17 4-5 分程与选择性控制.pptx

第1页：分程与选择性控制概述

5.分程与选择性控制

• 前面介绍的过程控制系统有个显著特点，即在正常生产情况下，组成系统的各部分如检测器、变送器、调节器、调节阀等，一般工作在一个较小的工作区域内。
• 为了使系统工作范围扩大或在系统受到大扰动甚至事故状态下仍能安全生产，开发了分程与选择性控制系统。
• 分程与选择性控制是通过有选择的非线性切换方式使不同的部件工作在不同区域内来实现工作范围的扩大。

第2页：分程控制的原理

分程控制系统原理与设计注意问题1.分程控制原理

• 单回路控制系统是由一个调节器的输出带动一个调节阀动作的。
• 在生产过程中，有时为了满足被控制参数宽范围的工艺要求，需要改变几个控制参数。
• 这种由一个调节器的输出信号分段分别去控制两个或两个以上调节阀动作的系统称为分程控制系统。

第3页：分程控制框图

分程控制框图11A:20～60kPaB:60～lOOkPa将两个调节阀当作一个调节阀使用，从而可扩大其调节范围，改善其特性，提高控制质量。

第4页：分程控制的可调范围计算

分程控制的可调范围计算

可调范围页，给出大小阀并联后可调范围由30提高到780即为单个阀的26倍。

最大流通能力可调范围可知小阀最小流通能力为大阀最大流通能力为可调范围：CAmax4CBmax100RARB30AminACCAmaxR40.13430Amin4/30CCBmaxCAmax1042630780分R＝

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第5页：阀门定位器实现分程

例如，调节阀A的阀门定位器的输入信号范围为20一60kPa，其输出(Bp调节阀的输入)信号是20—100kPa，调节阀A作全行程动作；调节阀B的阀门定位器输入是60～lOOkPa，使调节阀B全行程动作。也就是说，当控制器(调节器)输出信号小于60kPa时，调节阀A动作，调节阀B不工作；当信号大于60kPa时，调竹阀A已动至极限，调节阀B动作。分程控制是通过阀门定位器或电—气阀门定位器来实现的。它将调节器的输出压力信号分成几段，不同区段的信号由相应的阀门定位器转化为20～100kPa压力信号，使调节阀全行程动作。

第6页：同向与异向动作的调节阀

或关小。

1. 分程控制对调节阀的要求
2. 根据要求选择同向或异向规律的调节阀同向：随着调节阀的输入信号的增大，两个阀都开大调节阀同向动作14气开气关

第7页：调节阀异向动作的选择

反向规律调节阀：随着调节阀输入信号的增大，一个阀关闭，另一个阀门开大调节阀异向动作15A气开，B气关A气关，B气开分程控制中调节阀同向或异向动作的选择完全由生产工艺安全的原则决定。

第8页：分程点流量特性的突变

在分程控制中，实际上是把两个调节阀作为一个调节阀使用，因此要求从一个阀向另一个阀过渡时，其流量变化要平滑。

• 但由于两个阀的放大系数不同，在分程点上常会引起流量特性的突变，尤其是大、小阀并联工作时，更需注意。如采用前面介绍的可调范围达780的两个调节阀，当均为线性阀时，其突变情况非常严重，当均采用对数阀时，突变情况要好一些。

第9页：分程控制的流量特性曲线

分程控制的流量特性曲线

流量特性页，对比线性阀与对数阀在分程点处的突变程度。

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第10页：流量特性的选择措施

在分程控制中，调节阀流量特性的选择非常重要，为使总的流量特性比较平滑，一般应考虑如下措施：1)尽量选用对数调节阀，除非调节阀范围扩展不大时(此时两个调节阀的流通能力很接近)，可选用线性阀。2)采用分程信号重叠法。使两个阀有一区段重叠的调节器输出信号，这样不等到小阀全开，大阀就已渐开。

第11页：调节阀的泄漏量问题

（2）泄漏量问题调节阀的泄漏量大小是实现分程控制的一个很重要的问题。选用的调节阀应不泄漏或泄漏量极小，尤其是大、小阀并联工作，若大阀泄漏量过大，小阀将不能充分发挥其控制作用，甚至起不到控制作用。

第12页：应用之节能控制

分程控制能扩大调节阀的可调范围，提高控制质量，同时能解决生产过程中的一些特殊问题，所以应用很广。20例1用于节能控制如在某生产过程中，冷物料通过热交换器用热水(工业废水)和蒸汽对其进行加热，当用热水加热不能满足出口温度要求时，则再同时使用蒸汽加热，从而减少能源消耗，提高经济效益。为此，设计了温度分程控制系统。

第13页：温度分程控制的工作过程

蒸汽阀和热水阀均选气开式，调节器为反作用，在正常情况下，调节器输出信号使热水阀工作，此时蒸汽阀全关，以节省蒸汽；

• 当扰动使出口温度下降，热水阀全开仍不能满足出口温度要求时，调节阀输出信号同时使蒸汽阀打开，以满足出口温度的工艺要21温度分程控制

第14页：应用之扩大可调范围

例2用于扩大调节阀的可调范围如废水处理中的pH值控制，调节阀可调范围特别大，废液流量变化可达4—5倍，酸碱含量变化几十倍，在这种场合下，若调节阀可调范围不够大，是达不到控制要求的，为此必须采用大、小阀并联使用的分程控制。

第15页：应用之储罐氮封

例3用于保证生产过程的安全、稳定为了保证储罐内的原料或产品与空气隔绝，以免被氧化变质或引起爆炸危险，常采用罐顶充氮气的方法。采用氮封技术的工艺要求是保持储罐内的氮气压力呈微正压。当储罐内的原料或产品增减时，将引起罐顶压力的升降，故必须及时进行控制，否则将引起储罐变形，甚至破裂，造成浪费或引起燃烧、爆炸危险。所以，当储罐内原料或产品增加时，即液位升高时，应及时使罐内氮气适量排空，并停止充氮气；反之，当储罐内原料或产品减少，液位下降时，为保证罐内氮气呈微正压的工艺要求，应及时停止氮气排空，并向储罐充氮气。

第16页：储罐氮封分程控制系统

储罐氮封分程控制系统A气开B气关调节器为“反”作用当罐内物料增加，液位上升时，应及时停止充氮气，即A阀全关，并使罐内氮气排空，即B阀打开；反之，当罐内物料减少，液位下降时，应及时停止氮气排空，即B阀全关，并应向储罐充氮气，即A阀打开工作24原理

第17页：应用之不同工况的控制

例4用于不同工况下的控制

• 在化工生产中，有时需要加热，有时又需要移走热量，为此配有蒸汽和冷水两种传热介质，设计分程控制系统，以满足生产工艺要求。
• 如釜式间歇反应器的温度控制。在配置好反应物料后，开始需要加热升温，以引发反应，当反应开始趋于剧烈时，由于放出大量热量，若不及时移走热量，温度会越来越高引起事故，所以需要冷却降温。为了满足工艺要求，设计分程控制。

第18页：反应器温度分程控制

釜式间歇反应器温度分程控制气开气关调节器为“反”作用工作过程为：

• 起始温度低于给定值，调节器输出信号增大，打开蒸汽阀，通过夹套对反应釜加热升温，引发化学反应；
• 当反应温度升高超过给定值时，调节器输出信号减小，逐渐关小蒸汽阀，接着开大冷水阀以移走热量，使温度满足工艺要求。

第19页：选择性控制的提出

5.3选择性控制系统原理与设计原则

• 在现代工业生产过程中，要求设计的过程控制系统不但能够在正常工况下克服外来扰动，实现平稳操作，而且还必须考虑事故状态下能安全生产。
• 由于实际生产限制条件多，其逻辑关系又比较复杂，操作人员的自身反应往往跟不上生产变化速度，在突发事件、故障状态下难以确保生产安全，以往大多采用手动或联锁停车保护的方法。但停车后少则数小时，多则数十小时才能重新恢复生产。这对生产影响太大，造成经济上的严重损失。

第20页：选择性控制的定义

为了有效地防止生产事故的发生，减少开车、停车的次数，开发了一种能适应短期内生产异常，改善控制品质的控制方案，即选择性控制。

• 选择性控制是把生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统上去的一种组合控制方法。
• 即在一个过程控制系统中，设有两个控制器(调节器)(或两个以上的变送器)，通过高、低值选择器选出能适应生产安全状况的控制信号，实现对生产过程的自动控制。

第21页：取代与恢复的工作过程

当生产过程趋近于危险极限区，但还未进入危险区时，一个用于控制不安全情况的控制方案，通过高、低选择器将取代正常生产情况下工作的控制方案(正常调节器处于开环状态)，直至使生产过程重新恢复正常。

• 然后，又通过选择器使原来的控制方案重新恢复工作。因而这种选择性控制系统又被称为自动保护系统，或称为软保护系统。

第22页：选择器的位置

选择性控制系统的特点是采用了选择器。选择器可以接在两个或多个调节器的输出端，对控制信号进行选择；

• 也可以接在几个变送器的输出端，对测量信号进行选择，以适应不同生产过程的需要；
• 根据选择器在系统结构中的位置不同，选择性控制系统可分为两种。

第23页：选择器位于调节器输出端

选择器位于调节器的输出7主要特点是：两个调节器共用一个调节阀。在生产正常情况下，两个调节器的输出信号同时送至选择器，选出正常调节器输出的控制信号送给调节阀，实现对生产过程的自动控制。当生产不正常时，通过选择器由取代调节器取代正常调节器的工作，直到生产情况恢复正常。

第24页：选择器位于调节器之前

选择器位于调节器之前该选择性系统的特点是几个变送器合用一个调节器。通常选择的目的有两个，其一是选出最高或最低测量值；其二是选出可靠测量值。如固定床反应器中，为了防止温度过高烧坏催化剂，在反应器的固定催化剂床层内的不同位置上，装设了几个温度检测点，各点温度检测信号通过高值选择器，选出其中最高的温度检测信号作为测量值，进行温度自动控制，从而保证了反应器催化剂层的安全。

第25页：选择器的选型

选择性控制系统可等效为两个(或更多个)单回路控制系统。选择性控制系统设计的关键(其与单回路控制系统设计的主要不同点)是在选择器的设计选型以及多个控制器控制规律的确定上。1．选择器的选型选择器有高值选择器与低值选择器。前者容许较大信号通过，后者容许较小信号通过。在选择器具体选型时，根据生产处于不正常情况下，取代调节器的输出信号为高值或为低值来确定选择器的类型。如果取代调节器输出信号为高值时，则选用高值选择器；如果取代调节器输出信号为低值时，则选用低值选择器。

第26页：控制器控制规律的确定

控制器(调节器)控制规律的确定

• 对于正常控制器，由于控制精度要求较高，同时要保证产品的质量，所以应选用PI控制规律；
• 如果过程的容量滞后较大，可以选用PID控制规律；
• 对于取代控制器，由于在正常生产中开环备用，仅要求在生产将出问题时，能迅速及时采取措施，以防事故发生，故一般选用P控制规律即可。

第27页：控制器的参数整定

控制器(调节器)参数整定

• 选择性控制系统控制器参数整定时，可按单回路控制系统的整定方法进行整定。
• 取代控制方案投入工作时，取代控制器必须发出较强的控制信号，产生及时的自动保护作用，所以其比例度δ应整定得小一些。如果有积分作用时，积分作用也应整定得弱一点。

第28页：应用之锅炉燃烧系统

选择性控制工业应用举例

• 在锅炉的运行中，蒸汽负荷随用户需要而经常波动。在正常情况下，用控制燃料量的方法来维持蒸汽压力的稳定。
• 当蒸汽用量增加时，蒸汽总管压力将下降，此时正常调节器输出信号去开大调节阀，以增加燃料量。
• 同时，燃料气压力也随燃料量的增加而升高。当燃料气压力超过某一安全极限时，会产生脱火现象，可能造成生产事故。

第29页：压力选择性控制系统

压力选择性控制系统

方案页，给出蒸汽压力与天然气压力经低值选择器切换的工作原理。

压力选择性控制系统正常情况下：a<b

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第30页：积分饱和现象

5.4选择性控制系统中的积分饱和及其防止方法对于在开环状态下具有积分作用的控制器(调节器)，由于给定值与实际值之间存在偏差，调节器的积分动作将使其输出不停地变化，一直达到某个限值(如气动调节器的积分饱和上限约为气源压力0.14MPa，下限值接近大气压)并停留在该值上，这种情况称为积分饱和。14积分饱和

第31页：选择性控制中的积分饱和

在选择性控制中，总有一个控制器(调节器)处于开环状态，只要有积分作用都可能产生积分饱和现象；

• 若正常调节器有积分作用，当由取代调节器进行控制，在生产工况尚未恢复正常时(此时一定存在偏差，且一般为单一极性的大偏差)，正常调节器的输出就会积分到上限或下限值；
• 在正常调节器输出饱和情况下，当生产工况刚恢复正常时，系统仍不能迅速切换回来，往往需要等待较长一段时间；

第32页：积分饱和的危害

因为：刚恢复正常时，若偏差极性尚未改变，调节器输出仍处于积分饱和状态，即使偏差极性已改变了，调节器输出信号仍有很大值；

• 若取代调节器有积分作用，则问题更大，一旦生产出现不正常上况，就要延迟一段时间才能进行切换，这样就起不到防止事故的作用；
• 必须采取措施防止积分饱和现象的产生。

第33页：防止积分饱和的方法

方法

1. PI：P法对于电动调节器来说，当其输出在某一极限内时，具有PI作用；当超出这一极限内时，为纯比例(P)作用，可避免积分饱和现象。
2. 外反馈法取代调节器处于备用开环状态时，不用其本身的输出，而用正常的输出作为积分反馈，以限制其积分作用。

第34页：积分外反馈原理示意图

积分外反馈原理示意图

外反馈原理页，给出低选时调节器1保持PI而调节器2待选的积分反馈联接。

积分外反馈原理示意图若选择器为低选时

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第35页：外反馈法的分析

19e1dt)1TI2p2＝KC2e2＋其积分项的偏差为e1而不是e2，所以不存在e2带来的积分饱和问题，当系统稳定时，e1＝0，调节器2仅有比例作用，所以取代调节器2在备用开环状态下不会产生积分饱和。一旦生产出现异常，p2被选中时，p2引入积分环节，立即恢复PI控制规律投入运行。

第36页：第四章小结与基本要求

基本要求

1. 熟练掌握串级控制系统结构特点。能绘出串级控制系统的框图，掌握串级控制的性能特点。
2. 了解串级控制系统主、副控制器控制规律的选择。了解串级控制系统中控制器的参数的整定。
3. 掌握前馈控制的原理特点，了解系统参数的工程整定。
4. 了解大滞后过程与常规控制方案原理，了解大滞后过程的预估补偿控制和采样控制思想。
5. 了解常用的比值控制方案。
6. 理解分程与选择性控制的基本原理。

第37页：第四章思考题

思考题

1. 与单回路系统相比，串级控制系统有哪些主要特点?
2. 为什么串级控制系统参数的整定要比单回路系统复杂?
3. 怎样整定主、副调节器的参数?
4. 串级控制系统通常可用在哪些场合?
5. 前馈控制和反馈控制各有什么特点？
6. 什么叫比值控制系统?常用比值控制方案有哪些?并比较其优缺点。
7. 在分程控制中需注意哪些主要问题?为什么在分程点上会发生流量特性的突变?如何解决?

第38页：第四章习题

第四章习题

第四章习题页，列出教材中复杂控制系统分析与设计的相关题目。

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