6 分程控制

0 20 60 100
0 20 60 100
单阀特性
组合阀理想特性
但是，若两个阀门的流通能力不同，则其组合阀组的特性 在分程点处将发生畸变。
例1：二气开式调节阀A, B流通能力如下： CAmax = 4, CBmax = 100, 取分程点：60KPa， 则，两阀门组合阀组的流量特性如图所示：
100 % B A 0 20 60 100
反作用控制器
100%
A
冷水
A B
B
蒸汽
0 20 60 A、B分程阀门组合特性 100
冷 凝 水
间歇式反应器分程控制

反应段 （撤除反应热） 信号变化： 反应器内温度达到反应温度，控制器输出约为60KPa， 随反应放热，温度增加，信号减小

阀门动作： B阀完全关闭。 随着放热反应的进行，反应器内温度升高，控制器输 出信号减小，A阀开度逐渐加大。
F d Fmax dl K F Fmax
两边取积分得： F 1 Kl e Fmax K 1
Cmax Kl C e K1
其中K1为待定系数。
计算得到： l = 0：C = Cmin = 195 / 50 = 3.9 K1 = 645 / 3.9 = 165.38 l = 1：C = Cmax = 645
反向动作控制阀组合
一般应用于满足工艺控制的特殊需要
1) 扩大阀门可调范围，改善控制品质（同向阀门组合） 可调范围R：控制阀执行规定特性运行时的有效范围 描述式：
C MAX R C MIN
其中

CMAX：阀门最大流通能力 CMIN： 阀门最小流通能力 国产调解阀的可调比一般是30 分程控制阀组可调比：
A
B
B
60 A、B分程阀门组合特性
100
冷 凝 水
间歇式反应器分程控制
注意：控制器为反作用控制器 升温段： 信号变化： 反应初始阶段，反应器内温度较低，控制器输出大信号 (>60KPa)，随温度升高控制器信号减小。 阀门状态： A阀关闭， B阀开度较大，随反应器内温度上升B法逐渐关闭。
TC

例如：调节两种不同的物料；安全性考虑等 基本特点
20-60kPa 60-100kPa
C
① 多只调解阀接受同一控制器的控制 ② 控制器的不同信号段控制不同的阀门动作 ③ 每只调解阀分别在控制器输出的不同信号段内完成从 全开到全关的调节动作。
6.2 分程控制中阀门的组合形式

阀门动作形式：气开阀，气关阀。 组合形式：同向阀门组合、异向阀门组合 组合形式表示(设二阀门信号分割点60KPa)
100% A B 100% A B
0 20 60 两气开式阀门组合 100
0 20 60 两气关式阀门组合 100
同向动作控制阀组合
一般应用于扩大阀门的可调比R，改善控制系统品质

异向阀门组合：
100% A B 100% A B
0 20 60 气开式+气关式组合 100
0 20 60 气关式+气开式组合 100
GVa Gpa Gp GVb Gpb
QA
GPC
A PC
阀开度
QB
燃 料 气 混 合 罐
B
Gm
100% A阀 B阀



100kPa
阀A：气关阀； 阀B：气开阀； 控制器：反作用
20
例2图示反应器系统利用反应产物余热加热反应物，同时配 有蒸汽加热环节，为了节省能源，要求在入口温度低于 要求时再利用蒸汽进一步加热。 请为此过程设计一入口温度控制系统； 设反应器入口温度不宜过高，请确定各阀门的开关形式 及各控制器的作用形式； 请画出相对于控制信号的二阀门动作关系图。
100% A B 100% A B
0 20
0 60 两气开式阀门组合 100 20 60 两气关式阀门组合 100
同向动作控制阀组合
100% A B 100% A B
0 20 60 气开式+气关式组合 100
0 20
60 气关式+气开式组合
100
反向动作控制阀组合
6.3 分程控制的应用场合 不同的阀门组合形式对应着不同的应用目的： 同向阀门组合：
100 % B
A
0 20 60 100
组合阀畸变特性（A+B）
组合阀畸变特性（B+A）
畸变点如图所示 畸变将严重影响流量调节的对应关系，影响系 统的控制质量。

畸变与分程点
100 %
B A 0 20 30 40 50 60 70 80 100 组合阀分成点选取

畸变程度与分程点选取有直接关系，合理选择分 程点能在一定程度上减小畸变，改善调节质量。 畸变不能完全消除
80
60 45 40 20 A
0
200
400
600
例2：用两只等百分比阀门构成分程控制，确定两阀得 分程点。已知： 流通能力： A阀：CAmax = 195 B阀：CBmax = 450 可调范围： RA = RB = 50 保证两阀的组合特性仍是等百分比特性。等百分比特 性阀门相对流量与行程关系如下：
蒸汽
TC
A
wenku.baidu.com
反应器
作用形式 阀门A：气开阀， 阀门B：气关阀 温度控制器：反作用

产物
B
阀门动作 关系图
20KPa
B
A
物料
60KPa
100KPa
6. 分程控制
6.1 概念 定义： 以一个控制器的输出信号的不同信号段分别控制几 个阀门，且使阀门在其控制信号段内能够完成从全 开到全关动作的控制系统称为分程控制系统。 例：
20-60kPa 60-100kPa
C

分程控制目的： 设计分程控制的主要目的有二：
扩大阀门的可调比 满足某些工艺操作的特殊要求
依照前法，可得 分程点：80KPa。 两阀门的工作区域： ＊ A阀门：20～80KPa ＊ B阀门：80～100KPa
注意： 连续分程法适用于选用的两个阀门流通能力相差不太 大的情况。
分程控制设计举例
例1：图示燃料气混合罐，一般情况下利用调节罐的出口流量QA 来控制罐内压力。但是，当出口流量为0时罐内压力仍不能回 升的情况下，则通过调节罐的入口流量QB来提升罐内压力。 请据此设计一控制系统。 画出控制流程图、方框图和 阀门动作关系图； 罐内压力不允许过高，请选择控制阀的气开，气关形式，确定 控制器的正反作用。
2) 流量特性改善（分程点选取）
主要方法
① 连续分程法 ② 信号重叠法 ③ 间隔分程法
连续分程法

方法： 依据单个分程阀的特性找出组合阀组的总流量 特性，再由单个阀与组合阀的关系，找出相应 的分程点，确定各分程阀的分程信号。（通过 计算确定两阀门的信号分程点）
例1：设某分程控制采用两只线性阀门，其中， CAmax=195, CBmax=450, 可调范围R均为50，为保证总 流量特性的平滑过渡，试确定两控制阀的分程信号点。 线性阀的相对流量与行程关系：
走反应热，保证安全生产。 阀门组合设计
100% A B
间歇式反应器分程控制


控制阀选择： 冷却水控制阀A：气关式 蒸汽量控制阀B：气开式 控制器选择：反作用控制器 阀门动作关系示意图
0 20 60 100
A、B分程阀门组合特性

控制过程中阀门切换：
TC
反作用控制器
100%
A
冷水 蒸汽
0 20
100 A
100 B 60 A 20
0 100 单阀可调范围
20
0
100 双阀组可调范围
200
2)用于两种介质的切换控制（异向控制阀门组合）
例2：间歇反应釜的加热与冷却切换控制
TC
反作用控制器
控制要求：
冷水 蒸汽
A
反应升温阶段利用蒸汽加热
使物料达到反应温度；
B
反应开始后，利用冷却水带
冷 凝 水
645 e K1 3.9
K
645 K ln 5.11 3.9
则：阀门组总流量特性为
Cmax Kl 645 C e 3.9 K1 3.9
5.11 l
总流量曲线图：
100 80 60 40 20 0 100 200 300 400 500 600 700 等百分比阀门组合流量特性

组合阀门组特点： 设定二阀门最大流通能力： Cmax=100 阀门可调比：R=30 ▽ 阀门组实现了增大可调比，提高了可调范围。
R组合 C组合 max C A max C B max 200 60 C组合 min C A min 100 / 30
▽ 阀门组在大范围内保持其工作特性；能适应各种 流量要求的调节需求。
3)用于安全防护
例：储料罐氮封控制
放空
B A
氮气
N2
PC
物料
储罐氮封分程控制方案
控制要求： 储料罐内应呈微正压，防止氧气渗 入引发氧化、爆炸事件。 罐内物料增加时，应能自动排放封 顶氮气，防止鼓坏储罐。 罐内物料排放时，应能自动补充封 顶氮气，防止吸瘪储罐，或渗入氧 气。


控制阀： A阀：气开阀；B阀∶气关阀 控制器：反作用控制器 选定分程点：60KPa 控制过程： 进料：P>Pset，A关，B开；出料：P<Pset，A开，B关

阀门组特性曲线
100% B A
0 20 60 100
A、B阀门组合特性
注意：分程点处应该设一定的控制盲区 目的：防止阀门动作过于频繁造成阀门损坏
6.4 分程阀组流量特性改善
1) 畸变现象 理想外特性 分程控制调节阀组在提高可调范围同时保持选定阀门原有 特性
100 % A B
100 % A+B
阀门组总流量特性： C 641.1l 3.9
总流量曲线图
100
横轴对应阀门A最大流通能力195 处作纵轴平行线，交特性曲线于A 点，过A点作纵轴垂线交纵轴于45， 两只阀门的分程点确定为45KPa。 两只阀门的工作信号区： A阀门：20KPa ～ 45KPa B阀门：45KPa ～ 100KPa
阀门组最大流通能力 C组MAX R 阀门组最小流通能力 C组MIN
例1：蒸汽减压系统控制
高压蒸汽(10MPa) 高压蒸汽(10MPa)
B A PC PC
给水 中压蒸汽(4MPa)
给水 中压蒸汽(4MPa)
蒸汽减压系统分程控制
蒸汽减压系统分程控制

控制要求：应用节流阀节流减压，获得中压蒸汽。 单阀门工作特点： 为适应大流量控制，需要选择大口径阀门。 在负荷减小的场合，阀门工作在小开度上，阀门 特性发生畸变，有较强噪声，易发生震荡。
F d Fmax K dl
100
80
其中： F： 流量 Fmax：最大流量 l： 相对行程 K： 阀门放大系数
60 45 40 20 A
0
200
400
600
F d Fmax dl
K
积分得：
F Kl K 1 Fmax
式中K1：待定系数 上式用流通能力与相对行程关系描述，有：
C Cmax ( Kl K1 )
考虑阀门组的整体外特性，有： Cmax = CAmax + CBmax = 195 +450 = 645 Cmin = CAmin = 195 / 50 = 3.9
代入式：
l=0： l=1：
C Cmax ( Kl K1 )
3.9 = 645K1 K1 = 3.9 / 645 645 = 645（K+K1） K = 1 - K1 = 641.1 / 645