第二章(5)分程控制
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2.5 分程控制系统和阀位控制系统
2.5.1 分程控制系统 2.5.1.1 基本原理 釜式间歇聚合反应器的温度控制 TT TC 蒸 汽 冷水 要求：釜内温度维持在一定范围 反应开始需要加热升温，到反应 开始趋于剧烈时，釜内温度升高，需 要冷却降温。 可采用一个温度控制器去同时操 纵两个阀门:蒸汽和冷水阀，根据控 制器输出的不同区间操纵不同的执行 机构——分程控制。
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VB VA
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结论： ⑴ 从结构看：分程控制系统和阀位控制系统都具有多个控制变量 和单个受控变量； ⑵ 从控制要求看：分程控制要求各个控制变量接替工作； 阀位控制要求被选作辅助变量的阀位在稳态时 处于某个较小（或较大）值上，以满足另外指标优 化的要求。
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100
B
0
0.02
A
0.06 MPa
排 空
反作用
0.1
T < Tr → A ↑→ T > Tr → A ↓→ B ↑
PC
例2 罐顶氮封分程控制 N2 100 炼油厂、化工厂成品油化工产品贮罐为避 气开阀 免与空气中的氧气接触氧化，常采用罐顶充氮 气的办法。如图： PT 工艺要求保持贮罐内呈正压，当罐内料位 0 变化，将引起罐顶压力变化，应及时控制。 0.02 0.058 0.062 0. 1 MPa 针对罐顶空隙较大、气体压力对象时间常数大；罐顶压力控制要求不 高的实际情况，设计间歇区间，避免两只阀的频繁开闭。
如：分别对应在4~12mA和12~20mA 当控制器的输出小于12mA时，A阀动作、B阀不动； 当信号大于12mA时，A阀至极限，B阀动作。 2.5.1.2 分程控制的作用 1、扩大控制阀的可调范围，使得在小流量时更精确的控制 阀的可调范围，表明控制阀执行规定特性运行的有效范围。定义为：
R= Cmax Cmin
国产调节阀的可调范围一般为30。
C min = 3.33%C max
一般情况下 R = 30 足己满足要求,但有些场合对可调范围要求特别大, 如工业废水处理可调范围1000，此时可以通过分程满足工艺要求。如图： 控制器 电气 转换
A 0.02 ~ 0.06MPa
B 0.06 ~ 0.1MPa
RA = RB = 30
确定阀的气开、气关型式 为避免气源中断时造成反应温度过高，蒸汽阀选择气开式、冷水阀选 气关式；温度控制取反作用。
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决定分程区间 根据工艺要求，当温度偏高时， 先关小蒸汽再开大冷水 温度控制器为反作用，温度升高 输出信号下降，信号下降时先关小蒸 汽，再开大冷水。 蒸汽阀的分程为0.06~0.1MPa、 冷水0.02~0.06MPa 。
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两回路的工作频率差异很大，作粗略分析时，讨论主回路时可 将副回路看成开路；讨论副回路时，可将主回路中的某些快速环节 的动态滞后忽略。 例2 反应釜温度控制 与冷水相比，冷冻盐水的影响滞后小， 有良好的动态性能，但价格较冷水昂贵。 正常工况下，要求通过阀位控制器的 调整使之处于小流量，而当干扰使温度突 然升高时，快速打开盐水阀。 例3 蒸汽透平控制 中压蒸汽驱动透平后排入低压蒸汽管网。 控制要求：低压管网压力恒定。 VA：直接控制，控制及时，但不节能； VB：透平不可以变速太快，可用于正常 工况（此时VA处于小开度——节能）。
在生产中，有两个（或多个）变量均能影响同一个受控变量， 但具有良好动态性能的变量，其静态性能(指工艺上的某些性能)却是 低劣的。从提高受控变量控制品质的角度应采用动态性能好的变量， 但从稳态优化的角度却是不适合的。为协调矛盾，可采用包括阀位 控制系统在内的复合控制系统。 例1 加热炉温度控制—节能 受控变量：物料出口温度θ θ 动态分析：旁路阀VA控制通 道滞后小，控制及时； 节能分析：旁路阀全关最节能 （两种冷热不同流体混合过程不 可逆，易造成损失。) 节能复合控制方案
R= Cmax 154 = = 1000 >> 30 Cmin 0.154
2、用于满足工艺上操作的特殊要求 如图所示的间歇聚合反应器控制 开始加热升温，引发反应；等反应开 始后，由于是放热反应，反应逐渐加剧， 温度越来越高，因此需要降温冷却。 采用分程控制，利用温度控制器输出 信号的不同区间分别控制这两只不同的阀 门。 TT A B TC 蒸汽 冷水
在工业生产过程中，有时会遇到一个控制器去操纵几只阀门，并按输 出信号的不同区间操作不同的阀门，这样的控制系统叫做分程控制系统。 2、分程控制系统的实施 A 电气 借助每个执行器上的阀门定位器， 控制器 转换 通过调整A、B两阀的全行程动作范 B 围实现的。
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2.5.1.3 分程控制的组合形式 根据分程控制系统中控制阀的形式，分程控制系统可分为：
100
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0
0.02
0.06 MPa
0.1
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0.0
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2.5.2 阀位控制 阀位控制(VPC)系统 系统
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组成：两个回路
⒈ 主回路：温变、温控、VA及对象，受控变量—出口温度θ。 ——良好的动态品质 ⒉ 副回路：阀位控制器VPC、VB、及对象，受控变量—VA阀位。其 设定值对应VA较小开度（如10%），控制器采用大比例度和 大积分时间，使具有缓慢的控制动作，以保证系统稳定时， VA处于小开度。 ——节能
C Bs = 0 . 02 % C B max
3
CAmax = 4
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CB max = 150
阀的泄漏量为： C s = 0 . 02 % C max
采用分程控制后： Cmin = C A min + C Bs =
4 + 0.03 = 0.154 30
Cmax = CA max + CB max = 4 + 150 = 154
2.5.1 分程控制系统 2.5.1.1 基本原理 釜式间歇聚合反应器的温度控制 TT TC 蒸 汽 冷水 要求：釜内温度维持在一定范围 反应开始需要加热升温，到反应 开始趋于剧烈时，釜内温度升高，需 要冷却降温。 可采用一个温度控制器去同时操 纵两个阀门:蒸汽和冷水阀，根据控 制器输出的不同区间操纵不同的执行 机构——分程控制。
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VB VA
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结论： ⑴ 从结构看：分程控制系统和阀位控制系统都具有多个控制变量 和单个受控变量； ⑵ 从控制要求看：分程控制要求各个控制变量接替工作； 阀位控制要求被选作辅助变量的阀位在稳态时 处于某个较小（或较大）值上，以满足另外指标优 化的要求。
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A
0.06 MPa
排 空
反作用
0.1
T < Tr → A ↑→ T > Tr → A ↓→ B ↑
PC
例2 罐顶氮封分程控制 N2 100 炼油厂、化工厂成品油化工产品贮罐为避 气开阀 免与空气中的氧气接触氧化，常采用罐顶充氮 气的办法。如图： PT 工艺要求保持贮罐内呈正压，当罐内料位 0 变化，将引起罐顶压力变化，应及时控制。 0.02 0.058 0.062 0. 1 MPa 针对罐顶空隙较大、气体压力对象时间常数大；罐顶压力控制要求不 高的实际情况，设计间歇区间，避免两只阀的频繁开闭。
如：分别对应在4~12mA和12~20mA 当控制器的输出小于12mA时，A阀动作、B阀不动； 当信号大于12mA时，A阀至极限，B阀动作。 2.5.1.2 分程控制的作用 1、扩大控制阀的可调范围，使得在小流量时更精确的控制 阀的可调范围，表明控制阀执行规定特性运行的有效范围。定义为：
R= Cmax Cmin
国产调节阀的可调范围一般为30。
C min = 3.33%C max
一般情况下 R = 30 足己满足要求,但有些场合对可调范围要求特别大, 如工业废水处理可调范围1000，此时可以通过分程满足工艺要求。如图： 控制器 电气 转换
A 0.02 ~ 0.06MPa
B 0.06 ~ 0.1MPa
RA = RB = 30
确定阀的气开、气关型式 为避免气源中断时造成反应温度过高，蒸汽阀选择气开式、冷水阀选 气关式；温度控制取反作用。
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决定分程区间 根据工艺要求，当温度偏高时， 先关小蒸汽再开大冷水 温度控制器为反作用，温度升高 输出信号下降，信号下降时先关小蒸 汽，再开大冷水。 蒸汽阀的分程为0.06~0.1MPa、 冷水0.02~0.06MPa 。
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两回路的工作频率差异很大，作粗略分析时，讨论主回路时可 将副回路看成开路；讨论副回路时，可将主回路中的某些快速环节 的动态滞后忽略。 例2 反应釜温度控制 与冷水相比，冷冻盐水的影响滞后小， 有良好的动态性能，但价格较冷水昂贵。 正常工况下，要求通过阀位控制器的 调整使之处于小流量，而当干扰使温度突 然升高时，快速打开盐水阀。 例3 蒸汽透平控制 中压蒸汽驱动透平后排入低压蒸汽管网。 控制要求：低压管网压力恒定。 VA：直接控制，控制及时，但不节能； VB：透平不可以变速太快，可用于正常 工况（此时VA处于小开度——节能）。
在生产中，有两个（或多个）变量均能影响同一个受控变量， 但具有良好动态性能的变量，其静态性能(指工艺上的某些性能)却是 低劣的。从提高受控变量控制品质的角度应采用动态性能好的变量， 但从稳态优化的角度却是不适合的。为协调矛盾，可采用包括阀位 控制系统在内的复合控制系统。 例1 加热炉温度控制—节能 受控变量：物料出口温度θ θ 动态分析：旁路阀VA控制通 道滞后小，控制及时； 节能分析：旁路阀全关最节能 （两种冷热不同流体混合过程不 可逆，易造成损失。) 节能复合控制方案
R= Cmax 154 = = 1000 >> 30 Cmin 0.154
2、用于满足工艺上操作的特殊要求 如图所示的间歇聚合反应器控制 开始加热升温，引发反应；等反应开 始后，由于是放热反应，反应逐渐加剧， 温度越来越高，因此需要降温冷却。 采用分程控制，利用温度控制器输出 信号的不同区间分别控制这两只不同的阀 门。 TT A B TC 蒸汽 冷水
在工业生产过程中，有时会遇到一个控制器去操纵几只阀门，并按输 出信号的不同区间操作不同的阀门，这样的控制系统叫做分程控制系统。 2、分程控制系统的实施 A 电气 借助每个执行器上的阀门定位器， 控制器 转换 通过调整A、B两阀的全行程动作范 B 围实现的。
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2.5.1.3 分程控制的组合形式 根据分程控制系统中控制阀的形式，分程控制系统可分为：
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0.1
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2.5.2 阀位控制 阀位控制(VPC)系统 系统
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组成：两个回路
⒈ 主回路：温变、温控、VA及对象，受控变量—出口温度θ。 ——良好的动态品质 ⒉ 副回路：阀位控制器VPC、VB、及对象，受控变量—VA阀位。其 设定值对应VA较小开度（如10%），控制器采用大比例度和 大积分时间，使具有缓慢的控制动作，以保证系统稳定时， VA处于小开度。 ——节能
C Bs = 0 . 02 % C B max
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CAmax = 4
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CB max = 150
阀的泄漏量为： C s = 0 . 02 % C max
采用分程控制后： Cmin = C A min + C Bs =
4 + 0.03 = 0.154 30
Cmax = CA max + CB max = 4 + 150 = 154