选择性控制---过程控制系统
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过程控制系统概述杨峰电信学院06自动化3班学号:40604010321所谓过程控制(Process Control)是指根据工业生产过程的特点,采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具,应用控制理论,设计工业生产过程控制系统,实现工业生产过程自动化。
一﹑过程控制的特点随着生产过程的连续化﹑大型化和不断强化, 随着对过程内在规律的进一步了解,以及仪表﹑计算机技术的不断发展, 生产过程控制技术近年来发展异常迅速.所谓生产过程自动化, 一般指工业生产中(如石油﹑化工﹑冶金﹑炼焦﹑造纸﹑建材﹑陶瓷及热力发电等)连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制.凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数(如温度﹑压力﹑流量等)进行的自动控制统称为过程控制.生产过程的自动控制, 一般要求保持过程进行中的有关参数为一定值或按一定规律变化. 由于被控参数不但受内﹑外界各种条件的影响, 而且各参数之间也会相互影响, 这就给对某些参数进行自动控制增加了复杂性和困难性. 除此之外, 过程控制尚有如下一些特点:1. 被控对象的多样性.对生产过程进行有效的控制, 首先得认识被控对象的行为特征, 并用数学模型给以表征, 这叫对象特性的辨识. 由于被控对象多样性这一特点, 就给辨识对象特性带来一定的困难.2. 被控对象存在滞后.由于生产过程大多在比较庞大的设备内进行, 对象的储存能力大, 惯性也大. 在热工生产过程中, 内部介质的流动和热量转移都存在一定的阻力, 因此对象一般均存在滞后性. 由自动控制理论可知, 如系统中某一环节具有较大的滞后特性, 将对系统的稳定性和动态质量指标带来不利的影响, 增加控制的难度.3. 被控对象一般具有非线性特点.当被控对象具有的非线性特性较明显而不能忽略不计时, 系统为非线性系统, 必需用非线性理论来设计控制系统, 设计的难度较高. 如将具有明显的非线性特性的被控对象经线性化处理后近似成线性对象, 用线性理论来设计控制系统, 由于被控对象的动态特性有明显的差别, 难以达到理想的控制目的.4. 控制系统比较复杂.控制系统的复杂性表现之一是其运行现场具有较多的干扰因素. 基于生产安全上的考虑, 应使控制系统具有很高的可靠性.由于以上特点, 要完全通过理论计算进行系统设计与控制器的参数整定至今乃存在相当的困难, 一般是通过理论计算与现场调整的方法, 达到过程控制的目的.二﹑过程控制系统的组成过程控制系统的组成, 一般可用如下框图表示被控参数(变量)y(t ) ;控制(操纵)参数(变量)q(t) ;扰动量f(t) ;给定值r(t) ;当前值z(t); 偏差e(t) ;控制作用u(t)三、过程控制系统的分类按系统的结构特点来分反馈控制系统,前馈控制系统,复合控制系统(前馈-反馈控制系统)按给定值信号的特点来分定值控制系统,随动控制系统1.反馈控制系统偏差值是控制的依据,最后达到减小或消除偏差的目的。
(一)概述1.过程控制概念:采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。
2.学科定位:过程控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和仪器仪表知识相结合而构成的一门应用学科。
3.过程控制的目标:安全性,稳定性,经济性。
4.过程控制主要是指连续过程工业的过程控制。
5.过程控制系统基本框图:6.过程控制系统的特点:1)被控过程的多样性2)控制方案的多样性,包括系统硬件组成和控制算法以及软件设计的多样性。
3)被控过程属慢过程且多属参数控制4)定值控制是过程控制的主要形式5)过程控制有多种分类方法。
过程控制系统阶跃应曲线:7.衰减比η:衡量振荡过程衰减程度的指标,等于两个相邻同向波峰值之比。
即:8.衰减率ϕ:指每经过一个周期以后,波动幅度衰减的百分数,即:衰减比常用表示。
9.最大动态偏差y1:被控参数偏离其最终稳态值的最大值。
衡量过程控制系统动态准确性的指标10.超调量:最大动态偏差占稳态值的百分比。
11.余差:衡量控制系统稳态准确性的性能指标。
12.调节时间:从过渡过程开始到结束的时间。
当被控量进入其稳态值的范围内,过渡过程结束。
调节时间是过程控制系统快速性的指标。
13.振荡频率:振荡周期P的倒数,即:当相同,越大则越短;当相同时,则越高,越短。
因此,振荡频率也可衡量过程控制系统快速性。
被控对象的数学模型(动态特性):过程在各输入量(包括控制量与扰动量)作用下,其相应输出量(被控量)变化函数关系的数学表达式。
14. 被控对象的动态特性的特点:1单调不振荡。
2具有延迟性和大的时间常数。
3具有纯时间滞后。
4具有自平衡和非平衡特性。
5非线性。
(二)过程控制系统建模方法机理法建模:根据生产过程中实际发生的变化机理,写出各种有关方程式,从而得到所需的数学模型。
测试法建模:根据工业过程的输入、输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。
经典辨识法:测定动态特性的时域方法,测定动态特性的频域方法,测定动态特性的统计相关法。
过程控制系统第一题问:选择性控制有哪些类型?各有什么特点?简述几种主要的抗积分饱和的措施。
答:选择性控制系统主要有被控变量的选择性控制系统和被控变量测量值的选择性控制系统两种类型。
被控变量的选择新控制系统,当生产处于正常情况时,选择其选择正常控制器的输出信号送给执行器,实现对生产过程的自动控制,此时取代控制器处于开路状态。
当生产过程处于非正常情况时,选择其选择取代控制器的输出信号送给执行器,取代控制器代替正常控制器对生产过程进行控制,此时正常控制器出去开路状态。
当生产过程恢复正常时,通过选择器的自动切换,仍由原来的正常控制起来控制生产过程的进行。
被控变量测量值得选择新控制系统,多个变送器共用一个控制器,选择器对变送器的输出信号进行选择。
其主要用途有两个:一是选出几个测量变送信号的最高或最低信号用于控制;二是为了防止仪表故障造成事故,对同一检测点采用多个仪表测量,选出可靠的测量值。
抗积分饱和的措施主要有:限幅法、外反馈法和积分切除法。
● 限幅法:用高低值限幅器,使控制器的输出信号被限制工作区间内,但这样有可能在正常操作中不能消除系统的余差。
● 外反馈法:采用外部信号作为控制器的积分反馈信号,如此,当控制器处于开环状态时,由于积分反馈信号不是输出信号本身,就不会形成对偏差的积分作用,从而可以防止积分饱和现象的出现。
● 积分切除法:当控制器被选中处于闭环状态时,具有比例积分作用;若控制器未被选中处于开环状态时,将积分作用自动切除,使之只有比例作用。
这样既不会积分饱和又能在小偏差时利用积分作用消除偏差。
第二题问:分程控制系统可以应用于那些场合?请分别举例说明其控制过程,如何整定参数和投运?答:分程控制系统可以应用于以下几种场合:1. 用于扩大控制发的可调范围,以改善控制品质。
通常国产控制阀的可调比R 为30,在绝大部分场合下能满足生产要求。
但有些场合要求可调范围很宽,此时一个控制法无法满足生产要求。
这种情况下,可将两个口径不同的控制阀当做一个控制法使用,从而扩大可调范围。
《过程控制系统》思考题1.什么叫串级控制系统?绘制其结构方框图。
串级控制系统是由两个控制器的串接组成,一个控制器的输出做为另一个控制器的设定值,两个控制器有各自独立的测量输入,有一个控制器的给定由外部设定。
2.与单回路控制系统相比,串级控制系统有哪些主要特点?多了一个副回路,形成双闭环。
特点:主控制器输出改变副控制器的设定值,故副回路构成的是随动系统,设定值是变化的。
在串级控制系统中,由于引入了一个副回路,不仅能及早克服进入副回路的扰动,而且又能改善过程特性。
副调节器具有“粗调”的作用,主调节器具有“细调”的作用,从而使其控制品质得到进一步提高。
3.为什么说串级控制系统由于存在一个副回路而具有较强的抑制扰动的能力?①副回路的快速作用,对于进入副回路的干扰快速地克服,减小了干扰对主变量的影响;②引入副回路,改善了副对象的特性(减小副对象的相位滞后),提高了主回路的响应速度,提高了干扰的抑制能力;③副回路可以按照主回路的要求对副变量进行精确控制;④串级系统提高了控制系统的鲁棒性。
4.串级控制系统在副参数的选择和副回路的设计中应遵循哪些主要原则?①将主要干扰包括在副回路;②副回路尽量包含多的干扰;③为保证副回路的快速响应,副对象的滞后不能太长;④为提高系统的鲁棒性,将具有非线性时变部分包含于副对象中;⑤需要对流量实现精确的跟踪时,将流量选为副对象。
5.串级控制系统通常可用在哪些场合?* 应用于容量滞后较大的过程* 应用于纯时延较大的过程* 应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程* 应用于参数互相关联的过程* 应用于非线性过程6.前馈控制与反馈控制各有什么特点?绘制前馈控制系统结构方框图。
前馈:基于扰动来消除扰动对被控量的影响;♦动作“及时” ;♦只要系统中各环节是稳定的,则控制系统必然稳定;♦具有指定性补偿的局限性;♦ 控制规律取决于被控对象的特性。
♦ 反馈:基于偏差来消除偏差; ♦ “不及时”的控制 ; ♦ 存在稳定性问题;♦ 对各种扰动均有校正作用;♦ 控制规律通常是P 、PI 、PD 或PID 等典型规律。
过程控制与自动化仪表P222三、选择性控制系统选择性控制系统(超驰控制系统,override control system)也有人称其为自保护系统或软保护系统。
选择性控制是把生产过程中对某些工业参数的限制条件所构成的逻辑关系迭加到正常的自动控制系统上去的组合控制方案。
(一)控制原理选择性控制系统由正常控制部分和取代控制部分组成。
正常情况下正常控制部分工作,取代控制部分不工作;当生产过程某个参数趋于危险极限时但还未进人危险区域时,取代控制部分工作,而正常控制部分不工作,直到生产重新恢复正常,然后正常控制部分又重新工作。
从而,使控制系统能在正常和异常情况下自动切换工作,起到软保护的作用。
选择性控制系统的特点是选用了选择器,设有两个调节器(或两个以上的变送器),通过具有选择功能的自动选择器(高值或低值选择器)或自动切换装置,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。
根据选择器在整个系统的位置可分为两种类型。
其一是选择器安装在两个调节器的输出端,对调节器输出信号进行选择,两个调节器公用一个调节阀,如图1所示。
这类系统正常生产时,取代调节器处于待命备用状态,不正常工况出现时,由选择器选出能适应工况的控制信号,用取代调节器工作,结构简单,应用比较广泛。
其二是选择器安装在调节器之前,对变送器输出信号进行选择,这种系统至少有两个以上的变送器,由选择器选择符合工艺要求的输出信号送至调节器。
图2 类型二根据处理方法不同,选择性控制系统又可以分为三类:开关型选择性控制系统,由限位信号切断控制器输出;连续型选择性控制系统,由限位信号切换为另一个控制器输出给执行器;混合型选择性控制系统,采用两个限制信号,同时进行上述两种控制。
(二)工程设计应考虑的问题选择性控制系统的设计包括调节阀气开、气关形式选择,调节器正、反作用选择,选择器的选型及系统参数整定等内容。
1.调节阀气开、气关形式可按照单回路控制系统的方法确定,根据生产工艺安全原则来选择。
化工仪表的过程控制系统的发展、组成1、过程控制的发展概况在过程控制发展的历程中,生产过程的需求、控制理论的开拓和控制技术工具和手段的进展三者相互影响、相互促进,推动了过程控制不断的向前发展。
纵观过程控制的发展历史,大致经历了以下几个阶段:20世纪40年代:手工操作状态,只有少量的检测仪表用于生产过程,操作人员主要根据观测到的反映生产过程的关键参数,用人工来改变操作条件,凭经验去控制生产过程。
20世纪40年代末~50年代:过程控制系统:多为单输入、单输出简单控制系统过程检测:采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表(气动Ⅰ型和电动Ⅰ型);部分生产过程实现了仪表化和局部自动化控制理论:以反馈为中心的经典控制理论20世纪60年代:过程控制系统:串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。
自动化仪表:单元组合仪表(气动Ⅱ型和电动Ⅱ型)成为主流产品。
60年代后期,出现了专门用于过程控制的小型计算机,直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。
控制理论:出现了以状态空间方法为基础,以极小值原理和动态规划等最优控制理论为基本特征的现代控制理论,传统的单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域。
20世纪70~80年代:微电子技术的发展,大规模集成电路制造成功且集成度越来越高(80年代初一片硅片可集成十几万个晶体管,于是32位微处理器问世),微型计算机的出现及应用都促使控制系统发展。
过程控制系统:最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制、模糊控制自动化仪表:气动Ⅲ型和电动Ⅲ型,以微处理器为主要构成单元的智能控制装置。
集散控制系统(DCS)、可编程逻辑控制器 (PLC) 、工业PC机、和数字控制器等,已成为控制装置的主流。
集散控制系统实现了控制分散、危险分散,操作监测和管理集中。
控制理论:形成了大系统理论和智能控制理论。
模糊控制、专家系统控制、模式识别技术20世纪90年代至今:信息技术飞速发展。
过程控制系统:管控一体化现场,综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。
第7章 思考题与习题1.基本练习题(1)什么叫比值控制系统?它有哪几种类型?画出它们的原理框图。
答:1)比值控制系统就是实现副流量2F 与主流量1F 成一定比值关系,满足关系式:21F K F的控制系统。
2)比值控制系统的类型:开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统。
3)结构原理图分别如图7-1,图7-2,图7-3,图7-4所示:图7-1开环比值控制系统(a )开环比值控制系统原理图(b )开环比值控制系统方框图图7-2单闭环比值控制系统(a)单闭环比值控制系统原理图 (b )单闭环比值控制系统方框图(a )原理图(b )方框图(a) 原理图(b) 方框图(b)方框图图7-3双闭环比值控制系统(a)双闭环比值控制系统原理图(b)双闭环比值控制系统方框图(b)方框图图7-4变比值控制系统(a)变比值控制系统原理图(b)变比值控制系统方框图(2)比值控制中的比值与比值系数是否是一回事?其关系如何?答:1)工艺要求的比值系数K,是不同物料之间的体积流量或重量流量之比,而比值器参数K’,则是仪表的读数。
它与实际物料流量的比值K,一般情况下并不相等。
因此,在设计比值控制系统时,必须根据工艺要求的比值系数K计算出比值器参数K’。
当使用单元组合仪表时,因输入-输出参数均为统一标准信号,所以比值器参数K’必须由实际物料流量的比值系数K折算成仪表的标准统一信号。
2)当物料流量的比值K一定、流量与其检测信号呈平方关系时,比值器的参数与物料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈平方关系。
当物料流量的比值K一定,流量与其检测信号呈线性关系时,比值器的参数与物料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈线性关系。
(3)什么是比值控制中的非线性特性?它对系统的控制品质有何影响?在工程设计中如何解决?答:1)比值控制系统中的非线性特性是指被控过程的静态放大系数随负荷变化而变化的特性。
2)非线性特性使系统的动态特性变差。
选择性控制---过程控制系统一、选择性控制原理通常的自动控制系统都是在生产过程处于正常工况时发挥作用的,如遇到不正常工况,则往往要退出自动控制而切换为手动,待工况基本恢复再投入自动控制状态。
现代石油、化工等过程工业中,越来越多的生产装置要求控制系统既能在正常工艺状况下发挥控制作用,又能在非正常工况下仍然起到自动控制作用,使生产过程尽快恢复到正常工况,至少也是有助于或有待于工况恢复正常。
这种非正常工况时的控制系统属于安全保护措施,安保措施有两大类,一是硬保护,二是软保护。
硬保护措施就是联锁保护控制系统。
当生产过程工况超出一定范围时,联锁保护系统采取一系列相应的措施,如报警、自动到手动、联锁动作等,使生产过程处于相对安全的状态。
但这种硬保护措施经常使生产停车,造成较大的经济损失。
于是,人们在实践中探索出许多更为安全经济的软保护措施来减少停车造成的损失。
所谓软保护措施,就是当生产工况超出一定范围时,不是消极地输入联销保护甚至停车,而是自动地切换到一种新控制系统中,这个新的控制系统取代了原来的控制系统对生产过程进行控制,当工况恢复时,又自动地切换到原来的控制系统中。
由于要对工况是否正常进行判断,要在两个控制系统当中选择。
因此,称为选择性控制系统,有时也称为取代控制或超驰控制。
选择性控制系统在结构上的最大特点是有一个选择器,通常是两个输入信号,一个输出信号,如图8-25。
对于高选器,输出信号 Y等于X 1和X2中数值较大的一个,如X1=5mA,X2=4mA,Y=5mA。
对于低选器,输出信号Y等于X1和X2中数值较小的一个。
图8-25 高选器和低选器高选器时,正常工艺情况下参与控制的信号应该比较强,如设为X1,则X1应明显大于X2。
出现不正常工艺时,X2变得大于X1,高选器输出Y转而等于X2;待工艺恢复正常后,X2又下降到小于X1,Y又恢复为选择X1。
这就是选择性控制原理。
图8-27丙烯冷却器开关型选择性控制系统二、选择性控制系统的类型l、开关型选择性控制系统如图8-26所示是一个丙稀冷却器温度控制系统,目的是使裂解气的温度下降并稳定在一定的温度上。
1、控制系统基本组成:被控对象、检测元件(装置)、控制器、执行器(装置)。
2、过程控制系统的主要类型:闭环控制系统、定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
3、过程控制系统的两种表示形式:方框图、带控制点的工艺流程图。
方框图:控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示,包括方框、信号线、比较点、引出点四部分。
带有输入输出的方框比较点引出点绘制方框图注意事项:正反馈与负反馈通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端并以某种方式改变输入,进而影响系统功能的过程。
图中每一条线代表系统中的一个变量信号,线上的箭头表示信号传递的方向。
每个方块代表系统的一个部分,称为“环节”。
需要指出的是,方块图的每一个方块都代表一个具体的装置,方块与方块之间的连线只是代表方块之间的信号联系,并不代表方块之间的物料关系。
从简单控制系统的方块图可看出,控制系统构成一个闭合回路,称为闭环控制系统。
如果控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反馈联系的控制系统,即操纵变量通过被控对象去影响被控变量,但被控变量的变化没有通过反馈作用去改变控制作用。
从信号上看,这时没有形成闭合回路,称为开环控制系统。
开环控制系统不能自动觉察被控变量的变化情况,也不能判断操纵变量的校正作用是否适合实际需要而自动改变操纵变量。
对控制系统的方块图进行几点说明:①方块图中各环节的增益都有正、负之分;②系统的输出变量是被控变量,被控变量经过测量变送又返回到输入端,与给定值进行比较,构成反馈;③把控制阀、被控对象和测量变送环节合在一起成为广义对象,这样系统就归结为控制器和广义对象两部分,一般情况下,往往把广义二字也给省略了。
带控制点的工艺流程图:文字符号和图形符号。
有如下要素:1、测量点、控制点2、测量变量、控制变量、监测与操作变量3、检测仪表、执行器、控制器(如调节器、数字调节器、DCS等)、其他辅助仪表4、控制方案(单回路、复杂控制回路、监视与操作)用文字符号和图形符号在工艺流程图上描述生产过程自动控制的原理图:小圆圈表示仪表、第一字母表示被测变量、后续字母表示仪表功能。
《过程控制》课程笔记第一章概论一、过程控制系统组成与分类1. 过程控制系统的基本组成过程控制系统主要由被控对象、控制器、执行器、检测仪表四个部分组成。
(1)被控对象:指生产过程中的各种设备、机器、容器等,它们是生产过程中需要控制的主要对象。
被控对象具有各种不同的特性,如线性、非线性、时变性等。
(2)控制器:控制器是过程控制系统的核心部分,它根据给定的控制策略,对检测仪表的信号进行处理,生成控制信号,驱动执行器动作,从而实现对被控对象的控制。
控制器的设计和选择直接影响控制效果。
(3)执行器:执行器是控制器与被控对象之间的桥梁,它接收控制器的信号,调节阀门的开度或者调节电机转速,从而实现对被控对象的控制。
执行器的响应速度和精度对控制系统的性能有很大影响。
(4)检测仪表:检测仪表用于实时测量被控对象的各项参数,如温度、压力、流量等,并将这些参数转换为电信号,传输给控制器。
检测仪表的准确性和灵敏度对控制系统的性能同样重要。
2. 过程控制系统的分类根据控制系统的结构特点,过程控制系统可以分为两大类:开环控制系统和闭环控制系统。
(1)开环控制系统:开环控制系统没有反馈环节,控制器根据给定的控制策略,直接生成控制信号,驱动执行器动作。
开环控制系统的优点是结构简单,成本低,但缺点是控制精度较低,容易受到外部干扰。
(2)闭环控制系统:闭环控制系统具有反馈环节,控制器根据检测仪表的信号,实时调整控制策略,生成控制信号,驱动执行器动作。
闭环控制系统的优点是控制精度高,抗干扰能力强,但缺点是结构复杂,成本较高。
二、过程控制系统性能指标1. 稳态误差:稳态误差是指系统在稳态时,输出值与设定值之间的差值。
稳态误差越小,表示系统的控制精度越高。
稳态误差可以通过调整控制器的参数来减小。
2. 动态性能:动态性能是指系统在过渡过程中,输出值随时间的变化规律。
动态性能指标包括上升时间、调整时间、超调量等。
动态性能的好坏直接影响到系统的响应速度和稳定性。
过程控制系统试题库第一章绪论1.1.过程控制(英文:Process Control)通常是指连续生产过程的自动控制,是自动化技术最重要的组成部分之一1.1-1.过程控制是生产过程自动化的简称,泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中的连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制,是自动化技术的重要组成部分。
1.1-2.连续生产过程的特征是:生产过程中的各种流体,在连续(或间歇)的流动过程中进行着物理化学反应、物质能量的转换或传递。
1.1-3.从控制的角度,通常将工业生产过程分为三类,即:连续型、离散型和混合型。
过程控制主要是针对连续生产过程采用的控制方法。
1.1-4.过程控制的主要任务是对生产过程中的有关参数进行控制——“工业四大参数”是:温度、压力、流量、物(液)位的自动控制,使其保持恒定或按一定规律变化,在保证产品质量和生产安全的前提下,使连续生产过程自动地进行下去。
1.1-5.过程控制系统的定义:为实现对某个工艺参数的自动控制,由相互联系、制约的一些仪表、装置及工艺对象、设备构成的一个整体1.1-6.在讨论控制系统工作原理时,为清楚地表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系,一般用原理框图来表示控制系统。
1.1-7.过程控制系统的主要任务是:对生产过程中的重要参数(温度、压力、流量、物位、成分、湿度等)进行控制,使其保持恒定或按一定规律变化。
1.1-8.过程控制的特点:⑴.控制对象——被控过程复杂、控制要求多样⑵.控制方案丰富多彩⑶.控制过程大多数属于慢过程与参数控制⑷.定值控制是过程控制的主要形式⑸.过程控制系统由规范化的、系列化的检测与控制仪表或自动化装置组成 1.2.过程控制的发展概况1.2-0.过程控制的发展历程,就是过程控制装置(自动化仪表)与系统的发展历程 1.2-1.过程控制装置与系统的发展过程1.局部自动化阶段(20世纪 50~60年代):自动化仪表安装在现场生产设备上,只具备简单的测控功能2.模拟单元仪表控制阶段(20世纪60~70年代):控制仪表集中在控制室,生产现场各处的参数通过统一的模拟信号,送往控制室。
一、选择性控制原理
通常的自动控制系统都是在生产过程处于正常工况时发挥作用的,如遇到不正常工况,则往往要退出自动控制而切换为手动,待工况基本恢复再投入自动控制状态。
现代石油、化工等过程工业中,越来越多的生产装置要求控制系统既能在正常工艺状况下发挥控制作用,又能在非正常工况下仍然起到自动控制作用,使生产过程尽快恢复到正常工况,至少也是有助于或有待于工况恢复正常。
这种非正常工况时的控制系统属于安全保护措施,安保措施有两大类,一是硬保护,二是软保护。
硬保护措施就是联锁保护控制系统。
当生产过程工况超出一定范围时,联锁保护系统采取一系列相应的措施,如报警、自动到手动、联锁动作等,使生产过程处于相对安全的状态。
但这种硬保护措施经常使生产停车,造成较大的经济损失。
于是,人们在实践中探索出许多更为安全经济的软保护措施来减少停车造成的损失。
所谓软保护措施,就是当生产工况超出一定范围时,不是消极地输入联销保护甚至停车,而是自动地切换到一种新控制系统中,这个新的控制系统取代了原来的控制系统对生产过程进行控制,当工况恢复时,又自动地切换到原来的控制系统中。
由于要对工况是否正常进行判断,要在两个控制系统当中选择。
因此,称为选择性控制系统,有时也称为取代控制或超驰控制。
选择性控制系统在结构上的最大特点是有一个选择器,通常是两个输入信
号,一个输出信号,如图8-25。
对于高选器,输出信号 Y等于X
1和X
2
中数值较
大的一个,如X
1=5mA,X
2
=4mA,Y=5mA。
对于低选器,输出信号Y等于X
1
和X
2
中数值较小的一个。
图8-25 高选器和低选器
高选器时,正常工艺情况下参与控制的信号应该比较强,如设为X
1,则X
1
应明显大于X
2。
出现不正常工艺时,X
2
变得大于X
1
,高选器输出Y转而等于X
2
;
待工艺恢复正常后,X
2又下降到小于X
1
,Y又恢复为选择X
1。
这就是选择性控制
原理。
图8-27丙烯冷却器开关型选择性控制系统
二、选择性控制系统的类型
l、开关型选择性控制系统
如图8-26所示是一个丙稀冷却器温度控制系统,目的是使裂解气的温度下降并稳定在一定的温度上。
测量裂解气出口温度T,如T偏高,使液丙烯流量加大,冷却器中的液丙烯液面升高,载有裂解气的列管与液丙稀的接触面积增大,换热加快,T下降,达到控制的目的。
这是正常的工况时的控制作用。
如果干扰很大,裂解气进口温度很高,液面上升到全部列管均已浸在液丙烯中,仍然不能将T降下来,控制系统势必要继续加大液丙稀的流量。
但这时,继续加大液丙烯流量不能进一步增加列管与液丙烯的换热面积,而且,由于液面很高,液丙烯的蒸发空间太小,使换热效率下降。
更为严重的问题是,出口气丙烯中可能带有液体,即带液现象,带液气丙烯送入压缩机会损坏压缩机,这是不允许的。
因此,在非正常工况时,无法用图8-26所示的简单控制系统解决。
根据选择性控制思想,设计一个开关型选择性控制系统如图8-27所示。
比简单控制系统增加了液位变送器和电磁三通阀。
正常工况时,三通阀将温度调节器来的控制信号P送至气动调节器室,系统与简单控制系统相同。
当液位上升到一定位置时,液位变送器的上限节点接通,电磁阀通电,切断控制信号P的通路,将大气(即表压为0)通入气室,阀门关闭。
液位回降至一定位置时,液位变送器上的上限节点断开,电磁三通阀失电,系统恢复为简单温度控制系统。
这个系统的方块图如图8-28所示。
图8-28 丙烯冷却器开关型选择性控制系统方块图
2.连续型选择性控制系统
开关型选择性控制系统中的调节阀,在正常工况向非正常工况切换时不是全开就是全关。
连续型选择性控制系统则是切换到另一个连续控制系统。
如图8-29是压缩机的连续型选择性控制系统。
正常工况时,P
2C的输出信号小于P
1
C的输出信号,LS选P
2
C的输出信号,系统
维持压缩机的出口压力P
2比稳定不变。
当压缩机进口压力P
1
下降至一定程度时,
压缩机会产生喘振,这成为主要的问题。
由于采用了低选器LS,当P
1
降至一定
数值时,P
1C的输出信号会低于P
2
C 的输出信号,LS选择P
1
C的输出信号为输出,
系统切换成为进口压力控制系统,将阀门关小,以维持P
1
不低于安全限;当进
口压力P
1回升,P
1
C使阀门开大,P
2
回升,待P
2
回升到一定程度时,P
2
C 的输出
变得小于P
1
C的输出,低选器动作,系统恢复正常。
3.混合型选择性控制系统
同时在一个控制系统中使用开关型与连续型选择性控制,就是混合型选择控制系统。
在锅炉的燃烧系统中,正常情况下,燃料气量根据蒸汽出口压力来调整。
但有两种非正常工况可能出现:一是燃料气压力过高,产生“脱火”现象,燃烧室中火焰熄灭,大量未燃烧的燃料气积存在燃烧室内,烟囱冒黑烟,并有爆炸的危险,因此,应采取措施,使燃料气压力不致过高;二是燃料气压力也不能过低,太低的燃料气压力有“回火”的危险,导致燃料气贮罐燃烧和爆炸,因此,也需要采取措施,使燃料气压力不过低。
结合这两种非正常工况的需要,设计混合型选择性系统如图8-30。
正常工况时,蒸气压力P
1
上升,a下降,d下降,阀门关小,燃料气流量减小,
使P
1
下降,实现控制。
如P
2上升至有“脱火”危险时,b小于a,d=b,阀门关小,使P
2
下降,起防“脱
火”作用。
P
2
降至正常后,系统恢复蒸汽压力控制系统,是连续型选择性控制。
如P
3下降至有“回火”危险时,P
3
C的下限节点接通,使三通电磁阀通电,电磁
阀动作,气动调节阀膜头气室通大气,气动调节阀关闭,起防止“回火”作用。
P
3
回升后,系统恢复为蒸汽压力控制系统,是开关型选择性控制。
选择器的使用,还可以构成其他类型的复杂控制系统,有时也可以说,凡是应用选择器的控制系统就是选择性控制系统。
三、积分饱和问题
l.积分饱和现象
在选择性控制系统中,由于采用了选择器,未被选用的调节器就处于开环状态,如调节器有积分作用,偏差又长期存在,则调节器的输出就会持续地朝一个方向变化,直至极限状态。
超出气动调节阀的正常输入信号范围(0.02-0.1MPa),这时就进入了积分饱和状态。
如果在这种状态下,该调节器重新被选用,它不能迅速地从极限状态(即饱和状态)的0.14MPa或OMPa进入气动调节阀的正常输入信号范围0.02-0.1MPa之内。
控制系统不能及时地进行控制,系统质量和安全等性能都受到影响,甚至造成事故。
积分饱和现象并不是选择性控制系统所特有的,只要符合产生积分饱和的三个条件,即:①调节器具有积分作用;②调节器处于开环状况;③调节器的偏差长期存在,系统都会发生积分饱和现象。
2.抗积分饱和的措施
(l)限幅法采用技术措施,将调节器输出信号限制在工作信号范围之内。
DDZ-Ⅲ型调节器系列有限幅型调节器,可以克服积分饱和。
(2)积分切除法当调节器处于开环状态时,自动切除其积分作用,就不会出现积分饱和。
如DDZ-Ⅲ型调节器系列中有PI-P调节器,它在闭环中是PI作用;处于开环时,调节器为纯比例作用P。