分程及阀位控制系统
常用串级和分程控制(介绍)
概述
解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制 流量稳定。
FC
TC
问题：两套控制系统不能协调，甚至出现矛盾
温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量，而流量控制 系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制。
概述
串级控制系统：两套控制系统的协调控制
FC
TC
特点：两个控制器，一个调节阀
- PID正反作用确定 . 先确定副控制器 调节阀选为气开型(故障关FC),特性为正作用; 流
量偏大时,阀门流通量应少, 对象特性为反作用; 所以 PID控制器应选正作用;
调节阀选为气关型(故障关FO),特性为反作用, PID控制器应选反作用;
串级控制系统
. 再确定主控制器 主控制器PID特性,不再需要考虑阀门特性和
一个控制器（主控制器）的输出送到另一个控制器 （副控制器）的给定，副控制器的输出送到控制阀ຫໍສະໝຸດ 述温度控制器流量控制器
控制阀
流量变送器
温度变送器
流量对象
温度对象
特点：两个闭环环路，内环和外环 内环：副环，副控制器、副对象、副变送器 （流量） 外环：主环，主控制器、主对象、主变送器 （温度）
概述
主环，定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制
例：精馏塔提馏段温度控制系统 1）副环干扰 2）主环干扰
串级控制系统的特点
串级系统具有一定的自适应能力
自适应问题：控制器的参数往往是根据一定的控制对象设置的， 当控制对象特性发生变化时（非线性特性，操作条件变化、负 荷变化），原来好的控制器参数就变得不好了（不适应了） 串级系统中，副控制系统是随动系统，主控制器可根据操作条 件的变化，不断修改副控制器的给定值——自适应能力 “能力有限”，自适应控制（现代控制技术）
分程控制系统如何采用阀门定位器实现硬分程？
分程控制系统如何采用阀门定位器实现硬分程？气动调节阀以20kPa-100kPa的气压信号为输入控制信号，阀门定位器作为气动调节阀的主要辅助工具，对调节阀的定位也起着决定性作用，它与气动调节阀配套使用，可满足生产过程中控制系统对阀门提出的各种特殊要求。
分程控制中借助附设在每台调节阀上的阀门定位器，将PID调节器输出分成几段信号区间，不同区段内的电流变化分别通过阀门定位器去带动各个调节阀做全行程动作，称为“硬分程”。
如何采用阀门定位器实现硬分程由于气动调节阀有气开和气关两种特性，因此在分程控制系统中两个阀门就有四种组合特性。
如图1~图4所示。
图1和图2表示阀门同方向运动，图3和图4表示两个阀门作用方向相反。
虽然分程控制可以是两个以上阀门共同控制，但一般采用的是两个阀门分程。
图1图2图3图4如图3所示分程控制曲线图，一个PID调节器的输出同时控制两个工作范围不同的气动调节阀。
通过阀门定位器或电-气阀门定位器来实现硬分程。
A阀为气开阀，在PID调节器的输出信号为0-50%，即4-12mA时，做全行程动作。
通过对调节阀与阀门定位器的联校，使A阀从全闭到全开动作，当输入电流为12mA时，A阀达时到全开状态。
B阀也为气开阀，在PID调节器的输出信号50%-100%，即12-20mA时，做全行程动作。
改变B阀电-气阀门定位器的正反作用方式，使得B阀作反向阀使用。
通过对调节阀与阀门定位器的联校，使B阀从全开到全闭动作，当输入电流为12mA时达到全开，20mA时阀达到全闭。
硬分程存在的问题1、两个气动调节阀串联在同一回路中，一旦中间线路出故障，或一个气动调节阀进行检修，另个气动调节阀也将不能工作。
因而，不能手动控制单个气动调节阀，操作起来很不方便。
2、分程控制的实现是通过调整阀门定位器的反馈杠杆，来改变阀门定位器的量程范围从而实现分程。
在实际应用中，现场需要根据分程控制曲线，对每段输出信号，进行调节阀调校，工作起来既繁琐又费时，而求维修也较为不便。
5_4_分程控制与阀位控制
4.调节器正、反作用方式的选择
示例1：
B A.O “ “-” +”
“ +” 反作用 “ +” A.O “ +”
“-” 正作用
A
管式炉原油出口温度阀位控制系统方框图
4.调节器正、反作用方式的选择
示例2：
A.O “ B P “ +” +” “-” 正作用 “ +” A.O “ +”
经济、合理 但不及时 快速、及时 但不经济
阀位控制器 B阀位设定值
主控制器
阀位控制系统应用
管式加热炉原油出口温度控制
及时有效 正作用
A.O
反作用
经济合理
A式加热炉原油出口温度控制
及时有效 正作用
A.O
稳定情况： 被控参数=设定温度R VB开度=r 干扰使θ ↑时：
气
调节阀气动信号（MPa）
阀
0.058 0.062
气
开 阀
关
阀位控制
在设计控制系统时，选择控制变量既要考虑经济性和合理
性，又要考虑快速性和有效性。但在有些情况下，很难做到两
者兼顾。阀位控制系统就是在综合考虑控制变量的快速性、有
效性和经济性、合理性基础上发展起来的一种控制系统。
阀位控制系统的原理结构
分程控制的基本设计思想
在分程控制系统中，仅有一个被控变量CV，但通常有两个操 作变量MVs。
▪ 分程控制的基本设计思想是，将两个MVs （或两个控制阀） 合并成一个MV，再按单回路方式进行控制；
▪ “分程”是指将控制器输出信号按范围划分成几段，其中每 一段只调节一个控制阀的开度（另一控制阀的开度保持不 变）。
分程控制与阀位控制
第五章5 分程控制控制系统
图1
分程控制系统方框图
分程控制系统中控制器输出信号的分段一般是由附设在控制阀上的阀门定
位器来实现的。阀门定位器相当于一台可变放大系数，且零点可以调整的放
大器。 阀门定位器可以将控制器的输出压力分成几段信号区间。不同段内的压力
有相应的阀门定位器转化为0.02~0.1MPa信号压力，使控制阀全程动作。
例如：A和B两个控制阀 要求：A阀在控制器输出信号压力为0.02~0.06MPa信号压力，使控制 阀全程动作。 A阀上的阀门定位器对应的输出压力为0.02MPa~0.1MPa，B阀上则在控制 器输出压力为0.06MPa~0.1MPa时通过附设在上面的阀门定位器使之也刚好走 完全程。 即，当控制其输出信号小于0.06MPa时，A阀动作，B阀不动作； 当信号大于0.06MPa时，A阀已动至极限，B阀开始动作。
一类是两个控制阀异向动作: 即随着控制器输出信号的增大成减小，一个控制阀开大，另 一个控制阀则关小，如图8—37所示，其中图(a)是A为气关阀、B 为气开阀的情况。图(b)是A为气开阀、B为气关阀的情况。
分程阀同向或异向动作的选择问题，要根据生产工艺的实际需要 来确定。
二、分程控制的应用场合
1．用于扩大控制阀的可调范围，改善控制品质
TCபைடு நூலகம்冷水
A B 蒸汽
FVA：气闭
FVB：气开
TC：反作用
1.反应开始前升温阶段→T测<给定值→TC↑→A阀↓ →（ A阀 全关时）B阀↑ →蒸汽加热， T↑→ 达到反应温度时，反应开 始； 2.反应开始后T↑ → T测.>给定值→TC↓ →B阀↓（B阀全关时） A阀↑→ T↓，冷却水把反应热带走，使反应釜温度恒定，反 应继续进行。
5.5
分程控制系统
9.分程控制-过程控制(自动化)解析
本讲主要内容
分程控制的特点与适用场合； 分程区间的确定方法； 阀位控制的概念与设计方法。
例1：间歇聚合反应器的控制问题
T
Y
冷水
“A”
蒸汽
“B”
控制要求：反应开始前，需要用蒸汽加热以达到反应所需 的温度；当反应开始后，因放出大量反应热，需要用冷水 进行冷却。要求全过程自动控制反应器的温度，怎么实现？
氮封的技术要求
实行氮封的技术要求是：要始终保持储罐内的 氮气压微量正压。储罐内储存物料量增减时， 将引起罐顶压力的升降，应及时进行控制，否 则将使储罐变形，更有甚者，会将储罐吸扁。 因此，当储罐内液面上升时，应停止继续补充 氮气，并将压缩的氮气适量排出。反之，当液 面下降时应停止放出氮气。只有这样才能达到 既隔绝空气，又保证容器不变形的目的。
多回路PID控制系统小结
用于改善控制系统性能的多回路PID系统 （1）串级控制系统； （2）前馈控制系统； （3）变增益/变比值控制系统。
用于满足工艺特定需要的多回路PID系统 （1）均匀控制系统； （2）比值控制系统； （3）分程控制系统； （4）阀位控制系统； （5）选择性控制系统。
练习
题1 下图为化学反应器的过程控制系统：1）说明图中的控制策略属于哪类控制系统？2） 最主要的被控变量是什么？最主要的操纵变量是什么？3）图中哪个控制器要整定的最慢， 哪个控制器要整定的最快？为什么？4）阀门V1是气开还是气关？为什么？V2是气开还是 气关？为什么？5）指出各图中控制器的正反作用，并给出选取的理由；6）给出图中控制 规律的选取。
0.10
调节阀气动信号（MPa）
避免两调节阀频繁开 闭的方法： （1）控制阀引入不 灵敏区。 （2）同时，控制器 引入调节死区（为什 么？）
《过程控制及仪表》期末复习题(基础题目)
一、填空题二、自动调节系统方块图中，给定值R，测量值Z和偏差e三者之间的关系是e=R-Z。
一、过渡过程结束时，被控变量所达到的新的稳态值与原稳态值之差叫做余差二、串级调节系统中，主回路是一个定值调节系统。
1．电子电位差计是根据电压补偿原理工作的。
三、积分时间愈____长_____，积分作愈弱。
四、当一个调节器的输出信号同时送给两个调节阀，这两个调节阀工作在不同的信号区间，则构成的控制系统为___分程__控制系统。
五、在自动控制系统中，能够测量某物理量的大小并把它转化为一种特定信号的自动化装置是测量变送器。
1．过程控制仪表包括控制器、执行器、操作器以及可编程控制器等各种新型控制仪表及装置。
2．一台仪表性能的优劣通常可以用精确度、变差、灵敏度来评价。
3．基本控制规律包括双位控制、比例控制、比例积分控制、积分控制、微分控制、比例微分控制、以及比例积分微分控制。
4．二、选择题1.在自动化仪表中，显示仪表用于各种检测变量的显示、记录，按显示方式可分为三大类，下面哪项不属于显示方式。
（ B ）A 模拟式显示仪表B高端显示仪表 C 屏幕显示仪表 D 数字式显示仪表2.对于始点为0℃的电子电位差计，当输入端短路时，仪表指针应指在（ C ）。
A．始点B．终点C．室温D．原位置3. 下列（ A ）不是描述对象特性的参数。
A.过渡时间B.时间常数C.放大系数D.滞后时间4. 下面哪项不属于复杂控制系统。
（ A ）A. 自动控制系统与编程控制系统B. 比值控制系统均匀控制系统C 分程控制系统与选择性控制系统D 串级控制系统与前馈控制系统5. 串级控制系统中，副调节器一般采用（D ）调节规律A.PIB.PIDC.PDD.P6. 下面哪项不属于过程控制系统的分类。
CA过程自动检测系统 B 过程自动控制系统C过程自动显示系统D过程自动报警与联锁保护系统7. 如图为一个加热器控制系统，通过将进料与蒸汽进行换热达到对物料进行加热的目的，希望出料温度恒定。
串级、比值、前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量六种复杂控制系统
1、串级控制系统
串级控制系统是应用最早，效果最好，使 用最广泛的一种复杂控制系统，它的特点 是两个调节器相串联，主调节器的输出作 为副调节器的设定，当对象的滞后较大， 干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级 控制系统。
1、基本概念
串级控制系统(Cascade Cont ro1System)是一 种常用的复杂控制系统，它根据系统结构
主回路(外回路)：断开副调节器的反馈回路 后的整个外回路。
副回路(内回路)：由副参数、副调节器及所 包括的一部分对象所组成的闭合回路（随
动回路)
主对象(惰性区)：主参数所处的那一部分工 艺设备，它的输入信号为副变量，输出信 号为主参数(主变量)。
副对象(导前区)：副参数所处的那一部分工 艺设备，它的输入信号为调节量，其输出 信号为副参数(副参数 将要达到危险值时，就适当降低生产要求， 让它暂时维持生产，并逐渐调整生产，使 之朝正常工况发展。能实现软限控制的控 制系统称为选择性控制系统，又称为取代 控制系统或超驰控制系统。
通常把控制回路中有选择器的控制系统称 为选择性控制(selective control)系统。选择 器实现逻辑运算，分为高选器和低选器两 类。高选器输出是其输入信号中的高信号， 低选器输出是其输入信号中的低信号。
控制系统一般又可分为简单控制系统和复 杂控制系统两大类，所谓复杂，是相对于 简单而言的。凡是多参数，具有两个以上 变送器、两个以上调节器或两个以上调节 阀组成多回路的自动控制系统，称之为复 杂控制系统。
目前常用的复杂控制系统有串级、比值、 前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量等， 并且随着生产发展的需要和科学技术进步， 又陆续出现了许多其他新型的复杂控制系 统。
路外，使调整k时不影响控制回路稳定性。
国家开放大学《化工仪表及自动化》形考任务1-4参考答案
国家开放大学《化工仪表及自动化》形考任务1-4参考答案形考任务11.控制系统的反馈信号使得原来信号增强的叫作（）。
A.负反馈B.正反馈C.前馈D.回馈2.下面（）符号代表调节阀。
A.FVB.FTC.FYD.FE3.在自动控制系统中，随动系统把（）的变化作为系统的输入信号。
A.测量值B.给定值C.偏差值D.干扰值4.过渡过程品质指标中，余差表示（）。
A.新稳态值与给定值之差B.测量值与给定值之差C.调节参数与被调参数之差D.超调量与给定值之差5.生产过程自动化的核心是（）装置。
A.自动检测B.自动保护C.自动执行D.自动调节6.下列压力计中，能测绝对压力且精度最高的是（）。
A.弹簧管压力计B.砝码、活塞式压力计C.电容式压力计D.电阻式压力计7.压力表在现场的安装需（）。
A.水平B.倾斜C.垂直D.任意角度8.测量氨气的压力表，其弹簧管应用（）材料。
A.不锈钢B.钢C.铜D.铁9.霍尔式压力传感器利用霍尔元件将压力所引起的弹性元件（）转换为霍尔电势实现压力测量。
A.变形B.弹力C.电势D.位移10.活塞式压力计上的砝码标的是（）。
A.质量B.压力值C.千克D.公斤11.仪表的精度级别是指仪表的（）。
A.基本误差B.最大误差C.最大引用误差D.基本误差和最大允许值12.若一块压力表量程为0～16MPa，要求测量值的绝对误差小于±0.2MPa，选用（）级的仪表。
A.1.0级B.1.5级C.2.0级D.0.5级13.评定仪表品质的主要质量指标是（）A.精度B.基本误差C.动态误差D.系统误差14.计算错误所造成的误差是（）。
A.随机误差B.系统误差C.疏忽误差D.附加误差15.由于仪表内部元件老化过程引起的误差称为（）。
A.疏忽误差B.缓变误差C.随机误差D.系统误差16.自动控制系统方块图由（）组成。
A.传递方块B.信号线C.比较点D.分支点17.下列过程中（）属于典型过渡过程的基本形式。
A.发散振荡过程B.等幅振荡过程C.随机振荡过程D.非周期衰减过程18.按误差产生的原因以及误差的性质，误差分为（）。
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F d Fmax dl
K
F／Fmax＝Kl十Kl
（1）连续分程法：
例2 等百分比阀
F d Fmax dl
K F Fmax
缺点：如果两个阀的流通能力相差很大时，会有一个阀的 分程信号变得非常小，调节困难。
7.1.4 分程阀流量特性问题
0 100% 0 100%
两阀异向 动作
0 100% 0 100%
7.1.2 分程控制的应用场合
（1）扩大控制阀可调范围： 两个阀分程使用，扩大了流通能力 两个流通能力相同的阀， 同调节蒸汽压力，小负荷时， 只开一个阀，大负荷时， 再开第2个阀。 通过计算，如果两个阀流通 能力相同，分程后， 总的流通能力扩大1倍。
F A B
变量A：经济合理 变量B：快速有效 C1主控制器，控制B
C2阀位控制器，控制A
C2
C1
7.2.2 阀位控制系统的应用
例1： 原油加热炉出口温度控制
B
A.O TC
TC 原油 燃料 A
VPC
A.O
原油出口温度控制系统
原油出口温度阀位控制系统
7.2.2 阀位控制系统的应用
例1： 原油加热炉出口温度控制
VA
) )
VPC输出 A
( T
A.O
总结：干扰出现，由快速变量迅速使被控量回到给定，然后， 由经济变量调整，最终使快速变量回到原来值，而整个控制 任务都又经济量完成。
7.2.2 阀位控制系统的应用
例2： 蒸汽减压系统压力控制
A A.O
工作原理：
A.O P
B
VPC
PC输出
P
VB
PC
(
VA
)
VPC输出
根据总符号为“-”的原则
GVB R Gc GCV r GVA GOA GOB Y
（4）参数整定 可视为两个彼此之间有联系的单回路系统来整定（与串级不同） 第一步：阀位控制器处于手动，按单回路系统整定方法整定 主控制器的参数。 第二步：主控制器处于自动状态，然后按单回路系统整定方法 整定阀位控制器的参数。
A阀控制信号:0.02~0.06Mpa B阀控制信号:0.06~0.1Mpa
控制器输出在0.06Mpa以下，只有阀A动作，在0.06Mpa 以上，只有阀B动作
7.1.1 概述
通过阀门定位器调整 A：0.02~0.06Mpa —— 0~100% B：0.06~0.1Mpa —— 0~100% 根据各阀的气开、气闭形式不同，决定阀的行程方向 两阀同向 动作
7.1.2 分程控制的应用场合
（2）同时控制两种介质，满足工艺要求
A
— TC A A.C
B
B A.O
图7—4 间歇式化学反应器分程控制系统
7.1.2 分程控制的应用场合
（2）同时控制两种介质，满足工艺要求 工艺要求：投料后，需由蒸汽加温，以达到反应温度， 反应进行后，放出热量，需要将热量移走。 两个控制阀：冷水阀 A（气关）、蒸汽阀 B（气开） — —安全角度设置 温度控制器TC（反作用）——副反馈要求 T<设定值，TC输出增加A阀关闭、B阀逐渐打开 T>设定值，TC输出减小A阀逐渐打开、B阀关闭
7.1.2 分程控制的应用场合
（3）安全生产的防护措施
放空 B A.C A A.O 氮 PC — B A
11.6 12.4
图7-6 油品储罐氮封分程控制 加氮阀A、放空阀B，控制两个阀，共同保持储罐氮封压力 为了防止在分程点两个阀频繁动作，可以设置一个死区
7.1.3 分程控制器参数整定
A阀 控制器 B阀 变送器 1例子两个阀通道相同，若阀的特性也相同，按一个阀通道整定即可 A阀
( P
)
VB
VA
VB由 r 确定
蒸汽减压系统低压总管压力阀位控制
VA处于一新的开度
7.2.2 阀位控制系统的设计及整定
（1）操纵变量的选择 A——经济合理 B——快速有效 （2）控制阀开闭形式
与单回路相同
（3）控制器规律和正反作用 主控制器： PI（PID 对象时间常计及整定
（2）间隔分程法：
事先确定分程点，再分别作出各自的流量曲线， 如果在分程点流量特性突变较小，可把突变部分信号去掉
7.2 阀位控制系统 7.2.1 概述
控制某个过程参数时，操纵变量的选择不是唯一的 操纵变量选择的原则：经济性和工艺合理性、快速性 和有效性 有些情况，两者不能兼顾 综合考虑——阀位控制系统
对象
控制器
B阀 变送器 2例子两个阀通道不相同，只能折中 换热
反应
7.1.3 分程控制器参数整定
控制器 阀A 阀B 变送器 3例子，A通道为充氮流量对储油罐压力影响的通道，符号为+； B通道为放空流量对储油罐压力影响的通道，符号为- ； 阀A为气开阀，符号为+； 阀B为气闭阀，符号为- ； 根据两个通道都要形成负反馈，所以控制器为反作用。 若两个阀的特性相同，按一个阀通道整定即可。 对象A 对象B
7.1.4 分程阀流量特性问题
100%
0
0.02
0.06
0.1
0.02
0.06
0.1
图7—11 A、B分程阀特性
图7—12 A、B分程阀组合特性
两个流通能力不同的阀，组合后的流量特性就成为了非线性，
在分程点有一个转折，不平滑
7.1.4 分程阀流量特性问题
（1）连续分程法： 寻找总的流量特性曲线，再确定分程点 例1 线性阀
过程控制系统及工程
第7章 分程及阀位控制系统 信息学院自动化系：孙洪程 Email:Sunhc@
第 章
分程及阀位控制系统
7.1 分程控制系统 7.2 阀位控制系统
7
7.1 分程控制系统 7.1.1 概述
一个控制器控制几个控制阀——输出信号分段“分程控制”
如，控制两个阀A、B
A.O A.O —
PC
7.1.2 分程控制的应用场合
（1）扩大控制阀可调范围：
例：
假定系统中所采用的A、B两只控制阀最大流通能力Cmax均 为100，可调范围R为30。由于控制阀的可调范围为： R=Cmax/Cmin Cmin=Cmax/30=3.33 当采用两只控制阀组成分程控制时，最小流通能力不变，而 最大流通能力应是两阀都全开时的流通能力，即： C' max＝CAmax十CBmax＝2Cmax＝200 因此A、B两只控制阀构成分程控制时，两阀组合后的可调范围 ' C 200 应是： ' R’=60 max R 60 C min 100 30
B A.O TC
A：燃料量，经济合理，阀位控制器
B：支管原油量，快速有效，主控制器
工作原理：
T TC输出 T VB
VPC
(
VA
) ( T
VPC输出
A
A.O
)
T=Tsp
VA处于某一新开度，VB处于VPC所设置的小开度 r
7.2.2 阀位控制系统的应用
B
工作原理：
T
A.O TC
TC输出 T
VB
VPC
(