22均勻控制系統(tǒng)

均勻控制系統(tǒng)

黃鐘旺在連續(xù)生產(chǎn)過程中，前一設(shè)備的出料往往是后一設(shè)備的進(jìn)料，而且隨著生產(chǎn)的進(jìn)一步強(qiáng)化，前后生產(chǎn)過程的聯(lián)系更加緊密，此時(shí)設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)該從全局來考慮。例如用精餾方法分離多組分的混合物時(shí)，總是幾個(gè)塔串聯(lián)運(yùn)行。在石油裂解氣深冷分離的乙烯裝置中，前后串聯(lián)了8個(gè)塔進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。為了保證這些相互串聯(lián)的塔能正常地連續(xù)生產(chǎn)，每一個(gè)塔都要求進(jìn)入塔的流量保持在一定的范圍內(nèi)，同時(shí)也要求塔底液位不能過高或過低。均勻控制系統(tǒng)的提出如圖１所示為兩個(gè)連續(xù)操作精餾塔，為了保證分餾過程的正常運(yùn)行，要求將1號(hào)塔釜液位穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，故設(shè)有液位控制系統(tǒng)。而后一個(gè)2號(hào)精餾塔又希望進(jìn)料量穩(wěn)定，設(shè)有流量控制系統(tǒng)。顯然，這兩個(gè)控制系統(tǒng)工作起來是相互矛盾的，以致無法工作。均勻控制系統(tǒng)的提出圖１為了解決前后兩個(gè)塔之間在物料供求上的矛盾，可在前后兩個(gè)串聯(lián)的塔中間增設(shè)一個(gè)緩沖設(shè)備。但是，增加緩沖設(shè)備不僅要增加投資，而且要增加物體輸送過程中的能量消耗。尤其是有些生產(chǎn)過程的中間物料或產(chǎn)品不允許中間停留存在，否則，會(huì)使這些中間物料或產(chǎn)品分解，或重新聚合。所以，必須從自動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)上去找出路，以滿足前后裝置或設(shè)備在物料供求上互相協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌兼顧的要求。通常，把能實(shí)現(xiàn)這種控制目的的控制系統(tǒng)稱為均勻控制系統(tǒng)。均勻控制系統(tǒng)把液位、流量統(tǒng)一在一個(gè)控制系統(tǒng)中，從系統(tǒng)內(nèi)部解決工藝參數(shù)間的矛盾。具體來說，就是讓1號(hào)塔的液位在允許的限度內(nèi)波動(dòng)，與此同時(shí)讓流量作平穩(wěn)緩慢的變化。均勻控制系統(tǒng)的提出假如把圖1中的流量控制系統(tǒng)刪去，只設(shè)置一個(gè)液位控制系統(tǒng)，此時(shí)可有三種情況出現(xiàn)，如圖2中所示。均勻控制系統(tǒng)的提出圖２其中(a)的液位控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的控制作用(控制器的Kc較大)，所以在干擾作用后，液位變化不大，而流量發(fā)生較大的波動(dòng)。(b)的液位控制系統(tǒng)的控制作用減弱(控制器的Kc減小)，在干擾作用后，液位經(jīng)較弱的控制，發(fā)生了一些變化，但流量的波動(dòng)相對(duì)減弱了，此時(shí)液位、流量兩個(gè)參數(shù)都產(chǎn)生一定的緩慢變化。(c)的液位控制器控制作用基本上消除(控制器的KC→o)，在干擾作用后，由于控制系統(tǒng)基本不工作，所以液位大幅度波動(dòng)，而流量變化較小。由此可以看出，(b)情況是符合均勻控制的要求。均勻控制系統(tǒng)的提出均勻控制系統(tǒng)的名稱來自系統(tǒng)所能完成的特殊控制任務(wù)，它使前后設(shè)備在物料供求上相互均勻、協(xié)調(diào)，統(tǒng)籌兼顧。均勻控制系統(tǒng)歸納起來有如下三個(gè)特點(diǎn)。(1)結(jié)構(gòu)上無特殊性從圖2可看出，同樣一個(gè)單回路液位控制系統(tǒng)，由于控制作用強(qiáng)弱不一，它可以是一個(gè)單回路液位定值控制系統(tǒng)，如(a)；也可以是一個(gè)簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)，如(b)。因此，均勻控制是指控制目的而言，而不是由控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來定的。均勻控制系統(tǒng)的特點(diǎn)均勻控制系統(tǒng)的特點(diǎn)均勻控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上無任何特殊性，它可以是一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，也可以是一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，或者是一個(gè)雙沖量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。所以，一個(gè)普通結(jié)構(gòu)形式的控制系統(tǒng)，能否實(shí)現(xiàn)均勻控制的目的，主要在于系統(tǒng)控制器的參數(shù)整定如何。可以說，均勻控制是通過降低控制回路靈敏度來獲得的，而不是靠結(jié)構(gòu)變化得到的。(2)參數(shù)應(yīng)變化，而且應(yīng)是緩慢地變化因?yàn)榫鶆蚩刂剖乔昂笤O(shè)備物料供求之間的均勻，所以表征這兩個(gè)物料的參數(shù)都不應(yīng)為某一固定的數(shù)值。圖2中(a)、(c)均不符合均勻控制的要求，而必須象(b)那樣兩個(gè)參數(shù)都變化，且變化比較緩慢。那種試圖把兩個(gè)參數(shù)都穩(wěn)定不變的想法是不能實(shí)現(xiàn)的。需要注意的是，均勻控制在有些場(chǎng)合不是簡(jiǎn)單地讓兩個(gè)參數(shù)平均分?jǐn)偅且暻昂笤O(shè)備的特性及重要性等因素來確定均勻的主次。這就是說，有時(shí)應(yīng)以液位參數(shù)為主，有時(shí)則以流量參數(shù)為主，在確定均勻方案及參數(shù)整定時(shí)要考慮到這一點(diǎn)。均勻控制系統(tǒng)的特點(diǎn)(3)參數(shù)應(yīng)限定在允許范圍內(nèi)變化均勻控制系統(tǒng)中被控變量是非單一、定值的，允許它在給定值附近一個(gè)范圍內(nèi)變化。即根據(jù)供求矛盾，兩個(gè)參數(shù)的給定值不是定點(diǎn)而是定范圍。如圖5-12中兩個(gè)串聯(lián)的塔中，前塔的液位升降有一個(gè)規(guī)定的變化上下限，過高或過低可能造成沖塔現(xiàn)象或抽干的危險(xiǎn)。同樣，后塔的進(jìn)料流量也不能超越它所能承受的最大負(fù)荷和最低處理量，否則不能保證精餾過程的正常進(jìn)行。明確均勻控制的目的及其特點(diǎn)是十分必要的，因?yàn)樵趯?shí)際運(yùn)行中，有時(shí)因不清楚均勻控制的設(shè)計(jì)意圖而變成單一參數(shù)的定值控制，或想把兩個(gè)參數(shù)都調(diào)成一條直線，最終導(dǎo)致均勻控制系統(tǒng)的失敗。均勻控制系統(tǒng)的特點(diǎn)均勻控制系統(tǒng)經(jīng)常采用三種結(jié)構(gòu)形式。1.簡(jiǎn)單均勻控制簡(jiǎn)單均勻控制與單回路定值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和所用的儀表完全是一樣的，但由于他們的控制目的不同，因此，對(duì)控制的動(dòng)態(tài)過程要求是不同的，在控制器的參數(shù)整定上也是不同的。均勻控制系統(tǒng)的控制器整定時(shí)，比例作用和積分作用均不能太強(qiáng)，要求有較大的比例度和較長的積分時(shí)間，通常比例度要大于100％，以較弱的控制作用達(dá)到均勻控制的目的。均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

如圖3所示為簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投運(yùn)方便，成本低。但是，當(dāng)前后設(shè)備的壓力變化較大時(shí)，盡管控制閥的開度不變，輸出流量也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，所以，它適用于干擾不大、要求不高的場(chǎng)合。此外，在液位對(duì)象的自衡能力較強(qiáng)時(shí)，均勻控制的效果較差。均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式圖32.串級(jí)均勻控制結(jié)構(gòu)上串級(jí)均勻控制與一般的串級(jí)控制系統(tǒng)是一致的，其副回路的作用也與串級(jí)系統(tǒng)的副回路相同，可以有效克服干擾的影響。串級(jí)均勻控制方案能克服較大的干擾，適用于系統(tǒng)前后壓力波動(dòng)較大的場(chǎng)合。圖4所示為串級(jí)均勻控制系統(tǒng)。均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式圖４串級(jí)均勻控制系統(tǒng)

3.雙沖量均勻控制

“沖量”的原來含義是短暫作用的信號(hào)或參數(shù)，這里引申為連續(xù)的信號(hào)或參數(shù)。雙沖量均勻控制就是用一個(gè)控制器，以綜合兩個(gè)測(cè)量信號(hào)（液位和流量）為被控變量的系統(tǒng)。圖5為雙沖量均勻控制系統(tǒng)的原理圖及方塊圖。它以塔釜液位與采出流量兩個(gè)信號(hào)之差為被控變量（如流量為進(jìn)料時(shí)，則為兩信號(hào)之和），通過控制，使液位和流量兩個(gè)參數(shù)勻緩地變化。均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式雙沖量均勻控制與串級(jí)均勻控制系統(tǒng)相比，是用一個(gè)加法器取代了其中的主控制器。而從結(jié)構(gòu)上看，它相當(dāng)于以兩個(gè)信號(hào)的綜合值（相加或者相減）為被控變量的單回路系統(tǒng)，參數(shù)整定可按簡(jiǎn)單均勻來考慮。因此，雙沖量均勻控制既具有簡(jiǎn)單均勻控制的參數(shù)整定方便的特點(diǎn)，同時(shí)由于加法器綜合考慮液位和流量兩信號(hào)變化的情況，故又有串級(jí)均勻的優(yōu)點(diǎn)。均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單均勻系統(tǒng)的控制器及串級(jí)均勻系統(tǒng)的主控制器一般采用純比例作用，有時(shí)也可采用比例積分控制。串級(jí)均勻的副控制器一般用純比例作用，如果為了照顧流量副參數(shù)，使其變化更穩(wěn)定，也可選用比例積分控制規(guī)律。雙沖量均勻控制器一般應(yīng)采用比例積分控制規(guī)律。在所有的均勻控制系統(tǒng)中，都不應(yīng)加微分作用，因?yàn)槲⒎肿饔檬羌涌炜刂谱饔玫?，剛好與均勻控制要求相反。均勻控制系統(tǒng)控制規(guī)律的選擇在均勻控制中積分作用的引入主要對(duì)液位參數(shù)有利，它可以避免由于長時(shí)間單方向干擾引起液位的超限。此外由于加入積分作用，比例度將適當(dāng)增加，這有利于液位存在高頻噪聲的場(chǎng)合。然而積分作用的引入也有不利的方面。首先對(duì)流量參數(shù)產(chǎn)生不利影響，如果液位偏離給定值的時(shí)間長而幅值又大時(shí)，則積分作用會(huì)使控制閥全開或全關(guān)。造成流量較大的波動(dòng)。同時(shí)，積分作用的引入使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，系統(tǒng)幾乎經(jīng)常不斷地處于控制之中，只是控制過程較為緩慢而已，因此平衡狀態(tài)相對(duì)比純比例作用時(shí)短的多，這不符合均勻的要求。均勻控制系統(tǒng)控制規(guī)律的選擇此外，積分作用的加入，由于積分飽和，會(huì)產(chǎn)生洪峰現(xiàn)象。例如在開車前，因比例積分作用使控制閥全關(guān)，產(chǎn)生積分飽和，此時(shí)若系統(tǒng)開車，遲遲才打開法門，會(huì)出現(xiàn)洪峰現(xiàn)象。因此使用比例積分控制規(guī)律的均勻控制系統(tǒng)，在開停車時(shí)需轉(zhuǎn)入手動(dòng)，而對(duì)于來勢(shì)兇猛地干擾，顯然比例積分作用是不能適應(yīng)的。均勻控制系統(tǒng)控制規(guī)律的選擇對(duì)于一般的簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)的控制器，都可以選擇純比例控制規(guī)律。這是因?yàn)榫鶆蚩刂葡到y(tǒng)所控制的變量都允許有一定范圍的波動(dòng)且對(duì)余差無要求。而純比例控制規(guī)律簡(jiǎn)單明了，整定簡(jiǎn)單便捷，響應(yīng)迅速。對(duì)于一些輸入流量存在急劇變化的場(chǎng)合或液位存在噪聲的場(chǎng)合，特別是希望液位在正常穩(wěn)定工況時(shí)保持在特定值附近時(shí)，則應(yīng)選用比例積分控制規(guī)律。這樣，在不同的工作負(fù)荷情況下，都可以消除余差，保證液位最終穩(wěn)定在某一特定值。均勻控制系統(tǒng)參數(shù)整定液位-流量均勻控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)整定的具體做法如下：對(duì)于純比例控制規(guī)律，首先將比例度放置在不會(huì)引起液位超值但相對(duì)較大的數(shù)值上；然后觀察趨勢(shì)，若液位的最大波動(dòng)小于允許的范圍，則可增加比例度；接著當(dāng)發(fā)現(xiàn)液位的最大波動(dòng)大于允許范圍，則減小比例度；最后反復(fù)調(diào)整比例度，直至液位的波動(dòng)小于且接近于允許的范圍內(nèi)為止。一般情況下比例帶的范圍在100%~200%以內(nèi)。對(duì)于比例積分控制規(guī)律，首先按照純比例控制方式進(jìn)行整定，得到所適用的比例度δ值，然后適當(dāng)加大比例度值，然后，投入積分作用。由大至小逐漸調(diào)整積分時(shí)間，直到流量曲線出現(xiàn)緩慢的周期衰減振蕩為止。均勻控制系統(tǒng)參數(shù)整定氣體壓力與流量的均勻控制

對(duì)于氣相物料，前后設(shè)備間物料的均勻控制不是液位和流量之間的均勻。例如，脫乙烷塔塔頂分離器內(nèi)壓力是用