第六章 典型过程控制系统应用方案

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1、过控教研室过控教研室 目 录 第一章 控制系统的基本概念 第二章 过程装备控制基础 第三章 过程检测技术 第四章 过程控制装置 第五章 计算机控制系统 第六章 典型过程控制系统应用方案 第六章 典型过程控制系统应用方案 本章介绍了几种典型的过程控制系统的应用。主要有“热交换器温度反馈静态前馈控制系统”；“单回路控制系统的应用”；“流体输送设备的控制”；“反应器的控制”等等。通过这些典型控制系统的应用实例，可以帮助学生和读者更好地去理解本课程的理论知识，同时也可以使学生学会运用理论知识解决实际问题的技能。 6.1 热交换器温度反馈热交换器温度反馈-静态前馈控制系统静态前馈控制系统 6.2 单回路

2、控制系统的应用单回路控制系统的应用 6.3 计算机数字控制的典型实例计算机数字控制的典型实例 6.4 流体输送设备的控制流体输送设备的控制 6.5 反应器的控制反应器的控制 附录附录:思考题与习题思考题与习题6.1.2 系统组成 根据稳态时的热平衡关系，若不考虑散热损失，则加热介质释放的热量应该等于被加热介质吸收的热量，即 )()(12222111cchhTTcqvTTcqv （6-1） 式中 1qv、2qv分别为加热介质和被加热介质的体积(或质量)流量,sm3（或skg） 1c、2c分别为加热介质和被加热介质的平均比热容,)(KkgkJ； 1hT、2hT分别为加热介质进、出热交换器的温度，或

3、 K； 1cT，2cT分别为被加热介质进、出热交换器的温度，或 K。 由式（6-1）可以得到各个有关变量的静态前馈函数计算关系式 111221212)()(qvTTKqvTTTTccqvchcchh （6-2） 式中 ，21ccK 。静态前馈函数的实施线路如图 6-2 的虚线框所示。 当1hT、2hT、1cT或1qv中任意一个变量变化时，其变化量都可以通 过前馈函数部分及时调整流量2qv，使这些变量的变化对被控制变 量2cT的影响得到补偿。 6.1.3 仪表静态参数的设置 本系统设计的关键是正确设置比值器的参数 a 与加减器的偏置信号I5，下面通过具体数据来说明这些系数的设置情况。 有两股气体

4、在热交换器中进行热量交换。已知 K=c1/c2=1.20，在正常 情 况 下1hT=380 ，2hT=300 ，1cT=150 ，2cT=260 ， qv1=0.125sm3，qv2=0.109sm3。选择电动单元组合仪表 DDZ型组成控制系统，线路中的陈法器与除法器可以用一台型号为 DJS1000的乘除器代替， 比值器与加减器可以用一台 DJJ1000 的通用加减器代替。电动单元组合仪表 DD型的仪表信号范围为 420mA(或 15V DC)。若取 Tc2 温度变送器的量程为 100，仪表零位为 210，则可以得到 Tc2 温度变送器的仪表转换系数为 CmACmAKcT/16.0100)42

5、0(2 KTc= KTh=100)420(mA=0.1067mA/ 流量变送器 qv1 与 qv2 的量程均为 0.178sm3，则可知其仪表转换系数分别为 Kqv1= Kqv2=smmA/178. 0)420(3=89.888mA/ )(3sm 由此可以求得在正常工况下各个变送器的输出信号值分别为 I1= KTh(380-300)+4=12.54 mA I3= KTc(260-150)+4=15.74 mA I2=Kqv10.125+4=15.24 mA I6= Kqv20.109+4=13.81 mA I9= KTc2(260-210)+4=12 mA 求出正常工况下 DJS1000 乘除

6、器的输出信号为 I4=n)43()42)(41(III 取 n=1.2,则 I4=9.81 mA。 假设生产过程的各个变量都保持在正常工况下的数值,则前馈函数的输出信号应该等于 I6,即 I4=I6 故知比值器的系数为 =46II=81. 981.13=1.408 PI 调节器的输入信号为 I 入=I7-I8=I5+I4-I6-I8 因为 PI 调节器是一种无静差的调节器,因此在稳态时, I 入=0,若取I6=I4,则有 85II I8为 Tc2调节器的控制点,一般设置为仪表信号的中间值,即 I8=12 mA,因此 I5取 12 mA。 I8为 Tc2调节器的控制点,一般设置为仪表信号的中间值

7、,即 I8=12 mA,因此 I5取 12 mA。 Tc2温度变送器、PID 调节器、PI 调节器、qv2流量变送器、电/气转换器与 qv2控制阀门组成一个串级调节系统，Tc2 为主被调节变量，qv2为副被调节变量。 这个串级调节系统与静态前馈函数计算回路组成一个复合调节系统。这种控制系统对于来自 qv2、Tc1、Th1、Th2或 qv1的扰动，都具有很高的适应能力。 6.2 单回路控制系统的应用 在现代工业生产装置自动化过程中，即使在计算机控制获得迅速发展的今天，单回路控制系统任在合成氨的现代化大型装置中，约有 85%的控制系统是单回路控制系统。所以，掌握单回路控制系统的设计原则应用对于实现

8、过程装置的自动化具有十分重要的意义。 单回路控制系统具有结构简单、投资少，易于调整，投运，又能满足一般生产过程的工艺要求。单回路控制系统一般由被控过程 Wo（s） 、测量变送器 Wm（s） 、调节器 Wc（s）和调节阀 Wv（s）等环节组成，如图 6-3 所示为用拉氏变换表示的单回路控制系统的基本结构框图。 下面通过一个工程设计实例说明单回路控制系统的应用， 来达到举一反三的目的。 6.2.1 生产工艺简况 图 6-4 所示为牛奶乳化物干燥过程中的喷雾式干燥工艺设备.由于乳化物属于胶体物质,激烈搅拌易固化,不能用泵输送。故采用高位槽的办法，即浓缩的乳液由高位槽流经过滤器 A 或 B（两个交换使

9、用，保证连续操作） ，除去凝结块等杂物，再通过干燥器顶部喷嘴喷出。空气由鼓风机送至换热器（用蒸汽间接加热） ，热空气与鼓风机直接来的空气混合后，经过风管进入干燥器，从而蒸发出乳液中的水分，成为奶粉，并随湿空气一起输出，再进行分离。生产工艺对干燥后的产品质量要求很高，水分含量不能波动太大，而对于干燥的温度要求严格控制。试验证明，若温度波动小于C2，则产品符合质量要求。 6.2.2 系统设计 （1） 被控参数和控制参数的选择 被控参数的选择 根据上述生产工艺情况，产品质量（水分含量）与干燥温度密切相关，若测量水分的仪表精度不够高，可采用对间接参数温度的测量，因为水分与温度一一对应。因此必须控制温度

10、在一定值上，故选用干燥器的温度为被控对象。 控制参数选择 若知道被控过程的数学模型，则可以选取可控性良好的参量作为控制参数。在未掌握过程的数学模型情况下，仅以图 6-4 所示装置进行分析。 影响干燥器温度的因素有乳液流量f 1（t） 、旁路空气流量 f 2（t） 、加热蒸汽用量 f 3（t） 。选取其中任一变量作为控制参数，均可构成温度控制系统。图中用调节阀位置代表三种控制方案，其框图分别为图 6-5、图 6-6、图 6-7 所示。 按照图 6-5 分析可知，乳液直接进入干燥器，滞后最小，对于干燥温度的校正作用最灵敏， 而且干扰进入装置最靠近调节阀 1， 似乎控制方案最佳。但是，乳液流量即为生

11、产负荷，一般要求能保证产量稳定。若作为控制参数，则在工艺上不合理。所以不宜选乳液流量为控制参数，该控制方案不能成立。 再对图 6-6 进行分析，可以发现，调节旁路空气流量与热风量混合后，再经过较长的风管进行干燥器。如图 6-5 所示方案相比，由于混合空气传输管道长， 存在管道传输滞后,故控制通道时间滞后教大，对于干燥温度校正作用的灵敏度要差一些。若按照图 6-7 所示调节换热器的蒸汽流量，以改变空气的温度，则由于换热器通常为一双容过程，时间常数较大，控制通道的滞后最大，对干燥温度的校正作用灵敏度最差。显然，选择旁路空气量作为控制参数的方案最佳。 （1） 过程检测控制仪表的选用 根据生产工艺和用