复杂控制系统讲义教案.docx

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复杂控制系统讲义教案

培训教案

复杂控制系统

一、教学要求

1、教材分析

复杂控制系统是“化工过程控制”课程中的重要内容，是化工生产过程控制不可缺少的组成部分。

本章是在单回路控制系统的基础上，对控制系统的进一步引伸。

掌握好本章内容，有助于正确的分析和处理复杂控制系统运行和维护过程中出现的各种问题。

2、教学目的

①理解和掌握复杂控制系统的组成原理及特点。

②了解对象特性，提高分析和解决问题的能力。

3、教学重点

复杂控制系统的组成、特点及参数的选择。

4、教学难点

理解复杂控制系统主要参数的选择、PID参数的选择和控制的稳定性问题。

5、课堂教学方式

讲授为主。

二、教学过程及实施

1、导入课程

先举一个聚合釜温度控制系统的例子。

说明单回路控制系统在化工生产过程中的局限性，必须采用更为先进的控制方案，才能满足要求。

2、讲授新课

第一节串级控制系统

1、串级控制系统的组成

简单的说，串级控制系统就是把两个调节器串接起来，其中前一调节器的输出作为后一调节器的给定。

组成见图1。

图1串级控制系统方块图

2、串级控制系统的常用名词

主参数：

生产工艺过程中主要控制的工艺指标。

在串级调节系统中其主导作用的那个被调参数即为主参数。

副参数：

影响主参数的主要变量或是因为满足某种关系的需要而引入的中间变量。

主对象：

为生产过程中所要控制的，由主参数表征其主要特性的工艺生产设备。

副对象：

生产过程中影响主参数的，由副参数表征其主要特性的工艺生产设备。

主调节器：

在系统中起主导作用，按主参数与给定值的偏差而动作，其输出作为副参数给定值的那个调节器。

副调节器：

其给定值由主调节器的输出所决定，并按副参数与主调节器的输出的偏差而动作，其输出直接控制调节阀的那个调节器。

副回路：

处于串级调节系统内部的，由副参数测量变送、副调节器、调节阀、副对象等组成的内部回路。

主回路：

既整个串级调节系统，共包括主调节器，副回路等效环节，主对象及主参数测量变送等部分。

3、串级控制系统的特点

1由于副回路的预先调节作用，对进入副回路的干扰有较强的抗干扰能力。

主要是两台调节器串接一起，其放大倍数的乘积远大于一台调节器的放大倍数。

2由于副回路的作用，改善了对象特性，提高了工作频率。

副回路作为主回路中的一个等效对象，其调节作用可使副环对象的时间常数缩小。

并且这种效果随着副调节器KC增加而更加显著（与KC有反比关系）。

3由于副回路的作用，具有一定的自适应能力，适应负荷和操作条件的变化。

串级控制系统就其主回路来说，它是一个定值控制系统，副回路对主调节器来说是一个随动系统，主调节器按操作条件和负荷变化情况，不断纠正副调节器的给定植，以适应操作条件和负荷变化。

就此意义上说，串级控制系统具有一定的自适应能力。

4、主副参数的选择

1副回路必须包括主要干扰。

2主、副对象的时间常数和滞后适当匹配，防止“共振”，一般TP1／TP2≧3／1。

5、串级控制系统的举例-聚合釜温度串级控制系统

①工艺原理简介

以PVC工艺聚合釜温度控制系统为例。

氯乙烯聚合过程大致如下。

先将无离子水加入聚合釜内，在搅拌下继续加入分散剂水溶液和其它助剂，后加引发剂，密闭，抽真空，必要时以氮排除釜内空气。

最后加入单体，升温至预定温度进行聚合。

氯乙烯

聚合系放热反应，放出的热量由夹

套中冷却水带走。

放热速度与传热

速度应该相等，以保证聚合温度恒

定。

氯乙烯聚合速率取决于引发剂助

剂。

引发剂助剂有高活性、中活性、图2氯乙烯聚合转化率-时间曲线

低活性之分。

不同的活性将影响氯乙烯聚合速率。

图2是不同引发剂配方的转化率曲线。

②系统组成

釜的中部温度作为该串级控制系统的主参数，夹套循环水出口温度为副参数，调节循环水量带走聚合反应所产生的热量，达到热量平衡，即可保证聚合釜温度的稳定。

组成见图3。

图3聚合釜温度串级控制系统

③控制过程

聚合釜温度串级控制系统是一个

程序控制过程，如图4。

大体上分为

三个步骤，即升温阶段、恒温阶段、

降温阶段。

升温是在一定的时间内，

将物料的温度升到聚合温度，在控图4聚合温度控制曲线

制上采用蒸汽加热循环水的方法进行。

待聚合开始后，由于聚合是一个放热反应，为了保持釜温恒定，此时，只用循环水进行循环，以带走聚合过程中所产生的热量，保持釜温的稳定。

到了聚合末期，釜压开始下降，反应逐渐结束，温度开始下降，直至到达常温。

第二节比值控制系统

一、概述

在化工生产中，经常需要两种物料以一定的比例混合或参加化学反应。

如果一旦比例失调，就可能造成生产事故或发生危险。

在比值调节系统中，需要保持比例关系的两种物料，必有一种处于主导地位，这种物料称之为主流量或主动物料，用G1表示。

而另一种物料随主流量变化，称之为副流量或从动物料。

用G2表示。

二、常见的比值控制方案

1、单闭环比值调节

最简单的比值调节方案如图4所示。

主参数为开环，副参数为闭环。

在稳定情况下，主、副流量满足工艺要求的比值K=G1/G2。

当主流量变化时，其流量信号经变送器送到比

值计算器，比值计算器则按预先

设置好的比值系数使输出成比例

变化，即成比例改变了副流量调

节器的给定植，此时副流量调节

器是一个随动调节系统。

G2经

调节作用自动跟随G1变化，使图5单闭环比值控制系统

其在新的工况下保持比值K不变。

当副流量由于自身干扰而变化时，副流量调节是一个定植调节系统，经调节克服干扰，使工艺要求的流量比保持不变。

2、双闭环比值调节

在要求主、副参数均稳定的情况下，采用双闭环。

可以克服主副流量的各

自干扰。

组成见图6。

氯化氢合成炉的

氯气和氢气配比控

制就是一个双闭环

控制系统。

3、变比值调节

有些化学反应过

程需要两种物料图6双闭环比值控制系统图

的比值根据第三参数的需要不断校正，这种控制系统称为变比值控制系统。

三、方案实施及参数的整定

由于比值控制系统测量信号为流量，所以变送器的输出电流有开方和不开方两种情况。

这在使用中应当注意。

我们知道，变送器的输出电流可以表示为：

不开方时I=（⊿P/⊿Pmax）*16+4

=（Q2/Qmax2）*16+4

开方时I=（⊿P/⊿Pmax）1/2*16+4

I=（Q2/Qmax2）1/2*16+4

若经过DCS进行开方，其公式为：

I=（I1/20）1/2*16+4

不论哪种情况，其结果是一样的。

值得注意的是，流量信号必须进行滤波，否则，对控制过程的稳定性造成不利的影响。

必要时，进行小流量信号切除。

用常规仪表实现比值控制，有比值器、配比器、乘法器、除法器。

四、举例

此控制方案可以在控制过程中有效的防止氯气过量。

图7氯化氢选择性配比控制

当增加设定值时，调节过程如下：

设定值增加HSO=FIC101设定值增加调节阀开大氢气增加乘以K增大（仍小于设定值）LSO=FIC102设定值增加调节阀开大氯气增加直至达到设定值。

当减小设定值时，调节过程如下：

设定值减小LSO=FIC102设定值减小调节阀关小氯气减小HSO=FIC101设定值减小调节阀关小氢气减小直至达到设定值。

第三节三冲量控制系统

锅炉汽包水位是一个典型的三冲量控制系统的例子。

先看一下对象的特性。

影响汽包水位变化的原因很多，其中主要有锅炉蒸发量D、给水流量W、炉膛热负荷（燃料量B），汽包压力Pb和省煤器的型式等。

它们对水位的影响是各不相同的。

给水流量W和蒸汽流量D是给水自动调节中影响汽包液位H的两种主要扰动，前者来自调节侧的扰动，称为内扰；后者来自负荷侧的扰动，称为外扰。

下面讨论在几种主要扰动下给水调节对象的动态特性。

1、锅炉蒸发量D扰动下对象的动态特性

由于负荷的变化，蒸发量D产生扰动，如图8所示阶跃增加⊿D，在既

不用人工也不用自动装置来调节给水

流量的情况下（即这时给水调节阀不动

作），锅炉的蒸发量D大于给水流量W。

ΔD

如果只从物质平衡的角度看，由于对象

没有自平衡能力，

水位应按直线H1（t）下降（水位

在不太大的范围内变化，汽包横截面积

变化极小，所以可视为积分环节）。

首

先假设负荷变化时，燃料量能及时跟上τD

，则在汽水循环回路中的蒸发强度将随图8蒸汽D扰动下对象的动态特性

之增加，汽水混合物中汽泡的数量迅速增多，容积增大，从而使整个汽水混合物的体积膨胀，促使水位升高。

若燃料量来不及增加，蒸汽流量增加后会迫使汽压不断下降，相应降低了饱和温度，水的汽化速度加快，汽泡数量增加，汽水混合物体积膨胀。

以上两种情况都使汽泡容积增大而导致水位上升。

当蒸发量满足负荷需要后，汽包压力不再下降，汽泡容积增加的速度逐渐减慢而最后达到稳定，其变化过程如图8中的曲线H2（t）所示，该曲线可近似为惯性环节特性。

2、给水流量扰动下对象的动态特性

给水调节对象在给水流量阶越扰动

时的水位变化特性如图9所示。

水位

变化曲线H（t）可以看承由H1（t）和

H2（t）两根曲线叠加而成。

在负荷不变

的情况下，给水流量作阶越扰动时，如

果不考虑其它因素的影响，则由于给水

流量大于蒸汽流量而使汽包水位按曲线

H1（t）直线上升。

但从另一方面考虑，

当给水流量扰动刚加入时，由于给水的

过冷度（即给水温度低于汽包内饱和水图9给水流量扰动下对象的温度）的影响，温度较低的给水从原的动态特性

有饱和汽水混合五中吸取了一部分热量，这就使水面下汽泡容积减少，水位下降。

由于阶越增加的给水流量是一定值，吸取的热量也是有限的，因而水位的下降速度逐渐减小，最后不再降低而稳定在图9中的εT2的数值。

其变化过程为H2（t）曲线所示。

3、燃料量扰动时给水调节对象的动态特性

让燃料量扰动时（例如燃料量B突

然增加⊿B），受热面吸热量增加，蒸发

强度提高，如果负荷设备的进汽阀不加

调节，则汽包压力升高，蒸汽输出量也

随之增加。

此时由于给水流量W没有变

化，则蒸发量D大于给水流量，按理水

位应该下降。

但由于在炉膛热负荷增加

过程中，汽水混合物的饿汽泡容积蒸发

量增加之前就增加了，因而汽包水位先图10燃料量扰动时给水调节开始上升，等到蒸发量与燃料量相适应对象的动态特性

时水位才下降，出现了“虚假水位”现象，如图10所示。

由于锅炉有一定的热惯性和燃料量扰动时汽包压力要升高些，所以这时的“虚假水位”现象较蒸汽流量扰动时轻些，但迟延时间更长（即τB>τD），水位达到最高点所需的时间约为3～4min，燃料量扰动从属于外扰。

三、教学总结

（一）小结

复杂控制系统主要用于单回路控制所不能完成的场合，

（二）复习题

1、画出HCL配比值系统方块图

2、画出合成配比值系统方块图

3、画出聚合釜温度串级调节系统方块图

4、比值调节系统加微分调节会导致什么结果为什么？

5、你有否办法使HCL比值调节过程中不出现过氯的情况

6、在氯化氢比值控制中，若氯气温度比设计下降20℃可给测量带来多大误差。

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图11锅炉汽包水位三冲量控制系统