第五章5分程控制控制系統(tǒng)

1、5.5 5.5 分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)一、概述一、概述 在反饋控制系統(tǒng)中，通常都是一臺(tái)控制器的輸出只控制一臺(tái)控制閥。在反饋控制系統(tǒng)中，通常都是一臺(tái)控制器的輸出只控制一臺(tái)控制閥。 在分程控制系統(tǒng)中，一臺(tái)控制器的輸出可以同時(shí)控制兩臺(tái)甚至兩臺(tái)以上在分程控制系統(tǒng)中，一臺(tái)控制器的輸出可以同時(shí)控制兩臺(tái)甚至兩臺(tái)以上的控制閥。的控制閥。 在這里，控制器的輸出信號(hào)被分割成若干個(gè)信號(hào)范圍段，由每一段信號(hào)在這里，控制器的輸出信號(hào)被分割成若干個(gè)信號(hào)范圍段，由每一段信號(hào)去控制一臺(tái)控制閥。去控制一臺(tái)控制閥。 分程控制系統(tǒng)的方塊圖如圖分程控制系統(tǒng)的方塊圖如圖1所示。所示。 圖1 分程控制系統(tǒng)方框圖 分程控制系統(tǒng)中控制器輸

2、出信號(hào)的分段一般是由附設(shè)在控制閥上的分程控制系統(tǒng)中控制器輸出信號(hào)的分段一般是由附設(shè)在控制閥上的閥門(mén)定閥門(mén)定位器位器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。閥門(mén)定位器相當(dāng)于一臺(tái)可變放大系數(shù)，且零點(diǎn)可以調(diào)整的放來(lái)實(shí)現(xiàn)的。閥門(mén)定位器相當(dāng)于一臺(tái)可變放大系數(shù)，且零點(diǎn)可以調(diào)整的放大器。大器。 閥門(mén)定位器閥門(mén)定位器可以可以將控制器的輸出壓力分成幾段信號(hào)區(qū)間將控制器的輸出壓力分成幾段信號(hào)區(qū)間。不同段內(nèi)的壓力。不同段內(nèi)的壓力有相應(yīng)的閥門(mén)定位器轉(zhuǎn)化為有相應(yīng)的閥門(mén)定位器轉(zhuǎn)化為0.020.1MPa信號(hào)壓力，使控制閥全程動(dòng)作。信號(hào)壓力，使控制閥全程動(dòng)作。 例如：例如：A和和B兩個(gè)控制閥兩個(gè)控制閥 要求：要求：A閥在控制器輸出信號(hào)壓力為閥在控制器輸出

3、信號(hào)壓力為0.020.06MPa信號(hào)壓力，使控制信號(hào)壓力，使控制 閥全程動(dòng)作。閥全程動(dòng)作。 A閥上的閥門(mén)定位器對(duì)應(yīng)的輸出壓力為閥上的閥門(mén)定位器對(duì)應(yīng)的輸出壓力為0.02MPa0.1MPa，B閥上則在控制閥上則在控制器輸出壓力為器輸出壓力為0.06MPa0.1MPa時(shí)通過(guò)附設(shè)在上面的閥門(mén)定位器使之也剛好走時(shí)通過(guò)附設(shè)在上面的閥門(mén)定位器使之也剛好走完全程。完全程。 即，當(dāng)控制其輸出信號(hào)即，當(dāng)控制其輸出信號(hào)小于小于0.06MPa時(shí)，時(shí)，A閥動(dòng)作，閥動(dòng)作，B閥不動(dòng)作閥不動(dòng)作； 當(dāng)信號(hào)當(dāng)信號(hào)大于大于0.06MPa時(shí)，時(shí)，A閥已動(dòng)至極限，閥已動(dòng)至極限，B閥開(kāi)始動(dòng)作閥開(kāi)始動(dòng)作。 分程控制系統(tǒng)，就控制閥的開(kāi)、關(guān)型

4、式可以劃分為兩類(lèi)：分程控制系統(tǒng)，就控制閥的開(kāi)、關(guān)型式可以劃分為兩類(lèi)： 一類(lèi)是兩個(gè)控制閥同向動(dòng)作一類(lèi)是兩個(gè)控制閥同向動(dòng)作: 即隨著控制器輸出信號(hào)即隨著控制器輸出信號(hào)(即閥壓即閥壓)的增大或減小，兩控制閥都開(kāi)的增大或減小，兩控制閥都開(kāi)大或關(guān)小。其動(dòng)作過(guò)程如圖大或關(guān)小。其動(dòng)作過(guò)程如圖2所示，其中圖所示，其中圖(a)為氣開(kāi)閥的情況，為氣開(kāi)閥的情況，圖圖(b)為氣關(guān)閥的情況。為氣關(guān)閥的情況。 (a)(b) 分程閥同向或異向動(dòng)作的選擇問(wèn)題，要根據(jù)生產(chǎn)工藝的實(shí)際需要分程閥同向或異向動(dòng)作的選擇問(wèn)題，要根據(jù)生產(chǎn)工藝的實(shí)際需要來(lái)確定。來(lái)確定。 一類(lèi)是兩個(gè)控制閥異向動(dòng)作一類(lèi)是兩個(gè)控制閥異向動(dòng)作: 即隨著控制器輸出信

5、號(hào)的增大成減小，一個(gè)控制閥開(kāi)大，另即隨著控制器輸出信號(hào)的增大成減小，一個(gè)控制閥開(kāi)大，另一個(gè)控制閥則關(guān)小，如圖一個(gè)控制閥則關(guān)小，如圖837所示，其中圖所示，其中圖(a)是是A為氣關(guān)閥、為氣關(guān)閥、B為氣開(kāi)閥的情況。圖為氣開(kāi)閥的情況。圖(b)是是A為氣開(kāi)閥、為氣開(kāi)閥、B為氣關(guān)閥的情況。為氣關(guān)閥的情況。 二、分程控制的應(yīng)用場(chǎng)合二、分程控制的應(yīng)用場(chǎng)合 1 1用于擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍，改善控制品質(zhì)用于擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍，改善控制品質(zhì) 有時(shí)生產(chǎn)過(guò)程要求有較大范圍的流量變化，但是控制閥的可調(diào)范圍是有限制有時(shí)生產(chǎn)過(guò)程要求有較大范圍的流量變化，但是控制閥的可調(diào)范圍是有限制的（國(guó)產(chǎn)統(tǒng)一設(shè)計(jì)柱塞控制閥的（國(guó)產(chǎn)統(tǒng)一設(shè)

6、計(jì)柱塞控制閥可調(diào)范圍可調(diào)范圍RQmax/Qmin=30)。若采用一個(gè)控制。若采用一個(gè)控制閥，能夠控制的最大流量和最小流量相差不可能太懸殊，滿足不了生產(chǎn)上流量閥，能夠控制的最大流量和最小流量相差不可能太懸殊，滿足不了生產(chǎn)上流量大范圍變化的要求這時(shí)可考慮采用兩個(gè)控制閥并聯(lián)的分程控制方案。大范圍變化的要求這時(shí)可考慮采用兩個(gè)控制閥并聯(lián)的分程控制方案。 設(shè)分程控制中使用的大小兩只調(diào)節(jié)閥的最大流通能力分別為：設(shè)分程控制中使用的大小兩只調(diào)節(jié)閥的最大流通能力分別為： C1max=4， C2max=100 其可調(diào)范圍為：其可調(diào)范圍為： R1=R2=30 故小閥的最小流通能力為：故小閥的最小流通能力為： C1mi

7、n=C1max/30=0.134 分程控制把兩個(gè)閥當(dāng)一個(gè)閥使用，其最小流通能力為分程控制把兩個(gè)閥當(dāng)一個(gè)閥使用，其最小流通能力為0.134，最大流通能力，最大流通能力為為100，可調(diào)范圍為：，可調(diào)范圍為： R分分=(C2max+C1max)/0.134=776 因此，分程后的調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍為單個(gè)閥的因此，分程后的調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍為單個(gè)閥的25倍，因此滿足了生產(chǎn)要求。倍，因此滿足了生產(chǎn)要求。 工程示例工程示例1：蒸汽減壓系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)蒸汽減壓系統(tǒng)分程控制系統(tǒng) 鍋爐產(chǎn)汽壓力為鍋爐產(chǎn)汽壓力為10MPa，是高壓蒸汽，而生產(chǎn)上需要的是壓力平穩(wěn)的，是高壓蒸汽，而生產(chǎn)上需要的是壓力平穩(wěn)的4MPa的中壓蒸汽

8、。的中壓蒸汽。 為此，需要通過(guò)節(jié)流減壓的方法將為此，需要通過(guò)節(jié)流減壓的方法將10MPa的高壓蒸汽節(jié)流減壓成的高壓蒸汽節(jié)流減壓成4MPa的的中壓蒸汽。在選擇控制閥的口徑時(shí)，為了適應(yīng)大負(fù)荷下蒸汽供應(yīng)量的需要，控中壓蒸汽。在選擇控制閥的口徑時(shí)，為了適應(yīng)大負(fù)荷下蒸汽供應(yīng)量的需要，控制閥的口徑就要選擇得很大。然而，在正常情況下，蒸汽量卻不需要這么大，制閥的口徑就要選擇得很大。然而，在正常情況下，蒸汽量卻不需要這么大，這就得要將閥關(guān)小。也就是說(shuō)，正常情況下控制閥只在小開(kāi)度下工作。而大閥這就得要將閥關(guān)小。也就是說(shuō)，正常情況下控制閥只在小開(kāi)度下工作。而大閥在小開(kāi)度下工作時(shí)，除了閥特性會(huì)發(fā)生畸變外，還容易產(chǎn)生噪

9、音和振蕩，這樣在小開(kāi)度下工作時(shí)，除了閥特性會(huì)發(fā)生畸變外，還容易產(chǎn)生噪音和振蕩，這樣就會(huì)供控制效果變差，控制質(zhì)量降低。為解決這就會(huì)供控制效果變差，控制質(zhì)量降低。為解決這矛盾，可采用兩臺(tái)控制閥，矛盾，可采用兩臺(tái)控制閥，構(gòu)成分程控制方案，如圖構(gòu)成分程控制方案，如圖8-38所示。所示。 在該分程控制方案中采用了在該分程控制方案中采用了A、B兩臺(tái)控制閥兩臺(tái)控制閥(假定根據(jù)工藝要求均選假定根據(jù)工藝要求均選擇為氣開(kāi)閥擇為氣開(kāi)閥)。 A閥：閥：控制器輸出壓力控制器輸出壓力20一一60kPa時(shí)，從全關(guān)到全開(kāi)；時(shí)，從全關(guān)到全開(kāi)； B閥：閥：在控制器輸出壓力為在控制器輸出壓力為60一一100kPa時(shí)由全關(guān)到全開(kāi)。時(shí)

10、由全關(guān)到全開(kāi)。 正常情況下，即小負(fù)荷時(shí)，正常情況下，即小負(fù)荷時(shí)，B閥處于關(guān)閉狀態(tài)，只通過(guò)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，只通過(guò)A閥開(kāi)度的變化閥開(kāi)度的變化來(lái)進(jìn)行控制。當(dāng)大負(fù)荷時(shí)，來(lái)進(jìn)行控制。當(dāng)大負(fù)荷時(shí)，A閥已全開(kāi)仍滿足不了蒸汽量的需要，中壓蒸閥已全開(kāi)仍滿足不了蒸汽量的需要，中壓蒸汽管線的壓力仍達(dá)不到給定值，于是反作用式的壓力控制器汽管線的壓力仍達(dá)不到給定值，于是反作用式的壓力控制器PC輸出增加，輸出增加，超過(guò)了超過(guò)了60kPa，使，使B閥也逐漸打開(kāi)以彌補(bǔ)蒸汽供應(yīng)量的不足。閥也逐漸打開(kāi)以彌補(bǔ)蒸汽供應(yīng)量的不足。 2 2用于控制兩種不同的介質(zhì)，以滿足工藝生產(chǎn)的要求用于控制兩種不同的介質(zhì)，以滿足工藝生產(chǎn)的要求 工程示例

11、工程示例2：工業(yè)廢液中和控制系統(tǒng)工業(yè)廢液中和控制系統(tǒng)間歇反應(yīng)器的工作原理：間歇反應(yīng)器的工作原理：1.按要求配比好原料并放入反應(yīng)器，開(kāi)始時(shí)溫按要求配比好原料并放入反應(yīng)器，開(kāi)始時(shí)溫度達(dá)不到反應(yīng)要求，需對(duì)其通以蒸汽加熱，度達(dá)不到反應(yīng)要求，需對(duì)其通以蒸汽加熱，誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)；誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)；2.當(dāng)達(dá)到反應(yīng)溫度并開(kāi)始反應(yīng)后，會(huì)產(chǎn)生大量當(dāng)達(dá)到反應(yīng)溫度并開(kāi)始反應(yīng)后，會(huì)產(chǎn)生大量的反應(yīng)熱，需及時(shí)地移走熱量，否則會(huì)因溫的反應(yīng)熱，需及時(shí)地移走熱量，否則會(huì)因溫度過(guò)高而發(fā)生危險(xiǎn)。度過(guò)高而發(fā)生危險(xiǎn)。工程示例工程示例3 間歇式化學(xué)反應(yīng)器分程控制系統(tǒng)間歇式化學(xué)反應(yīng)器分程控制系統(tǒng)TCAB冷水蒸汽1.反應(yīng)開(kāi)始前升溫階段反應(yīng)開(kāi)始前升溫

12、階段T測(cè)測(cè)給定值給定值TC B閥閥（B閥全關(guān)時(shí)）閥全關(guān)時(shí)）A閥閥 T，冷卻水把反應(yīng)熱帶走，使反應(yīng)釜溫度恒定，反，冷卻水把反應(yīng)熱帶走，使反應(yīng)釜溫度恒定，反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。FVA：氣閉FVB：氣開(kāi)TC：反作用 3 . 用作生產(chǎn)安全的防護(hù)措施用作生產(chǎn)安全的防護(hù)措施 在氮封控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器為在氮封控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器為“反作用反作用”，調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥A為氣開(kāi)式，調(diào)節(jié)閥為氣開(kāi)式，調(diào)節(jié)閥B為氣為氣關(guān)式。根據(jù)上述工藝要求，當(dāng)罐內(nèi)物料增加，液位上升時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止充氮?dú)?，關(guān)式。根據(jù)上述工藝要求，當(dāng)罐內(nèi)物料增加，液位上升時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止充氮?dú)猓醇碅閥全關(guān)，使罐內(nèi)氮?dú)馀趴眨撮y全關(guān)，使罐內(nèi)氮?dú)馀趴?，即B閥打

13、開(kāi)；反之，當(dāng)罐內(nèi)物料減少，液位下降時(shí)，閥打開(kāi)；反之，當(dāng)罐內(nèi)物料減少，液位下降時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止氮?dú)馀趴?，即?yīng)及時(shí)停止氮?dú)馀趴?，即B閥全關(guān)，并向儲(chǔ)罐充氮?dú)猓撮y全關(guān)，并向儲(chǔ)罐充氮?dú)?，即A閥打開(kāi)工作。閥打開(kāi)工作。分析：分析：A閥（充閥（充N(xiāo)2）采用氣開(kāi)式，）采用氣開(kāi)式，B閥（放空）為氣閉式，控制器為反作用。閥（放空）為氣閉式，控制器為反作用。(1)向油罐注油時(shí)向油罐注油時(shí)PPC（0.06MPa）B閥全關(guān)、閥全關(guān)、A閥開(kāi)閥開(kāi)P。PCAB放空氮?dú)?.020.10MPa0.058 0.062100%0閥門(mén)開(kāi)度BA油品儲(chǔ)罐油品儲(chǔ)罐N2N2封分程控制系統(tǒng)封分程控制系統(tǒng)三、分程控制中的幾個(gè)問(wèn)題三、分程控制中的幾個(gè)

14、問(wèn)題 （1）控制閥流量特性要正確選擇。）控制閥流量特性要正確選擇。 在分程控制中，把兩個(gè)調(diào)節(jié)閥作為一個(gè)調(diào)節(jié)閥使用時(shí)，要求一個(gè)閥向另在分程控制中，把兩個(gè)調(diào)節(jié)閥作為一個(gè)調(diào)節(jié)閥使用時(shí)，要求一個(gè)閥向另外一個(gè)閥過(guò)度時(shí)，其流量變化要平滑。但由于兩個(gè)閥的放大系數(shù)不同，在分外一個(gè)閥過(guò)度時(shí)，其流量變化要平滑。但由于兩個(gè)閥的放大系數(shù)不同，在分程點(diǎn)上引起流量特性的突變。程點(diǎn)上引起流量特性的突變。 因?yàn)樵趦砷y分程點(diǎn)上，控制閥的放大倍數(shù)可能出現(xiàn)突變，表現(xiàn)在特性曲因?yàn)樵趦砷y分程點(diǎn)上，控制閥的放大倍數(shù)可能出現(xiàn)突變，表現(xiàn)在特性曲線上產(chǎn)生斜率突變的折點(diǎn)，這在大小控制閥并聯(lián)時(shí)尤其重要。如果兩控制閥線上產(chǎn)生斜率突變的折點(diǎn)，這在大小

15、控制閥并聯(lián)時(shí)尤其重要。如果兩控制閥均為線性特性，情況更嚴(yán)重，見(jiàn)圖均為線性特性，情況更嚴(yán)重，見(jiàn)圖8-43(a)。如果采用對(duì)數(shù)特性控制閥，分程。如果采用對(duì)數(shù)特性控制閥，分程信號(hào)重疊一小段，則情況會(huì)有所改善，如圖信號(hào)重疊一小段，則情況會(huì)有所改善，如圖8-43（b）所示。）所示。改進(jìn)措施：改進(jìn)措施：1) 選擇合適的調(diào)節(jié)閥流量選擇合適的調(diào)節(jié)閥流量特性。例如，選兩個(gè)流特性。例如，選兩個(gè)流通能力相等的線性閥；通能力相等的線性閥；2) 采用信號(hào)重疊法。這樣，采用信號(hào)重疊法。這樣，不等小閥全開(kāi)，大閥就不等小閥全開(kāi)，大閥就已漸開(kāi)。已漸開(kāi)。 (2)大小閥并聯(lián)時(shí)，大閥的泄漏量不可忽視，否則就不能充分大小閥并聯(lián)時(shí)，大閥

16、的泄漏量不可忽視，否則就不能充分發(fā)揮擴(kuò)大可調(diào)范圍的作用。當(dāng)大閥的泄漏量較大時(shí)，系統(tǒng)的最發(fā)揮擴(kuò)大可調(diào)范圍的作用。當(dāng)大閥的泄漏量較大時(shí)，系統(tǒng)的最小流通能力就不再是小閥的最小流通能力了。小流通能力就不再是小閥的最小流通能力了。 (3)分程控制系統(tǒng)本質(zhì)上是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，因此控制器的選擇分程控制系統(tǒng)本質(zhì)上是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，因此控制器的選擇和參數(shù)整定，可參照簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)處理。不過(guò)在運(yùn)行中，如果和參數(shù)整定，可參照簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)處理。不過(guò)在運(yùn)行中，如果兩個(gè)控制通道特性不同，就是說(shuō)廣義對(duì)象特性是兩個(gè)，控制器兩個(gè)控制通道特性不同，就是說(shuō)廣義對(duì)象特性是兩個(gè)，控制器參數(shù)不能同時(shí)滿足兩個(gè)不同對(duì)象特性的要求。遇此情況，只好參

17、數(shù)不能同時(shí)滿足兩個(gè)不同對(duì)象特性的要求。遇此情況，只好照顧正常情況下的被控對(duì)象特性，按正常情況下整定控制器的照顧正常情況下的被控對(duì)象特性，按正常情況下整定控制器的參數(shù)。對(duì)另一臺(tái)閥的操作要求，只要能在工藝允許的范圍內(nèi)即參數(shù)。對(duì)另一臺(tái)閥的操作要求，只要能在工藝允許的范圍內(nèi)即可。可。Gm(S)蒸汽管壓力對(duì)象GV A(S)GC(S)PspPGVB(S)PC供水中壓蒸汽高壓蒸汽ABa）控制閥）控制閥A、B應(yīng)選氣開(kāi)閥，則控制器應(yīng)為反作用。應(yīng)選氣開(kāi)閥，則控制器應(yīng)為反作用。b b）由于）由于A A、B B閥一般為同口徑或相近口徑，所以分程區(qū)域可以等分。閥一般為同口徑或相近口徑，所以分程區(qū)域可以等分。0.020.10MPa0.06100%0閥壓閥門(mén)開(kāi)度2、控制閥的開(kāi)閉形式與分程區(qū)間的確定、控制閥的開(kāi)閉形式與分程區(qū)間的確定TCAB冷水蒸汽Gm(S)GV A(S)GC(S)TspTGVB(S)減溫對(duì)象加溫對(duì)象a） A閥應(yīng)選氣閉閥，則控制器應(yīng)為正作用，閥應(yīng)選氣閉閥，則控制器應(yīng)為正作用， B閥應(yīng)選氣開(kāi)。閥應(yīng)選氣開(kāi)。b b）分程區(qū)域：為了保證安全，不使反應(yīng)器溫度過(guò)高，能源中斷時(shí)冷水閥應(yīng)該）分程區(qū)域：為了保證安全，不使反應(yīng)器溫度過(guò)高，能源中斷時(shí)冷水閥應(yīng)該打開(kāi)，所以打開(kāi)，所以A A閥應(yīng)在小信號(hào)段，閥應(yīng)在小信號(hào)段，B B閥在高信號(hào)段。閥在高信號(hào)段。+-+0.020.10MPa0