第五章5 分程控制控制系统

图1
分程控制系统方框图
分程控制系统中控制器输出信号的分段一般是由附设在控制阀上的阀门定
位器来实现的。阀门定位器相当于一台可变放大系数，且零点可以调整的放
大器。 阀门定位器可以将控制器的输出压力分成几段信号区间。不同段内的压力
有相应的阀门定位器转化为0.02~0.1MPa信号压力，使控制阀全程动作。
例如：A和B两个控制阀 要求：A阀在控制器输出信号压力为0.02~0.06MPa信号压力，使控制 阀全程动作。 A阀上的阀门定位器对应的输出压力为0.02MPa~0.1MPa，B阀上则在控制 器输出压力为0.06MPa~0.1MPa时通过附设在上面的阀门定位器使之也刚好走 完全程。 即，当控制其输出信号小于0.06MPa时，A阀动作，B阀不动作； 当信号大于0.06MPa时，A阀已动至极限，B阀开始动作。
一类是两个控制阀异向动作: 即随着控制器输出信号的增大成减小，一个控制阀开大，另 一个控制阀则关小，如图8—37所示，其中图(a)是A为气关阀、B 为气开阀的情况。图(b)是A为气开阀、B为气关阀的情况。
分程阀同向或异向动作的选择问题，要根据生产工艺的实际需要 来确定。
二、分程控制的应用场合
1．用于扩大控制阀的可调范围，改善控制品质
TCபைடு நூலகம்冷水
A B 蒸汽
FVA：气闭
FVB：气开
TC：反作用
1.反应开始前升温阶段→T测<给定值→TC↑→A阀↓ →（ A阀 全关时）B阀↑ →蒸汽加热， T↑→ 达到反应温度时，反应开 始； 2.反应开始后T↑ → T测.>给定值→TC↓ →B阀↓（B阀全关时） A阀↑→ T↓，冷却水把反应热带走，使反应釜温度恒定，反 应继续进行。
5.5
分程控制系统
在反馈控制系统中，通常都是一台控制器的输出只控制一台控制阀。
一、概述
在分程控制系统中，一台控制器的输出可以同时控制两台甚至两台以上 的控制阀。 在这里，控制器的输出信号被分割成若干个信号范围段，由每一段信号 去控制一台控制阀。 分程控制系统的方块图如图1所示。
给定 控制阀A 控制器 控制阀B 测量变送 对象 被控变量
3 . 用作生产安全的防护措施
在氮封控制系统中，调节器为“反作用”，调节阀A为气开式，调节阀B为气 关式。根据上述工艺要求，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，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，并向储罐充氮气，即A阀打开工作。
有时生产过程要求有较大范围的流量变化，但是控制阀的可调范围是有限制 的（国产统一设计柱塞控制阀可调范围R＝Qmax/Qmin=30)。若采用一个控制 阀，能够控制的最大流量和最小流量相差不可能太悬殊，满足不了生产上流量 大范围变化的要求．这时可考虑采用两个控制阀并联的分程控制方案。 设分程控制中使用的大小两只调节阀的最大流通能力分别为： C1max=4， C2max=100 其可调范围为： R1=R2=30 故小阀的最小流通能力为： C1min=C1max/30=0.134 分程控制把两个阀当一个阀使用，其最小流通能力为0.134，最大流通能力 为100，可调范围为： R分=(C2max+C1max)/0.134=776 因此，分程后的调节阀的可调范围为单个阀的 25倍，因此满足了生产要求。
分程控制系统，就控制阀的开、关型式可以划分为两类： 一类是两个控制阀同向动作: 即随着控制器输出信号(即阀压)的增大或减小，两控制阀都开 大或关小。其动作过程如图2所示，其中图(a)为气开阀的情况， 图(b)为气关阀的情况。
阀开度/%
A阀
B阀
A阀
B阀
0
20
60
100 图2 两阀同向动作
(a)
(b)
2、控制阀的开闭形式与分程区间的确定
高压蒸汽 B A PC
100% 阀 门 开 度
0 0.02 0.06 阀压
供水
中压蒸汽
GVA(S) GC(S) GVB(S) Gm(S)
0.10MP
Psp
蒸汽管压力对象
P
a）控制阀A、B应选气开阀，则控制器应为反作用。
b）由于A、B阀一般为同口径或相近口径，所以分程区域可以等分。
在该分程控制方案中采用了A、B两台控制阀(假定根据工艺要求均选 择为气开阀)。 A阀：控制器输出压力20一60kPa时，从全关到全开； B阀：在控制器输出压力为60一100kPa时由全关到全开。 正常情况下，即小负荷时，B阀处于关闭状态，只通过A阀开度的变化 来进行控制。当大负荷时，A阀已全开仍满足不了蒸汽量的需要，中压蒸 汽管线的压力仍达不到给定值，于是反作用式的压力控制器 PC输出增加， 超过了60kPa，使B阀也逐渐打开以弥补蒸汽供应量的不足。
2．用于控制两种不同的介质，以满足工艺生产的要求
工程示例2：工业废液中和控制系统
工程示例3 间歇式化学反应器分程控制系统
间歇反应器的工作原理： 1.按要求配比好原料并放入反应器，开始时温 度达不到反应要求，需对其通以蒸汽加热， 诱发化学反应； 2.当达到反应温度并开始反应后，会产生大量 的反应热，需及时地移走热量，否则会因温 度过高而发生危险。
工程示例1：蒸汽减压系统分程控制系统
锅炉产汽压力为 10MPa ，是高压蒸汽，而生产上需要的是压力平稳的
4MPa的中压蒸汽。 为此，需要通过节流减压的方法将 10MPa的高压蒸汽节流减压成 4MPa的 中压蒸汽。在选择控制阀的口径时，为了适应大负荷下蒸汽供应量的需要，控 制阀的口径就要选择得很大。然而，在正常情况下，蒸汽量却不需要这么大， 这就得要将阀关小。也就是说，正常情况下控制阀只在小开度下工作。而大阀 在小开度下工作时，除了阀特性会发生畸变外，还容易产生噪音和振荡，这样 就会供控制效果变差，控制质量降低。为解决这—矛盾，可采用两台控制阀， 构成分程控制方案，如图8-38所示。
TC
100%
冷水 A B 蒸汽
阀 门 开 度 0
A
B
0.02
0.06 阀压
0.10MPa
Tsp
GC(S)
GVA(S) GVB(S) 减温对象
+ T
+
加温对象
Gm(S)
a） A阀应选气闭阀，则控制器应为正作用， B阀应选气开。 b）分程区域：为了保证安全，不使反应器温度过高，能源中断时冷水阀应该 打开，所以A阀应在小信号段，B阀在高信号段。
(3)分程控制系统本质上是简单控制系统，因此控制器的选择 和参数整定，可参照简单控制系统处理。不过在运行中，如果 两个控制通道特性不同，就是说广义对象特性是两个，控制器 参数不能同时满足两个不同对象特性的要求。遇此情况，只好 照顾正常情况下的被控对象特性，按正常情况下整定控制器的 参数。对另一台阀的操作要求，只要能在工艺允许的范围内即 可。
油品储罐N2封分程控制系统
放空
B
A 氮气
100% 阀 门 开 度
B
A
0.10MPa
PC
0
0.02
0.058 0.062
分析：A阀（充N2）采用气开式，B阀（放空）为气闭式，控制器为反作用。 (1)向油罐注油时P↑→PC↓（<0.06MPa） →A阀全关、B阀开→P↓； (2)从油罐抽油时P↓→PC↑（>0.06MPa）→B阀全关、A阀开→P↑。
放空
B A 氮气 PC
100% 阀 门 开 度
0 0.02
B
A
0.10MPa
0.058 0.062
Psp
+
GC(S)
GVA(S) GVB(S)
+ -
充氮对象 放空对象
+ P
Gm(S)
a）控制阀A应选气开阀，则控制器应为反作用， B阀应选气闭。 b）分程区域：为了保证安全，不使贮罐压力过高，能源中断时氮气阀 A应 该关闭，放空阀B打开，所以B阀应在小信号段，A阀在高信号段。
改进措施： 1) 选择合适的调节阀流量 特性。例如，选两个流 通能力相等的线性阀； 2) 采用信号重叠法。这样， 不等小阀全开，大阀就 已渐开。
(2)大小阀并联时，大阀的泄漏量不可忽视，否则就不能充分 发挥扩大可调范围的作用。当大阀的泄漏量较大时，系统的最 小流通能力就不再是小阀的最小流通能力了。
三、分程控制中的几个问题
（1）控制阀流量特性要正确选择。
在分程控制中，把两个调节阀作为一个调节阀使用时，要求一个阀向另 外一个阀过度时，其流量变化要平滑。但由于两个阀的放大系数不同，在分 程点上引起流量特性的突变。 因为在两阀分程点上，控制阀的放大倍数可能出现突变，表现在特性曲 线上产生斜率突变的折点，这在大小控制阀并联时尤其重要。如果两控制阀 均为线性特性，情况更严重，见图8-43(a)。如果采用对数特性控制阀，分程 信号重叠一小段，则情况会有所改善，如图8-43（b）所示。