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1、第4章 其它控制系统,4-6 均匀控制系统 一均匀控制的目的和要求 在连续生产过程中,前一设备的出料往往是后一设备的进料,且随生产的进一步强化,前后生产过程的联系更加紧密,此时设计自动控制系统应从全局考虑.例如,用精馏方法分离多组分的混合物时,总是几个塔串联运行;在石油裂解气深冷分离的乙稀装置中,前后串联了八个塔进行连续生产.为保证这些相互串联的塔能正常地连续生产,每一个塔都要求进入塔的流量保持在一定的范围内,同时也要求塔底液位不能过高或过低.,下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统.,两个独立,运行的单回路液位控制系统和流量控制系统工作时是相互矛盾的.为解决矛盾,可在两塔之间增设中间缓冲容
2、器来克服,但这增加了投资且对于某些生产连续性很强,的过程又不允许中间储存的时间过长,因此还需从自动化方案的设计上寻求解决的方法.均匀控制就是一种解决方案.均匀控制系统把液位流量统一在一个控制系,统中,如左图所示.,所谓均匀控制系统是,指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地,均匀地变化,使前后设备在物料供求上相互兼顾均匀协调的系统.,均匀控制的特点是表征前后供求矛盾的两个参数各自允,许在规定范围内缓慢地变化.二均匀控制系统的结构方案(一)简单均匀方案 下图即为液位和流量的简单均匀控制系统的例子.,从系统结构形式上看,它与单回路液位定值控制系统一样,但两者控制目的不同,所以在控制器的参数整定上也不同.
3、下面分三种情况说明.第一种情况,控制器的,较大,即控制作用较强,在干扰作用下液位偏离给定值时,控制器给出强有力的控制作用,使液位迅速回到给定值,且余差很小,但流量发生,较大的波动.如右图所示.,第二种情况,控制器的,很小,即控制作用很弱,当干,扰使液位大幅波动时,阀门开度基本不变,则流量的波,动就很小.如下左图所示.,第三种情况,控制器的,取值适当,使控制作用较为温和,在干扰,作用下,液位和流量均在各自允许的范围内缓慢变化,如上右图所示.,通常,简单均匀方案中的控制器采用纯,比例控制,且比例度较大,一般大于100%,当需采用PI控制时,应使积分弱些,即积分时间常数整定的大些.简单均匀控制系统的
4、最大优点是结构简单,投运方便,成本低廉.但当前后设备的压力变化较大时,尽管控制阀的开度不变,输出流量也会发生变化,所以它适用于干扰不大,要求不高的场合.此外,在液位对象的自衡能力较强时,均匀控制的效果也较差.,(二)串级均匀方案,当前后设备的压力变化较大,或液位对象的自衡能力较强而不宜采用简单均匀方案时,可考虑串级均匀方案.下图是精馏塔的塔釜液位与采出流量的串级均匀控,制方案.,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.但在此引入一流量副回路与液,位回路组成串级控制的目的不是为了提高主变量液位的控制质量,而主要是克服控制阀前后压力的波动及自衡作用对流量的,影响,使液位和采出流量变化
5、平缓.设干扰使甲塔液位上升,液位控制器,的输出信号随之增大,流量控制器,使控制阀缓慢开大,则液位不是立即快速下降,而是继,续缓慢上升,同时乙塔的进料量也缓慢增加,当液位上,升到某一数值时,甲塔采出量等于在干扰作用下的入料量,液位不再上升而暂处某一高度.从而使液位和流量都处于缓慢变化中,达到均匀协调的控制目的.如干扰来自乙塔塔压变化而使其入料量发生变化,则先由流量副回路控制,当这一控制作用使甲塔液位受到影响时,再由液位控制器改变流量控制器的设定值,让流量控制器作进一步的调整,缓慢改变控制阀的开度两控制器互相配合,使液位和流量都在允许的范围内缓慢地均匀变化.串级均匀控制系统中两控制器一般采用P或P
6、I控制,而不加微分作用.,(三)双冲量均匀方案,“冲量”的原义是短暂作用的信号或参数,在此引申为连续的信号或参数.双冲量均匀控制系统的结构见下,图.,与串级均匀控制相比,前者用一个加法器取代主控,制器,是以液位和流量的测量信号经加法器后,作为系统的被控变量.现假定采用电动仪表构成系统,阀门为气开式,流量控制器选正作用.加法器在稳定状态下的输出为:,上式中,是加法器输出;,分别为液位变送器和流量,变送器的输出;,为恒流源输出.在工况稳定的情况下,通过调整,值,使加法器的输出等于流量控制器的给定值,阀门处于某一开度.若受到干扰使液位上升,则,增加,由于流量控制器为正作用,也增加,阀开度增大,流量也
7、开始增加.同时,液位从某一瞬间开始逐渐下降,即,阀门开度,当液位和,流量变送器的输出逐渐接近到某一数值时,加法器的输出重新恢复到流量控制器的给定值,系统又逐渐趋于稳定,控制阀停留在新的开度上,液位和流量在允许范围内重新稳定下来.双冲量均匀控制系统在结构上相当于两个变量信号之差作为被控量的单回路控制系统,其一般方框图如下,三控制器的参数整定,三种均匀方案中的控制器可选P或PI控制作用,一般不选用微分作用.控制器的比例度要大,积分时间要长,即控制力度要小些,以突出一个“慢”字.简单均匀控制系统和双冲量均匀控制系统在结构上与单回路控制系统相同,因此它们的控制器参数整定的方法与单回路控制系统一样.下面
8、讨论串级均匀控制系统控制器参数整定的两种方法.(一)经验逼近法(二)定量计算法(补充)以串级均匀方案中的前后精馏塔的塔釜液位与采出流量的串级均匀控制为例加以说明.,4-7 比值控制系统,一基本概念 在化工炼油及其它工业生产过程中,工艺上常需要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系,比例一旦失调,将影响生产或造成事故.例如,在造纸生产过程中,浓纸浆和水按一定的比例混合,才能制造出一定浓度的纸浆,显然这个流量比和产品质量有密切的关系.在重油气化的造气过程中,进入气化炉的氧气和重油流量应保持一定的比例,若氧油比过高,会因炉温过高而使喷嘴和耐火砖烧坏,严重时会引起炉体爆炸;如果氧量过低,则因生成的碳黑
9、增多,发生堵塞现象.实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统,称为比值控制系统.通常以保持两种或几种物料,的流量为一定比例关系的系统,称之流量比值系统.,在需要保持比值关系的两种物料中,必有一种物料处于主导地位,这种物料称之为主物料,表征这种物料的参数叫主动量.由于在生产过程控制中主要是流量比,值控制系统,所以主动量也称为主流量,用,表示;,而另一种物料按主物料进行配比,在控制过程中随主物料而变化,因此称为从物料,表征其特性的参数叫从动,量或副流量,用,表示.一般情况下,总把生产中主要,物料定为主物料.但在有些场合,以不可控物料定为主物料,用改变可控物料即从物料来实现它们之间的比值,关
10、系.工艺上要求的比值定义为:,在比值控制系统中,从动量随主动量按一定比例变化,故比值控制系统实际上是一种随动系统.,二比值控制系统的类型,(一)开环比值控制系统 开环比值控制系统是最简单的比值控制系统,其系,统组成如下图所示.,稳态时,当主物料,在某,一时刻因干扰作用发生变化时,比,值器按,对设定值的偏差而动作,按比例发,出信号去改变控制阀的开度,使从物料,重新与变化后的,保持原有的比例关系.其,实质是满足控制阀的阀门开度与,之间成,一定的比例关系.但是,当,因其管线两端压力波动而,发生变化时,系统不起控制作用,控制阀开度不变,难以,保证,与,的比值关系.开环比值控制系统结构简单,只,能适用于
11、副流量较平稳且比值要求不高的场合.,开环比值控制系统的方框图如下所示.,(二)单闭环比值控制系统 下图是一单闭环比值控制系统的实例.,丁稀洗涤塔的作用是用水除去丁稀馏,分所夹带的微量乙腈,为保证洗涤质量,要求根据进料,流量配以一定比例的洗涤水流量.单闭环比值控制系统方框图如下.,在稳定工况下,主副流量满足工艺要求的比值,当主流量变化时,经流量变送器送到比值器,比值器按,预先设置好的比值经计算使输出成比例地变化,即成比例地改变副流量控制器的给定值,此时副流量闭环系统为一,随动控制系统,使,跟随,变化,在新的工况下,流量比,值保持不变.当副流量由于干扰而变化时,副流量闭环系统相当于一个定值控制系统
12、,自行调节,使工艺要求的流量比仍保持不变.单闭环比值控制系统的优点是不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化,而且能克服副流量本身干扰对比值的影响,因此主副流量的比值较为精确,结构新形式较为简单,实施方便,应用较为广泛,尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合.其缺点是,由于主流量不受控制,当主流量因干扰或负荷的变化而出现大幅度变化时,副流量在控制过程中,相对于控制器的设定值会出现较大的偏差,主副流量的,比值会较大地偏离工艺要求的流量比,即不能保证动态,比值.(三)双闭环比值控制系统 在单闭环比值控制系统的基础上,增设对主流量的控制回路即构成双闭环比值控制系统,下图所示为溶剂厂生产中采用的二
13、氧化碳与氧气流量的双闭环比值控制,系统.,下右图是双闭环比值控制系统的方框图.,双闭环比值控制系统的主控回路是一定值系统,使主流,量的变化较为平稳,从而副流量的变化也较平稳,提高了流量比值的精确度,另一优点是,提降负荷比较方便只要缓慢地改变主控器的给定值,就可提降主流量,而副流量也可自动跟踪提降.双闭环比值控制系统的缺点除结构稍复杂,投资稍多外,由于两个闭环通过比值器互相联系,当主副控制器参数整定不当时,会引起“共振”,为防“共振”,应通过对主控制器的参数整定,尽量使主回路的输出为非周期变化.主副控制器一般选PI控制.(四)变比值控制系统 上述各种比值控制都是定比值方案.但生产上维持流量比恒定
14、往往不是控制的最终目的,仅仅是保证产品质量的一种手段.当系统中存在除流量干扰外的其它干,扰,如温度压力成分及反应器中触媒活性变化等干,扰时,为保证产品质量,必须修正两物料的比值.但上述干扰一般是随机的,干扰幅值又各不相同,因此无法用人工经常去修正比值系数.变比值控制系统可自动修,正比值系数.下面举例说明.,氧化炉是硝酸生产中的关,键设备,原料氨气,和空气在混合器内混合后经预热器进,入氧化炉,氨氧化,生成一氧化碳气体,同时放出大量热量稳定氧化炉操作的,关键条件是反应温度.因此氧化炉温度是表征氧化生产,质量指标的间接参数,选其为主被控量.,若能保证进入混合器的氨气和空气的一定比值,可基本,上控制反
15、应放出的热量,也控制了氧化炉的温度.,但影,响氧化炉温度变化的干扰很多,如进入氧化炉的氨气空气的初始温度,意味着物料带入的能量的变化,直接影响炉温;负荷的,变化关系到单位时间内参加化学反应的物料量,由改变释放反应热的多少而影响炉温;氧化炉内触媒的活性变化,大气温度压力变化也对炉内温度有不同程度的影响;进混合器的氨气空气的温度压力的变化,会影响流量测量的精度,若不进行补偿,则要影响它们的真实比值,经计算得知,当氨气在混合器内含量增加1%,时,炉温将上升,由图可见,当出现直接引起氨/空气流量比值变化的干扰,时,通过比值控制系统得到及时克服而保持炉温不变,对于其它干扰引起炉温变化时,则通过温度控制系
16、统对氨/空气比值进行修,正,使氧化炉温度恒定.可见,此方案是一单闭环变比值控制系统,不过此处的单闭环是以某种质量指标为主参数两物料比值为副参数的串级控制系统,故称其为串级变比值控制系统.由于串级控制系统具有一定的自适应能力,这种变比值控制系统中存在温度压力成分触媒活性等随机干扰时,能自动调整比值保证质量指标在规定范围内的自适应能力,所以此种系统也曾叫自整配比控制系统.,其一般方框图如下.,三比值控制系统的实施(一)比值系数的折算 比值控制解决物料量之间的比例关系,工艺上规定,的比值,是指两物料的体积流量或重量流量之比,而目,前仪表使用统一标准信号,如电动仪表是0-10mA或4-20mA直流电流
17、,气动仪表是气压信号.因此必,须把工艺规定的比值,换算成仪表信号之间的比值系数,才能进行比值设定.,(1)流量与测量信号成线性关系时的折算,当使用转子流量计涡轮流量计椭圆齿轮流量计或带开方器的差压变送器测量流量时,流量信号与测量信号成线性关系.,设测量仪表输入流量下限为,输入流量上限为,则测量仪表输入流量的量程为,量程中的,任一中间值用,表示.电动仪表输出信号的下限为,输出信号的上限为,则电动仪表输出信号的量程为,输出量程中的任一中间值用,表示.气动仪表输,出信号的下限为,输出信号的上限为,则气动仪表,输出信号的量程为,输出量程中的任一中间值用,表示.,对于电动仪表比值系数的折算公式推导如下:
18、,因被测流,量在输入量程中的任一中间值所对应的输出电流值为:,设测副流量电动,仪表的输出电流为,测主流量电动仪表的输出电流为,仪表信号之间的比值系数,则由上式可得:,如测主副流量的电动仪表输出量程相同(0-10mA或4-20mA),则上式为:,对于气动仪表,也同理可得上面折算公式.可见,对于输出信号范围相同的仪表,比值系数的折算公式是一致的.,(2)流量与测量信号成非线性关系时的折算,在使用节流装置测量流量而未经开方处理时,流量,与差压的非线性关系为:,左式中c为比例系数,设测量仪表可测差压的下限为,对应的流量下限为,测量仪表可测差压的上限为,对应的流量,上限为,在差压上下限中间的任一中间值用
19、,表示,则对应的中间流量值为,对于电动仪表有:,当,时有,对于气动仪表也可得到与上式一样的结论.,从上面的推导结果可见,比值系数的折算与仪表的型号无关,但与流量是否和测量信号成线性关系有关.请注意以下几点:,(a)工艺上的流量比值,与仪表信号间比值系数,是两个,不同的概念,不能混淆;,(b)比值系数,的大小与流量比,的值有关,也与测量变,送器的输入输出量程有关,但与负荷的大小无关;,(c)流量与测量信号之间有无非线性关系对折算式有直接,影响,线性关系时,平方根的非线性,关系时,.但仪表的输入信号范围,不一致及起始点是否为零,均对折算式无影响.,(二)比值控制的实施方案,(1)相乘方案,由,可对
20、,的测量值乘上某一系数,作为,流量控制器的给定值,称为相乘方案,如下图.,例:有一用乘法器实施的单闭环比值控制 系统的信号关系如下图.,图中乘法器选用DDZ-的电动乘法器,其输入输出,信号范围为4-20mADC,则有:,根据比值控制要求,乘法器的,和,应有如下关系式:,与前式相比,可得:,因此,只要外设定电流,就能实现预定,的比值控制要求.用乘法器实现比值控制时,比值设置调整的步骤为:,先由工艺规定两物料的流量比值,视测量变送器的仪,表特性,正确计算出比值系数,然后根据所使用的乘,法器运算式,由,值计算出乘法器的外设定信号,需注意的是,由于外设信号受仪表统一信号范围的限制,的变化范围仅在01之
21、间,而不能大于1.,(2)相除方案 由两流量比值,也可将,和,的测量值,相除,作为比值控制器的测量值,此称为相除方案.,下左图即为相除方案.,其方框图及信号关系见下右图.,图中除法器选用DDZ-的电动除法器,其输入输出信号范围为4-20mADC,则有:,当系统处于稳定时,比值控制器的,满足规定的,比值,此时比值控制器的给定值为:,由式,可见,用除法器计算比值系数时,不能使用在1附近,因比值系数等于1,则比值设定和,除法器输出均达最大值.如出现干扰使,或,因除法器输出已饱和,虽增加,输出却不变化,相,当于系统的反馈信号不变,故比值只好任其增加.基于上述考虑,对于主副流量有可能出现相等或相接近的场
22、合,除法器输出趋于饱和时,可在副流量回路中串入一个比例系数为0.5的比值器,比值应在量程的中间值附近使控制留有余地.(三)比值控制系统中非线性环节对动态品质的影响(1)测量环节的非线性影响 当比值控制系统中流量测量采用节流装置且不接开方器时,流量与压力之间的非线性关系会对比值控制系统有一些影响.,4-3 前馈控制系统,一基本概念 以前讨论的控制系统都是按偏差大小进行控制的反馈控制系统,其共同特点是对象受到干扰作用后,必须在被控量出现偏差后,控制器才产生控制作用以补偿干扰对被控量的影响,即要想无偏差得首先有偏差.但被控对象总存在一定的纯滞后和容量滞后,因此,从干扰产生到被控量发生变化需一定的时间
23、,从偏差产生到控制器产生控制作用,以及操纵量改变到被控量发生变化又要一定的时间.所以反馈控制方案本身决定了无法将干扰克服在被控量偏离设定值之前,限制了控制质量的进一步提高.随生产过程的不断发展,对生产过程的自动控制提,出了更高的要求,以致在有些场合,采用常规的PID,控制系统难以满足工艺上的要求,前馈控制就是在这种情况下发展起来的一种特殊控制手段.从自动控制发展史来看,在反馈控制问世之前,就有试图按干扰量的变化来补偿其对被控量的影响,从而达到被控量完全不受干扰影响的控制方式.西汉时期发明的指南车及古代风磨的转速调节,就是早期的应用例子.这种按干扰进行控制的开环控制方式,称为前馈控制,简称FFC
24、.,下图是换热器前馈控制的例子.,换热器的进料量,其,温度为,经加热蒸汽,加热后,使出料温度,达要求的,当有进料量波动干扰,时,将使出料温度偏离给定值,一种消除干扰影响的手段是,测量出进料量,器FC的输入,前馈控制器FC的输出去改,变阀门的开度,使出料量回复到给定值.,的变化量,作为前馈控制,前馈控制与反馈控制的主要差别在于:,(1)产生控制的依据不同.前者按干扰的大小和方向产生相应的控制作用,后者按偏差的大小和方向产生相应的控制作用;(2)控制的效果不同.前者一出现干扰就进行控制,其作用及时,理论上可实现对干扰的完全补偿.后者以被控量的偏差为代价来补偿干扰的影响,即要无偏差,首先得有偏差;(
25、3)前者控制是开环控制,无需考虑稳定性问题,后者是闭环控制,必须考虑稳定性问题,而稳定性与控制精度是有矛盾的;,(4)反馈控制只用一个回路可克服多个干扰,而前馈控制,必须对每个干扰单独构成一条控制通道,当干扰众多时,后者不经济也不可能.应用不变性原理,可导出能对干扰实现完全补偿的,前馈控制器的传递函数,但在工程上尚受到种种限制,而无法得到完全补偿,其,原因为:(1)当对象较复杂时,其干扰通道和控制通道的特性也复,杂,无法用解析方法获取,只能用实验方,法获取,必有误差,以致不能完全补偿;,(2)即使,能精确获得,在实现时也存在差异;,(3)如果,干扰通道的时间常数,要小的多,则干扰对被,控量的影
26、响十分迅速,(4)一般来讲,干扰通道和控制通道总有纯滞后性,(5)系统中干扰一般较多,不可能对所有干扰进行前馈控制既使可能也不经济.尤其当干扰不可测时更无法采用前馈控制.二前馈控制系统的结构形式(一)静态前馈控制系统 在有些实际生产过程中,只需在稳定工况下实现对干扰量的补偿,或者被控过程的干扰通道与控制通道的动态,静态前馈控制.为在工程上便于实现,又将上式近似表为线性关系.前馈控制器就仅考虑其静态放大系数作为校正,仅仅是其输入量的,特性相接近,此时前馈控制器的输出,函数,与时间因子t无关,则前馈控制就成为,的依据,(二)动态前馈控制系统,静态前馈控制,只能保证在主干扰的影响下,被控量的静态偏差
27、接近或等于零.如工艺要求在任何时刻均实现对干扰的补偿,就得采用动态前馈控制器以达到动态补偿的目的,此时前馈控制器的输出既是干扰幅值的函,数又是时间t的函数,则通过合适的前馈,控制规律的选择,使干扰经过前馈控制器至被控变量这一通道的动态特性与对象干扰通道的动态特性完全一致并使它们的符号相反,便可达到控制作用完全补偿干扰对被控变量的影响.此时前馈控制器的传递函数就是以,前按不变性原理导出的式子,有时可按需要,将动态前馈控制和静态前馈控制结合使用.,(三)前馈反馈控制系统 单纯的前馈由于存在如前所述的局限性,往往不能很好地补偿干扰,其原因还有,单纯前馈不存在被控变量的反馈,即对补偿的效果没有检验的手段,从而,在前馈作用的控制结果并没有最后消除被控制变量偏差时系统无法得到这一信息而作进一步校正;其次,由于实际工业对象存在多个干扰,为补偿它们对被控变量的影响,势必设计多个前馈通道,增加投资费用和维护量;,由图可见,此系统是将前馈通,道的校正作用和温度控,制器的校正作用相,叠加,共同调整阀门的开度,使出料温度尽快回到给定值.,因此,实际上它是一个按干扰控制和按偏差控制的复合控制系统.,
