（2）串级均匀控制系统,为了克服调节阀前后压力波动和被控过程的自平衡待性对流量的影响，设计了以流量为副参数、以液位为主参数的串级均匀控制系统。如图所示。,从结构上看，它与一般的液位和流量串级控制系统是一致的。但这里采用串级形式的目的并不是为了提高主参数液位的控制精度，而是为了克服阀前压力波动及自平衡特性对流量的影响，使流量变化平缓。,2.调节规律的选择,3.调节器的参数整定,(1)在所有的均匀控制系统中，不应加微分
10、控制。,(2)主调节器一般采用比例控制或比例积分控制，而在串级控制中，副调节器一般采用比例控制，特殊情况下，也可采用比例积分控制。,（1）经验法 即根据经验，按照“先副后主”，把主、副调节器的比例度调节到某一适当值；然后由小到大进行调节，使系统的过渡过程缓慢地、非周期衰减变化，最后再根据过程的具体情况，给主调节器加上积分作用。需要注意的是，主调节器的积分时间要调得大一些。,（2）停留时间法 即依据控制介质流过被控过程所需要的时间整定调节器的参数，使被控参数在允许的范围内变化。,(1)所有均匀控制中，均比定值控制要大。,(2)对串级均匀控制可采用停留时法进行整定。,整定参数与停留时间t的关系,最
11、后还需指出的是：,7.3 分程控制系统 7.3.1 分程控制概述,间歇式化学反应器分程控制系统,在一般的控制系统中，调节器的输出只控制一个调节阀，但在某些工业生产中，根据工艺要求，需将调节器的输出信号分段，去分别控制两个或两个以上的调节阀。这种控制系统通常称为：分程控制系统。,分程控制系统的信号分段,蒸汽阀为气开，冷水阀为气关,1、调节阀同向动作,分程控制系统有两种类型:,2、调节阀异向动作,a)阀A气开、阀B气关,b)阀A气关、阀B气开,7.3.2 分程控制系统的设计,分程控制系统本质上是属于单回路控制系统。由于调节器的输出信号要进行分程而且所用调节阀较多，所以在系统设计上也有一些特殊之处。
12、,即将调节器输出分成几个区段,一段信号控制一个调节阀。,1、调节器输出信号的分程,2、调节阀的选择及注意的问题,（1）调节阀类型的选择,根据工艺要求选择同向工作或异向工作的调节阀。,（2）调节阀流量特性的选择,在分程控制中，当把两个调节阀作为一个调节阀使用时，要求分程点处的流量特性平滑,（3）调节阀的泄漏量,在分程控制系统中，必须保证在调节阀全关时无泄漏或泄漏量极小。,7.3.2 分程控制系统的应用,1、用于节能,2用于扩大调节阀的可调范围,由于我国目前统一设计的调节阀，其可调范围为30，因而不能满足需要调节阀可调范围大的生产过程。解决这一问题的办法之一是采用分程控制，将流通能力不同、可调范围
13、相同的两个调节阀当一个调节阀使用，扩大其可调节范围，以满足特殊工艺的要求。,由此可见，分程控制中调节阀的可调范围与单个调节阀相比，扩大了26倍，从而满足了工艺上的特殊要求。,3用于两个不同控制介质的生产过程,废液中和过程分程控制,7.4 自动选择性控制系统7.4.1 自动选择性控制概述,一般的过程控制系统是在正常工况下，为保证生产过程的物料平衡、能量平衡和生产安全而设计的，它们没有该考虑到在事故状态下的安全生产问题，即当操作条件到达安全极限时，应有保护性措施。如大型透平压缩机的防喘振，化学反应器的安全操作及锅炉燃烧系统的防脱火、防回火等。,事故状态的保护性措施大致可分成两类：,一种是自动报警，
14、然后由人工进行处理，或采用自动连锁、自动停机的方法进行保护，称为“硬保护”。,另一种措施称为“软保护”，即所谓选择性控制系统。选择性控制系统是指将工艺生产过程的限制条件所构成的逻辑关系叠加到正常自动控制系统上而形成的一种控制方法。,7.4.2 系统的类型及工作过程,1选择调节器的输出信号,对调节器输出信号进行选择的系统框图为：,锅炉燃烧过程压力自动选择控制：,2选择变送器的输出信号,这种系统至少采用两个或两个以上的变送器。变送器的输出信号均送入选择器，选择器选择符合工艺要求的信号反馈至调节器。,化学反应过程峰值温度自动选择性控制系统流程图,反应器峰值温度自动选择性控制系统框图,7.4.3 自动
15、选择性控制系统的设计,自动选择性控制系统的设计与简单控制系统设计的不同之处在于调节器调节规律的确定及调节器的参数整定、选择器的选型、防积分饱和等。,在自动选择性控制系统中，若采用两个调节器，其中必有一个为正常调节器，另一个为取代调节器。对于正常调节器，由于有较高的控制精度而应选用PI或PID调节规律；对于取代调节器，由于在正常生产中开环备用，仅在生产将要出现事故时，才迅速动作，以防事故发生，故一般选用P调节规律即可。,1调节规律的确定及其参数整定,2 选择器的选型,选择器有高值选择器与低值选择器两种。前者选择高值信号通过，后者选择低值信号通过。在确定选择器的选型时，先要根据调节阀的选用原则，确
16、定调节阀的气开、气关形式，进而确定调节器的正、反作用方式，最后确定选择器的类型。确定的原则是：如果取代调节器的输出信号为高值时，则选择高值选择器；反之，则选择低值选择器。,3 积分饱和及其克服措施,一般而言，积分饱和产生的必要条件一是调节器具有积分作用，二是调节器输入偏差长期存在。（1）外反馈法外反馈法是指调节器处在开环状态下不选用调节器自身的输出作反馈，而是用其他相应的信号作反馈以限制其积分作用的方法。,（2）积分切除法,所谓积分切除法，是指调节器具有/调节规律，即当调节器被选中时具有调节规律，一旦处于开环状态，立即切除积分功能而仅保留比例功能。这是一种特殊的调节器。若用计算机进行选择性控制，只要利用计算机的逻辑判断功能，编制出相应的程序即可。,（3）限幅法,所谓限幅法，是指利用高值或低值限幅器使调节器的输出信号不超过工作信号的最高值或最低值。至于是用高值限幅器还是用低值限幅器，则要根据具体工艺来决定。若调节器处于备用、开环状态时，调节器由于积分作用会使输出逐渐增大，则要用高值限幅器。反之，则用低值限幅器。,本章结束，谢谢！,
