第六章3比值及其他.pptx

6.3 6.3 比值控制比值控制 Ratio Control Ratio Control 书书158158页页在化工生产中，经常需要几种物料按比例混合或参与反应。在化工生产中，经常需要几种物料按比例混合或参与反应。例如例如：合成氨厂变换工段煤气与蒸气需按合成氨厂变换工段煤气与蒸气需按 1 1：1.1 1.41.1 1.4的比例进入混合炉；的比例进入混合炉；重油汽化造气过程中，重油与氧量要求成比例重油汽化造气过程中，重油与氧量要求成比例;锅炉燃料的风、煤比等。锅炉燃料的风、煤比等。这种这种让两个或多个参量（通常是流量）自动地保持一定比例关系让两个或多个参量（通常是流量）自动地保持一定比例关系的控制称作比值控制的控制称作比值控制。它是前馈控制的一个特例。它是前馈控制的一个特例。比值控制系统通常可以比值控制系统通常可以分为两类分为两类：一、定值比值控制系统一、定值比值控制系统：开环比值控制系统开环比值控制系统 单闭环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统二、变比值控制系统二、变比值控制系统。开环比值控制开环比值控制 R=u/d比较测定比较测定的的RmRm和和想要的想要的比值比值RdRd，比值，比值控制器控制器对偏差对偏差（RdRd RmRm）进）进行行PIPI运运算算。单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统双闭环比值控制双闭环比值控制单闭环比值控制单闭环比值控制举例举例F C1F C2Q 2Q 1主副流量比值精确主副流量比值精确结构简单，实施方便结构简单，实施方便单闭环比值控制系统的优点单闭环比值控制系统的优点双闭环比值控制方块图双闭环比值控制方块图变比值控制系统方块图变比值控制系统方块图变比值控制系统举例变比值控制系统举例 均匀控制是对某些生产过程中，尤其是石油化工生产过程中，统筹兼顾液位（或压力）与流量的控制统筹兼顾液位（或压力）与流量的控制。在连续生产过程中，前一 设备的出料是后一 设备的进料，而后一设备的出料又是下一 设备的进料，前后设备之间的操作联系密切。为使这些串联的塔（或设备）运行正常，各个塔都要求进料稳定，塔釜液位稳定进料稳定，塔釜液位稳定。因此，在这类过程中，应统筹兼顾，不能只考虑单个塔（或设备）的要求来设置控制系统。严格来说，均匀控制是一种控制思想均匀控制是一种控制思想，而不是控制系统结构的变化不是控制系统结构的变化 。6.4 6.4 均匀控制均匀控制 书书132132页页例：相互冲突的控制系统例：相互冲突的控制系统均匀控制的过渡过程均匀控制的过渡过程需要进行控制目标的调整简单的均匀控制系统例简单的均匀控制系统例1简单的均匀控制系统例简单的均匀控制系统例2串级均匀控制系统例串级均匀控制系统例1串级均匀控制系统例串级均匀控制系统例2串级均匀控制系统例串级均匀控制系统例3串级均匀控制系统方框图串级均匀控制系统方框图双冲量均匀控制双冲量均匀控制双冲量均匀控制是以液位和流量两信号之差是以液位和流量两信号之差（或和）为被控变量组成（或和）为被控变量组成的均匀控制系统。系统在本质上是为了工艺物料平衡关系，解决供求矛盾问题的。双冲量均匀控制举例双冲量均匀控制举例Po=PL-PF +PS+cPo-加法器输出加法器输出 气压信号气压信号PL-液位测量信号液位测量信号PF-流量测量信号流量测量信号PS-定值器信号定值器信号c-加法器可调加法器可调 偏置偏置均匀控制小结均匀控制小结一一 均匀控制的目的和特点均匀控制的目的和特点 目的目的：均匀控制通常对流量和液位两个参数：均匀控制通常对流量和液位两个参数统筹兼顾统筹兼顾。特点：特点：1 1、两个参数在调节过程中、两个参数在调节过程中都应变化，且变化缓慢都应变化，且变化缓慢 2 2、前后互相联系又矛盾的两个参数、前后互相联系又矛盾的两个参数应保持在允许应保持在允许 的范围内波动的范围内波动二二、均匀控制的几种方案均匀控制的几种方案 1 1、单回路均匀控制、单回路均匀控制 2 2、串级式均匀控制、串级式均匀控制 3 3、双冲量均匀控制、双冲量均匀控制 一般来说，凡是在控制回路中引入选择器的系一般来说，凡是在控制回路中引入选择器的系统都可称为选择性控制系统。统都可称为选择性控制系统。这里着重介绍这里着重介绍“超驰超驰”控制控制和和其它选择性控制其它选择性控制：用于被控变量测量值的选择用于被控变量测量值的选择 用于用于“多种物料的逻辑切换多种物料的逻辑切换”选择性控制选择性控制 6.5 6.5 选择性控制选择性控制/超驰控制超驰控制 书书142142页页1 1、超驰控制、超驰控制从整个生产流程控制的角度，所有控制系统可分为三类：从整个生产流程控制的角度，所有控制系统可分为三类：1 1、物料平衡（或能量平衡）控制、物料平衡（或能量平衡）控制2 2、质量控制、质量控制3 3、极限控制、极限控制。用于设备软保护的一类选择性控制又称为用于设备软保护的一类选择性控制又称为“超驰超驰”控制系统它控制系统它属于属于极限控制一类极限控制一类。它们一般是从生产安全角度提出来的。如要求。它们一般是从生产安全角度提出来的。如要求温温度、压力、流量、液位等参数不能超限。度、压力、流量、液位等参数不能超限。极限控制的特点极限控制的特点：在正常工况下，该参数不会超限，所以也不会考虑对它进行在正常工况下，该参数不会超限，所以也不会考虑对它进行直接控制；直接控制；在非正常工况下，该参数会达到极限值在非正常工况下，该参数会达到极限值，这时又，这时又要求采取强有力的手段，避免超限。要求采取强有力的手段，避免超限。超驰控制的由来超驰控制的由来在生产中为预防超限一般采取两种办法在生产中为预防超限一般采取两种办法1 1、硬保护：、硬保护：参数达到第一极限时报警参数达到第一极限时报警设法排除故障设法排除故障若没有若没有 及时排除故障，参数值会达到更严重的第二极限，及时排除故障，参数值会达到更严重的第二极限，经连锁装置动作，自动停车。这种做法称硬保护。经连锁装置动作，自动停车。这种做法称硬保护。2 2、软保护、软保护：参数达到极限时报警：参数达到极限时报警设法排除故障设法排除故障在这同时，在这同时，改变操作方式，按使该参数脱离极限值为主要控制改变操作方式，按使该参数脱离极限值为主要控制 目标进行控制，以防该参数进一步超限。这种操作目标进行控制，以防该参数进一步超限。这种操作 方式一般会使原有控制质量降低，但能维持生产继续方式一般会使原有控制质量降低，但能维持生产继续 运转，避免了停车。这种做法称软保护。运转，避免了停车。这种做法称软保护。超驰控制就是为了实现软保护而设计的控制系统超驰控制就是为了实现软保护而设计的控制系统。液氨蒸发器超驰控制方案液氨蒸发器超驰控制方案正常生产情况正常生产情况 考虑极限条件考虑极限条件液氨蒸发器超驰控制方框图液氨蒸发器超驰控制方框图2、用于被控变量测量值选择的选择性控制例例1、固定床反应器、固定床反应器中热点温度的控制。中热点温度的控制。热点温度（即热点温度（即最高点温度）的位最高点温度）的位置可能会随催化剂置可能会随催化剂的老化、变质和流的老化、变质和流动等原因而有所移动等原因而有所移动。反应器各处温动。反应器各处温度都应参加比较，度都应参加比较，择其高者用于温度择其高者用于温度控制。控制。书书144144页页3 3、用于、用于“多种物料的逻辑切换多种物料的逻辑切换”选择性控制选择性控制书144页图640 一般来说，一台控制器的输出仅操纵一只控制阀。一般来说，一台控制器的输出仅操纵一只控制阀。若一台若一台控制器去操纵几只阀门，并且是按照输出信号的不同区间操作控制器去操纵几只阀门，并且是按照输出信号的不同区间操作不同阀门的，这种控制方式习惯上称为分程控制。不同阀门的，这种控制方式习惯上称为分程控制。换句话说，换句话说，分程控制是一台控制器分段（即分程控制是一台控制器分段（即“分程分程”）控制几个操作变量）控制几个操作变量。设计分程控制有两方面的设计分程控制有两方面的目的目的：1、扩大控制阀的可调范围，以改善控制系统的品质。、扩大控制阀的可调范围，以改善控制系统的品质。2、满足工艺上操作的特殊要求。如节能、维持安全生产的补充手、满足工艺上操作的特殊要求。如节能、维持安全生产的补充手段、有不灵敏区的分程控制段、有不灵敏区的分程控制。6.6 6.6 分程控制分程控制一台控制器操纵一只控制阀一台控制器操纵一只控制阀分程控制原理示意图分程控制原理示意图一台控制器操纵一台控制器操纵A A、B B两个阀门。两个阀门。借助于每个控制阀上的阀门定位器借助于每个控制阀上的阀门定位器A A阀：控制器输出为阀：控制器输出为 0.02-0.06MPa0.02-0.06MPa时，时，作全程动作。即阀门定位器输出为作全程动作。即阀门定位器输出为 0.02-0.1MPa0.02-0.1MPa B B阀：控制器输出为阀：控制器输出为 0.06-0.1MPa0.06-0.1MPa时，时，作全程动作。即阀门定位器输出为作全程动作。即阀门定位器输出为 0.02-0.1MPa0.02-0.1MPa即输出信号小于即输出信号小于0.06MPa0.06MPa时，时，A A阀动作。阀动作。输出信号大于输出信号大于0.06MPa0.06MPa时，时，B B阀动作。阀动作。阀的开、闭形式可分同向和异向两种。阀的开、闭形式可分同向和异向两种。分程控制系统方块图分程控制系统方块图控制阀同向及异向动作示意图控制阀同向及异向动作示意图1 1、用于扩大控制阀的可调范围、用于扩大控制阀的可调范围控制阀重要静态指标阀的可调范围控制阀重要静态指标阀的可调范围 RR=Cmax/Cmin C为流量系数、流量单位为流量系数、流量单位一般国产柱塞型阀固有可调范围为一般国产柱塞型阀固有可调范围为30在极少数场合，可调范围要求特大。如在极少数场合，可调范围要求特大。如废水处理中的废水处理中的pH 值控制需要的可调范值控制需要的可调范围会超过围会超过1000两只线性阀组成的分程系统两只线性阀组成的分程系统2 2、用于节能的分程控制、用于节能的分程控制间歇聚合反应器间歇聚合反应器的控制的控制 当配置好反应物料当配置好反应物料后，开始需经历加热后，开始需经历加热升温过程，以引发反升温过程，以引发反应；待反应开始后，应；待反应开始后，由于放出大量反应由于放出大量反应热，若不及时移走热热，若不及时移走热量，会使反应越来越量，会使反应越来越剧烈，温度越来越高剧烈，温度越来越高引起事故。所以还得引起事故。所以还得经历降温（或保温）经历降温（或保温）移走热量的过程。移走热量的过程。用于节能的用于节能的设计思路设计思路1 1、确定阀的气开、气、确定阀的气开、气关型式：关型式：蒸汽阀选择气开式蒸汽阀选择气开式;冷水阀选择气关式冷水阀选择气关式.2 2、根据节能要求，决、根据节能要求，决定分程区间。定分程区间。蒸汽阀分程区间在蒸汽阀分程区间在高高信号区信号区;冷水阀分程区间在冷水阀分程区间在低低信号区信号区 例、满足生产过程不同阶段需要间歇反应器温度分程控制方式3 3、预防预防出现出现爆炸危险爆炸危险交替使用不同交替使用不同的控制方式的控制方式储罐氮封分程储罐氮封分程在炼油厂或石油化在炼油厂或石油化工厂，有许多储工厂，有许多储罐存放各种油品罐存放各种油品或化工产品。这或化工产品。这些储罐建造在室些储罐建造在室外，为使这些油外，为使这些油品或产品不与空品或产品不与空气中的氧气接触气中的氧气接触被氧化变质，或被氧化变质，或引起爆炸危险，引起爆炸危险，常采用常采用罐顶冲氮罐顶冲氮气气的办法，使与的办法，使与外界空气隔绝。外界空气隔绝。控制阀分程动作关系控制阀分程动作关系6.7 阀位控制（阀位控制（VPC）系统）系统 如果说如果说可以把选择性控制系统看成是被控变量的选择可以把选择性控制系统看成是被控变量的选择，而阀位控制系统则可以看成是对操作变量的选择。而阀位控制系统则可以看成是对操作变量的选择。问题的提出：问题的提出：在生产上存在这种情况，有两个（或多个）操作变量均能影响在生产上存在这种情况，有两个（或多个）操作变量均能影响同一个被控变量，但具有良好动态性能的操作变量，其静态性能同一个被控变量，但具有良好动态性能的操作变量，其静态性能（指工艺上的某些性能）却是低劣的。因而从提高被控变量控制（指工艺上的某些性能）却是低劣的。因而从提高被控变量控制品质的角度应采用使品质的角度应采用使动态性能动态性能好的变量，但从好的变量，但从稳态优化稳态优化的角度却的角度却是不合适的。因此，为了是不合适的。因此，为了协调矛盾协调矛盾，可采用包括阀位控制系统在，可采用包括阀位控制系统在内的复合控制系统。内的复合控制系统。换句话说，为换句话说，为协调协调动态性能动态性能和和稳态优化稳态优化而对而对操作变量操作变量的不同的不同选择选择称为称为阀位控制系统阀位控制系统或复合控制系统。或复合控制系统。例、油加热炉温度复合系统例、油加热炉温度复合系统被控变量：出口温度被控变量：出口温度影响出口温度的操作变量：影响出口温度的操作变量：2 2个个 一个是一个是 物料旁路阀：物料旁路阀：V VA A 另一个是另一个是 燃料阀：燃料阀：V VB B 从动态上分析采用旁路阀从动态上分析采用旁路阀VAVA控制，因调节通道滞后小，控制，因调节通道滞后小，控制及时。如果仅考虑控制控制及时。如果仅考虑控制品质则只需要控制品质则只需要控制VAVA。然而从节能的角度考虑却然而从节能的角度考虑却不合理。因为冷热不同的流不合理。因为冷热不同的流体混合是不可逆过程。会造体混合是不可逆过程。会造成火用损失，应全关成火用损失，应全关V VA A。油加热炉温度复合系统的特点油加热炉温度复合系统的特点主回路：温度变送器、温度控制器、和主回路：温度变送器、温度控制器、和V VA A，具有良好动态品质。具有良好动态品质。副回路：副回路：V VA A阀位信号为被控变量、阀位控制器（阀位信号为被控变量、阀位控制器（VPCVPC）和）和V VB B。VPCVPC设定值：设定值：对应对应V VA A较小开度较小开度(如如1010)。VPCVPC参数整定：参数整定：采用大比例带和大积分时间，使其具有缓慢动作采用大比例带和大积分时间，使其具有缓慢动作 即动态时即动态时V VB B动作缓慢。动作缓慢。当系统稳定时，能保证控制阀当系统稳定时，能保证控制阀V VA A较小开度较小开度 (如如1010)。复合系统方块图复合系统方块图反应釜温度复合控制反应釜温度复合控制低压蒸气总管压力复合控制低压蒸气总管压力复合控制阀位控制与分程控制的比较阀位控制与分程控制的比较一台控制器去操纵几只阀门，并且是按照输出信号的不同一台控制器去操纵几只阀门，并且是按照输出信号的不同区间操作不同阀门的，这种控制方式习惯上称为分程控制。区间操作不同阀门的，这种控制方式习惯上称为分程控制。从结构上看，分程控制和阀位控制都是具有多个操作从结构上看，分程控制和阀位控制都是具有多个操作变量和单个被控变量的过程。变量和单个被控变量的过程。分程控制要求各个操作变量交替工作；而阀位控制是分程控制要求各个操作变量交替工作；而阀位控制是要求被选作辅助变量的阀位在稳态时处于某个较小（或较要求被选作辅助变量的阀位在稳态时处于某个较小（或较大）值上，以满足另外指标优化的要求。大）值上，以满足另外指标优化的要求。