过程控制工程 第四章.doc

第4章 均匀控制系统41 均匀控制问题在连续生产过程中，前一设备的出料往往是后一设备的进料，而且随着生产的进一步强化，前后生产过程的联系更加紧密，此时设计自动控制系统应该从全局来考虑。例如用精馏方法分离多组分的混合物时，总是几个塔串联运行。在石油裂解气深冷分离的乙烯装置中，前后串联了8个塔进行连续生产。为了保证这些相互串联的塔能正常地连续生产，每一个塔都要求进入塔的流量保持在一定的范围内，同时也要求塔底液位不能过高或过低。LC FC图4l 精馏塔间不协调的控制方案图41是两个串联的精馏塔孤立设置控制系统。精馏塔甲的出料直接作为乙塔的进料，为了保证甲塔液位稳定在一定范围内，故而设有液位控制系统；根据乙塔入料稳定的要求，又设置了流量控制系统。显然，这两个控制系统工作起来是相互矛盾的，以致无法工作。为 了解决前后两个塔供求之间的矛盾，可以在两塔之间增加中间缓冲容器来克服，但这样势必增加投资，而且对于某些生产连续性很强的过程又不允许中间储存的时间过长，因此还需从自动化方案的设计上寻求解决的方法。能够完成这一控制任务的控制系统，称为均匀控制系统。均匀控制系统把液位、流量统一在一个控制系统中，从系统内部解决工艺参数间的矛盾。具体来说，就是让甲塔的液位在允许的限度内波动，与此同时让流量作平稳缓慢的变化。假如把图4l中的流量控制系统删去，只设置一个液位控制系统，此时可有三种情况出现，如图42中所示。L，F L，F L，F t t t （a）KC较大 （b）KC较小 （c）KC0图4-2前后设备的液位、流量关系其中(a)的液位控制系统具有较强的控制作用(控制器的Kc较大)，所以在干扰作用后，液位变化不大，而流量发生较大的波动。(b)的液位控制系统的控制作用减弱(控制器的Kc减小)，在干扰作用后，液位经较弱的控制，发生了一些变化，但流量的波动相对减弱了，此时液位、流量两个参数都产生一定的缓慢变化。(c)的液位控制器控制作用基本上消除(控制器的KCo)，在干扰作用后，由于控制系统基本不工作，所以液位大幅度波动，而流量变化较小。由此可以看出，(b)情况是符合均匀控制的要求；均匀控制系统的名称来自系统所能完成的特殊控制任务，它使前后设备在物料供求上相互均匀、协调，统筹兼顾。均匀控制系统归纳起来有如下三个特点。(1)结构上无特殊性从图42可看出，同样一个单回路液位控制系统，由于控制作用强弱不一，它可以是一个单回路液位定值控制系统，如(a)；也可以是一个简单均匀控制系统，如(b)。因此，均匀控制是指控制目的而言，而不是由控制系统的结构来定的。均匀控制系统在结构上无任何特殊性，它可以是一个单回路控制系统，也可以是一个串级控制系统的结构形式，或者是一个双冲量控制系统的结构形式。所以，一个普通结构形式的控制系统，能否实现均匀控制的目的，主要在于系统控制器的参数整定如何。可以说，均匀控制是通过降低控制回路灵敏度来获得的，而不是靠结构变化得到的。(2)参数应变化，而且应是缓慢地变化因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀，所以表征这两个物料的参数都不应为某一固定的数值。图42中(a)、(c)均不符合均匀控制的要求，而必须象(b)那样两个参数都变化，且变化比较缓慢。那种试图把两个参数都稳定不变的想法是不能实现的。需要注意的是，均匀控制在有些场合不是简单地让两个参数平均分摊，而是视前后设备的特性及重要性等因素来确定均匀的主次。这就是说，有时应以液位参数为主，有时则以流量参数为主，在确定均匀方案及参数整定时要考虑到这一点。(3)参数应限定在允许范围内变化均匀控制系统中被控变量是非单一、定值的，允许它在给定值附近一个范围内变化。即根据供求矛盾，两个参数的给定值不是定点而是定范围。如图41中两个串联的塔中，前塔的液位升降有一个规定的变化上下限，过高或过低可能造成冲塔现象或抽干的危险。同样，后塔的进料流量也不能超越它所能承受的最大负荷和最低处理量，否则不能保证精馏过程的正常进行。明确均匀控制的目的及其特点是十分必要的，因为在实际运行中，有时因不清楚均匀控制的设计意图而变成单一参数的定值控制，或想把两个参数都调成一条直线，最终导致均匀控制系统的失败。42 均匀控制方案421 常用的几种结构形式均匀控制系统经常采用三种结构形式。(1)简单均匀控制简单均匀控制系统采用单回路控制系统的结构形式，如图43所示。从系统结构形式上看，它与单回路液位定值控制系统是一样的，但由于它们的控制目的不同，因此在控制器的参数整定上有所不同；通常均匀控制系统的控制器整定在较大的比例度和积分时间上，一般比例度要大于100，以较弱的控制作用达到均匀控制的目的。简单均匀控制系统的最大优点是结构简单，投运方便，成本低廉。但当前后设备的压力变化较大时，尽管控制阀的开度不变、输出流量也会发生变化，所以它适用于干扰不大，要求不高的场合。此外，在液位对象的自衡能力较强时，均匀控制的效果较差。需要指出，在有些容器中，液位是通过进料阀来控制的，用液位控制器对进料流量进行控制，同样可实现均匀控制的要求。 LC FC图44 串级均匀控制方案 LC 图43简单均匀控制方案 (2)串级均匀控制图44所示为精馏塔的塔釜液位与采出流量的串级均匀控制。从结构上看，它与一般的液位和流量串级控制系统是一致的，但这里采用串级形式并不是为了提高主参数液位的控制质量，流量副回路的引入主要是克服控制阀压力波动及自衡作用对流量的影响，使采出流量变化平缓。串级均匀控制中的主控制器即液位控制器，与简单均匀的处理相同，以达到均匀控制的目的。串级均匀控制方案能克服较大的干扰，适用于系统前后压力波动较大的场合。但与简单均匀相比，使用仪表较多，投运较复杂，因此在方案选定时要根据系统的特点、干扰情况及控制要求来确定。(3)双冲量均匀控制“冲量”的原来含义是作用强度大、作用时间短的信号或参数，这里引伸为连续的信号或参数。双冲量均匀控制就是用一个控制器，以两个测量信号(液位和流量)之差为被控变量的系统。图45为双冲量均匀控制系统的原理图及方块图。它以塔釜液位与采出流量两个信号之差为被控变量(如流量为进料时，则为两信号之和)，通过控制，使液位和流量两个参数匀缓地变化。 FC 控制器 控制阀 流量对象 液位对象 L IL I0 I0=IL-IF+IS 测量变送 加法器 IS IF 测量变送(a)原理图 (b)方块图 图45 双冲量均匀控制系统 假定采用420mA信号仪表构成系统，则加法器在稳定状态下的输出为： (41)式中 I0、IL、IF、Is分别表示加法器的输出、液位变送器的输出、流量变送器的输出和恒流源的输出；I00、IL0、IF0、Is0是信号零点，都为4mA。所以上式可写为：或 (42)在工况稳定的情况下，IL与IF符号相反，互相抵消，为此，通过调整Is值，使加法器的输出等于控制器的给定值。当受到干扰时，若液位升高，则加法器的输出入也增加，控制器感受到这一偏差信号而进行控制，发出信号去开大控制阀，于是流量开始增加。与此同时，液位从某一瞬间开始逐渐下降，当液位和流量变送器的输出逐渐接近到某一数值时，加法器的输出重新恢复到控制器的给定值，系统逐渐趋于稳定，控制阀停留在新的开度上，液位的平衡数值比原来有所提高，流量的平衡数值也比原来有所增加，从而达到了均匀控制的目的。双冲量均匀控制与串级均匀控制系统相比，是用一个加法器取代了其中的主控制器。而从结构上看，它相当于以两个信号之差为被控变量的单回路系统，参数整定可按简单均匀来考虑。因此，双冲量均匀控制既具有简单均匀控制的参数整定方便的特点，同时由于加法器综合考虑液位和流量两信号变化的情况，故又有串级均匀的优点(也有人认为，双冲量均匀控制系统由于一个控制器的整定不能改变两个参数的波动幅值，而且调整Is也不能达到只改变液位或流量的目的，因此它无法达到预期的均匀控制的目的，这样，双冲量均匀控制方案只有在只重视液位变量时可采用，在其他场合，甚至还不如简单均匀控制方案)。422控制规律的选择简单均匀系统的控制器及串级均匀的主控制器一般采用纯比例作用，有时也可采用比例积分的控制规律。串级均匀的副控制器一般用纯比例作用，如果为了照顾流量副参数，使其变化更稳定，也可选用比例积分控制规律。双冲量均匀控制器一般应采用比例积分控制规律。在所有的均匀控制系统中都不需要也不应加微分作用，因为微分作用是加快控制作用的，刚好与均匀控制要求相反。积分作用的引入主要对液位参数有利，它可以避免由于长时间单方向干扰引起液位的越限。此外由于加入积分作用，比例度将适当增加，这有利于液位存在高频噪声的场合。然而积分作用的引入也有不利的方面。首先对流量参数产生不利影响，如果液位偏离给定值的时间长而幅值又大时，则积分作用会使控制阀全开或全关，造成流量较大的波动。同时，积分作用的引入将使系统的稳定性变差，系统几乎经常不断地处于控制之中，只是控制过程较为缓慢而已，因此平衡状态相对比纯比例作用时短得多，这不符合均匀的要求。此外，积分作用的加入，由于积分饱和，会产生洪峰现象。例如在开车前，因比例积分作用使控制阀全关，产生积分饱和，此时若系统开车，迟迟才打开阀门，会出现洪峰现象。因此使用比例积分控制规律的均匀控制系统，在开停车时需转入手动。而对于来势凶猛的干扰，显然比例积分作用是不能适应的。423 参数整定串级均匀控制中的流量副控制器参数整定与普通流量控制器整定差不多，而均匀控制系统的其他几种形式的控制器都需按均匀控制的要求来进行参数整定。整定的主要原则是一个“慢”字，即过渡过程不允许出现明显的振荡，可以采用凭经验整定，看曲线调参数的方法来进行。它的具体整定原则和方法如下。(1)整定原则以保证液位不超出允许的波动范围，先设置好控制器参数。修正控制器参数，充分利用容器的缓冲作用，使液位在最大允许的范围内波动，输出流量尽量平稳。根据工艺对流量和液位两个参数的要求，适当调整控制器的参数。(2)方法步骤纯比例控制a先将比例度放置在估计液位不会越限的数值，例如100。b观察记录曲线，若液位的最大波动小于允许范围，则可增加比例度，比例度的增加必将使液位“质量”降低，而使流量过程曲线变好。c如发现液位将超出允许的波动范围，则应减小比例度。d这样反复调整比例度，直到液位、流量的曲线都满足工艺提出的均匀要求为止。比例积分控制a按纯比例控制进行整定，得到合适的比例度。b在适当加大比例度值后，加入积分作用，逐步减小积分时间，直到流量曲线将要出现缓慢的周期性衰减振荡过程为止，而液位有回复到给定值的趋势。c最终根据工艺要求，调整参数，直到液位、流量的曲线都符合要求为止。43 均匀控制系统的理论分析为了加深对均匀控制系统的认识与理解，可以进一步对均匀控制系统作理论分析。一般分析的方法是建立均匀被控过程数学模型，然后结合控制器和系统构成，求出整个系统的传递函数。根据系统的传递函数，可以在不同的控制作用下，分析Kc、Ti等参数对系统的影响，以及被控液位过程的时间常数、自衡能力等特性在均匀控制中所造成的影响等。本文不准备对此作一一分析，如读者对此有兴趣，可查阅均匀控制的有关专著。本文介绍一种比较新颖的分析方法，即把均匀控制作为一种关联控制系统来考虑，现简要介绍如下。均匀控制系统中的对象(控制通道)可视为单输入、双输出的对象。所谓单输入即控制作用量只有一个(即一个控制阀)，双输出指被控变量有两个，一个是液位，另一个是流量，如图46所示。对于双变量对象，如果是双输入、双输出，其一般传递函数阵如图47所示。 Gu1 x1 u2 x2图47 双输入双输出均匀控制系统 G G1V G1V图46 单输入双输出均匀控制系统 图47中传递函数阵是：（4-3）此为双边关联对象传递函数。如果G12与G12中有一个为零，则为单边关联对象；如果Gl2G2l0，则为非关联对象。一般来说，对于双输入、双输出的双变量对象，消除关联耦合，可以实现解耦控制。但均匀控制对象是一种单输入双输出的双变量对象，为本质关联对象，无法实现解耦控制，只能靠反馈构成一般关联控制系统，如图48所示。 u1x1s R1 v G1V x1 Rx2s R2 G2V x2 u2图48本质关联对象的一般关联控制系统 图48中控制器R为考虑到双控制器工作状态。现简要证明一下单输入双输出的均匀控制对象无法实现解耦的道理。对于图46的本质关联对象假如能解耦，引入解耦环节D后构成的开环系统如图49。根据解耦原理，系统的开环传递函数必须是对角阵，若控制器阵为对角阵，那么解耦环节与本质关联对象G串联后的H阵也应为对角阵。其中G可写成： (4-4) (4-5) D u1 D11 e1 R1 v1 G1V x1 D21 D12 V e2 R2 v2 G2V x2 u2 D22 图49本质关联对象无法解耦 于是（4-6）使H为对角阵，整定D得：G1V（D12+D22）=0G2V（D11+D21）=0也就是D12+D22=0D11+D21=0（4-7）但是，H的主对角线上元素也含有(D11十D21)与(D12十D22)因子，则H必为零阵。这就证明了由于对象为本质关联，而无法实现解耦。从关联控制系统来分析简单均匀控制系统。设xl为液位变量，x2为流量变量，当R20时，图48衍化成简单均匀控制系统形式I，如图410所示；当Rl0时，则可衍化成形式，如图411所示。 Fi x1 x1s v x1 LC x1s R1 x2 Fo图410简单均匀控制形式 Fi x1s v x1 FC x2s R2 X2 x2 Fo图411简单均匀控制形式图410方案一般适用于对x1要求较高的场合。当x1要求高时，可以强化Rl(即加强控制作用)；当xl要求不高，而又希望x2平缓变化时，则可削弱Rl(即削弱控制作用)，以实现均匀控制的目的。图411方案一般适用于对x2要求较高的场合。由于液位通道特性Glv具有积分环节特性，所以虽然R2是无差控制，但是很可能在对象内部物料不平衡，即F。Fi时，造成贮罐溢出或被抽空的危险，因此这种方案通常不被采用。同样可由图48衍化成串级均匀及双冲量均匀的形式，关于它们的分析，在此不一一介绍。把均匀控制系统引伸为关联控制系统，是对均匀控制系统分析的一种新的尝试，它将有助于从结构上加深对均匀控制的认识，对设计与维护均匀控制系统有所帮助。44 其他需说明的问题441 气体压力与流量的均匀控制对于气相物料，前后设备间物料的均匀控制不是液位和流量之间的均匀。例如，脱乙烷塔塔顶分离器内压力是用来稳定精馏塔塔顶压力的，而从分离器出来的气体是加氢反应器的进料，因此也需尽量平稳，为此设计如图412所示的压力与流量的串级均匀控制。这种气相物料的压力与流量的均匀控制和液相物料的液位与流量的均匀控制是极为相似的，但需要注意的是压力对象比液位对象的自衡作用要强得多，故一般采用简单均匀控制方案不易满足要求，而往往采用如图412所示的串级均匀控制方案。442 实现均匀控制的其他方法解决物料供求矛盾的均匀控制，除了采用单回路、串级、双冲量等结构形式，在参数整定上采取必要措施外，也可应用非线性控制器来实现。这类非线性控制器具有多种输入输出特性，诸如带不灵敏区或有死区的等等，有关这方面的内容将集中在非线性控制系统一章中进行介绍。 PC FC 冷凝器 精 去加氢反应器 馏 分离器 塔 回流泵图412分离器压力与出口气体流量均匀控制系统 本章附录 均匀控制系统实验（选做）一、实验目的1熟悉均匀控制系统的特点及参数整定的要求。2掌握几种常用的均匀控制系统组成方法。二、实验方法选择液位和流量参数作为均匀控制，参照均匀控制的特点、常用的几种结构形式及参数整定，确定实验线路，并按照实验的目的拟定实验的步骤。三、实验内容1完成简单均匀控制系统的投运和整定工作，并置控制器于纯比例作用下。当从流入量加入阶跃扰动后，分别求得Kc三种值(即Kc过大，过小及适中)下流量、液位的变化曲线。2在实验装置上进行串级均匀、双冲量均匀的系统连接组成试验，可以不作投运、整定。3分析实验结果，根据自己的学习体会，写出实验报告。本章思考题及习题41 均匀控制系统设置的目的是什么?42 均匀控制系统有些什么特点?43 为什么均匀控制系统的核心问题是控制器参数的整定问题?44 可以采用解偶方法解决均匀问题吗?道理如何？45 均匀控制系统能运用4：1衰减曲线法整定控制器参数吗?为什么?46 简单均匀控制系统与单回路反馈控制系统有些什么相同点与不同点?47 图413为一水槽，其液位为L，进水流量为F，试设计一入口流量与液位双冲量均匀控制系统。画出该系统的结构图，确定该系统中控制阀的开闭形式，控制器的正，反作用以及引入加法器的各信号所取的符号。F L 图413习题4.7图