過程控制系統(tǒng)第4章(續(xù)2)過程控制課件

為導(dǎo)出前饋控制器的模型,先將換熱器前饋-反饋控制系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖畫成相應(yīng)的方框圖.加熱蒸汽量冷凝水進(jìn)料量TC溫度設(shè)定值由方框圖可得:根據(jù)不變性原理:代入上式得前饋控制器的傳遞函數(shù)為:為導(dǎo)出前饋控制器的模型,先將換熱器前饋1如前饋控制信號(hào)不與反饋回路中控制器的輸出信號(hào)疊加共同作用在控制閥上,而是與系統(tǒng)的給定信號(hào)﹑系統(tǒng)輸出的測(cè)量信號(hào)疊加后作為控制器的輸入,如下圖所示,加熱蒸汽量冷凝水進(jìn)料量TC溫度設(shè)定值其對(duì)應(yīng)的方框圖見右下圖.由圖可得:同理:如前饋控制信號(hào)不與反饋回路中控制器的輸出信號(hào)疊加共同作用在控2前饋-反饋控制的優(yōu)點(diǎn):(1)只需對(duì)主要干擾進(jìn)行補(bǔ)償,其它干擾可由反饋控制予以校正,簡(jiǎn)化了原有前饋控制系統(tǒng);(2)反饋回路的存在,降低了對(duì)前饋模型的精度要求,為工程上實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單的通用型前饋控制器創(chuàng)造了條件;(3)引入前饋控制器不改變反饋回路的特征方程,從而不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,可較好地解決穩(wěn)定性與控制精度間的矛盾;(4)無反饋回路時(shí),出料溫度對(duì)進(jìn)料量干擾間的關(guān)系式為:,有反饋回路后,在干擾幅值相同情況下,出料溫度的穩(wěn)態(tài)值為原來的,比單純前饋控制受干擾的影響小.前饋-反饋控制的優(yōu)點(diǎn):(1)只需對(duì)主要干擾進(jìn)行補(bǔ)償,其3(四)前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)換熱器前饋-反饋控制系統(tǒng)的分析可知,前饋控制器的輸出與反饋控制器的輸出疊加后直接送至控制閥,這實(shí)際上是將所要求的進(jìn)料量與加熱蒸汽量的對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)化為進(jìn)料量與控制閥膜頭壓力間的關(guān)系.從而為保證前饋補(bǔ)償?shù)木?對(duì)控制閥提出了嚴(yán)格的要求,希望它靈敏﹑線性及盡可能小的滯環(huán).還要求控制閥前后的壓差恒定,否則同樣的前饋輸出將對(duì)應(yīng)不同的加熱蒸汽流量.為解決上述問題,工程上在原有的反饋控制回路中再增設(shè)一個(gè)加熱蒸汽流量副回路,把前饋控制器的輸出與溫度控制器的輸出疊加后,作為加熱蒸汽流量控制器的給定值,構(gòu)成前饋-串級(jí)控制系統(tǒng).(四)前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)換4換熱器前饋-串級(jí)控制的構(gòu)成示意圖及對(duì)應(yīng)方框圖如下.由方框圖可求出系統(tǒng)在干擾加熱蒸汽量冷凝水進(jìn)料量TC溫度設(shè)定值QC作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù).換熱器前饋-串級(jí)控制的構(gòu)成示意圖及對(duì)應(yīng)方框圖如下.由方框圖可5在串級(jí)控制系統(tǒng)中,當(dāng)副回路工作頻率高于主回路工作頻率10倍時(shí),副回路的傳遞函數(shù)可近似為1,即:則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)可近似為:按不變性原理可得:在串級(jí)控制系統(tǒng)中,當(dāng)副回路工作頻率高于主回路工作頻率16三﹑前饋控制作用的實(shí)施通過對(duì)前饋控制系統(tǒng)幾種典型結(jié)構(gòu)形式的分析可知前饋控制器的控制規(guī)律取決于對(duì)象干擾通道與控制通道的特性,即由于工業(yè)對(duì)象的特性極為復(fù)雜,導(dǎo)致前饋控制規(guī)律的形式繁多,但從工業(yè)應(yīng)用的觀點(diǎn)看,尤其是應(yīng)用常規(guī)儀表組成的控制系統(tǒng),總力求控制儀表的模式具有一定的通用性,以利于設(shè)計(jì)﹑生產(chǎn)﹑運(yùn)行和維護(hù).另外,由于工業(yè)對(duì)象的復(fù)雜性,欲精確獲得其數(shù)學(xué)模型,也較困難.實(shí)踐證明,相當(dāng)數(shù)量的工業(yè)對(duì)象都具有非周期性和過阻尼的特性,因此經(jīng)?？捎靡粋€(gè)一階或二階容量滯后必要時(shí)再串聯(lián)一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)給以近似,即:控制通道的特性為干擾通道的特性為三﹑前饋控制作用的實(shí)施通過對(duì)7則前饋控制器模型為當(dāng)上式中的各參數(shù)不同時(shí),前饋模型分為三種基本形式(一)型前饋控制器當(dāng)時(shí),叫靜態(tài)前饋控制器.(二)型前饋控制器當(dāng)時(shí),稱作一階“超前-滯后”型前饋控制.超前,滯后.此種類型控制器可用兩種方法實(shí)現(xiàn).超前型前饋控制器適用于對(duì)象控制通道容量滯后大于干擾通道容量滯后,滯后型前饋控制器適用于對(duì)象控制通道容量滯后小于干擾通道容量滯后.則前饋控制器模型為當(dāng)上式中的各參數(shù)不同時(shí),前饋模型分8(三)型前饋控制器存滯后模型用模擬儀表只能近似實(shí)現(xiàn),其最簡(jiǎn)單的近似方法,是將其用一階分式代替,即:前所介紹的前饋控制器的模型,已為目前廣泛應(yīng)用,在定型的DDZ-Ⅲ型儀表、組裝式儀表中都有相應(yīng)的硬件模塊在可編程數(shù)字控制器或用計(jì)算機(jī)控制的DCS中也有相應(yīng)的控制算法模塊,便于調(diào)用及軟連接.四﹑前饋控制系統(tǒng)的參數(shù)整定五﹑前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用(補(bǔ)充)一般來說,在下列情況下可考慮選用前饋控制:(1)對(duì)象控制通道的容量滯后較大,反饋控制難以滿足工藝要求時(shí),把主干擾引入前饋控制,構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)(三)型前饋控制器存滯后模型用模擬儀表只能近似實(shí)現(xiàn),其9(2)系統(tǒng)中存在可測(cè)、不可控、變化頻繁、幅值大且對(duì)被控變量影響顯著的干擾,則采用前饋控制可提高控制品質(zhì).可測(cè)是指干擾量能用檢測(cè)變送裝置在線轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電或氣信號(hào),不可控指這些干擾難以通過設(shè)置單獨(dú)的控制系統(tǒng)予以穩(wěn)定,或雖設(shè)置了專門的控制系統(tǒng)予以穩(wěn)定,但由于操作上的需要,往往要經(jīng)常改變其給定值.

在應(yīng)用中,有時(shí)會(huì)將前饋-反饋控制與串級(jí)控制混淆不清,這將給設(shè)計(jì)與運(yùn)行帶來困難,下面以加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)的兩種不同控制方案,簡(jiǎn)要說明兩者的關(guān)系與區(qū)別.(2)系統(tǒng)中存在可測(cè)、不可控、變化頻繁、幅值10下面是兩種控制方案的構(gòu)成示意圖.圖(a)控制閥出口溫度燃料油原料油溫度變送器溫度設(shè)定值控制量溫度變送器溫度設(shè)定值控制閥出口溫度燃料油原料油控制量流量變送器圖(b)圖(a)是加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng).圖(b)是原料油干擾前饋與加熱爐出口溫度反饋的前饋-反饋控制系統(tǒng).兩者相比,結(jié)構(gòu)上完全不同,串級(jí)控制由內(nèi)﹑外兩個(gè)反饋回路構(gòu)成,前饋-反饋控制由一個(gè)反饋回路和另一個(gè)開環(huán)的補(bǔ)償回路構(gòu)成.下面是兩種控制方案的構(gòu)成示意圖.圖(a)控制閥出口溫度燃料油11前饋控制系統(tǒng)與反饋控制系統(tǒng)相比較有何特點(diǎn)？試舉一個(gè)前饋與反饋控制系統(tǒng)的例子，畫出其原理圖，給出前饋控制器的數(shù)學(xué)模型。前饋控制系統(tǒng)與反饋控制系統(tǒng)相比較有何特點(diǎn)？試舉一個(gè)前饋與反饋12答：1）前饋控制器產(chǎn)生控制作用的依據(jù)是干擾，而反饋系統(tǒng)的作用依據(jù)是偏差。2）控制效果不同。前饋系統(tǒng)控制作用及時(shí)，對(duì)可測(cè)干擾可實(shí)現(xiàn)無偏差控制。3）實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性和可能性不同。前饋控制系統(tǒng)不可能對(duì)所有干擾都測(cè)量和實(shí)施控制，因而前饋系統(tǒng)是不經(jīng)濟(jì)的。前饋控制器的傳遞函數(shù)：Wd(s)-干擾通道傳遞函數(shù)Wo(s)控制通道傳遞函數(shù)。答：1）前饋控制器產(chǎn)生控制作用的依據(jù)是干擾，而反饋系統(tǒng)的作用13過程控制系統(tǒng)第4章(續(xù)2)過程控制ppt課件144-8選擇性控制系統(tǒng)一﹑基本概念選擇性控制又叫取代控制,也稱超馳控制.以前所介紹的各種自動(dòng)控制系統(tǒng)只能在生產(chǎn)工藝處于正常情況下工作,一旦生產(chǎn)出現(xiàn)事故狀態(tài),控制器就要改為手動(dòng),待故障排除后,控制系統(tǒng)再重新投入運(yùn)行.對(duì)于現(xiàn)代化大型生產(chǎn)過程,控制僅僅做到這一步遠(yuǎn)不能滿足保證生產(chǎn)安全的要求.在大型生產(chǎn)工藝過程中,除要求控制系統(tǒng)在生產(chǎn)處于正常運(yùn)行情況下能克服外界干擾維持生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行,當(dāng)生產(chǎn)操作達(dá)到安全極限時(shí),控制系統(tǒng)應(yīng)有一種應(yīng)變能力,采取相應(yīng)的保護(hù)措施,促使生產(chǎn)操作離開安全極限,返回到正常工況;或使生產(chǎn)暫時(shí)停止,以防事故的發(fā)生或進(jìn)一步擴(kuò)大.4-8選擇性控制系統(tǒng)一﹑基15如大型壓縮機(jī)的防喘振措施﹑精餾塔的防液泛措施等.屬于生產(chǎn)保護(hù)性措施的有兩類:一類是硬保護(hù)措施一類是軟保護(hù)措施.硬保護(hù)措施是當(dāng)生產(chǎn)操作達(dá)到安全極限時(shí),有聲﹑光警報(bào)產(chǎn)生,此時(shí),或由操作工將控制器切換到手動(dòng),或通過專門設(shè)置的聯(lián)鎖保護(hù)線路自動(dòng)停車.由于大型工廠生產(chǎn)過程中的強(qiáng)化和限制性條件多而嚴(yán)格,生產(chǎn)安全保護(hù)的邏輯關(guān)系比較復(fù)雜,由人工操作保護(hù)難免出錯(cuò).此外,由于生產(chǎn)過程進(jìn)行的速度很快,操作人員的生理反映難以跟上,要么處理不及時(shí),要么處理不當(dāng),使事故擴(kuò)大.所以常采用聯(lián)鎖保護(hù)的辦法來處理.聯(lián)鎖保護(hù)雖能起到及時(shí)保護(hù)的作用,但這種硬性保護(hù)法使設(shè)備停車,影響正常生產(chǎn)和造成經(jīng)濟(jì)損失.如大型壓縮機(jī)的防喘振措施﹑精餾塔的防液泛措施等.16軟保護(hù)通過一特定設(shè)計(jì)的選擇性控制系統(tǒng),在生產(chǎn)短期內(nèi)處于不正常狀態(tài)時(shí),既不使設(shè)備停車而又起到對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)的目的.在選擇性控制系統(tǒng)中,已考慮到生產(chǎn)工藝過程限制條件的邏輯關(guān)系,當(dāng)生產(chǎn)操作趨向極限條件時(shí),用于控制不安全狀態(tài)的控制方案取代正常狀態(tài)下的控制方案,直到生產(chǎn)操作重新回到安全范圍內(nèi),正常狀態(tài)下的控制方案在恢復(fù)對(duì)生產(chǎn)過程的正?？刂?故也叫作自動(dòng)保護(hù)性控制.有些選擇性控制系統(tǒng)甚至連開﹑停車都能由系統(tǒng)控制,而無需人工參與.二﹑選擇性控制系統(tǒng)的類型及應(yīng)用要構(gòu)成選擇性控制,生產(chǎn)操作必須具有一定選擇性邏輯關(guān)系.而選擇性控制的實(shí)現(xiàn)則需靠具有選擇功能的自動(dòng)選擇器(如高值選擇器和低值選擇器)或有關(guān)的切換軟保護(hù)通過一特定設(shè)計(jì)的選擇性控制系統(tǒng),17裝置(如切換器﹑帶接點(diǎn)的控制器或測(cè)量裝置)(一)開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)(補(bǔ)充)開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)一般用作系統(tǒng)的限值保護(hù),下圖(a)是丙稀冷卻器裂解氣出口溫度的單回路控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖.液丙稀裂解氣氣丙稀TC溫度設(shè)定值圖(a)在乙稀分離過程中,裂解氣經(jīng)五段壓縮后其溫度已達(dá).為進(jìn)行低溫分離,必須將它的溫度降到工藝上要求的,為此采用液丙稀低溫下蒸發(fā)吸熱的原理,用它與裂解氣換熱,達(dá)到降低裂解氣溫度的目的.一般的控制方案,是以經(jīng)換熱后的裂解氣溫度作為被控變量,以液丙稀流量作為操縱變量.圖(a)控制方案,是通過改變換熱面積的方法,來達(dá)到控制裂解氣出口溫度的目的.當(dāng)裂解氣出口溫度高于設(shè)定值時(shí),控制閥開大裝置(如切換器﹑帶接點(diǎn)的控制器或測(cè)量裝置)(一18液丙稀流量隨之增大,冷卻器中丙稀液位上升,冷卻器中列管被液丙稀浸沒的數(shù)量增多,換熱面積增液丙稀裂解氣氣丙稀TC溫度設(shè)定值圖(a)大,液丙稀氣化帶走的熱量增多,裂解氣出口溫度下降反之,裂解氣出口溫度上升.但在生產(chǎn)中,當(dāng)裂解氣進(jìn)口溫度過高或負(fù)荷過大時(shí),控制閥勢(shì)必要大幅度地打開.當(dāng)冷卻器中列管全部被液丙稀淹沒,而裂解氣出口溫度仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí),不能再使控制閥開度繼續(xù)增大,因一來液位繼續(xù)升高已不能再增加換熱面積,換熱效果不再提高,冷量得不到充分利用;其次,丙稀液位的過度升高,使冷卻器中的丙稀蒸發(fā)空間縮小,甚至于完全沒有蒸發(fā)空間,使氣丙稀帶液進(jìn)入壓縮機(jī),給壓縮機(jī)帶來損害.為此,須對(duì)圖(a)控制方案進(jìn)行改進(jìn),即需考慮當(dāng)丙稀液位上升到極限情況時(shí)的防護(hù)性措施.液丙稀流量隨之增大,冷卻器中丙稀液位上升,冷卻器19圖(b)是改進(jìn)后的控制方案.此方案在圖(a)方案的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)帶上限接點(diǎn)的常開式液位報(bào)警器(圖中綠色方框)和一個(gè)連接于溫度控制器輸出去控制閥的氣動(dòng)信號(hào)管路上的電磁三通閥.上限接點(diǎn)設(shè)置在液位高度的75%位圖(b)置.正常時(shí),液位低于75%,接點(diǎn)斷開,電磁閥失電(電關(guān)閥),溫度控制器輸出可直通控制閥,實(shí)現(xiàn)溫度控制.當(dāng)液位上升到75%時(shí),保護(hù)壓縮機(jī)不受損害成為主要矛盾,液位報(bào)警器上限接點(diǎn)閉合,電磁閥得電,切斷溫度控制器輸出,同時(shí)使控制閥的膜頭與大氣相通,使膜頭壓力很快下降為零,控制閥關(guān)閉,終止液丙稀繼續(xù)進(jìn)如冷卻器,冷卻器內(nèi)液丙稀逐漸蒸發(fā),液位慢慢下降到低于75%時(shí),液位報(bào)警器上限接點(diǎn)復(fù)又?jǐn)嚅_,電磁閥重新失電,溫度控制液丙稀裂解氣氣丙稀TC溫度設(shè)定值圖(b)是改進(jìn)后的控制方案.此方案在圖(a)方案的基礎(chǔ)上圖(20輸出又直接送往控制閥,恢復(fù)成溫度控制系統(tǒng).圖(b)方案的方框圖如下.液位變送器溫度設(shè)定值溫度控制器開關(guān)控制閥液位對(duì)象液位溫度對(duì)象出口溫度溫度變送器在乙稀工程中有不少開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng),下圖是脫烷塔回流罐液位與丙二稀轉(zhuǎn)化器進(jìn)料蒸發(fā)器液位開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖.在正常工況下,蒸發(fā)器液位L2低于上限值75%,電磁三通閥失電,液位位控制器LC1輸出可直通氣開式控制閥,從而構(gòu)成回流罐液位L1單回路控制系統(tǒng).蒸發(fā)器丙二稀回流罐輸出又直接送往控制閥,恢復(fù)成溫度控制系統(tǒng).圖(b)方案21當(dāng)蒸發(fā)器液位L2上升到75%時(shí),電磁三通閥得電,液位控制器LC1輸出切斷,控制閥膜頭與大氣連通,閥壓很快降為零,控制閥全關(guān),使蒸發(fā)器液位L2回蒸發(fā)器丙二稀回流罐落.當(dāng)蒸發(fā)器液位L2回落至小于75%時(shí),電磁三通閥復(fù)又失電,回流罐液位L1單回路控制系統(tǒng)重新工作.(二)連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)與開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)的不同之處,在于當(dāng)取代作用發(fā)生后,控制閥并不是立即全開或全閉,而是閥門在原有開度上繼續(xù)進(jìn)行控制,因此,對(duì)控制閥而言,控制作用是連續(xù)的.在連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)中,一般有兩個(gè)控制器,它們的輸出通過一只選擇器(高值或低值選擇器)后,送往當(dāng)蒸發(fā)器液位L2上升到75%時(shí),電磁三通閥得電,液22控制閥.兩個(gè)控制器一個(gè)在正常情況下工作,一個(gè)在非正常情況下工作.在大型合成氨工廠中,蒸汽鍋爐是一個(gè)很重要的動(dòng)力設(shè)備,擔(dān)負(fù)向全廠提供蒸汽的任務(wù),必須對(duì)其正常運(yùn)行采取一系列保護(hù)措施.蒸汽鍋爐所用的燃料為天然氣或其它燃料氣.在正常情況下,根據(jù)產(chǎn)汽壓力來控制燃料氣量.當(dāng)用戶所需蒸汽量增加時(shí),蒸汽壓力就會(huì)下降,為維持蒸汽壓力,必須在增加供水量(另有控制系統(tǒng)控制)的同時(shí),相應(yīng)地增加燃料氣量.經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)燃料氣流量過高時(shí),會(huì)將燃燒噴嘴的火焰吹滅,產(chǎn)生脫火現(xiàn)象一旦脫火現(xiàn)象發(fā)生,大量燃料氣就因未燃燒而導(dǎo)致煙囪冒黑煙,這不但污染環(huán)境,更嚴(yán)重的是燃燒室內(nèi)積存大量燃料氣與空氣的混合物,有爆炸的危險(xiǎn).為防止脫火控制閥.兩個(gè)控制器一個(gè)在正常情況下工作,一個(gè)在23現(xiàn)象的產(chǎn)生,在鍋爐燃燒系統(tǒng)中采用了下圖所示的蒸汽壓力與燃?xì)饬髁窟x擇性控制方案.通過圖中的低選器,選擇蒸汽壓力控制器與燃料氣流量控制器兩者之一的輸出送往設(shè)置在燃料管線上的控制閥.低選器輸出與輸入信號(hào)的關(guān)系為:當(dāng)時(shí),,當(dāng)時(shí),供水蒸汽低值選擇器燃料氣蒸汽壓力對(duì)象的被控量是蒸汽壓力,操縱量是燃料氣流量且燃料氣流量增加,蒸汽壓力也增加,故蒸汽壓力對(duì)象為正作用;燃料氣流量對(duì)象的被控量是燃料氣流量,操縱量是控制閥的開度.開度越大,燃料氣流量也越大,故燃料氣流量對(duì)象為正作用;若控制閥選用氣開式,則兩個(gè)控制器均為反作用.當(dāng)燃料氣流量低于產(chǎn)生脫火的流量(即低于 給定值),QC控制器感受正偏差,呈現(xiàn)高信號(hào),同時(shí),PC現(xiàn)象的產(chǎn)生,在鍋爐燃燒系統(tǒng)中采用了下圖所示的蒸汽壓力與24控制器的輸出信號(hào)相對(duì)來說呈現(xiàn)低信號(hào),低選器輸出為,蒸汽壓力控制回路正常工作;供水蒸汽低值選擇器燃料氣當(dāng)燃料氣流量接進(jìn)或達(dá)到給定值時(shí),QC控制器感受到的正偏差越來越小,呈現(xiàn)低信號(hào),當(dāng)燃料氣流量超過給定值時(shí),QC控制器感受到負(fù)偏差,一下跌為低信號(hào),低選器輸出為回路正常工作.此系統(tǒng)方框圖如下燃料氣流量蒸汽壓力對(duì)象蒸汽壓力燃?xì)饬髁繉?duì)象燃?xì)饬髁靠刂崎y低選器燃?xì)饬髁靠刂破鱍C蒸汽壓力控制器PC蒸汽壓力給定值燃?xì)饬髁拷o定值燃?xì)饬髁孔兯推髡羝麎毫ψ兯推髟俳榻B一例乙稀工程中綠油塔液位與去脫丙烷塔綠油流量的連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng).控制器的輸出信號(hào)相對(duì)來說呈現(xiàn)低信號(hào),低選器輸出為,25此系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖如下.從脫丙烷塔的穩(wěn)定操作考慮,需維持進(jìn)料流量恒定,從綠油塔正常操作考慮,塔液位不能低于要求液位的30%,綠油塔的被控量是塔內(nèi)液位操縱量是流出的綠油流量,脫丙烷塔綠油塔進(jìn)料Q綠油流量流出量越大,塔內(nèi)液位越低,故液位對(duì)象為反作用,脫丙烷塔的被控量是進(jìn)料流量,操縱量是控制閥的開度,控制閥開度越大,脫丙烷塔的進(jìn)料流量也越大所以流量對(duì)象為正作用,圖中控制閥選用氣開式.連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)即教材中所介紹的選擇器接在控制器和控制閥之間的那種類型.(三)混合型選擇性控制系統(tǒng)(補(bǔ)充)在某些生產(chǎn)場(chǎng)合,為確保安全生產(chǎn),將開關(guān)型和連續(xù)結(jié)合使用,組成混合型選擇性控制系統(tǒng).此系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖如下.從脫丙烷塔的穩(wěn)定操作考慮,脫丙烷塔綠26下圖是前已介紹過的蒸汽壓力與燃?xì)饬髁窟B續(xù)型選擇性控制方案的結(jié)構(gòu)示意圖.供水蒸汽低值選擇器燃料氣當(dāng)燃?xì)鈮毫Σ蛔悴⒖赡艿陀谌紵覂?nèi)會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的回火現(xiàn)象,引起燃?xì)夤芫€和燃?xì)夤薨l(fā)生燃燒和爆炸,為此,必須設(shè)法加以防止.這可在蒸蒸汽壓力與燃?xì)饬髁窟B續(xù)型選擇性控制方案的基礎(chǔ)上,再增添些裝置,構(gòu)成下圖所示的混合型選擇性控制系統(tǒng).供水蒸汽低值選擇器燃料氣此系統(tǒng)中,增添了一個(gè)帶下限接點(diǎn)的常開式壓力報(bào)警器和一個(gè)連接于低選器輸出去控制閥的通路上的電磁三通閥.此系統(tǒng)的作用原理請(qǐng)大家分析.下圖是前已介紹過的蒸汽壓力與燃?xì)饬髁窟B續(xù)型選擇性控制方案的結(jié)27根據(jù)下示結(jié)構(gòu)圖,可畫出其方框圖.供水蒸汽低值選擇器燃料氣蒸汽壓力對(duì)象蒸汽壓力燃?xì)饬髁繉?duì)象燃?xì)饬髁靠刂崎y燃?xì)饬髁靠刂破鱍C蒸汽壓力控制器PC蒸汽壓力給定值燃?xì)饬髁拷o定值燃?xì)饬髁孔兯推髡羝麎毫ψ兯推鞯瓦x器開關(guān)燃?xì)鈮毫ψ兯推魅細(xì)鈮毫Ω鶕?jù)下示結(jié)構(gòu)圖,可畫出其方框圖.供水蒸汽低值選燃料氣蒸汽壓蒸28(四)其它類型選擇性控制系統(tǒng)1.選擇器接在檢測(cè)變送器輸出端選擇性控制系統(tǒng)某反應(yīng)器有兩種物料參與化學(xué)反應(yīng),為兩種物料得以充分反應(yīng)及提高反應(yīng)速度,保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量,反應(yīng)器內(nèi)裝有觸媒層,為防止反應(yīng)溫度過高燒壞觸媒層,在觸媒層的不同位置上設(shè)置了溫度檢測(cè)點(diǎn),如下圖所示.高值選擇器入料1反應(yīng)器出料入料2各點(diǎn)溫度檢測(cè)值經(jīng)高值選擇器輸出,作為溫度控制器的反饋信號(hào),與給定溫度比較后輸出控制信號(hào)調(diào)節(jié)控制閥的開度,改變?nèi)肓?的流量.其框圖如下(四)其它類型選擇性控制系統(tǒng)292.操縱量選擇性控制系統(tǒng)屬于單回路控制系統(tǒng)的操縱量選擇性控制系統(tǒng)框圖如下.控制器檢測(cè)變送器選擇器控制閥1被控對(duì)象1控制閥2被控對(duì)象2下面給出了操縱量選擇性控制系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例,由下圖給出簡(jiǎn)單說明.燃料A氣開反燃料B氣開反冷物料熱物料選擇計(jì)算按工藝要求,在負(fù)荷增加后,最大限度使用低熱值燃料A仍不能使熱物料溫度滿足要求時(shí),才使用高熱值燃料B.2.操縱量選擇性控制系統(tǒng)屬于30這就要求選擇計(jì)算器根據(jù)溫度控制器的輸出計(jì)算出在低負(fù)荷時(shí),作為低熱值燃料A的流量控制器的設(shè)定值隨熱物料的溫度變化而變化,但當(dāng)超過燃料A氣開反燃料B氣開反冷物料熱物料選擇計(jì)算燃料A的最大流量仍不能提供所需熱值后,應(yīng)不變,燃料B投入使用.左圖的方框圖如下.燃料A燃料B溫度測(cè)量值溫度控制器TC的輸出u表示了所需總熱量u向上經(jīng)乘法器1與相乘后與比較,這就要求選擇計(jì)算器根據(jù)溫度控制器的輸出計(jì)算出在低負(fù)荷時(shí),31若,低值選擇燃料A燃料B溫度測(cè)量值器LS的輸出為燃料A隨反映熱負(fù)荷u的變化而變化,此時(shí),燃料B關(guān)閉.若則,經(jīng)調(diào)節(jié)燃料A的流量達(dá)最大仍不能滿足熱負(fù)荷,需補(bǔ)充燃料B若,低值選擇燃料A燃料B溫度測(cè)量值器LS的輸出為燃料A32三﹑積分飽和與抗飽和措施一個(gè)具有PI作用的控制器,其輸入輸出特性為可見,當(dāng)控制器處于開環(huán)工作狀態(tài)時(shí),偏差e雖不變但長期存在,從理論上講,控制器的積分項(xiàng)將趨向于無窮大,實(shí)際上將一直達(dá)到儀表的極限值,這種現(xiàn)象叫“積分飽和”因此,產(chǎn)生積分飽和的條件有三個(gè):一是控制器具有積分作用;二是控制器處于開環(huán)工作狀態(tài),三是偏差信號(hào)長期存在.對(duì)與接收控制器輸出信號(hào)的控制閥,如是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥其接收的信號(hào)范圍為4mA~20mADC,如是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥其接收的信號(hào)范圍為0.02Mpa~0.1Mpa,對(duì)于超出范圍的信號(hào)則不發(fā)生動(dòng)作,即調(diào)節(jié)閥要么關(guān)死,要么全開.當(dāng)控制器處于積分飽和狀態(tài)時(shí),其輸出將達(dá)到最大或最小的極限值.三﹑積分飽和與抗飽和措施33例如對(duì)于氣動(dòng)儀表,儀表的供氣氣壓范圍為0~0.14Mpa,但當(dāng)控制器輸出在0~0.02Mpa及0.1Mpa~0.14Mpa范內(nèi)變化時(shí),控制器閥已達(dá)極限位置而不能再改變,上述范圍稱為控制閥的“死區(qū)”.只有當(dāng)控制器的輸出信號(hào)進(jìn)入0.02Mpa~0.1Mpa時(shí),閥的開度才發(fā)生變化.然而,當(dāng)控制器達(dá)到積分飽和狀態(tài)時(shí),只有當(dāng)偏差信號(hào)改變方向后控制器輸出才慢慢從積分飽和狀態(tài)退出,如下圖所示.由圖可見,當(dāng)偏差改變方向退出飽和到進(jìn)入0.02Mpa~0.1Mpa范圍,有的遲后時(shí)間,這將給控制品質(zhì)帶來不利的影響.在選擇性控制系統(tǒng)中,當(dāng)控制回路中控制器具有積分作用,而其所在的回路又處于開路狀態(tài),且控制器的輸入偏差不為零,則控制器就會(huì)發(fā)生積分飽和,應(yīng)采取措施予以克服.例如對(duì)于氣動(dòng)儀表,儀表的供氣氣壓范圍為0~0.14Mp34(1)限幅法即限止積分項(xiàng)輸出的幅值,不讓其進(jìn)入飽和區(qū).對(duì)于氣動(dòng)儀表,可參閱教材P.147~P.148.在DDZ-Ⅲ調(diào)節(jié)器中常帶有偏差反饋型積分限幅電路.(2)積分切除法當(dāng)控制器處于開環(huán)工作狀態(tài)時(shí),將控制器的積分作用切除,DDZ-Ⅲ儀表中有一種PI-P型調(diào)節(jié)器就可起這一作用.(3)外反饋法當(dāng)控制器處于開環(huán)狀態(tài)時(shí),不用它本身的輸出信號(hào)作位反饋信號(hào),使其無法形成偏差積分作用,而用其它外來信號(hào)反饋,這種方法叫外反饋法.現(xiàn)以氣動(dòng)儀表為例說明此法的原理.(1)限幅法即限止積分項(xiàng)輸出的幅值,35下圖氣動(dòng)控制器在選擇性控制系統(tǒng)中處于兩個(gè)控制回路.當(dāng)控制器1處于工作狀態(tài)時(shí),控制器1控制器2,低選器的輸出上式中是積分反饋室內(nèi)氣壓的變化值,可有右下圖求得:上式中為積分時(shí)間常數(shù),代入前一式得:下圖氣動(dòng)控制器在選擇性控制系統(tǒng)中處于兩個(gè)控制回路.當(dāng)控制器136上面推導(dǎo)結(jié)果表明,控制器1處于工作狀態(tài)時(shí),雖采用了控制器外反饋的接線方式,但此積分反饋信號(hào)仍是控制器1本身的輸出信號(hào),與控制器內(nèi)反饋相同,控制器PI特性不變.而處于開環(huán)狀態(tài)的控制器2的特性為:上式中,為控制器2的積分時(shí)間常數(shù),為控制器2的偏差信號(hào).上式中的第一項(xiàng)仍為控制器2本身偏差信號(hào)的比例項(xiàng),第二項(xiàng)相當(dāng)于積分反饋項(xiàng),但它用的是控制器1的輸出信號(hào)而不是控制器2本身的偏差信號(hào),所以避免了控制器2的積分飽和現(xiàn)象.四﹑控制設(shè)備的選擇和系統(tǒng)的整定請(qǐng)見教材P.150.上面推導(dǎo)結(jié)果表明,控制器1處于工作狀態(tài)時(shí),雖采用374-9分程控制系統(tǒng)一﹑基本概念在反饋控制系統(tǒng)中,通常一臺(tái)控制器的輸出只控制一只控制閥,但有時(shí)根據(jù)生產(chǎn)工藝上的需要,一臺(tái)控制器的輸出要同時(shí)控制兩只甚至兩只以上的控制閥,這就構(gòu)成了分程控制系統(tǒng).在分程控制系統(tǒng)中,一臺(tái)控制器的輸出信號(hào)被分割成若干個(gè)信號(hào)范圍段,而由每一段信號(hào)去控制一只控制閥.分程控制系統(tǒng)中控制器輸出信號(hào)的分段,是由附設(shè)在控制閥上的閥門定位器來實(shí)現(xiàn)的.閥門定位器相當(dāng)于一只可變放大倍數(shù)且零點(diǎn)可遷移的放大器.假如在分程控制系統(tǒng)中用了A﹑B兩只分程閥,并要求A閥在0.02Mpa~0.06Mpa信號(hào)范圍內(nèi)作全行程動(dòng)作,則附設(shè)在4-9分程控制系統(tǒng)一﹑基本38A閥上的閥門定位被調(diào)整為在0.02Mpa~0.06Mpa信號(hào)輸入下,其輸出由0.02Mpa變化到0.1Mpa;同樣,要求B閥在0.06Mpa~0.1Mpa信號(hào)范圍內(nèi)作全行程動(dòng)作,則附設(shè)在B閥上的閥門定位被調(diào)整為在0.06Mpa~0.1Mpa信號(hào)輸入下,其輸出由0.02Mpa變化到0.1Mpa.因此,當(dāng)控制器輸出信號(hào)在小于0.06Mpa范圍內(nèi)變化時(shí),只有A閥隨壓力信號(hào)的變化改變自己的開度,而B閥卻處于某個(gè)極限位置(全開或全關(guān))的開度不變;當(dāng)控制器輸出信號(hào)在大于0.06Mpa范圍內(nèi)變化時(shí),只有B閥隨壓力信號(hào)的變化改變自己的開度,而A閥已處于某個(gè)極限位置(全開或全關(guān))的而開度不再變化.采用分程控制系統(tǒng)的目的有兩種:其一是擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍,以改善控制系統(tǒng)的品質(zhì),使系統(tǒng)更為合理可靠;其二是為滿足某些工藝操作的特殊需要.A閥上的閥門定位被調(diào)整為在0.02Mpa~0.06Mpa信號(hào)39分程控制系統(tǒng)就控制閥的開閉形式可分為兩類.一類是兩個(gè)控制閥同向動(dòng)作,即隨控制器輸出的增大或減小,分程控制閥都逐漸開大或逐漸關(guān)小,其動(dòng)作過程見下圖.閥壓/Mpa兩閥氣閉式閥壓/Mpa兩閥氣開式這類動(dòng)作大都用于擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍.另一類是兩只控制閥異向動(dòng)作,即隨控制器輸出的增大或減小,一只控制閥逐漸開大(或逐漸關(guān)小),另一只控制閥則逐漸關(guān)小(或逐漸開大),其動(dòng)作過程如下圖所示.閥壓/Mpa氣開氣關(guān)閥壓/Mpa氣開氣關(guān)分程閥同向或異向的選擇,應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝的需求確定分程控制系統(tǒng)就控制閥的開閉形式可分為兩類.一類是兩個(gè)40二﹑分程控制方案的應(yīng)用(1)擴(kuò)大控制閥可調(diào)范圍的應(yīng)用現(xiàn)以下圖蒸汽壓力可調(diào)系統(tǒng)為例,說明分程控制系統(tǒng)在擴(kuò)大控制閥可調(diào)范圍方面的應(yīng)用.供水高壓蒸汽(10Mpa)中壓蒸汽(4Mpa)鍋爐產(chǎn)生的是高壓蒸汽,而生產(chǎn)上需要的是平穩(wěn)中壓蒸汽.為此,通過節(jié)流減壓的方法,將10Mpa高壓蒸汽減壓至4Mpa中壓蒸汽.在選擇控制閥口徑時(shí),如選用一只控制閥,為適應(yīng)大負(fù)荷下蒸汽供應(yīng)量的需要,控制閥的口徑要選得很大.然而在正常情況下,蒸汽量卻不需要很大,控制閥只需在小開度下工作.而大閥在小開度下工作,除流量特性會(huì)發(fā)生畸變外,還易產(chǎn)生噪聲和振蕩,使控制效果變差.上圖選用兩只同向動(dòng)作的A﹑B控制閥構(gòu)成分程控制方案.AB二﹑分程控制方案的應(yīng)用(1)41A﹑B控制閥均選氣開式,且分別當(dāng)控制器輸出在0.02Mpa~0.06Mpa和0.06Mpa~0.1Mpa信號(hào)段內(nèi)從全閉到全開.在小負(fù)荷時(shí),B閥處于關(guān)閉狀態(tài),只通過A閥開度的變化進(jìn)行控制,當(dāng)大負(fù)荷時(shí),A閥全開仍不能滿足蒸汽量的需求,則B閥也開始打開,彌補(bǔ)A閥全開時(shí)蒸汽供應(yīng)量的不足.設(shè)A﹑B兩閥最大流通能力,可調(diào)范圍,由于控制閥的可調(diào)范圍為:則有上式可得:.當(dāng)采用兩只控制閥組成分程控制時(shí),閥的最小流通能力比變,而最大流通能力是兩閥都全開時(shí)的流通能力,即:因此,兩閥組成后的可調(diào)范圍應(yīng)為:A﹑B控制閥均選氣開式,且分別當(dāng)控制器輸出在0.0242另一兼有選擇性作用的分程控制方案的例子請(qǐng)參見教材P.151~P.153.(2)用于控制兩種不同的介質(zhì),滿足工藝生產(chǎn)要求的應(yīng)用.在某些間歇式生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)過程中,當(dāng)反應(yīng)物投入設(shè)備后,往往在反應(yīng)開始前需給它提供一定的熱量.一旦達(dá)到反應(yīng)所需溫度后,就會(huì)隨化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行而不斷釋放出熱量,所釋放的熱量如不及時(shí)移走,反應(yīng)會(huì)越來越劇烈,以致有爆炸的危險(xiǎn).可見,對(duì)這種間歇式化學(xué)反應(yīng)器既要考慮反應(yīng)前的預(yù)熱問題,又要考慮反應(yīng)過程中及時(shí)移走放應(yīng)熱的問題.另一兼有選擇性作用的分程控制方案的例子請(qǐng)參見教材P.151~43下圖是解決前述工藝問題的分程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案.兩閥的分程如下圖.冷水氣閉A反作用蒸汽氣開B在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)前的升溫階段,由于溫度測(cè)量值小于給定值,控制器輸出逐漸增大A閥逐漸關(guān)小至完全關(guān)閉,而B閥逐漸打開,蒸汽通過熱反應(yīng)器夾套使循環(huán)水被加熱,反應(yīng)物溫度慢慢升高.當(dāng)溫升使測(cè)量值大于給定值時(shí),由于控制器為反作用,其輸出將減小,隨控制器輸出的減小,B閥就逐漸關(guān)小至完全關(guān)閉,而A閥則逐漸打開.這時(shí)反應(yīng)器夾套中流過的是冷水,將反應(yīng)產(chǎn)生的熱量移走.閥壓/Mpa氣開氣關(guān)下圖是解決前述工藝問題的分程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案.兩閥的分程如44三﹑控制流量特性與分程信號(hào)范圍前已分析,兩只同向動(dòng)作的控制閥構(gòu)成分程控制的結(jié)果,可提高兩閥組合后總可調(diào)范圍R.但如用兩只流通能力不同的控制閥構(gòu)成分程控制,組成后的總流量特性在分程信號(hào)的交接處的變化會(huì)不平滑.例如的兩只控制閥構(gòu)成分程控制,A閥在0.02Mpa~0.06Mpa信號(hào)范圍內(nèi)從全閉到全開.B閥在0.06Mpa~0.1Mpa信號(hào)范圍內(nèi)從全閉到全開,兩閥分程特性和它們組合后總流量特性如下左圖和右圖所示.閥壓/Mpa兩閥氣開式閥壓/Mpa兩閥氣開式可見,原線性特性很好的兩只控制閥組合后總流量特性不再線性而為非線性.三﹑控制流量特性與分程信號(hào)范圍45特別在分程點(diǎn),總流量特性出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),導(dǎo)致總流量特性的不平滑.這對(duì)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行不利.為使總流量特性達(dá)到平滑過渡,可在信號(hào)分段上采取措施,方法有以下幾種.(1)連續(xù)分程法本法的思路是:先根據(jù)單個(gè)分程閥的特性找尋組合后的總流量特性,再根據(jù)單個(gè)分程閥的特性與組合總流量特性的關(guān)系找出腥應(yīng)的分程點(diǎn),確定各分程閥的分程信號(hào).例1.某分程控制采用兩只線性特性控制閥,其中.為保證總流量特性的平滑過渡,試確定兩控制閥的分程信號(hào).解:由第三章可知,線性流量特性控制閥其相對(duì)流量與相對(duì)行程的關(guān)系為:特別在分程點(diǎn),總流量特性出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),導(dǎo)致總流46將上式表示成流通能力與相對(duì)行程的關(guān)系有:,對(duì)于總流量特性,左式中待定常數(shù)求法為,令當(dāng)時(shí),,代入式(1)得:,當(dāng)時(shí),將代入式(1)得:將代入式(1)得總流量特性表達(dá)式為:因?yàn)楫?dāng)由0變化到,對(duì)應(yīng)于作用在閥上的氣壓由0.02Mpa~0.1Mpa,故可以流通能力為橫坐標(biāo),以氣壓為縱標(biāo),依據(jù)式(2)畫出總流量特性的曲線.將上式表示成流通能力與相對(duì)行程的關(guān)系