1、第4章 其它控制系統,4-6 均勻控制系統 一均勻控制的目的和要求 在連續(xù)生產過程中, 前一設備的出料往往是后一設 備的進料, 且隨生產的進一步強化, 前后生產過程的聯 系更加緊密, 此時設計自動控制系統應從全局考慮. 例 如, 用精餾方法分離多組分的混合物時, 總是幾個塔串 聯運行; 在石油裂解氣深冷分離的乙稀裝置中, 前后串 聯了八個塔進行連續(xù)生產. 為保證這些相互串聯的塔能 正常地連續(xù)生產, 每一個塔都要求進入塔的流量保持在 一定的范圍內, 同時也要求塔底液位不能過高或過低.,下圖表示兩個串聯的精餾塔獨立設置控制系統.,兩個獨立,運行的單回路液位控制系統 和流量控制系統工作時是相 互矛盾

2、的. 為解決矛盾, 可 在兩塔之間增設中間緩沖容 器來克服, 但這增加了投資 且對于某些生產連續(xù)性很強,的過程又不允許中間儲存的時間過長, 因 此還需從自動化方案的設計上尋求解決的 方法. 均勻控制就是一種解決方案. 均勻 控制系統把液位流量統一在一個控制系,統中, 如左圖所示.,所謂均勻控制系統是,指兩個工藝參數在規(guī)定范圍內能緩慢地,均勻地變化, 使前后設備在物料供求 上相互兼顧均勻協調的系統.,均勻控制的特點是表征前后供求矛盾的兩個參數各自允,許在規(guī)定范圍內緩慢地變化. 二均勻控制系統的結構方案 (一)簡單均勻方案 下圖即為液位和流量的簡單均勻控制系統的例子.,從系統結構形式上看, 它與單

3、回路液位定 值控制系統一樣, 但兩者控制目的不同, 所以在控制器的參數整定上也不同. 下面 分三種情況說明. 第一種情況, 控制器的,較大, 即控制作用較強, 在干擾作用下 液位偏離給定值時, 控制器給出強有力 的控制作用, 使液位迅速回到給定值,且余差很小, 但流量發(fā)生,較大的波動.如右圖所示.,第二種情況, 控制器的,很小, 即控制作用很弱, 當干,擾使液位大幅波動時, 閥門開度基本不變, 則流量的波,動就很小. 如下左圖所示.,第三種情況, 控制器的,取值適當, 使 控制作用較為 溫和, 在干擾,作用下, 液位和流量均在各自允許的范圍內緩慢變化,如上右圖所示.,通常, 簡單均勻方案中的控

4、制器采用純,比例控制, 且比例度較大, 一般大于100%, 當需采用PI 控制時, 應使積分弱些, 即積分時間常數整定的大些. 簡單均勻控制系統的最大優(yōu)點是結構簡單, 投運方 便, 成本低廉. 但當前后設備的壓力變化較大時, 盡管 控制閥的開度不變, 輸出流量也會發(fā)生變化, 所以它適 用于干擾不大, 要求不高的場合. 此外, 在液位對象的 自衡能力較強時, 均勻控制的效果也較差.,(二)串級均勻方案,當前后設備的壓力變化較大, 或液位對象的自衡能 力較強而不宜采用簡單均勻方案時, 可考慮串級均勻方 案. 下圖是精餾塔的塔釜液位與采出流量的串級均勻控,制方案.,從結構上看, 它與一般的液位和流量

5、串級控制 系統是一致的. 但在此引入一流量副回路與液,位回路組成串級控制 的目的不是為了提高 主變量液位的控制質 量, 而主要是克服控 制閥前后壓力的波動 及自衡作用對流量的,影響, 使液位和采出流量變化平緩. 設干擾使甲塔液位上升, 液位控制器,的輸出信號隨之增大, 流量控制器,使控制閥緩慢開大, 則液位不是立即快速下降, 而是繼,續(xù)緩慢上升, 同時乙塔的進料量也緩慢增加, 當液位上,升到某一數值時, 甲塔采出量等于在干擾作用下的入料 量, 液位不再上升而暫處某一高度. 從而使液位和流量 都處于緩慢變化中, 達到均勻協調的控制目的. 如干擾來自乙塔塔壓變化而使其入料量發(fā)生變化, 則先由流量副

6、回路控制, 當這一控制作用使甲塔液位受 到影響時, 再由液位控制器改變流量控制器的設定值, 讓流量控制器作進一步的調整, 緩慢改變控制閥的開度 兩控制器互相配合, 使液位和流量都在允許的范圍內緩 慢地均勻變化. 串級均勻控制系統中兩控制器一般采用P或PI控制, 而不加微分作用.,(三)雙沖量均勻方案,“沖量”的原義是短暫作用的信號或參數, 在此引申 為連續(xù)的信號或參數. 雙沖量均勻控制系統的結構見下,圖.,與串級均勻控制相比, 前者用一個加法器取代主控,制器, 是以液位和流量的測量信號經加法器后,作為系統的被控變量. 現假定采 用電動儀表構成系統, 閥門為氣 開式, 流量控制器選正作用. 加

7、法器在穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出為:,上式中,是加法器輸出;,分別為液位變送器和流量,變送器的輸出;,為恒流源輸出. 在工況穩(wěn)定的情況下,通過調整,值, 使加法器的輸出等于流量控制器的給定值,閥門處于某一開度. 若受到干擾使液位上升, 則,增加,由于流量控制器為正作用,也增加, 閥開度增大,流量也開始增加. 同時, 液位從某一瞬間開始逐漸下降,即,閥門開度, 當液位和,流量變送器的輸出逐漸接近到某一數值時, 加法器的輸 出重新恢復到流量控制器的給定值, 系統又逐漸趨于穩(wěn) 定, 控制閥停留在新的開度上, 液位和流量在允許范圍 內重新穩(wěn)定下來. 雙沖量均勻控制系統在結構上相當于兩個變量信號 之差作為被控量的

8、單回路控制系統, 其一般方框圖如下,三控制器的參數整定,三種均勻方案中的控制器可選P或PI控制作用, 一般不選用微分作用. 控制器的比例度要大, 積分時間要長, 即控制力度要小些, 以突出一個“慢”字. 簡單均勻控制系 統和雙沖量均勻控制系統在結構上與單回路控制系統相 同, 因此它們的控制器參數整定的方法與單回路控制系 統一樣. 下面討論串級均勻控制系統控制器參數整定的 兩種方法. (一)經驗逼近法 (二)定量計算法(補充) 以串級均勻方案中的前后精餾塔的塔釜液位與采出 流量的串級均勻控制為例加以說明.,4-7 比值控制系統,一基本概念 在化工煉油及其它工業(yè)生產過程中, 工藝上常需 要兩種或兩

9、種以上的物料保持一定的比例關系, 比例一 旦失調, 將影響生產或造成事故. 例如, 在造紙生產過 程中, 濃紙漿和水按一定的比例混合, 才能制造出一定 濃度的紙漿, 顯然這個流量比和產品質量有密切的關系. 在重油氣化的造氣過程中, 進入氣化爐的氧氣和重油流 量應保持一定的比例, 若氧油比過高, 會因爐溫過高而 使噴嘴和耐火磚燒壞, 嚴重時會引起爐體爆炸; 如果氧 量過低, 則因生成的碳黑增多, 發(fā)生堵塞現象. 實現兩個或兩個以上參數符合一定比例關系的控制 系統, 稱為比值控制系統. 通常以保持兩種或幾種物料,的流量為一定比例關系的系統, 稱之流量比值系統.,在需要保持比值關系的兩種物料中, 必

10、有一種物料 處于主導地位, 這種物料稱之為主物料, 表征這種物料 的參數叫主動量. 由于在生產過程控制中主要是流量比,值控制系統, 所以主動量也稱為主流量, 用,表示;,而另一種物料按主物料進行配比, 在控制過程中隨主物 料而變化, 因此稱為從物料, 表征其特性的參數叫從動,量或副流量, 用,表示. 一般情況下, 總把生產中主要,物料定為主物料. 但在有些場合, 以不可控物料定為主 物料, 用改變可控物料即從物料來實現它們之間的比值,關系. 工藝上要求的比值定義為:,在比值控制系統中, 從動量隨主動量按一定比例變 化, 故比值控制系統實際上是一種隨動系統.,二比值控制系統的類型,(一)開環(huán)比值

11、控制系統 開環(huán)比值控制系統是最簡單的比值控制系統, 其系,統組成如下圖所示.,穩(wěn)態(tài)時, 當主物料,在某,一時刻因干擾作用發(fā)生變化時, 比,值器按,對設定值的偏差而動作, 按比例發(fā),出信號去改變控制閥的開度, 使從物料,重新與變化后的,保持原有的比例關系. 其,實質是滿足控制閥的閥門開度與,之間成,一定的比例關系. 但是, 當,因其管線兩端壓力波動而,發(fā)生變化時, 系統不起控制作用, 控制閥開度不變, 難以,保證,與,的比值關系. 開環(huán)比值控制系統結構簡單, 只,能適用于副流量較平穩(wěn)且比值要求不高的場合.,開環(huán)比值控制系統的方框圖如下所示.,(二)單閉環(huán)比值控制系統 下圖是一單閉環(huán)比值控制系統的

12、實例.,丁稀洗滌塔的作用是用水除去丁稀餾,分所夾帶的微量乙腈, 為保 證洗滌質量, 要求根據進料,流量配以一定比例的洗滌水流量. 單閉環(huán)比值控制系統方框圖如下.,在穩(wěn)定工況下, 主副流量滿足工藝要求的比值,當主流量變化時,經流量變送器送到比值器, 比值器按,預先設置好的比值經計算使輸出成比例地變化, 即成比例 地改變副流量控制器的給定值, 此時副流量閉環(huán)系統為一,隨動控制系統, 使,跟隨,變化,在新的工況下, 流量比,值保持不變. 當副流量由于干擾而變化時, 副流量閉環(huán)系 統相當于一個定值控制系統, 自行調節(jié), 使工藝要求的流 量比仍保持不變. 單閉環(huán)比值控制系統的優(yōu)點是不但能實現副流量跟隨

13、主流量的變化而變化, 而且能克服副流量本身干擾對比值 的影響, 因此主副流量的比值較為精確, 結構新形式較為 簡單, 實施方便, 應用較為廣泛, 尤其適用于主物料在工 藝上不允許進行控制的場合. 其缺點是, 由于主流量不受控制, 當主流量因干擾或 負荷的變化而出現大幅度變化時, 副流量在控制過程中, 相對于控制器的設定值會出現較大的偏差, 主副流量的,比值會較大地偏離工藝要求的流量比, 即不能保證動態(tài),比值. (三)雙閉環(huán)比值控制系統 在單閉環(huán)比值控制系統的基礎上, 增設對主流量的 控制回路即構成雙閉環(huán)比值控制系統, 下圖所示為溶劑 廠生產中采用的二氧化碳與氧氣流量的雙閉環(huán)比值控制,系統.,下

14、右圖是雙閉環(huán)比值控制系統的方框圖.,雙閉環(huán)比值控制系統的主控回路是一定值系統, 使主流,量的變化較為平穩(wěn), 從而副流量的變化也較平穩(wěn), 提高 了流量比值的精確度, 另一優(yōu)點是, 提降負荷比較方便 只要緩慢地改變主控器的給定值, 就可提降主流量, 而 副流量也可自動跟蹤提降. 雙閉環(huán)比值控制系統的缺點除結構稍復雜, 投資稍 多外, 由于兩個閉環(huán)通過比值器互相聯系, 當主副控 制器參數整定不當時, 會引起“共振”, 為防“共振”, 應 通過對主控制器的參數整定, 盡量使主回路的輸出為非 周期變化. 主副控制器一般選PI控制. (四)變比值控制系統 上述各種比值控制都是定比值方案. 但生產上維持 流

15、量比恒定往往不是控制的最終目的, 僅僅是保證產品 質量的一種手段. 當系統中存在除流量干擾外的其它干,擾, 如溫度壓力成分及反應器中觸媒活性變化等干,擾時, 為保證產品質量, 必須修正兩物料的比值. 但上 述干擾一般是隨機的, 干擾幅值又各不相同, 因此無法 用人工經常去修正比值系數. 變比值控制系統可自動修,正比值系數. 下面舉例說明.,氧化爐是硝酸生產中的關,鍵設備,原料氨氣,和空氣在混合器內 混合后經預熱器進,入氧化爐,氨氧化,生成一氧化碳氣體, 同時放出大量熱量 穩(wěn)定氧化爐操作的,關鍵條件是反應溫度. 因此氧化爐溫度是表征氧化生產,質量指標的間接參數, 選其為主被控量.,若能保證進入混

16、合器的氨氣和空氣的一定比值, 可基本,上控制反應放出的熱量, 也控制了氧化爐的溫度.,但影,響氧化爐溫度變化 的干擾很多, 如進 入氧化爐的氨氣 空氣的初始溫度, 意味著物料帶入的 能量的變化, 直接 影響爐溫; 負荷的,變化關系到單位時間內參加化學反應的物料量, 由改變 釋放反應熱的多少而影響爐溫; 氧化爐內觸媒的活性變 化, 大氣溫度壓力變化也對爐內溫度有不同程度的影 響; 進混合器的氨氣空氣的溫度壓力的變化, 會影 響流量測量的精度, 若不進行補償, 則要影響它們的真 實比值, 經計算得知, 當氨氣在混合器內含量增加1%,時, 爐溫將上升,由圖可見,當出現直接引起氨/空氣流量比值變化的干

17、擾,時, 通過比值控制 系統得到及時克服 而保持爐溫不變, 對于其它干擾引起 爐溫變化時, 則通 過溫度控制系統對 氨/空氣比值進行修,正, 使氧化爐溫度恒定. 可見, 此方案是一單閉環(huán)變比值 控制系統, 不過此處的單閉環(huán)是以某種質量指標為主參數 兩物料比值為副參數的串級控制系統, 故稱其為串級變比 值控制系統. 由于串級控制系統具有一定的自適應能力, 這種變比值控制系統中存在溫度壓力成分觸媒活性 等隨機干擾時, 能自動調整比值保證質量指標在規(guī)定范 圍內的自適應能力, 所以此種系統也曾叫自整配比控制系 統.,其一般方框圖如下.,三比值控制系統的實施 (一)比值系數的折算 比值控制解決物料量之間

18、的比例關系, 工藝上規(guī)定,的比值,是指兩物料的體積流量或重量流量之比, 而目,前儀表使用統一標準信號, 如電動儀表是0-10mA或4-20 mA直流電流, 氣動儀表是0.02-0.1MPa氣壓信號. 因此必,須把工藝規(guī)定的比值,換算成儀表信號之間的比值系數,才能進行比值設定.,(1)流量與測量信號成線性關系時的折算,當使用轉子流量計渦輪流量計橢圓齒輪流量計 或帶開方器的差壓變送器測量流量時, 流量信號與測量 信號成線性關系.,設測量儀表輸入流量下限為,輸入流量上限為,則測量儀表輸入流量的量程為, 量程中的,任一中間值用,表示. 電動儀表輸出信號的下限為,輸出信號的上限為, 則電動儀表輸出信號的

19、量程為,輸出量程中的任一中間值用,表示. 氣動儀表輸,出信號的下限為, 輸出信號的上限為, 則氣動儀表,輸出信號的量程為,輸出量程中的任一中間值用,表示.,對于電動儀表比值系數的折算公式推導如下:,因被測流,量在輸入量程中的任一中間值所對應的輸出電流值為:,設測副流量電動,儀表的輸出電流為,測主流量電動儀表的輸出電流為,儀表信號之間的比值系數,則由上式可得:,如測主副流量的電動儀表輸出量程相同(0-10mA或4-20 mA), 則上式為:,對于氣動儀表, 也同理可得上面折算公式. 可見, 對于 輸出信號范圍相同的儀表, 比值系數的折算公式是一致 的.,(2)流量與測量信號成非線性關系時的折算,

20、在使用節(jié)流裝置測量流量而未經開方處理時, 流量,與差壓的非線性關系為:, 左式中c為比例系數,設測量儀表可測差壓的下限為,對應的流量下限為,測量儀表可測差壓的上限為, 對應的流量,上限為,在差壓上下限中間的任一中間值用,表示, 則對應的中間流量值為,對于電動儀表有:,當,時有,對于氣動儀表也可得到與上式一樣的結論.,從上面的推導結果可見, 比值系數的折算與儀表的型號無 關, 但與流量是否和測量信號成線性關系有關. 請注意以下幾點:,(a)工藝上的流量比值,與儀表信號間比值系數,是兩個,不同的概念, 不能混淆;,(b)比值系數,的大小與流量比,的值有關, 也與測量變,送器的輸入輸出量程有關, 但

21、與負荷的大小無關;,(c)流量與測量信號之間有無非線性關系對折算式有直接,影響, 線性關系時,平方根的非線性,關系時,.但儀表的輸入信號范圍,不一致及起始點是否為零, 均對折算式無影響.,(二)比值控制的實施方案,(1)相乘方案,由, 可對,的測量值乘上某一系數, 作為,流量控制器的給定值, 稱為相乘方案, 如下圖.,例:有一用乘法器實施的單閉環(huán)比值控制 系統的信號關系如下圖.,圖中乘法器選用DDZ-的電動乘法器, 其輸入輸出,信號范圍為4-20mADC, 則有:,根據比值控制要求, 乘法器的,和,應有如下關系式:, 與前式相比, 可得:,因此, 只要外設定電流, 就能實現預定,的比值控制要求

22、. 用乘法器實現比值控制時, 比值設置調整的步驟為:,先由工藝規(guī)定兩物料的流量比值, 視測量變送器的儀,表特性, 正確計算出比值系數, 然后根據所使用的乘,法器運算式, 由,值計算出乘法器的外設定信號,需注意的是, 由于外設信號受儀表統一信號范圍的限制,的變化范圍僅在01之間, 而不能大于1.,(2)相除方案 由兩流量比值, 也可將,和,的測量值,相除, 作為比值控制器的測量值, 此稱為相除方案.,下左圖即為相除方案.,其方框圖及信號關系見下右圖.,圖中除法器選用DDZ-的電動除法器,其輸入輸出信號范圍為4-20mADC, 則有:,當系統處于穩(wěn)定時, 比值控制器的, 滿足規(guī)定的,比值, 此時比

23、值控制器的給定值為:,由式,可見, 用除法器計算比值系數時,不能使用在1附近, 因比值系數等于1, 則比值設定和,除法器輸出均達最大值. 如出現干擾使,或,因除法器輸出已飽和,雖增加, 輸出卻不變化, 相,當于系統的反饋信號不變, 故比值只好任其增加. 基于上 述考慮, 對于主副流量有可能出現相等或相接近的場 合, 除法器輸出趨于飽和時, 可在副流量回路中串入一 個比例系數為0.5的比值器, 比值應在量程的中間值附近 使控制留有余地. (三)比值控制系統中非線性環(huán)節(jié)對動態(tài)品質的影響 (1)測量環(huán)節(jié)的非線性影響 當比值控制系統中流量測量采用節(jié)流裝置且不接開 方器時, 流量與壓力之間的非線性關系會

24、對比值控制系 統有一些影響.,4-3 前饋控制系統,一基本概念 以前討論的控制系統都是按偏差大小進行控制的反 饋控制系統, 其共同特點是對象受到干擾作用后, 必須 在被控量出現偏差后, 控制器才產生控制作用以補償 干擾對被控量的影響, 即要想無偏差得首先有偏差. 但 被控對象總存在一定的純滯后和容量滯后, 因此, 從干 擾產生到被控量發(fā)生變化需一定的時間, 從偏差產生到 控制器產生控制作用, 以及操縱量改變到被控量發(fā)生變 化又要一定的時間. 所以反饋控制方案本身決定了無法 將干擾克服在被控量偏離設定值之前, 限制了控制質量 的進一步提高. 隨生產過程的不斷發(fā)展, 對生產過程的自動控制提,出了更

25、高的要求, 以致在有些場合, 采用常規(guī)的PID,控制系統難以滿足工藝上的要求, 前饋控制就是在這種 情況下發(fā)展起來的一種特殊控制手段. 從自動控制發(fā)展史來看, 在反饋控制問世之前, 就 有試圖按干擾量的變化來補償其對被控量的影響, 從而 達到被控量完全不受干擾影響的控制方式. 西漢時期發(fā) 明的指南車及古代風磨的轉速調節(jié), 就是早期的應用例 子. 這種按干擾進行控制的開環(huán)控制方式, 稱為前饋控 制, 簡稱FFC.,下圖是換熱器前饋控制的例子.,換熱器的進料量, 其,溫度為, 經加熱蒸汽,加熱后, 使出料溫度,達要求的, 當有進料量波動干擾,時, 將使出料溫度偏離給 定值, 一種消除干擾影響 的手

26、段是, 測量出進料量,器FC的輸入,前饋控制器FC的輸出去改,變閥門的開度, 使出料量回復到給定值.,的變化量,作為前饋控制,前饋控制與反饋控制的主要差別在于:,(1)產生控制的依據不同. 前者按干擾的大小和方向產生 相應的控制作用, 后者按偏差的大小和方向產生相應的 控制作用; (2)控制的效果不同. 前者一出現干擾就進行控制, 其作 用及時, 理論上可實現對干擾的完全補償. 后者以被控 量的偏差為代價來補償干擾的影響, 即要無偏差, 首先 得有偏差; (3)前者控制是開環(huán)控制, 無需考慮穩(wěn)定性問題, 后者是 閉環(huán)控制, 必須考慮穩(wěn)定性問題, 而穩(wěn)定性與控制精度 是有矛盾的;,(4)反饋控制只用一個回路可克服多個干擾, 而前饋控制,必須對每個干擾單獨構成一條控制通道, 當干擾眾多時, 后者不經濟也不可能. 應用不變性原理, 可導出能對干擾實現完全補償的,前饋控制器的傳遞函數,但在工程上尚受到種種限制, 而無法得到完全補償, 其,原因為: (1)當對象較復雜時, 其干擾通道和控制通道的特性也復,雜, 無法用解析方法獲取,只能用實驗方,法獲取, 必有誤差, 以致不能完全補償;,(2)即使,能精確獲得, 在實