过程控制工程复习

过程控制工程复习过程控制工程复习按不同的工艺介质选择材质全开流量全开流量 一般情况下使用较多的是直通阀、角阀。有关各种阀的结构特点，可查阅相关的参考书。2、材质上分：铸钢、不锈钢、特殊合金或金属、高分子材料，无机材料等 因此，在系统设计时应根据工艺要求、介质情况、工作环境，选择相应的结构类型和材质类型。1.5.2 控制阀的流量特性控制阀的流量特性1、流量特性（理想流量特性）指流过阀的流量Q与阀杆行程L之的关系无因次化后2分类 线性型 对数型（等百分比型）快开型 抛物线型 控制器参数的整定方法1、经验法2、临界比例度法(Ziegler-Nichols法)3、衰减振荡法4、响应曲线法 加热炉温度控制2.1 串级控制系统串级控制系统TC101可设计T TO O与G GC C的单回路PID控制2.1.1 基本原理和结构基本原理和结构 1、什么是串级控制系统操纵变量：燃料气流量 受控变量:物料出口温度 分析 对象的特性：加热炉内管有数百米长，热容很大，是典型的一阶加纯滞后过程。当输入变化时，输出要延迟一段时间，且变化缓慢 若温度不变，T0 Gc的PID控制，则阀的开度不变 燃料气阀上游压力波动时，虽阀的开度不变，但流量变化，将影响温度，温度燃料量的单回路PID对此特定的过程控制不及时，不能满足工艺要求。Gc2(S)Gv(S)主控制器+-串级控制系统方块图Gp2(S)Gp1(S)Gm2(S)Gc1(S)Gm1(S)+-副控制器控制阀副对象主对象u1u2r1y1y2c1c2f1f2 内回路为副回路：包括副控制器、控制阀、副受控对象、副变量测量变送器。串级控制系统是由两个控制器的串接组成，一个控制器的输出做为另一个控制器的设定值，两个控制器有各自独立的测量输入，只有一个控制器的给定由外部设定。2、串级控制系统的结构 系统框图如下 系统由内外两个回路组成：外回路称为主回路：主控制器、副回路、主变量测量变送器、主受控对象 主变量：工艺要求的主要控制变量 副变量：维持主变量平稳引出的中间变量 副对象：反映副变量与操纵变量之间的关系 主对象：反映主变量与副变量之间的关系 主控制器：接受主变量的偏差，去改变副控 制器的设定值 副控制器：接受副变量的偏差，去输出给控 制阀。FC101TC101 系统的特点：主控制器输出改变副控制器的 设定值，故副回路构成的是随动系统，设定值是变化的。cTCTC温度对炉膛温度串级Gc2(S)Gv(S)+-Gp2(S)+Gp1(S)+Gm2(S)+Gc1(S)Gm1(S)+-u1u2r1y1y2c1c2f1f2 (2)方块图法 首先定义各环节的“”、“”凡输入增加输出增大为“”，反之为“”控制阀:输入增大输出也增大为“”，气开为“”、气关为“”控制器:由于有比较环节 正作用取“”号；反作用取“”号。先决定副控制器，后决定主控制器。Gv为“”，Gc2为“”，反作用Gv为“”，Gc2为“”，正作用串级控制系统主、副控制器正反作用的选择应满足负反馈的控制要求。具体选择步骤如下：1.从安全角度选择控制阀的气开和气关型式（气开型，Kv0;气关型，Kv0);2.根据工艺条件确定副被控对象的特性；3.根据副控制回路为负反馈的准则，确定副控制器的正反作用；4.根据工艺条件确定主被控对象的特性；5.根据主控制回路为负反馈的准则，确定主控制器的正反作用。2.1.4 系统投运及参数整定系统投运及参数整定 1、系统投运 原则：保证无扰动切换，先副后主 根据经验法初步设置主、副控制器的参数 将主、副控制器切换开关置于手动位置 副调节器设外给定，主控制器为内给定；在满足工艺要求的情况下，工况较平稳时，通过手动，使副调节器的偏差接近于“0”，将副开关由“手动”“自动”。在工况较平稳的情况下,通过调整主控制器的设定值，使主控制器偏差为“0”，将主控制器开关由“手动”“自动”。2、参数整定 原则：先副后主 由于副回路要求不高，可参照经验法一次设置；主控制器参数整定与单回路类似。(2)如果聚合釜温度不允许过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开/气关型式。下图是一聚合釜温度控制系统：(1)这是一个什么类型的控制系统？试画出其方块图。(3)确定主、副控制器的正/反作用方向。(4)如果冷却水的温度是经常波动的，上述系统应如何改进？(5)如果选择夹套内的水温作为副变量构成串级控制系统，试画出其方块图，并确定主、副控制器的正/反作用方向。压头转速旋转叶轮作用在液体上的离心力离心力压头 叶轮与壳体之间有空隙，关闭泵的出口阀时，排量为零，压头最高，泵所做的功 热。泵的特性：压头 与排量及转速 之间的关系经验公式：泵与管路联接在一起，它的排量与压头的关系既与泵的特性有关，也与管路特性有关。比例系数管路特性：指的是管路系统中的流体流量与管路系统阻力之间的关系如图所示管路系统阻力包括：管路两端静压差引起的压头 流体提升一定高度所需压头 克服管路摩擦损失所需压头h hf f 控制阀两端的节流压头h hv v，阀的开度一定时，与流量的平方成反比。和 流量的关系称为管路特性 当系统平衡时，如图中的C(平衡工作点)点，即泵的特性曲线与管路特性曲线的交点。工作点应满足一定的工艺要求，通过改变阀的开度(即 )改变工作点。喘振是离心式压缩机的固有特性，事实上少数离心泵也可能喘振，并较易说明喘振原理。少数离心泵其HQ性能曲线呈驼峰型，其与管路特性可能有两个交点M和M1，M1：当干扰发生Q泵的扬程管路所需压头 Q 远离M 点 当交点处管路特性的斜率大于泵特性的斜率时，是稳定工作点；否则是不稳定工作点。实际上，图中所示的装置特性中，由于泵启动后的关闭扬程H0小于管路的静扬程HM，管路中的流量建立不起来，根本无法工作。理论上讲都是工作点，但M1是稳定工作点，M是不稳定工作点。工作点稳定与不稳定的判别：工程上，为了安全，将极限线右旋一角度，得安全线，作 为压缩机允许工作的界限。安全操作线的表达式经验公式 ：吸入气体的绝对温度 ：吸入体积流量 ：吸入口、排出口的绝对压力 ：为常数，由厂家给出 此经验公式可针对不同的流量测量方法变为实用公式。安全操作线：可用一抛物线方程近似：喘振区 3.3.4 防喘振控制系统防喘振控制系统 由上述分析可知，压缩机喘振主要是负荷减小引起的，而负荷的升降则是由工艺决定的，为使压缩机不出现喘振，压缩机在任何转速下的实际流量应大于喘振极限所对应的最小流量。根据这一思想，可采用循环流量法来设计压缩机的防喘振控制系统。有两类：固定极限流量法和可变极限流量法 1、固定极限流量法 采用部分循环法，使压缩机始终保持大于某一定值流量，避免使工作点进入喘振区。如图：假设 为压缩机达到最高转速所对应的喘振极限流量，只要满足，压缩机就不会出现喘振。打开旁路阀，返回部分气体 旁路阀关闭FCFT气关问题：流量检测点的位置，汇合点之前还是汇合点之后？旁路控制阀采用什么型式阀？为什么？特点：可靠性高、投资少、方案简单、适用于固定转速场合；不过转速较低时，能耗过大，负荷变动经常时不够经济。2、可变极限流量法 为了减小压缩机的能量损耗，在压缩机负荷波动的场合，可采用调转速的办法来保证压缩机的负荷满足工艺要求，但在不同的转速下，其极限流量不同，因此合理的方案应是在整个压缩机负荷变化范围内，工作点沿如图所示的安全线变化，即保证方案如下：根据压缩机吸入口压力和出口压力计算入口压差，使其满足上述条件。据此，可设计出可变极限流量法防喘振控制系统：喘振区4.1.4 传热设备的自动控制方案 炼油化工生产中，传热设备应用极广，传热的主要目的有四：使工艺介质达到规定温度，以使化学反应或其它工艺过程能正常进行。在过程进行中加入吸收的热量或除去放出的热量，使工艺过程能在规定的温度范围内进行。例如间歇式生产的化学反应 合成氨强吸热反应；聚氯乙烯的聚合放热反应 改变物料的相态。汽化加热；冷凝放热 回收热量。绝大多数的温度控制系统都是为、两个目的服务的。一般都以反应温度或工艺介质出口温度为受控变量；当被加热的工艺介质流量比较平稳且对出口温度要求一般时，可取载热体流量为受控变量，构成流量或压力单回路定值控制系统。目的实际所需变量是热量，一般可取载热体的流量为受控变量。对于目的，属于一般热量回收系统，一般无需自动控制。为了保证温度平稳，满足工艺生产的要求，必须对传热量进行调节。途径有：调节载热体的流量。实质是改变传热速率方程中的传热系数K K(载热体在传热过程中不起相变)和平均温差 T Tm(载热体在传热过程中起相变)最常用 调节传热平均温差 T Tm m。滞后小、反应迅速较广泛 调节传热面积F F。滞后较大,只在必要场合采用。将工艺介质分路。实质是混合过程，即将部分工艺介质经换热，另一部分走旁路。反映迅速及时，但载热体流量一直处于高负荷下，在采用专用热剂或冷剂时不经济。对于某些热量回收系统，载热体是某种工艺介质，总流量本来不好调节，便不成为缺点了。5、对工业锅炉要求任务：安全、合理的运行条件下，提供一定温度和压力的蒸汽要求：蒸汽量应适合负荷变化的需要，或保持给定的负荷蒸汽压力保持一定的范围蒸汽温度保持一定的范围汽包水位保持一定的范围炉膛负压保持一定的范围保持燃烧的经济性和安全运行6、主要控制系统 (1)汽包水位控制 受控变量：汽包水位(保证安全运行的重要指标之一)(2)燃烧系统控制 操纵变量：给水流量 使给水适应锅炉的蒸发量，保持水位在一定范围内 目的：使燃烧产生的热量适应蒸汽负荷的变化 受控变量：蒸汽压力、烟气氧含量、炉膛负压 操纵变量：燃料量、送风量、引风量 (3)过热蒸汽系统控制 目的:维持过热器出口温度、保证管壁温度不超过允许的温度 受控变量：蒸汽出口温度 操纵变量：减温水量4.6.2 汽包水位控制汽包水位控制 汽包水位：锅炉运行的主要指标 水位过低：负荷加大时，汽化速度加快，控制不及时会全部汽化 水位过高：影响汽水分离，产生汽带液，影响后序设备的正常运行 1、汽包水位的动态特性 (1)蒸汽负荷对水位的影响（干扰通道）H：实际可视水位H1：不考虑水下面汽泡容积变化时的水位H2：只考虑水面下汽泡容积变化所引起的水位在燃料量不变情况下，当蒸汽用量突然增大时传递函数：f 蒸汽流量作用下阶跃响应曲线的飞升速度虚假水位锅炉气包蒸汽LC101LT101给水FT101FT102FC102GPDGm3GP1GP2GVGF2CC1GLCGm2Gm3YC2FC0PLCRLPF1RF 特点：克服虚假水位现象;克服给水量的扰动方案一：前馈与串级组成的复合控制系统锅炉气包蒸汽LC101LT101给水FT101FT102方案二：前馈加反馈控制 综合信号的单回路系统锅炉气包蒸汽LC101LT101给水FT101FT102 特点：仪表少容易实现 缺点：系数设置不当、水位可能有余差 受控变量：方案三：前馈反馈控制系统+副回路纯比例控制器，比例度为100%特点：水位无余差 缺点：投运及系数设置较繁-P=1