分程与阀位控制系统
分程控制系统
通常系统中设有两个控制器(或两个以上 得变送器),通过选择器选出能适应生产 安全状况得控制信号,实现对生产过程得 自动控制。
构成该系统应具备两方面: 一就是生产操作上有一定得选择性规律; 二就是组成控制系统得各个环节中,必须包 含具有选择性功能得选择单元。
二、选择性控制系统得类型
1、连续型选择性控制系统 两类: 1)选择器位于两个控制器与一个执行器之间 这就是选择性控制系统中常用得类型。
而当燃料气压力上升到超过脱火压力时,由于P2C 就是反作用,其输出a将就是低信号,a被低选器选中, 这样便取代了蒸汽压力控制器,防止脱火现象得发生, 其结果就是控制阀得开度关小,阀后压力下降,起到自 动保护得作用。
当燃料气压力恢复正常时,蒸汽压力控制器P1C得输出b又 成为低信号,经自动切换,蒸汽压力控制系统重新恢复运行。
一旦另一变量达到极限要求时,为了防止事故得 发生,选择性控制系统将通过专门得装置(电接点、 信号器、切换器等)切断主要变量控制器得输出,而 将控制阀迅速打开或关闭,直到该变量回到限值以 内时,系统才自动重新恢复到之前得连续控制。
三、选择性控制系统得设计
1、选择器得选型
在选择器具体选型时,根据生产处于不正常情况下,取代控 制器得输出信号为高或为低来确定选择器得类型。 步骤:
把控制器得输出信号分成两段,利用不同得输出信号段分 别控制两个控制阀
如阀A在控制器得输出信号为0、02～0、06MPa范围内 工作,阀B则在控制器输出信号为0、06～0、1MPa范围内 工作。
就控制阀得气开、气关形式可分为两类:
一类就是控制阀同向动作,即随着控制器输出信号得 变化,控制阀均开大或关小,且两个阀同为气开式或 同为气关式。
锅炉控制系统中常采用蒸汽压力与燃料气压力 得选择性控制系统,以防止脱火现象产生。
复杂控制理论--分程控制
2019/12/29
4
决定分程区间 根据工艺要求，当温度偏高时，
100
先关小蒸汽再开大冷水
B
A
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、
0 0.02
0.06
0.1
MPa
冷水0.02~0.06MPa 。
T Tr A T Tr A B
VB
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）。
VA
2019/12/29
10
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。
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 TC
A 蒸汽
B 冷水
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。
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
借助每个执行器上的阀门定位器，
通过调整A、B两阀的全行程动作范 围实现的。
控制器
电气 转换
A B
2019/12/29
1
分程控制系统如何采用阀门定位器实现硬分程？
分程控制系统如何采用阀门定位器实现硬分程？气动调节阀以20kPa-100kPa的气压信号为输入控制信号，阀门定位器作为气动调节阀的主要辅助工具，对调节阀的定位也起着决定性作用，它与气动调节阀配套使用，可满足生产过程中控制系统对阀门提出的各种特殊要求。
分程控制中借助附设在每台调节阀上的阀门定位器，将PID调节器输出分成几段信号区间，不同区段内的电流变化分别通过阀门定位器去带动各个调节阀做全行程动作，称为“硬分程”。
如何采用阀门定位器实现硬分程由于气动调节阀有气开和气关两种特性，因此在分程控制系统中两个阀门就有四种组合特性。
如图1~图4所示。
图1和图2表示阀门同方向运动，图3和图4表示两个阀门作用方向相反。
虽然分程控制可以是两个以上阀门共同控制，但一般采用的是两个阀门分程。
图1图2图3图4如图3所示分程控制曲线图，一个PID调节器的输出同时控制两个工作范围不同的气动调节阀。
通过阀门定位器或电-气阀门定位器来实现硬分程。
A阀为气开阀，在PID调节器的输出信号为0-50%，即4-12mA时，做全行程动作。
通过对调节阀与阀门定位器的联校，使A阀从全闭到全开动作，当输入电流为12mA时，A阀达时到全开状态。
B阀也为气开阀，在PID调节器的输出信号50%-100%，即12-20mA时，做全行程动作。
改变B阀电-气阀门定位器的正反作用方式，使得B阀作反向阀使用。
通过对调节阀与阀门定位器的联校，使B阀从全开到全闭动作，当输入电流为12mA时达到全开，20mA时阀达到全闭。
硬分程存在的问题1、两个气动调节阀串联在同一回路中，一旦中间线路出故障，或一个气动调节阀进行检修，另个气动调节阀也将不能工作。
因而，不能手动控制单个气动调节阀，操作起来很不方便。
2、分程控制的实现是通过调整阀门定位器的反馈杠杆，来改变阀门定位器的量程范围从而实现分程。
在实际应用中，现场需要根据分程控制曲线，对每段输出信号，进行调节阀调校，工作起来既繁琐又费时，而求维修也较为不便。
5_4_分程控制与阀位控制
4.调节器正、反作用方式的选择
示例1：
B A.O “ “-” +”
“ +” 反作用 “ +” A.O “ +”
“-” 正作用
A
管式炉原油出口温度阀位控制系统方框图
4.调节器正、反作用方式的选择
示例2：
A.O “ B P “ +” +” “-” 正作用 “ +” A.O “ +”
经济、合理 但不及时 快速、及时 但不经济
阀位控制器 B阀位设定值
主控制器
阀位控制系统应用
管式加热炉原油出口温度控制
及时有效 正作用
A.O
反作用
经济合理
A式加热炉原油出口温度控制
及时有效 正作用
A.O
稳定情况： 被控参数=设定温度R VB开度=r 干扰使θ ↑时：
气
调节阀气动信号（MPa）
阀
0.058 0.062
气
开 阀
关
阀位控制
在设计控制系统时，选择控制变量既要考虑经济性和合理
性，又要考虑快速性和有效性。但在有些情况下，很难做到两
者兼顾。阀位控制系统就是在综合考虑控制变量的快速性、有
效性和经济性、合理性基础上发展起来的一种控制系统。
阀位控制系统的原理结构
分程控制的基本设计思想
在分程控制系统中，仅有一个被控变量CV，但通常有两个操 作变量MVs。
▪ 分程控制的基本设计思想是，将两个MVs （或两个控制阀） 合并成一个MV，再按单回路方式进行控制；
▪ “分程”是指将控制器输出信号按范围划分成几段，其中每 一段只调节一个控制阀的开度（另一控制阀的开度保持不 变）。
分程控制与阀位控制
第五章5-分程控制控制系统综述
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：
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、控制阀的开闭形式与分程区间的确定
高压蒸汽
供水
B
100% 阀
A
门 开
PC
度
0
中压蒸汽 0.02
0.06 阀压
0.10MP
Psp GC(S)
GVA(S) GVB(S)
蒸汽管压力对象
P
Gm(S)
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。
TC
100%
冷水 阀 A
门
B
A
蒸汽
开 度
B
0
0.02
0.06
0.10MPa
阀压
-
Tsp GC(S)
-
GVA(S)
+
9.分程控制-过程控制(自动化)解析
本讲主要内容
分程控制的特点与适用场合； 分程区间的确定方法； 阀位控制的概念与设计方法。
例1：间歇聚合反应器的控制问题
T
Y
冷水
“A”
蒸汽
“B”
控制要求：反应开始前，需要用蒸汽加热以达到反应所需 的温度；当反应开始后，因放出大量反应热，需要用冷水 进行冷却。要求全过程自动控制反应器的温度，怎么实现？
氮封的技术要求
实行氮封的技术要求是：要始终保持储罐内的 氮气压微量正压。储罐内储存物料量增减时， 将引起罐顶压力的升降，应及时进行控制，否 则将使储罐变形，更有甚者，会将储罐吸扁。 因此，当储罐内液面上升时，应停止继续补充 氮气，并将压缩的氮气适量排出。反之，当液 面下降时应停止放出氮气。只有这样才能达到 既隔绝空气，又保证容器不变形的目的。
多回路PID控制系统小结
用于改善控制系统性能的多回路PID系统 （1）串级控制系统； （2）前馈控制系统； （3）变增益/变比值控制系统。
用于满足工艺特定需要的多回路PID系统 （1）均匀控制系统； （2）比值控制系统； （3）分程控制系统； （4）阀位控制系统； （5）选择性控制系统。
练习
题1 下图为化学反应器的过程控制系统：1）说明图中的控制策略属于哪类控制系统？2） 最主要的被控变量是什么？最主要的操纵变量是什么？3）图中哪个控制器要整定的最慢， 哪个控制器要整定的最快？为什么？4）阀门V1是气开还是气关？为什么？V2是气开还是 气关？为什么？5）指出各图中控制器的正反作用，并给出选取的理由；6）给出图中控制 规律的选取。
0.10
调节阀气动信号（MPa）
避免两调节阀频繁开 闭的方法： （1）控制阀引入不 灵敏区。 （2）同时，控制器 引入调节死区（为什 么？）
过程控制工程名词解释
过程控制工程名词解释过程控制：针对温度、压力（差压）、流量、液位（物位）、成分和物性等过程参数的控制。
（P13）系统：实现某一目标的完整体系，将环境对它的影响和它对环境的影响分离出来。
被控对象（过程）：被控制的生产设备或装置。
被控过程既包括运行中的设备与生产关系，也反映其输入输出动态关系。
（P3）测量变送器：用于测量被控变量，并按一定的规律将其转换为标准信号作为输出。
执行器：常用的是控制阀。
它接受来自控制器的命令信号u，用于自动改变控制阀的开度。
控制器（调节器）：它将被控变量的测量值与设定值进行比较，得出偏差信号e(t)，并按一定的规律给出控制信号u(t)。
被控变量（受控变量、过程变量）：被控对象需要维持在其理想值的工艺变量。
（P4）等于工艺介质加工艺部位加工艺参数。
设定值（给定值）：被控变量要求达到的期望值。
控制变量：控制器的输出电信号。
操作变量（操纵变量）：通常是指由执行器控制的某一工艺变量。
扰动变量：任何导致被控变量偏离其设定值的输入变量。
广义对象：为了简化控制系统的分析和设计，常把执行机构、被控对象和测量变送环节合并起来考虑，作为一个广义对象。
（P38）正反作用：当被控变量的测量值增大时，控制器的输出也增大，则该控制器为“正作用”；否则，当测量值增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。
串级控制：一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值。
（P86）主控制器：接受主变量的误差，输出到副控制器设定值的控制器。
副控制器：接受副变量的误差，输出到执行机构的控制器。
（液位）均匀控制（平均液位控制）：控制目标是使操作变量（如储罐输出流量）尽可能平缓，以减少对下游装置的干扰，而允许贮罐液位在上下限之间波动。
积分饱和：当调节能力不足时，控制器内部状态超出正常工作范围。
而当主要干扰消除后，控制器内部状态首先需要返回至正常工作范围，然后控制器才真正开始起调节作用。
不完全微分PID：由于微分对高频噪声有放大作用，所以在具体实现时一般不用理想微分，而是在PID算式中加一个一阶低通滤波器（惯性环节）。
串级、比值、前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量六种复杂控制系统
1、串级控制系统
串级控制系统是应用最早，效果最好，使 用最广泛的一种复杂控制系统，它的特点 是两个调节器相串联，主调节器的输出作 为副调节器的设定，当对象的滞后较大， 干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级 控制系统。
1、基本概念
串级控制系统(Cascade Cont ro1System)是一 种常用的复杂控制系统，它根据系统结构
主回路(外回路)：断开副调节器的反馈回路 后的整个外回路。
副回路(内回路)：由副参数、副调节器及所 包括的一部分对象所组成的闭合回路（随
动回路)
主对象(惰性区)：主参数所处的那一部分工 艺设备，它的输入信号为副变量，输出信 号为主参数(主变量)。
副对象(导前区)：副参数所处的那一部分工 艺设备，它的输入信号为调节量，其输出 信号为副参数(副参数 将要达到危险值时，就适当降低生产要求， 让它暂时维持生产，并逐渐调整生产，使 之朝正常工况发展。能实现软限控制的控 制系统称为选择性控制系统，又称为取代 控制系统或超驰控制系统。
通常把控制回路中有选择器的控制系统称 为选择性控制(selective control)系统。选择 器实现逻辑运算，分为高选器和低选器两 类。高选器输出是其输入信号中的高信号， 低选器输出是其输入信号中的低信号。
控制系统一般又可分为简单控制系统和复 杂控制系统两大类，所谓复杂，是相对于 简单而言的。凡是多参数，具有两个以上 变送器、两个以上调节器或两个以上调节 阀组成多回路的自动控制系统，称之为复 杂控制系统。
目前常用的复杂控制系统有串级、比值、 前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量等， 并且随着生产发展的需要和科学技术进步， 又陆续出现了许多其他新型的复杂控制系 统。
路外，使调整k时不影响控制回路稳定性。
分程控制系统
阀 门 开 度 ％
A阀
B阀
100 阀压kPa
A阀气关，B阀气开，PC反作用
10Mpa中压蒸汽
控制阀的可调比 R＝Qmax/Qmin 由于口径固定，采用同一个控制阀，能够 控制的最大流量和最小流量不可能相差太 大，满足不了生产上流量大范围变化的要 求，在这种情况下可采用两个控制阀并联 的分程控制方案。
汽 包
给水
4Mpa 中压蒸汽
蒸汽减压系统分程控制系统 A阀
B阀
A阀小口径
B阀大口径
－
对象
控制阀B 测量、变送 分程控制系统方块图
分程控制的种类
阀 门 开 度 ％ 阀 门 开 度 ％
A阀
B阀
A阀
B阀
100
阀 门 开 度 ％
100 阀压kPa
(a)
阀压kPa
两阀同向动作
(b)
A阀
B阀
阀 门 开 度 ％
A阀
B阀
100
100
阀压kPa
(a)
阀压kPa
(b)
两阀异向动作
分程控制应用1：提高控制阀的可调比
反应器分程控制系统
A阀
B阀
A阀气关，B阀气开，TC反作用
分程控制应用3：用作安全生产的保护措施
化工厂的贮油罐需要进行氮封，以使油品与 空气隔绝。
“反 ”
储罐氮封分程控制方案
一个问题就是贮罐中物料量的增减会导致氮 封压力的变化。为了维持罐压平衡，需要在 物料被抽取时加氮补压，而在物料进料时排 气减压。 贮压升高时，测量值将大于给定值，压力控 制器PC的输出将下降，A阀关闭，B阀打开， 排气减压 贮压降低时，测量值小于给定值时，控制器 输出将变大， A阀打开，B阀关闭，补氮增 压。
分程控制系统.
2.5 分程控制系统
变差控制质量降低。为了解决这一矛盾，可选 用两只同向动作的调节阀构成分程控制系统， 如图2.5-2所示的分程控制系统采用了A、B两只 同向动作的调节阀（根据工艺要求均选为气开 式）其中A阀得在调节器输出信号4～12mA（气 压信号为0.02～0.06MPa）时由全闭到全开，B 阀得在调节器输出信号12～20mA（气压信号为 0.06～0.1MPa）时由全闭到全开，这样，在正 常情况下，即小负荷时，B阀处于全关，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求，这时B阀也开 始打开，以补足A阀全开时蒸汽供应量的不足。
2.5 分程控制系统
2.5 分程控制系统
图2.5-4 蒸汽减压分程控制系统原理图两只调节阀的最大 流通能力均为100，可调范围=30。由于调节阀的 可调范围为： R Cmax Cmin (2.5-2) 据上式可求得
Cmin Cmax 30 100 30 3.33
2.5 分程控制系统
LOGO
2.5 分程控制系统
1 分程控制系统的基本概念
2分程控制系统的方案实施
3 阀位控制系统
2.5 分程控制系统
2.5.1 分程控制系统的基本概念 1．分程调节系统 一般来说，一台调节器的输出仅操纵一只调节 阀，若一只调节器去控制两个以上的阀并且是按 输出信号的不同区间去操作不同的阀门，这种控 制方式习惯上称为分程控制。 图2.5-1表示了分程控制系统的简图。
2.5 分程控制系统
2.5 分程控制系统
图2.5-5 间歇式化学反应器分程控制系统图
2.5 分程控制系统
图中温度调节器选择反作用，冷水调节阀选择 气关式（A阀），热水调节阀选择气开式（B阀）。 该系统工作过程如下:在进行化学反应前的升温阶 段，由于温度测量值小于给定值，因此调节器输 出增大，B阀开大，A阀关闭，即蒸汽阀开、冷水 阀关，以便使反应器温度升高。当温度达到反应 温度时，化学反应发生，于是就有热量放出，反 应物的温度逐渐提高。当温升使测量值大于给定 值时，调节器输出将减小（由于调节器是反作 用），随着调节器的输出的减小，B阀将
分程调节系统的类型及其设计
分程调节系统的类型及其设计作者：王翊 北京石油化工设计院摘要：本文从分程控制系统的定义，类型及其应用方面详细阐述了分程调节系统的类型及其设计。
本文还通过引入广义对象的概念阐述了关于分程调节系统设计当中的正反作用选择问题。
还阐述了关于分程控制系统设计的几个需要注意的问题。
Abstract: Detail description about the type and design of xxx control system in aspect of the system definition, type and application in the article. Also discussed the positive/negative action about xxx regulator via induced the concept about widely object.一、概念所谓分程控制就是一台控制器去操纵两个或两个以上的阀门，并且是按输出信号的不同区间操作不同阀门。
这种控制方式习惯上称为分程控制。
二、分程控制常用的几种方式1．利用软件进行分程操作 (二只阀门按0～50％、50％～100％进行分程)通过计算机软件编程的方式进行分程调节，计算公式如下所示。
比如PID 输出为u （t ）（0～100％）无因次化后对应：第一只阀门()⎩⎨⎧⨯=%1002)(1t u t u %)100~%50(%)50~0(第二只阀门()()[]⎩⎨⎧⨯-=25.002t u t u %)100~%50(%)50~0(2．利用配电器等进行分程操作通过配电器对4~20mA 信号分区间，来调节两个分程调节阀。
原理与第一种类似只不过是通过电子元器件进行分程操作。
通过阀门定位器对接收到的气动信号进行按比例分程，可实现分程控制。
其原理通过气动元件进行分程。
1、同向分程：同时采用气开或者气关阀门，通过不同的信号区间控制不同的阀门实现分程控制。
分程控制系统应注意的三个问题
分程控制系统应注意的三个问题
分程控制系统的应用：用于扩大调节阀的可调范围，满足不同负荷下的控制要求；可增加控制手段，控制多种介质，以满足工艺生产的要求；确保生产状态和事故状态的安全。
分程控制系统应注意的三个问题
1、分程控制对阀门的泄漏等级要求较高，当分程控制的目的是为了扩大调节阀的可调范围、提高系统控制质量时尤为重要。
当大小两个阀门并联工作时，如果大阀的泄漏量较大时，小阀在小开度时将起不到控制作用。
2、要正确选择调节阀流量特性。
在分程控制系统中，存在着控制作用从一个调节阀向另一个调节阀的过渡。
如果各阀的流通能力相差较大，那么在分程点处将出现流量的突变，这在大小调节阀并联时尤其突出。
解决的办法是：如果要求分程控制的总体流量特性为直线，且总的可调范围不太大，可使用两个流通能力相同的线性阀门；如果要求总的可调范围较大，则可使用两个等百分比的阀门。
3、分程控制系统本质上是简单控制系统，因此PID调节器的选择和参数整定，可参照简单控制系统处理。
但是，当用于控制不同介质时，两个控制通道特性差异较大，PID调节器参数不能同时满足两个不同对象特性的要求，可以通过修改分程点位置，以改变两个控制通道的放大倍数的办法加以改进，否则只能根据正常情况下使用的阀门来整定PID调节器的参数，对使用另一台阀门时的操作要求，只要能在工艺允许的范围内即可。
第七章 分程控制系统
一、基本原理、结构和性能分析
分程控制系统的定义：
一个控制器的输出去控制两个或两个以上的执行器，执行器分别 按控制器输出的不同范围工作的控制系统。
分程控制系统的特点：
●多个执行器：与有选择器的按 操作变量进行的选择的控制系统不同 ●分程工作：与多个执行器并联运行不同
分程控制系统示意图
按照这些条件, 当调节器(包括电/气转换器)输出信号小于0.06 MPa时, A阀动作, B阀不动; 当输出信号大于0.06 MPa时, B阀动 作, 而A阀已动至极限。 由此实现分程控制过程。
一、基本原理、结构和性能分析
间歇聚合反应器的控制问题
T
Y
冷水
“VA2 ”
蒸汽
“VB1”
控制要求：反应开始前，需要用蒸汽加热以达到反应所需 的温度；当反应开始后，因放出大量反应热，需要用冷水 进行冷却。要求全过程自动控制反应器的温度？
图中表示一台控制器去操纵两个调节阀, 实施过程(动作 过程)借助调节阀上的阀门定位器对信号的转换功能。
例如图中的A、 B两阀, 要求A阀在调节器输出信号压力在0.02～ 0.06 MPa之间变化时, 作阀的全行程动作, 则要求附在A阀上的 阀门定位器在输入信号为0.02～0.06 MPa时, 相应的输出为 0.02～0.1 MPa, 而B阀上的阀门定位器, 应调整成在输入信号为0.06～ 0.1 MPa 时, 相应的输出为0.02～0.1 MPa。
二、选择性控制系统与其他控制系统的结合
、 三 选择性控制系统设计和工程应用中的问题
作业：
6-1、3、4
6.1 概述 选择性控制，取代控制，超驰控制
控制系统要求： ● 正常时，克服干扰，维持生产平稳运行 ● 达到安全极限时，具有应变能力，采取相应
分程及阀位控制系统
第7章
分程及阀位控制系统
7、1 分程控制系统 7、2 阀位控制系统
7、分1 程控制系统 7、1、概述 1一个控制器控制几个控制阀——输出信号分段“分程控制”
如,控制两个阀A、B A阀控制信号:0、02~0、06Mpa B阀控制信号:0、06~0、1Mpa
控制器输出在0、06Mpa以下,只有阀A动作,在0、06Mpa 以上,只有阀B动作
R=Cmax/Cmin Cmin=Cmax/30=3、33 当采用两只控制阀组成分程控制时,最小流通能力不变,而最 大流通能力应就是两阀都全开时得流通能力,即:
C' max＝CAmax十CBmax＝2Cmax＝200
因此A、B两只控制阀构成分程控制时,两阀组合后得可调范围
应就是:
R'
C' max
200
60
Cmin 100
R’=60
30
7、1、分程控制得应用场合 2
(2)同时控制两种介质,满足工艺要求
— TC
A
A、
C
B
A、 O
A B
图7—4 间歇式化学反应器分程控制系统
7、1、分程控制得应用场合 2
(2)同时控制两种介质,满足工艺要求
工艺要求:投料后,需由蒸汽加温,以达到反应温度,反应进 行后,放出热量,需要将热量移走。例1 线性阀d来自F FmaxK
dl
F／Fmax＝Kl十Kl
4
(1)连续分程法:
例2 等百分比阀
d
F Fmax dl
K
F Fmax
缺点:如果两个阀得流通能力相差很大时,会有一个阀得 分程信号变得非常小,调节困难。
7、1、分程阀流量特性问题 4
分程控制系统
阀开度
0
50 %
100 %
异向组合：
100 %
阀开度
调节器输出
调节器输出
100 %
0
50 %
100 %
阀开度
0
50 %
100 %
调节器输出
调节器输出
二. 分程控制系统的应用 ⒈ 扩大可调范围。 例如： 两阀的可调范围为： A
RA＝RB 30
TC
蒸汽 热水
TT
热物料
B
冷凝水
最大流通能力为：
CAmax＝4, CBmax 100
零点和放大倍数可调的放大器。
Gm s
4～20 mA
阀开度
阀门定位器2.5 A，B分程及阀位控制系统 分段响应调节器输出信号，将它们转换为调节 ( 十六 ) 阀全程信号。 2.5.1 分程控制系统 TC TT 工作过程：设分段点为 50％。均选气开阀。则 热物料 调节器输出信号在 0 ～ 50％（4 ～ 12mA）时，阀门定位器A将 一 . 概述 4～12mA的信号转换为 0.02 ~ 0.1 MPa蒸汽 ，对应阀A全行程。 B B 全关。 一个调节器的输出分 此时阀门定位器 B 输出 0.02 MPa ，阀 热水 调节器输出信号在 50 ～ 100 ％（ 12 ～ 20mA）时，阀门定位器A 段分别控制两个或两 A 输出 0.1 MPa ，阀A全开。此时阀门定位器 B 将12～ 20mA 冷凝水 的信号转换为 0.02 ~ 0.1 MPa ，对应阀B 全行程。 个以上的调节阀，两 相当于阀门定位器A量程放大一倍。 个调节阀分量程响应调节器的输出信号。 阀门定位器B零点迁移 50%，且量程放大一倍。 冷物料 调节阀A 100 % y x 关键是每个调节阀上都装有阀 GO s 调节器 门定位器，阀门定位器相当于 调节阀B
分程控制系统
如果在分程控制系统中采用两台分程阀，如图1-1 所示，要求A阀的信号区间为4~12ma，B阀的信号 区间为12~20ma。通过调整两台调节阀上的阀门 定位器，使A阀在4~12ma的输入信号下走完全行 程，使B阀在12~20ma的输入信号下走完全行程。 当控制器输出信号小于12ma时，只有A阀随信号 的变化改变开度，B阀的开度不变；控制器输出信 号超过12ma时，A阀的开度不变，B阀的开度随信 号的变化而变化。
图(b)表示两个调节阀均为气关阀。随着控制器输出 信号为4~12ma范围时，A阀从全开到全关，B阀为 全开；信号为12~20ma时，A阀保持全关，B阀从 全开逐渐打开到全关。
图1-3为异向调节阀的分程动作过程，即随着控制 器输出信号的增大或减小调节阀开大，另一个调节 阀则关小。
分程控制系统的应用 分程控制系统主要有以下几个方面的应用 (1)用于扩大调节阀的可调范围，满足不同负荷下 的控制要求。当生产负荷变化较大时，要求有较大范 围的流量变化，但是调节阀的可调范围是有限制的， 只用一个调节阀满足不了流量大范围变化的要求，这 时可采用两个调节阀并联安装的分程控制方案.
分程控制中的几个问题 (1)分程控制对阀门的泄漏等级要求较高，当分程 控制的目的是为了扩大调节阀的可调范围、提高系 统控制质量时尤为重要。当大小两个阀门并联工作 时，如果大阀的泄漏量较大时，小阀在小开度时将 起不到控制作用。
(2)要正确选择调节阀流量特性。在分程控制系统中， 存在着控制作用从一个调节阀向另一个调节阀的过 渡。如果各阀的流通能力相差较大，那么在分程点 处将出现流量的突变这在大小调节阀并联时尤其突 出。解决的办法是：如果要求分程控制的总体流量 特性为直线，且总的可调范围不太大，可使用两个 流通能力相同的线性阀门；如果要求总的可调范围 较大，则可使用两个等百分比的阀门。
第6、7章 选择控制系统和分程阀位控制系统
液位
温度控制器 开 关 控制阀
温度
液位对象
温度对象
图6—2 开关型选择性控制系统方块图
教学进程
6.2.1 开关型选择性系统
裂解气（88℃） 气丙烯 信号器
当液位低于75％时 pz＝0
信号器 液丙烯 PZ 当液位达到75％时 pz＝0．1MPa 切换器
TC
PY PX
切换器
当pz＝0时，pY＝px
pz＝0．1MPa时， pY＝0
第二步：主控制器处于自动状态，然后按单回路系统整定方法 整定阀位控制器的参数。
教学进程
作业 课本P164 课本 P183 7.7 6.5
工作原理：
T TC输出 T VB A
VPC
(
VA
) ( T
VPC输出
A.O
)
T=Tsp
教学进程
7.2.2 阀位控制系统的应用
B
工作原理：
A.O TC
T
TC输出 T
VB
VPC
(
VA
) )
VPC输出 A
( T
A.O
VA处于某一新开度，VB处于VPC所设置的小开度 r
总结：干扰出现，由快速变量迅速使被控量回到给定，然后， 由经济变量调整，最终使快速变量回到原来值，而整个控制
P176 分析 仍有跳跃
教学进程
7.2 阀位控制系统 7.2.1 概述
控制某个过程参数时，操纵变量的选择不是唯一的 操纵变量选择的原则：经济性和工艺合理性、快速性 和有效性 有些情况，两者不能兼顾 综合考虑——阀位控制系统
F
变量A：经济合理 变量B：快速有效 C1主控制器，控制B C2阀位控制器，控制A A B
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控制系统综合设计举例
TT 17 TC 17
液体产品 出料 连续放热 反应器
该放热反应为 A+B→C。试改 进现有的单回路控制方案。 具体的控制目标包括： (1) FB /FA = R
冷却水
气关阀 A 反应 进料
(2) 冷却水温度波动较大时， 如何改善TT17的控制性能？ (3) 当冷却水系统的冷量不足 时，如何控制TT17不超温
双控制阀的分程组合
100 100
B”
0 0.02 0.06 0.10
0 0.02 0.06 0.10
p, MPa
100 100
p, MPa
f (%)
f (%)
“ A”
阀
0 0.02
0 0.06 0.10 0.02 0.06 0.10
气 开
p, MPa
p, MPa
“ B” 气 开 阀
B” “ 阀 关
B
A”
“
f (%)
f (%)
” A
阀
“
阀
气
“
开
开
关
气
气
阀
“
“ A ”
B”
气
气
气 关 阀
关
阀
间歇放热反应器 分程控制系统设计分析
100
Tm 放热 反应器
TT 34
电/气 转换器
问题讨论
阀
换热水
Y
“A” “B”
冷却 水
T
蒸汽
1. 0.02 选择两控制阀的气 0.06 开/气关形式； p, MPa 2. 两控制阀如何分程 协调工作？ 3. 画出该控制系统的 方块图
循环线 FC
dPC 16
dPT 16
旁路线
多回路PID控制方案总结
为改善被控变量CV的动态性能 (1) 串级控制 (2) 前馈反馈控制 (3) 变比值控制 为满足工艺过程提出的特殊需要 (1) （液位与流量）均匀控制 (2) （两流量之间的）比值控制 (3) （两被控变量之间的）超驰控制或选择控制 (4) （两控制阀之间的）分程控制 (5) （主回路的）阀位控制
f (%)
“ B”
0.06
“ A ”
0 0.02 0.10
p, MPa
气
开 阀
气
阀 关
油品罐顶封氮分程控制方案
排空 气关阀 VB VA 气开阀
PT 41 N2 N2 气源
问题讨论
1. 两控制阀如何分程协 调工作？ 2. 画出该控制系统的方 块图，并确定压力控 制器的正反作用； 3. 如何避免进气阀与排 空阀的频繁切换，以 节省氮气用量？
0
气 开
0.10
TC 34
I/P
阀
u
p
f (%)
“ B”
Tsp
A “ ”
关 气
间歇放热反应器 分程控制系统方块图
Tsp ＋ － Tm VA TC 34 u(t) VB fB fA 冷却水 回路 蒸汽 加热器 TT 34
100
＋ ＋
Tc
放 反应器
T
1. 确定TC34的正反作用； 2. 当反应器温度为常温时，试确定 两控制阀的初始状态？ 3. 分析该控制系统如何具体工作？
间歇放热反应器分程控制方案
Tsp Tm
TT 34 TC 34
u
I/P
电/气 转换器
p
换热水 放热 反应器
Y
“A” “B”
冷却水
T
蒸汽
常规线性控制阀的特性
ym TC 34 u
100
I/P
气 关
f (%)
p
阀 气
0
开
阀
VA
0.02 0
0.06 50
0.10 100
p, MPa u, %
正常情况下，当电气转换器输出p全范围变化（0.02 ~ 0.10 MPa）时，控制阀从全关至全开或从全开至全关。
dPT 16
旁路线
导热油加热系统阀位控制
返回油 热油
TT 12 TC 12 TC 13
VPC 18
Tsp
TT 13
HS 18
问题讨论
(1) VPC18的正 反作用
(2) VPC18的 PID参数整定与 抗积分饱和 (3) 该系统如何 具体工作？
空气 FT 11 燃料
FC 11
FC
TC 14
TT 14
分程控制与阀位控制
戴连奎 浙江大学控制学院 2017/04/13
内 容
分程控制的概念与方法 分程控制的应用举例— 间歇反应器 与储罐气封控制 阀位控制方案与应用举例
间歇放热反应器的控制问题
TT 34
换热水 放热 反应器
Y
“A” “B”
冷却水
T
蒸汽
工艺背景：在反应开始时需要用蒸汽加热，以达到一定的 反应速度；而当反应正常进行时，需要用冷却水进行冷却， 以防止反应温度超高。对象控制特性分析 控制目标：希望实现反应温度全过程的自动控制
分程控制的基本设计思想
在分程控制系统中，仅有一个被控变量 CV，但通常有两个操作变量MVs。 分程控制的基本设计思想是，将两个MVs （或两个控制阀）合并成一个MV，再按 单回路方式进行控制； “分程”是指将控制器输出信号按范围划 分成几段，其中每一段只调节一个控制阀 的开度（另一控制阀的开度保持不变）。
分程控制的内部结构
u
I/P
p
0.02~0.06MPa
0.06~0.1MPa
通过手工调节 阀门定位器， 使控制阀全范 围所需的控制 信号变窄。
VB
VA
上例中当输出p从0.02 变化至 0.06 MPa时，VA就可全范围变 化（此时，VB开度不变）；而当输出p从0.06 变化至 0.10 MPa时，VB就可全范围变化（此时，VA开度不变）
Pm
PT 41
u
Psp
返回油
导热油加热系统
TT 12 TC 13 TC 12 FC 11 FT 11 空气 燃料
热油
导热油加热系 统控制问题： (1) 工艺过程 (2) 调节阀气开 气关选择 (3) 热与压力平 衡分析 (4) 如何节能？
Tsp
TT 13
FC
TC 14
TT 14
循环线 FC
dPC 16