过程控制系统第4章(续2)过程控制课件ppt.ppt

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1、 为导出前馈控制器的模型为导出前馈控制器的模型, 先将换热器前馈先将换热器前馈-反馈控反馈控制系统的构成示意图画成相应的方框图制系统的构成示意图画成相应的方框图.1T2T加热蒸汽量加热蒸汽量冷凝水冷凝水aMbM进料量进料量FCTC温度设定值温度设定值bM)(sWo)(sWvcu)(sWCerT2)(sWdaM2T)(sHm)(sWffu由方框图可得由方框图可得:)()()()(1)()()()()()(2sHsWsWsWsWsWsWsWsMsTmovcovfda根据不变性原根据不变性原理理:0)(sMa0)(2sT代入上式代入上式)()(/ )()(sWsWsWsWovdf得前馈控制器的传递函

2、数为得前馈控制器的传递函数为:如前馈控制信号不与反馈回路中控制器的输出信号叠加如前馈控制信号不与反馈回路中控制器的输出信号叠加共同作用在控制阀上共同作用在控制阀上, 而是与系统的给定信号而是与系统的给定信号系统输系统输出的测量信号叠加后作为控制器的输入出的测量信号叠加后作为控制器的输入, 如下图所示如下图所示,1T2T加热蒸汽量加热蒸汽量冷凝水冷凝水aMbM进料量进料量TC温度设定值温度设定值FC其其对应的方框图见右下对应的方框图见右下图图.bM)(sWo)(sWvcu)(sWCerT2)(sWdaM2T)(sHm)(sWffu)()()()(1)()()()()()()(2sHsWsWsWs

3、WsWsWsWsWsMsTMovcovcfda由图可得由图可得:同理同理:)()()(/ )()(sWsWsWsWsWovcdf前馈前馈-反馈控制的优点反馈控制的优点:(1)只需对主要干扰进行补偿只需对主要干扰进行补偿, 其它干扰可由反馈控制予其它干扰可由反馈控制予以校正以校正, 简化了原有前馈控制系统简化了原有前馈控制系统;(2)反馈回路的存在反馈回路的存在, 降低了对前馈模型的精度要求降低了对前馈模型的精度要求, 为为工程上实现比较简单的通用型前馈控制器创造了条件工程上实现比较简单的通用型前馈控制器创造了条件;(3) 引入前馈控制器不改变反馈回引入前馈控制器不改变反馈回路的特征方程路的特征

4、方程, 从而不影响系统的稳定性从而不影响系统的稳定性, 可较好地解可较好地解决稳定性与控制精度间的矛盾决稳定性与控制精度间的矛盾;(4)无反馈回路时无反馈回路时, 出料温度对进料量干扰间的关系式为出料温度对进料量干扰间的关系式为:)()()(2sMsWsTad, 有反馈回路后有反馈回路后,)()()()(1/)()()(2sHsWsWsWsMsWsTmovcad在干扰幅值相同情况下在干扰幅值相同情况下, 出料温度的稳态值为原来的出料温度的稳态值为原来的)1/(1movcKKKK,比单纯前馈控制受干扰的影响小比单纯前馈控制受干扰的影响小. (四四)前馈前馈-串级控制系统串级控制系统 对换热器前馈

5、对换热器前馈-反馈控制系统的分析可知反馈控制系统的分析可知, 前馈控制前馈控制器的输出与反馈控制器的输出叠加后直接送至控制阀器的输出与反馈控制器的输出叠加后直接送至控制阀,这实际上是将所要求的进料量与加热蒸汽量的对应关系这实际上是将所要求的进料量与加热蒸汽量的对应关系转化为进料量与控制阀膜头压力间的关系转化为进料量与控制阀膜头压力间的关系. 从而为保证从而为保证前馈补偿的精度前馈补偿的精度, 对控制阀提出了严格的要求对控制阀提出了严格的要求, 希望它希望它灵敏灵敏线性及尽可能小的滞环线性及尽可能小的滞环. 还要求控制阀前后的压还要求控制阀前后的压差恒定差恒定, 否则同样的前馈输出将对应不同的加

6、热蒸汽流否则同样的前馈输出将对应不同的加热蒸汽流量量. 为解决上述问题为解决上述问题, 工程上在原有的反馈控制回路中工程上在原有的反馈控制回路中再增设一个加热蒸汽流量副回路再增设一个加热蒸汽流量副回路, 把前馈控制器的输出把前馈控制器的输出与温度控制器的输出叠加后与温度控制器的输出叠加后, 作为加热蒸汽流量控制器作为加热蒸汽流量控制器的给定值的给定值, 构成前馈构成前馈-串级控制系统串级控制系统.换热器前馈换热器前馈-串级控制的构成示意图及对应方框图如下串级控制的构成示意图及对应方框图如下.由方框图可求出系统在干扰由方框图可求出系统在干扰1T2T加热蒸汽量加热蒸汽量冷凝水冷凝水aMbM进料量进

7、料量FCTC温度设定值温度设定值QCbM1erT2)(sWdaM)(1sWo2T)(1sHm2u)(2sWc)(1sWc1u)(sWffu2e)(sWv)(2sWo)(2sHmaM作用下的闭环传递函数作用下的闭环传递函数.在串级控制系统中在串级控制系统中, 当副回路工作频率高于主回路工作当副回路工作频率高于主回路工作频率频率10倍时倍时, 副回路的传递函数可近似为副回路的传递函数可近似为1, 即即:)()()()()()(1)()()()(1)()()()()(1)()()()()()()(112222211222222sHsWsHsWsWsWsWsWsWsWsWsHsWsWsWsWsWsWs

8、WsWsMsTmomovcovccomovcovcfda1)()()()(1)()()()()(222221sHsWsWsWsWsWsWsUsMmovcovcb则系统的闭环传递函数可近似为则系统的闭环传递函数可近似为:)()()(1)()()()()(11112sHsWsWsWsWsWsMsTmocofda按不变性原理可得按不变性原理可得:)(/ )()(1sWsWsWodf 三三前馈控制作用的实施前馈控制作用的实施 通过对前馈控制系统几种典型结构形式的分析可知通过对前馈控制系统几种典型结构形式的分析可知前馈控制器的控制规律取决于对象干扰通道与控制通道前馈控制器的控制规律取决于对象干扰通道与控

9、制通道的特性的特性, 即即)(/ )()(sWsWsWodf 由于工业对象的特性极为复杂由于工业对象的特性极为复杂, 导致前馈控制规律导致前馈控制规律的形式繁多的形式繁多, 但从工业应用的观点看但从工业应用的观点看, 尤其是应用常规尤其是应用常规仪表组成的控制系统仪表组成的控制系统, 总力求控制仪表的模式具有一定总力求控制仪表的模式具有一定的通用性的通用性, 以利于设计以利于设计生产生产运行和维护运行和维护. 另外另外, 由由于工业对象的复杂性于工业对象的复杂性, 欲精确获得其数学模型欲精确获得其数学模型, 也较困也较困难难. 实践证明实践证明, 相当数量的工业对象都具有非周期性和相当数量的工

10、业对象都具有非周期性和过阻尼的特性过阻尼的特性, 因此经常可用一个一阶或二阶容量滞后因此经常可用一个一阶或二阶容量滞后必要时再串联一个纯滞后环节给以近似必要时再串联一个纯滞后环节给以近似, 即即:控制通道的特性为控制通道的特性为) 1/()(111sTeKsWso干扰通道的特性为干扰通道的特性为) 1/()(222sTeKsWsd则前馈控制器模型为则前馈控制器模型为当上式中的各参数不同时当上式中的各参数不同时, 前馈模型分为三种基本形式前馈模型分为三种基本形式sfsssdfesTsTKesTsTKKsTeKsTeKsWsWsW1111) 1/() 1/()(/ )()(21)(21121122

11、01212(一一)fK型前馈控制器型前馈控制器 当当2121, 0,TT 时时ffKsW)(, 叫静态前馈控制器叫静态前馈控制器.(二二)1/() 1(21sTsTKf型前馈控制器型前馈控制器2121, 0,TT 当当时时,) 1/() 1()(21sTsTKsWff称作一阶称作一阶“超前超前-滞后滞后”型前馈控制型前馈控制.21TT 超前超前,21TT 滞后滞后. 此种类型控制器可用两种方法实现此种类型控制器可用两种方法实现.超前型前馈控制器超前型前馈控制器 适用于对象控制通道容量滞后大于干扰通道适用于对象控制通道容量滞后大于干扰通道容量滞后容量滞后, 滞后型前馈控制器适用于对象控滞后型前馈

12、控制器适用于对象控制通道容制通道容 量滞后小于干扰通道容量滞后量滞后小于干扰通道容量滞后.(三三)型前馈控制器型前馈控制器)1/() 1(21sTesTKsf存滞后模型存滞后模型se用模拟仪表只能近似实现用模拟仪表只能近似实现, 其最简单的其最简单的近似方法近似方法, 是将其用一阶分式代替是将其用一阶分式代替, 即即:2/12/1sses 前所介绍的前馈控制器的模型前所介绍的前馈控制器的模型, 已为目前广泛应用已为目前广泛应用, 在在定型的定型的DDZ-型仪表、组装式仪表中都有相应的硬件模块型仪表、组装式仪表中都有相应的硬件模块在可编程数字控制器或用计算机控制的在可编程数字控制器或用计算机控制

13、的DCSDCS中也有相应的控中也有相应的控制算法模块制算法模块, , 便于调用及软连接便于调用及软连接. . 四四前馈控制系统的参数整定前馈控制系统的参数整定 五五前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用(补充补充) 一般来说一般来说, 在下列情况下可考虑选用前馈控制在下列情况下可考虑选用前馈控制: (1)对象控制通道的容量滞后较大对象控制通道的容量滞后较大, 反馈控制难以满足工反馈控制难以满足工艺要求时艺要求时, 把主干扰引入前馈控制把主干扰引入前馈控制, 构成前馈构成前馈-反馈控制系统反馈控制系统 (2)系统中存在可测系统中存在可测、不可控、变化频繁、幅值大且、不可控、变化频繁、幅值大且对被控

14、变量影响显著的干扰对被控变量影响显著的干扰, 则采用前馈控制可提高控则采用前馈控制可提高控制品质制品质. 可测是指干扰量能用检测变送装置在线转化为可测是指干扰量能用检测变送装置在线转化为标准的电或气信号标准的电或气信号, 不可控指这些干扰难以通过设置单不可控指这些干扰难以通过设置单独的控制系统予以稳定独的控制系统予以稳定, 或虽设置了专门的控制系统予或虽设置了专门的控制系统予以稳定以稳定, 但由于操作上的需要但由于操作上的需要, 往往要经常改变其给定往往要经常改变其给定值值. 在应用中在应用中, 有时会将前馈有时会将前馈-反馈控制与串级控制混淆反馈控制与串级控制混淆不清不清, 这将给设计与运行

15、带来困难这将给设计与运行带来困难, 下面以加热炉出口下面以加热炉出口温度控制系统的两种不同控制方案温度控制系统的两种不同控制方案, 简要说明两者的关简要说明两者的关系与区别系与区别.下面是两种控制方案的构成示意图下面是两种控制方案的构成示意图. .图图(a)控制阀控制阀出口温度出口温度燃料油燃料油原料油原料油温度变温度变送器送器1TC温度设温度设定值定值2TC控制量控制量温度变温度变送器送器1TC温度设温度设定值定值控制阀控制阀出口温度出口温度燃料油燃料油原料油原料油控制量控制量fQC流量变送器流量变送器图图(b)图图(a)是加热炉出口温是加热炉出口温度与炉膛温度串级控度与炉膛温度串级控制系统

16、制系统. 图图(b)是原料油干扰是原料油干扰前馈与加热炉前馈与加热炉出口温度反出口温度反馈的前馈馈的前馈-反馈控制反馈控制系统系统. 两者相比两者相比, 结构上完结构上完全不同全不同, 串级串级控制由内控制由内外外两个反馈回路构成两个反馈回路构成,前馈前馈-反馈控反馈控制由一个反馈回路和制由一个反馈回路和另一个开环的补偿回路构成另一个开环的补偿回路构成. 前馈控制系统与反馈控制系统相比较有何特点？试举一个前馈与反馈控制系统的例子，画出其原理图，给出前馈控制器的数学模型。 答：1）前馈控制器产生控制作用的依据是干扰，而反馈系统的作用依据是偏差。 2）控制效果不同。前馈系统控制作用及时，对可测干扰

17、可实现无偏差控制。 3）实现的经济性和可能性不同。前馈控制系统不可能对所有干扰都测量和实施控制，因而前馈系统是不经济的。 前馈控制器的传递函数： Wd(s)-干扰通道传递函数 Wo(s)控制通道传递函数。)()()(sWosWdsWf 4-8 选择性控制系统选择性控制系统 一一基本概念基本概念 选择性控制又叫取代控制选择性控制又叫取代控制, 也称超驰控制也称超驰控制.以前所介绍的各种自动控制系统只能在生产工艺处于正以前所介绍的各种自动控制系统只能在生产工艺处于正常情况下工作常情况下工作, 一旦生产出现事故状态一旦生产出现事故状态, 控制器就要改控制器就要改为手动为手动, 待故障排除后待故障排除

18、后, 控制系统再重新投入运行控制系统再重新投入运行. 对对于现代化大型生产过程于现代化大型生产过程, 控制仅仅做到这一步远不能满控制仅仅做到这一步远不能满足保证生产安全的要求足保证生产安全的要求. 在大型生产工艺过程中在大型生产工艺过程中, 除要除要求控制系统在生产处于正常运行情况下能克服外界干扰求控制系统在生产处于正常运行情况下能克服外界干扰维持生产的平稳运行维持生产的平稳运行, 当生产操作达到安全极限时当生产操作达到安全极限时, 控控制系统应有一种应变能力制系统应有一种应变能力, 采取相应的保护措施采取相应的保护措施, 促使促使生产操作离开安全极限生产操作离开安全极限, 返回到正常工况返回

19、到正常工况; 或使生产暂或使生产暂时停止时停止, 以防事故的发生或进一步扩大以防事故的发生或进一步扩大.如大型压缩机的防喘振措施如大型压缩机的防喘振措施精馏塔的防液泛措施等精馏塔的防液泛措施等. 属于生产保护性措施的有两类属于生产保护性措施的有两类: 一类是硬保护措施一类是硬保护措施一类是软保护措施一类是软保护措施. 硬保护措施是当生产操作达到安全极限时硬保护措施是当生产操作达到安全极限时, 有声有声光警报产生光警报产生, 此时此时, 或由操作工将控制器切换到手动或由操作工将控制器切换到手动,或通过专门设置的联锁保护线路自动停车或通过专门设置的联锁保护线路自动停车. 由于大型工由于大型工厂生产

20、过程中的强化和限制性条件多而严格厂生产过程中的强化和限制性条件多而严格, 生产安全生产安全保护的逻辑关系比较复杂保护的逻辑关系比较复杂, 由人工操作保护难免出错由人工操作保护难免出错.此外此外, 由于生产过程进行的速度很快由于生产过程进行的速度很快, 操作人员的生理操作人员的生理反映难以跟上反映难以跟上, 要么处理不及时要么处理不及时, 要么处理不当要么处理不当, 使事使事故扩大故扩大. 所以常采用联锁保护的办法来处理所以常采用联锁保护的办法来处理. 联锁保护虽能起到及时保护的作用联锁保护虽能起到及时保护的作用, 但这种硬性保但这种硬性保护法使设备停车护法使设备停车, 影响正常生产和造成经济损

21、失影响正常生产和造成经济损失. 软保护通过一特定设计的选择性控制系统软保护通过一特定设计的选择性控制系统, 在生产在生产短期内处于不正常状态时短期内处于不正常状态时, 既不使设备停车而又起到对既不使设备停车而又起到对生产进行自动保护的目的生产进行自动保护的目的. 在选择性控制系统中在选择性控制系统中, 已考已考虑到生产工艺过程限制条件的逻辑关系虑到生产工艺过程限制条件的逻辑关系, 当生产操作趋当生产操作趋向极限条件时向极限条件时, 用于控制不安全状态的控制方案取代正用于控制不安全状态的控制方案取代正常状态下的控制方案常状态下的控制方案, 直到生产操作重新回到安全范围直到生产操作重新回到安全范围

22、内内, 正常状态下的控制方案在恢复对生产过程的正常控正常状态下的控制方案在恢复对生产过程的正常控制制, 故也叫作自动保护性控制故也叫作自动保护性控制. 有些选择性控制系统甚有些选择性控制系统甚至连开至连开停车都能由系统控制停车都能由系统控制, 而无需人工参与而无需人工参与. 二二选择性控制系统的类型及应用选择性控制系统的类型及应用 要构成选择性控制要构成选择性控制, 生产操作必须具有一定选择性生产操作必须具有一定选择性逻辑关系逻辑关系. 而选择性控制的实现则需靠具有选择功能的而选择性控制的实现则需靠具有选择功能的自动选择器自动选择器(如高值选择器和低值选择器如高值选择器和低值选择器)或有关的切

23、换或有关的切换装置装置(如切换器如切换器带接点的控制器或测量装置带接点的控制器或测量装置) (一一)开关型选择性控制系统开关型选择性控制系统(补充补充) 开关型选择性控制系统一般用作系统的限值保护开关型选择性控制系统一般用作系统的限值保护, 下图下图(a)是丙稀冷却器裂解气出口温度的单回路控制系是丙稀冷却器裂解气出口温度的单回路控制系统构统构成示意图成示意图.液丙稀液丙稀裂解气裂解气)88(C气丙稀气丙稀TC温度设定值温度设定值)15(C图图(a)在乙稀分离过程中在乙稀分离过程中, 裂解气经五裂解气经五段压缩后其温度已达段压缩后其温度已达C88. 为进为进行低温分离行低温分离, 必须将它的温度

24、降必须将它的温度降到工艺上要求的到工艺上要求的C15, 为此采用为此采用 液丙稀低温下蒸发吸热的液丙稀低温下蒸发吸热的原理原理, 用它与裂解气换热用它与裂解气换热, 达到达到降低裂解气温度的目的降低裂解气温度的目的.一般的控制方案一般的控制方案, 是以经换热后的裂解气温度作为被控是以经换热后的裂解气温度作为被控变量变量, 以液丙稀流量作为操纵变量以液丙稀流量作为操纵变量. 图图(a)控制方案控制方案, 是是通过改变换热面积的方法通过改变换热面积的方法, 来达到控制裂解气出口温度来达到控制裂解气出口温度的目的的目的. 当裂解气出口温度高于设定值时当裂解气出口温度高于设定值时, 控制阀开大控制阀开

25、大液丙稀流量随之增大液丙稀流量随之增大, 冷却器中冷却器中丙稀液位上升丙稀液位上升, 冷却器中列管被液冷却器中列管被液丙稀浸没的数量增多丙稀浸没的数量增多, 换热面积增换热面积增液丙稀液丙稀裂解气裂解气)88(C气丙稀气丙稀TC温度设定值温度设定值)15(C图图(a)大大, 液丙稀气化带走的热量液丙稀气化带走的热量增多增多, 裂解气出口温度下降裂解气出口温度下降反之反之, 裂解气出口温度上升裂解气出口温度上升.但在生产中但在生产中, 当裂解气进口温度过高或负荷过大时当裂解气进口温度过高或负荷过大时, 控制控制阀势必要大幅度地打开阀势必要大幅度地打开. 当冷却器中列管全部被液丙稀淹当冷却器中列管

26、全部被液丙稀淹没没, 而裂解气出口温度仍未达到设定值时而裂解气出口温度仍未达到设定值时, 不能再使控制不能再使控制阀开度继续增大阀开度继续增大, 因一来液位继续升高已不能再增加换热因一来液位继续升高已不能再增加换热面积面积, 换热效果不再提高换热效果不再提高, 冷量得不到充分利用冷量得不到充分利用; 其次其次,丙稀液位的过度升高丙稀液位的过度升高, 使使冷却器中的冷却器中的丙稀蒸发空间缩小丙稀蒸发空间缩小,甚至于完全没有蒸发空间甚至于完全没有蒸发空间, 使气丙稀带液进入压缩机使气丙稀带液进入压缩机, 给给压缩机带来损害压缩机带来损害. 为此为此, 须对图须对图(a)控制方案进行改进控制方案进行

27、改进, 即即需考虑当丙稀液位上升到极限情况时的防护性措施需考虑当丙稀液位上升到极限情况时的防护性措施.图图(b)是改进后的控制方案是改进后的控制方案. 此方案在图此方案在图(a)方案的基础上方案的基础上增加了一个带上限接点的常增加了一个带上限接点的常开式液位报警器开式液位报警器(图中绿色方图中绿色方框框)和一个连接于温度控制器和一个连接于温度控制器输出去控制阀的气动信号管输出去控制阀的气动信号管路上的电磁三通阀路上的电磁三通阀. 上限接上限接点设置在液位高度的点设置在液位高度的75%位位图图(b)置置. 正常时正常时, 液位低于液位低于75%, 接点断开接点断开, 电磁阀失电电磁阀失电(电电关

28、阀关阀), 温度控制器输出可直通控制阀温度控制器输出可直通控制阀, 实现温度控制实现温度控制. 当当液位上升到液位上升到75%时时, 保护压缩机不受损害成为主要矛盾保护压缩机不受损害成为主要矛盾,液位报警器上限接点闭合液位报警器上限接点闭合, 电磁阀得电电磁阀得电, 切断温度控制器切断温度控制器输出输出, 同时使控制阀的膜头与大气相通同时使控制阀的膜头与大气相通, 使膜头压力很快使膜头压力很快下降为零下降为零, 控制阀关闭控制阀关闭, 终止液丙稀继续进如冷却器终止液丙稀继续进如冷却器, 冷冷却器内液丙稀逐渐蒸发却器内液丙稀逐渐蒸发, 液位慢慢下降到低于液位慢慢下降到低于75%时时, 液液位报警

29、器上限接点复又断开位报警器上限接点复又断开, 电磁阀重新失电电磁阀重新失电, 温度控制温度控制液丙稀液丙稀裂解气裂解气)88(C气丙稀气丙稀TC温度设定值温度设定值)15(C输出又直接送往控制阀输出又直接送往控制阀, 恢复成温度控制系统恢复成温度控制系统.图图(b)方案的方框图如下方案的方框图如下.液位变送器液位变送器温度设温度设 定值定值温度控制器温度控制器开关开关控制阀控制阀液位对象液位对象液位液位温度对象温度对象出口出口温度温度温度变温度变送器送器在乙稀工程中有不少开关型选择性控制系统在乙稀工程中有不少开关型选择性控制系统, 下图是脱下图是脱烷塔回流罐液位与丙二稀转化器进料蒸发器液位开关

30、型烷塔回流罐液位与丙二稀转化器进料蒸发器液位开关型选择性控制系统的构成示意图选择性控制系统的构成示意图.在正常工况下在正常工况下, 蒸发器液位蒸发器液位L2低于上限值低于上限值75%, 电磁三通阀电磁三通阀失电失电, 液位位控制器液位位控制器LC1输出输出可直通气开式控制阀可直通气开式控制阀, 从而构从而构成回流罐液位成回流罐液位L1单回路控制系单回路控制系统统.蒸发器蒸发器丙二稀丙二稀2L回流罐回流罐1LC1L当当蒸发器液位蒸发器液位L2上升到上升到75%时时, 电磁三通阀得电电磁三通阀得电, 液位液位控制器控制器LC1输出切断输出切断, 控制阀膜控制阀膜头与大气连通头与大气连通, 阀压很快

31、降为零阀压很快降为零,控制阀全关控制阀全关, 使蒸发器液位使蒸发器液位L2回回蒸发器蒸发器丙二稀丙二稀2L回流罐回流罐1LC1L落落. 当蒸发器液位当蒸发器液位L2回落至回落至小于小于75%时时,电磁三通阀复又失电磁三通阀复又失电电, 回流罐液位回流罐液位L1单回路控制单回路控制系统重新工作系统重新工作. (二二)连续型选择性控制系统连续型选择性控制系统 连续型选择性控制系统与开关型选择性控制系统的连续型选择性控制系统与开关型选择性控制系统的不同之处不同之处, 在于当取代作用发生后在于当取代作用发生后, 控制阀并不是立即控制阀并不是立即全开或全闭全开或全闭, 而是阀门在原有开度上继续进行控制而

32、是阀门在原有开度上继续进行控制, 因因此此, 对控制阀而言对控制阀而言, 控制作用是连续的控制作用是连续的. 在连续型选择性控制系统中在连续型选择性控制系统中, 一般有两个控制器一般有两个控制器,它们的输出通过一只选择器它们的输出通过一只选择器(高值或低值选择器高值或低值选择器)后后, 送往送往控制阀控制阀. 两个控制器一个在正常情况下工作两个控制器一个在正常情况下工作, 一个在非一个在非正常情况下工作正常情况下工作. 在大型合成氨工厂中在大型合成氨工厂中, 蒸汽锅炉是一个很重要的动蒸汽锅炉是一个很重要的动力设备力设备, 担负向全厂提供蒸汽的任务担负向全厂提供蒸汽的任务, 必须对其正常运必须对

33、其正常运行采取一系列保护措施行采取一系列保护措施. 蒸汽锅炉所用的燃料为天然气蒸汽锅炉所用的燃料为天然气或其它燃料气或其它燃料气.在正常情况下在正常情况下, 根据产汽压力来控制燃料根据产汽压力来控制燃料气量气量. 当用户所需蒸汽量增加时当用户所需蒸汽量增加时, 蒸汽压力就会下降蒸汽压力就会下降,为维持蒸汽压力为维持蒸汽压力, 必须在增加供水量必须在增加供水量(另有控制系统控制另有控制系统控制)的同时的同时, 相应地增加燃料气量相应地增加燃料气量. 经研究发现经研究发现, 当燃料气当燃料气流量过高时流量过高时, 会将燃烧喷嘴的火焰吹灭会将燃烧喷嘴的火焰吹灭, 产生脱火现象产生脱火现象一旦脱火现象

34、发生一旦脱火现象发生, 大量燃料气就因未燃烧而导致烟囱大量燃料气就因未燃烧而导致烟囱冒黑烟冒黑烟, 这不但污染环境这不但污染环境, 更严重的是燃烧室内积存大更严重的是燃烧室内积存大量燃料气与空气的混合物量燃料气与空气的混合物, 有爆炸的危险有爆炸的危险. 为防止脱火为防止脱火现象的产生现象的产生, 在锅炉燃烧系统中采用了下图所示的蒸汽在锅炉燃烧系统中采用了下图所示的蒸汽压力与燃气流量选择性控制方案压力与燃气流量选择性控制方案. 通过图中的低选器通过图中的低选器,选择蒸汽压力控制器与燃料气流量选择蒸汽压力控制器与燃料气流量控制器两者之一的输出送往设置在控制器两者之一的输出送往设置在燃料管线上的控

35、制阀燃料管线上的控制阀. 低选器低选器输出输出ou与输入信号与输入信号qpuu ,的关系的关系为为: 当当qpuu 时时,pouu , 当当qpuu 时时,qouu 供水供水蒸汽蒸汽QCquPCpuLS低值选低值选择器择器ou燃料气燃料气蒸汽压力对象的被控量是蒸汽压力蒸汽压力对象的被控量是蒸汽压力, 操纵量是燃料气流量操纵量是燃料气流量且燃料气流量增加且燃料气流量增加, 蒸汽压力也增加蒸汽压力也增加, 故蒸汽压力对象为故蒸汽压力对象为正作用正作用; 燃料气流量对象的被控量是燃料气流量燃料气流量对象的被控量是燃料气流量, 操纵量操纵量是控制阀的开度是控制阀的开度. 开度越大开度越大, 燃料气流量

36、也越大燃料气流量也越大, 故燃料故燃料气流量对象为正作用气流量对象为正作用; 若控制阀选用气开式若控制阀选用气开式, 则两个控制则两个控制器均为反作用器均为反作用. 当燃料气流量低于产生脱火的流量当燃料气流量低于产生脱火的流量(即低于即低于 给定值给定值), QC控制器感受正偏差控制器感受正偏差,qu呈现高信号呈现高信号, 同时同时, PC控制器的输出信号相对来说呈现低信号控制器的输出信号相对来说呈现低信号, 低选器输出为低选器输出为, 蒸汽压力控制回路正常工作蒸汽压力控制回路正常工作;pouu 供水供水蒸汽蒸汽QCquPCpuLS低值选低值选择器择器ou燃料气燃料气当燃料气流量接当燃料气流量

37、接进或达到给定值时进或达到给定值时, QC控制器感受到控制器感受到qu的正偏差越来越小的正偏差越来越小,呈现低信号呈现低信号,当燃料气流量超过给定值时当燃料气流量超过给定值时, QC控控制器感受到负偏差制器感受到负偏差,qu一下跌为低信一下跌为低信号号, 低选器输出为低选器输出为quu 0回路正常工作回路正常工作. 此系统方框图如下此系统方框图如下燃料气流量燃料气流量蒸汽压蒸汽压力对象力对象蒸汽蒸汽压力压力燃气流燃气流量对象量对象燃气燃气流量流量控制阀控制阀低选器低选器0u燃气流量控制器燃气流量控制器QCqu蒸汽压力控制器蒸汽压力控制器PCpu蒸汽压力蒸汽压力 给定值给定值燃气流量燃气流量 给

38、定值给定值燃气流量变送器燃气流量变送器蒸汽压力变送器蒸汽压力变送器再介绍一例乙稀工程中绿油塔液位与去脱丙烷塔绿油流量再介绍一例乙稀工程中绿油塔液位与去脱丙烷塔绿油流量的连续型选择性控制系统的连续型选择性控制系统.此系统的构成示意图如下此系统的构成示意图如下. 从脱丙烷塔的稳定操作考虑从脱丙烷塔的稳定操作考虑,需维持进料流量恒定需维持进料流量恒定, 从绿从绿油塔正常操作考虑油塔正常操作考虑, 塔液位塔液位不能低于要求液位的不能低于要求液位的30%,绿油塔的被控量是塔内液位绿油塔的被控量是塔内液位操纵量是流出的绿油流量操纵量是流出的绿油流量,QC%)30(0LLS脱丙烷塔脱丙烷塔绿油塔绿油塔进进料

39、料Q QLC绿油流量流出量越大绿油流量流出量越大,塔内液位越低塔内液位越低, 故液位对象为反故液位对象为反作用作用, 脱丙烷塔的被控量是进料流量脱丙烷塔的被控量是进料流量, 操纵量是控制阀操纵量是控制阀的开度的开度, 控制阀开度越大控制阀开度越大, 脱丙烷塔的进料流量也越大脱丙烷塔的进料流量也越大所以流量对象为正作用所以流量对象为正作用, 图中控制阀选用气开式图中控制阀选用气开式. 连续型选择性控制系统即教材中所介绍的选择器接连续型选择性控制系统即教材中所介绍的选择器接在控制器和控制阀之间的那种类型在控制器和控制阀之间的那种类型. (三三)混合型选择性控制系统混合型选择性控制系统(补充补充)

40、在某些生产场合在某些生产场合, 为确保安全生产为确保安全生产, 将开关型和连将开关型和连续结合使用续结合使用, 组成混合型选择性控制系统组成混合型选择性控制系统.下图是前已介绍过的蒸汽下图是前已介绍过的蒸汽压力与燃气流量连续型选择性压力与燃气流量连续型选择性控制方案的结构示意图控制方案的结构示意图.供水供水蒸汽蒸汽QCquPCpuLS低值选低值选择器择器ou燃料气燃料气当当燃气压力不足并可能低于燃燃气压力不足并可能低于燃烧室内会出现危险的回火现象烧室内会出现危险的回火现象, 引起引起燃气管线和燃气罐发生燃烧和爆炸燃气管线和燃气罐发生燃烧和爆炸,为此为此, 必须设法加以防止必须设法加以防止. 这

41、可在蒸这可在蒸蒸汽蒸汽压力与燃气流量连续型选压力与燃气流量连续型选择性择性控制方案的基础上控制方案的基础上, 再增再增添些装置添些装置, 构成下图所示的混构成下图所示的混合型选择性控制系统合型选择性控制系统.供水供水蒸汽蒸汽QCquPCpuLS低值选低值选择器择器ou燃料气燃料气此系统中此系统中, 增增 添了一个带下限接点的常开式压力报添了一个带下限接点的常开式压力报警器和一个连接于低选器输出去控制警器和一个连接于低选器输出去控制阀的通路上的电磁三通阀阀的通路上的电磁三通阀. 此此系统的作用原理请大家分析系统的作用原理请大家分析.根据下示结构图根据下示结构图,可画出其方框图可画出其方框图.供水

42、供水蒸汽蒸汽QCquPCpuLS低值选低值选择器择器ou燃料气燃料气蒸汽压蒸汽压力对象力对象蒸汽蒸汽压力压力燃气流燃气流量对象量对象燃气燃气流量流量控制阀控制阀燃气流量控制器燃气流量控制器QCqu蒸汽压力控制器蒸汽压力控制器PCpu蒸汽压力蒸汽压力 给定值给定值燃气流量燃气流量 给定值给定值燃气流量变送器燃气流量变送器蒸汽压力变送器蒸汽压力变送器低选器低选器0u开关开关燃气压力变送器燃气压力变送器燃气压力燃气压力 (四四)其它类型选择性控制系统其它类型选择性控制系统 1.选择器接在检测变送器输出端选择性控制系统选择器接在检测变送器输出端选择性控制系统某反应器有两种物料参与化学反应某反应器有两种

43、物料参与化学反应, 为两种物料得以充分为两种物料得以充分反应及提高反应速度反应及提高反应速度, 保证产品质量和产量保证产品质量和产量, 反应器内装有反应器内装有触媒层触媒层, 为防止反应温度过高烧坏触媒层为防止反应温度过高烧坏触媒层, 在触媒层的在触媒层的不同位置上设置了温度检测点不同位置上设置了温度检测点, 如下图所示如下图所示.高值选择器高值选择器rTTC入料入料1反应器反应器出料出料入料入料2各点温度检各点温度检测值经高值选择器输出测值经高值选择器输出, 作为温度作为温度控制器的反馈信号控制器的反馈信号, 与给定温度比与给定温度比较后输出控制信号调节控制阀的开较后输出控制信号调节控制阀的

44、开度度, 改变入料改变入料2的流量的流量. 其框图如下其框图如下)(sWc)(sWv)(1sWo1T)(2sWo2T)(3sWo3T)(1sHmrT)(2sHm)(3sHmHS 2.操纵量选择性控制系统操纵量选择性控制系统 属于单回路控制系统的操纵量选择性控制系统框图属于单回路控制系统的操纵量选择性控制系统框图如下如下.控制器控制器)(sR检测变送器检测变送器选择器选择器)(sY控制阀控制阀1)(1sQ被控对象被控对象1控制阀控制阀2)(2sQ被控对象被控对象2下面给出了操纵量选择性控制系统的一个应下面给出了操纵量选择性控制系统的一个应用实例用实例, 由下图给出简单说明由下图给出简单说明.AQ

45、C燃料燃料A气开气开反反BQC燃料燃料B气开气开反反冷物料冷物料热物料热物料rTTC选择计算选择计算ArQBrQ按工艺要求按工艺要求, 在负荷增加后在负荷增加后,最大限度使用低热值最大限度使用低热值燃料燃料A仍不能使热物仍不能使热物料温度满足要求时料温度满足要求时,才使用高热值才使用高热值燃料燃料B.这就要求选择计算器根据温度控制器的输出计算出在低这就要求选择计算器根据温度控制器的输出计算出在低负荷时负荷时, 作为低热值燃料作为低热值燃料A的流量控制器的设定的流量控制器的设定值值ArQ随热物料的温度变化而变化随热物料的温度变化而变化, 但当超过但当超过AQC燃料燃料A气开气开反反BQC燃料燃料

46、B气开气开反反冷物料冷物料热物料热物料rTTC选择计算选择计算ArQBrQ燃料燃料A的最大流量仍不的最大流量仍不能提供所需热值后能提供所需热值后, ArQ应不变应不变, 燃料燃料B投入使用投入使用. 左图左图的方框图如下的方框图如下.AQC燃料燃料ABQC燃料燃料BTCArQBrQLS132maxmax/BAQQumaxmax/1BAQQmaxAQmaxmax/1ABQQ温度测量值温度测量值温度控制器温度控制器TC的输出的输出u表示了所需总热量表示了所需总热量u向上经乘法器向上经乘法器1与与)/1 (maxmaxABQQ相乘后相乘后与与maxAQ比较比较,若若, 低值选择低值选择AQC燃料燃料

47、ABQC燃料燃料BTCArQBrQLS132maxmax/BAQQumaxmax/1BAQQmaxAQmaxmax/1ABQQ温度测量值温度测量值)/1 (maxmaxmaxABAQQuQ器器LS的输出为的输出为)/1 (maxmaxABArQQuQ燃料燃料A随反映热负荷随反映热负荷u的变化而变化的变化而变化, 此时此时,0)/1 ()/1 ()/)(/1 ()/1 (maxmaxmaxmaxmaxmaxmaxmaxmaxmaxBABABAABBABrQQuQQuQQQQuQQuQ燃料燃料B关闭关闭. 若若)/1 (maxmaxmaxABAQQuQ则则maxAArQQ, 经经调节燃料调节燃料A

48、的流量达最大仍不能满足热负荷的流量达最大仍不能满足热负荷, 需补充燃料需补充燃料B0)/()/1 ()/()/1 (maxmaxmaxmaxmaxmaxmaxmaxmaxmaxBAAABBAABABrQQQQQuQQQQQuQ 三三积分饱和与抗饱和措施积分饱和与抗饱和措施 一个具有一个具有PI作用的控制器作用的控制器, 其输入输出特性为其输入输出特性为 )1(edtTeKuIcc可见可见, 当控制器处于开环工作状态时当控制器处于开环工作状态时, 偏差偏差e虽不变但长虽不变但长期存在期存在, 从理论上讲从理论上讲, 控制器的积分项将趋向于无穷大控制器的积分项将趋向于无穷大, 实际上将一直达到仪表

49、的极限值实际上将一直达到仪表的极限值, 这种现象叫这种现象叫“积分饱和积分饱和”因此因此, 产生积分饱和的条件有三个产生积分饱和的条件有三个: 一是控制器具有积分一是控制器具有积分作用作用; 二是控制器处于开环工作状态二是控制器处于开环工作状态, 三是偏差信号长期三是偏差信号长期存在存在. 对与接收控制器输出信号的控制阀对与接收控制器输出信号的控制阀, 如是电动调节阀如是电动调节阀其接收的信号范围为其接收的信号范围为4mA20mADC, 如是气动调节阀其如是气动调节阀其接收的信号范围为接收的信号范围为0.02Mpa0.1Mpa, 对于超出范围的信号对于超出范围的信号则不发生动作则不发生动作,

50、即调节阀要么关死即调节阀要么关死, 要么全开要么全开. 当控制器处于积分饱和状态时当控制器处于积分饱和状态时, 其输出将达到最大或其输出将达到最大或最小的极限值最小的极限值.例如对于气动仪表例如对于气动仪表, 仪表的供气气压范围为仪表的供气气压范围为00.14Mpa, 但当控制器输出在但当控制器输出在00.02Mpa及及0.1Mpa0.14Mpa范内范内变化时变化时, 控制器阀已达极限位置而不能再改变控制器阀已达极限位置而不能再改变, 上述范上述范围称为控制阀的围称为控制阀的“死区死区”. 只有当控制器的输出信号进只有当控制器的输出信号进入入0.02Mpa0.1Mpa时时, 阀的开度才发生变化