9.分程控制-过程控制(自动化)解析

T1C
T2C
FC
冷却剂 加热剂 (C)
V1
V2
练习（续）
答：⑴ 是串级分程控制系统。 ⑵ 最主要的被控变量是反应器内温度，最主要的操纵变量是冷剂流量。 ⑶ 图中T1C要整定的最慢，FC最快。 ⑷ 阀门V1是气关，保证反应温度不致过高，从而生成其它产物。阀门 V2是气关。 ⑸ 图中：T1C反作用，T2C正作用，FC正作用。 (6) T1C：PID；T2C：P（PI，I弱）；FC：P。
分程控制应用之一（续）
对于此问题的解决办法：
采用两个控制阀（同为气开或气关），在小流量（低负荷）时用小阀 加酸或碱试剂，在大流量（高负荷）时用小阀不够时再开大阀加酸或碱试 剂。 比如：两阀分别为A和B，QAmax=4， QBmax=100，两阀的可调范围相等，即 RA=RB=30。若B阀的泄漏量为最大流量的0.02% ，即QBS=0.02%QBmax=0.02。 当采用分程控制后，最小流量和最大流量分别为： Qmin=QAmin+QBS=4/30+0.02=0.153；Qmax=QAmax+QBmax=4+100=104 因此此两阀组合在一起的可调范围将扩大到R=104/0.153≈680»30。
分程与阀位控制系统
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
“A” “B”
冷水 蒸汽
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？
富气 C-201 TIC203
TC
D-201
FC
分 馏 一中回流 塔
粗汽油
FIC203 反应油气
轻柴油
回炼油浆
问题：TIC203与轻柴油的产品 质量关系密切，需要加以有效 控制。但原控制方案中三通调 节阀的调节能力不足，经常需 要人工干预（手动调节一中回 流量）。 如何改进方案？要求： （1）确保TIC203的控制能力； （2）尽可能使一中回流经换热 器进行能量回收； （3）一中回流量作为稳定塔的 热源，希望波动尽可能小。
分程控制应用之一
扩大控制阀的可调范围（同向分程）
控制阀的可调范围R：阀的静态指标，是控制阀可以调节的最 大流量与最小流量之比。国产柱塞型阀固有可调范围是30。 绝大多数化工生产过程中，R=30的控制阀足够满足生产要求。 对于废水处理中的pH值控制，可调范围要求特别大。工厂的 废液来自下水道、污水沉淀池、洗涤器等处，其流量变化可达4-5 倍，酸碱含量可以变化几十倍以上；废液中酸或碱的类型各异， 其含量变化使pH值也产生变化，因而这种场合需要的可调范围会 超过1000。
调节阀气动信号（MPa）
f1 f 3 2 u u
例2：贮罐气封分程控制系统
排 空
PC
气关阀 “B”
“A” 气开阀
N2
N2
在炼油厂或石油化 工厂中，有许多存 放着各种油品或石 油化工产品的储罐， 为使这些油品或产 品不与空气中的氧 气接触而被氧化变 质，常采用罐顶充 氮气的做法，使储 存物与外界空气隔 绝。
外甩油浆
催化裂化装置分馏塔工艺流程：主要产品为粗汽油和轻柴油，
原料为来自反应再生系统的反应后油气。分馏塔内压力、温 度、中段回流对产品的质量都有影响。
中段回流取热
。分馏塔从下到上有5个侧线抽出回流，分别 为油浆、二中段（重循环油）循环回流、一中段（轻循环油） 循环回流、重汽油循环回流、顶循环回流。
分程控制应用之二
满足工艺上操作的特殊要求（异向分程）
例1的间歇聚合反应器的温度控制就是这样的情况
反应器温度分程控制系统
问题： （1）选择两调节阀 的气开气关属性； （2）温度控制器的 正反作用； （3）协调两调节阀 的动作； （4）如何克服广义 对象的非线性。
反应器温度控制系统 调节阀的分程动作关系
补偿原理：
Tm f1 Tm f 2 f1 u f 2 u
分程控制非线性补偿方法
阀开度(%)
补偿原理：
Tm f1 Tm f 2 f1 u f 2 u
100
“A” “B”
0 0.02 0.04 0.06 0.10
若
Tm Tm 3 f1 f 2
练习题
PD
进料 Δ Pm TC PB
顶产品
气开 底产品
如图所示的精馏塔提馏段灵敏板 温度控制回路很可能引起液泛。 假设液泛可以用塔底和塔顶压力 之差来表征（压差太大表示可能 存在液泛）。请在此基础上设计 一个液泛约束控制系统，以保证 正常操作时按提馏段温度调节加 热蒸汽流量，而当塔即将出现液 泛时则要求调节加热蒸汽流量确 保不发生液泛。要求： （1）画出带控制点的流程图与 对应的方块图； （2）选择调节器的正反作用。
阀
气 开
阀
阀位控制系统
r1 主控制阀 主控制器 r2 阀位控制器 （VPC） 测量变送器 图中，r2为对应旁路阀（主控制阀）的较小开度设定值。阀 位控制器VPC和副控制阀及对象构成一个次控制回路，主控制 器和主控制阀（旁路阀）及对象构成主控制回路（具有良好 的动态品质）。 副控制阀 对 象
例3：分馏塔轻柴油 抽出塔板温度控制问题
轻柴油抽出板温度 的双重控制系统
Tsp
TC VPC
Vsp TIC203 一中回流
FC
分 馏 塔
轻柴油
FIC203 反应油气
图中VPC称为“阀位控制 器”，其测量值为主调节阀 （本例中为三通调节阀）的 开度。 系统特点： （1）对主参数的控制能力显 著提高。与分程控制不同的 是，两调节阀可同时动作。 （2）通过设定Vsp，可实现能 量回收的最大化。
100
“A”
0 0.02
“B”
0.10
0.06
调节阀气动信号（MPa）
控制阀分程动作---异向分程
工作过程： （1）当温度偏低时，调节阀 气动信号增大。若冷水阀A 还未全关，则逐步关冷水阀； 否则，开大蒸汽阀B； （2）当温度偏高时，调节阀 气动信号减少。若蒸汽阀B还 未全关，则逐步关蒸汽阀； 否则，开大冷水阀A；
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。
问题： （1）协调两调节阀的动作； （2）如何避免两调节阀的频繁开闭以减少N2用量?
图中所用的仪表均为气动仪表，A阀选择气开阀，B阀 选择气关阀，控制器具有反作用，采用PI控制规律 。
贮罐气封分程控制系统 分程动作过程
100
“B”
0 0.02
“A”
0.10
0.058 0.062
调节阀气动信号（MPa）
反应器温度分程控制系统
分程控制
定义：若一台控制器去操纵几只阀门，并且是按输出
信号的不同区间操作不同的阀门，这种控制方式习惯 上称为分程控制。 根据阀的开闭形式，分程控制有同向分程、异向分程 两种。同向分程：多个阀同为气开阀，或同为气关阀。 异向分程：多个阀中一些为气开，其他为气关阀。同 向或异向规律的选择全由工艺的需要而定。 设计分程控制的目的：一是为扩大控制阀的可调范围， 以改善控制系统的品质；二是满足工艺上操作的特殊 要求。
阀
气
分程控制系统的非线性
冷水阀 Tsp ＋ － u(t) TC 蒸汽阀 Tm 温度测量 f2(t) 换热器 f1(t) ＋ 反应釜 ＋
问题：
Tm Tm f1 f 2
分程控制系统非线性的补偿
冷水阀 Tsp ＋ － u(t) TC 蒸汽阀 Tm 温度测量 f2(t) 换热器 f1(t) ＋ 反应釜 ＋
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。
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？）
阀开度(%)
气
关
B阀接受控制器的输出信号为0.02-0.058MPa，而A阀接受的信号 为0.062-0.10MPa。因此，在两个控制阀之间存在一个不灵敏区 （间隙区）。针对一般储罐顶部空隙较大，压力对象时间常数大， 而氮的压力控制精度要求不高的实际情况，存在一个不灵敏区是 允许的。