过程控制系统第4章(续1)过程控制

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,甲塔,乙塔,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,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,甲塔,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.,甲塔,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.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.,甲塔,乙塔,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PI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.,甲塔,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,液位对象,控制阀,流量对象,H设定值,控制器,流量变送器,加法器,液位变送器,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.,设定值,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.,控制阀,设定值,比值器,流量变送器,洗,涤,塔,含乙腈的,丁稀馏分,含乙腈的洗涤水,洗涤水,丁稀,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.,比值器,流量变送器,对象,控制器,控制阀,流量变送器,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,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,厂生产中采用的二氧化碳与氧气流量的双闭环比值控制,系统.,混,合,反,应,器,二,氧,化,碳,氧,气,下右图是双闭环比值控制系统的方框图.,主对象,主控器,控制阀,主流量变送器,控制阀,副对象,副控器,副流量变送器,比值器,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.,空气,氧,化,炉,预,热,氨气,混,合,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,上控制反应放出的热量,也控制了氧化炉的温度.,空气,氧,化,炉,预,热,氨气,混,合,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,空气,氧,化,炉,预,热,氨气,混,合,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