第六章典型过程控制系统应用方案资料
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过程装备控制技术 及应用
过控教研室
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第Βιβλιοθήκη Baidu章 控制系统的基本概念 第二章 过程装备控制基础 第三章 过程检测技术 第四章 过程控制装置 第五章 计算机控制系统 第六章 典型过程控制系统应用方案
第六章 典型过程控制系统应用方案
本章介绍了几种典型的过程控制系统的应用。主要有“热交换 器温度反馈——静态前馈控制系统”；“单回路控制系统的应用”； “流体输送设备的控制”；“反应器的控制”等等。通过这些典型 控制系统的应用实例，可以帮助学生和读者更好地去理解本课程的 理论知识，同时也可以使学生学会运用理论知识解决实际问题的技 能。
Tc2 温度变送器、PID 调节器、PI 调节器、qv2 流量变送器、电/气转换 器与 qv2 控制阀门组成一个串级调节系统，Tc2 为主被调节变量，qv2 为副被调节变量。这个串级调节系统与静态前馈函数计算回路组成一个 复合调节系统。这种控制系统对于来自 qv2、Tc1、Th1、Th2 或 qv1 的扰 动，都具有很高的适应能力。
热交换器主要的被控制量是冷却介质出热交换器的温度。图 6-1 表示一个进出热交换器的典型参数。其中加热介质是工厂生产过程 中产生的废热热源(成品、半成品或废气、废液),为了节省能量,这部 分热量要求最大限度的加以利用。所以通常不希望对其流量进行调 节,而被加热介质的温度一般是通过调节加热介质的流量来实现的。
6.1 热交换器温度反馈-----静态前馈控制系统 6.2 单回路控制系统的应用 6.3 计算机数字控制的典型实例 6.4 流体输送设备的控制 6.5 反应器的控制 附录:思考题与习题
6.1 热交换器温度反馈——静态前馈控制系统 6.1.1 生产过程对系统设计的要求
在氮肥生产过程中有一个变换工段 ,把煤气发生炉来的一氧化 碳同水蒸汽的混合物转换成生产合成氨的原料七,在转换过程中释放 大量的热,使变换气体温度升高,变换气体在送至洗涤塔之前需要降 温,而进变换炉的混合物需要升温,因此通常利用变换气体来加热一 氧化碳与水蒸气的混合气体,这种冷热介质的热量交换是通过热交换 器来完成的。在许多工业生产过程中都用到热交换器设备，对热交 换器设备的控制就显得非常重要。
本系统设计的关键是正确设置比值器的参数 a 与加减器的偏置信号 I5，下面通过具体数据来说明这些系数的设置情况。
有两股气体在热交换器中进行热量交换。已知 K=c1/c2=1.20，在正
常 情 况 下 Th1 =380 ℃ ， Th 2 =300 ℃ ， T c1 =150 ℃ ， Tc 2 =260 ，
因为 PI 调节器是一种无静差的调节器,因此在稳态时, I 入=0,若取
I6=αI4,则有
I5 I8
I8 为 Tc2 调节器的控制点,一般设置为仪表信号的中间值,即 I8=12 mA,因此 I5 取 12 mA。
I8 为 Tc2 调节器的控制点,一般设置为仪表信号的中间值,即 I8=12 mA, 因此 I5 取 12 mA。
c1 、c2 —分别为加热介质和被加热介质的平均比热容,kJ (kg K ) ；
Th1 、Th2 —分别为加热介质进、出热交换器的温度，℃或 K；
Tc1 ，Tc2 —分别为被加热介质进、出热交换器的温度，℃或 K。
由式（6-1）可以得到各个有关变量的静态前馈函数计算关系式
qv2
c1 c2
(Th1 Th2 ) (Tc2 Tc1)
6.1.2 系统组成
根据稳态时的热平衡关系，若不考虑散热损失，则加热介质释放的热 量应该等于被加热介质吸收的热量，即
qv1c1 (Th1 Th2 ) qv2c2 (Tc2 Tc1 )
（6-1）
式中
qv1 、qv2 —分别为加热介质和被加热介质的体积(或质量)流
量,m3 s （或kg s ）
(I1 4)(I 2 4)
I4=n (I 3 4)
取 n=1.2,则 I4=9.81 mA。
假设生产过程的各个变量都保持在正常工况下的数值,则前馈函数
的输出信号应该等于 I6,即
I4=I6
故知比值器的系数为
I6 = I4
13.81 = 9.81 =1.408
PI 调节器的输入信号为
I 入=I7-I8=I5+αI4-I6-I8
qv1
K
Th Tc
qv1
（6-2）
式中
，K
c1 c2
。静态前馈函数的实施线路如图 6-2 的虚线框所示。
当Th1 、Th2 、Tc1 或qv1 中任意一个变量变化时，其变化量都可以通
过前馈函数部分及时调整流量qv2 ，使这些变量的变化对被控制变
量Tc2 的影响得到补偿。
6.1.3 仪表静态参数的设置
(20 4)mA K Tc 2 100 C 0.16 mA / C
(20 4)mA
K△Tc= K△Th= 100 =0.1067mA/℃ 流量变送器 qv1 与 qv2 的量程均为 0.178m3 s ，则可知其仪表转换系 数分别为
(20 4)mA
Kqv1= Kqv2= 0.178m3 / s =89.888mA/ (m3 s) 由此可以求得在正常工况下各个变送器的输出信号值分别为 I1= K△Th×(380-300)+4=12.54 mA I3= K△Tc×(260-150)+4=15.74 mA I2=Kqv1×0.125+4=15.24 mA I6= Kqv2×0.109+4=13.81 mA I9= KTc2×(260-210)+4=12 mA 求出正常工况下 DJS–1000 乘除器的输出信号为
6.2 单回路控制系统的应用
在现代工业生产装置自动化过程中，即使在计算机控制获得迅速发 展的今天，单回路控制系统任在合成氨的现代化大型装置中，约有 85% 的控制系统是单回路控制系统。所以，掌握单回路控制系统的设计原则 应用对于实现过程装置的自动化具有十分重要的意义。
qv1=0.125m 3 s ，qv2=0.109m3 s 。选择电动单元组合仪表 DDZ–Ⅲ型 组成控制系统，线路中的陈法器与除法器可以用一台型号为 DJS–1000 的乘除器代替，比值器与加减器可以用一台 DJJ–1000 的通用加减器代 替。电动单元组合仪表 DD–Ⅲ型的仪表信号范围为 4～20mA(或 1～5V DC)。若取 Tc2 温度变送器的量程为 100℃，仪表零位为 210℃，则可以 得到 Tc2 温度变送器的仪表转换系数为
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第六章 典型过程控制系统应用方案
本章介绍了几种典型的过程控制系统的应用。主要有“热交换 器温度反馈——静态前馈控制系统”；“单回路控制系统的应用”； “流体输送设备的控制”；“反应器的控制”等等。通过这些典型 控制系统的应用实例，可以帮助学生和读者更好地去理解本课程的 理论知识，同时也可以使学生学会运用理论知识解决实际问题的技 能。
Tc2 温度变送器、PID 调节器、PI 调节器、qv2 流量变送器、电/气转换 器与 qv2 控制阀门组成一个串级调节系统，Tc2 为主被调节变量，qv2 为副被调节变量。这个串级调节系统与静态前馈函数计算回路组成一个 复合调节系统。这种控制系统对于来自 qv2、Tc1、Th1、Th2 或 qv1 的扰 动，都具有很高的适应能力。
热交换器主要的被控制量是冷却介质出热交换器的温度。图 6-1 表示一个进出热交换器的典型参数。其中加热介质是工厂生产过程 中产生的废热热源(成品、半成品或废气、废液),为了节省能量,这部 分热量要求最大限度的加以利用。所以通常不希望对其流量进行调 节,而被加热介质的温度一般是通过调节加热介质的流量来实现的。
6.1 热交换器温度反馈-----静态前馈控制系统 6.2 单回路控制系统的应用 6.3 计算机数字控制的典型实例 6.4 流体输送设备的控制 6.5 反应器的控制 附录:思考题与习题
6.1 热交换器温度反馈——静态前馈控制系统 6.1.1 生产过程对系统设计的要求
在氮肥生产过程中有一个变换工段 ,把煤气发生炉来的一氧化 碳同水蒸汽的混合物转换成生产合成氨的原料七,在转换过程中释放 大量的热,使变换气体温度升高,变换气体在送至洗涤塔之前需要降 温,而进变换炉的混合物需要升温,因此通常利用变换气体来加热一 氧化碳与水蒸气的混合气体,这种冷热介质的热量交换是通过热交换 器来完成的。在许多工业生产过程中都用到热交换器设备，对热交 换器设备的控制就显得非常重要。
本系统设计的关键是正确设置比值器的参数 a 与加减器的偏置信号 I5，下面通过具体数据来说明这些系数的设置情况。
有两股气体在热交换器中进行热量交换。已知 K=c1/c2=1.20，在正
常 情 况 下 Th1 =380 ℃ ， Th 2 =300 ℃ ， T c1 =150 ℃ ， Tc 2 =260 ，
因为 PI 调节器是一种无静差的调节器,因此在稳态时, I 入=0,若取
I6=αI4,则有
I5 I8
I8 为 Tc2 调节器的控制点,一般设置为仪表信号的中间值,即 I8=12 mA,因此 I5 取 12 mA。
I8 为 Tc2 调节器的控制点,一般设置为仪表信号的中间值,即 I8=12 mA, 因此 I5 取 12 mA。
c1 、c2 —分别为加热介质和被加热介质的平均比热容,kJ (kg K ) ；
Th1 、Th2 —分别为加热介质进、出热交换器的温度，℃或 K；
Tc1 ，Tc2 —分别为被加热介质进、出热交换器的温度，℃或 K。
由式（6-1）可以得到各个有关变量的静态前馈函数计算关系式
qv2
c1 c2
(Th1 Th2 ) (Tc2 Tc1)
6.1.2 系统组成
根据稳态时的热平衡关系，若不考虑散热损失，则加热介质释放的热 量应该等于被加热介质吸收的热量，即
qv1c1 (Th1 Th2 ) qv2c2 (Tc2 Tc1 )
（6-1）
式中
qv1 、qv2 —分别为加热介质和被加热介质的体积(或质量)流
量,m3 s （或kg s ）
(I1 4)(I 2 4)
I4=n (I 3 4)
取 n=1.2,则 I4=9.81 mA。
假设生产过程的各个变量都保持在正常工况下的数值,则前馈函数
的输出信号应该等于 I6,即
I4=I6
故知比值器的系数为
I6 = I4
13.81 = 9.81 =1.408
PI 调节器的输入信号为
I 入=I7-I8=I5+αI4-I6-I8
qv1
K
Th Tc
qv1
（6-2）
式中
，K
c1 c2
。静态前馈函数的实施线路如图 6-2 的虚线框所示。
当Th1 、Th2 、Tc1 或qv1 中任意一个变量变化时，其变化量都可以通
过前馈函数部分及时调整流量qv2 ，使这些变量的变化对被控制变
量Tc2 的影响得到补偿。
6.1.3 仪表静态参数的设置
(20 4)mA K Tc 2 100 C 0.16 mA / C
(20 4)mA
K△Tc= K△Th= 100 =0.1067mA/℃ 流量变送器 qv1 与 qv2 的量程均为 0.178m3 s ，则可知其仪表转换系 数分别为
(20 4)mA
Kqv1= Kqv2= 0.178m3 / s =89.888mA/ (m3 s) 由此可以求得在正常工况下各个变送器的输出信号值分别为 I1= K△Th×(380-300)+4=12.54 mA I3= K△Tc×(260-150)+4=15.74 mA I2=Kqv1×0.125+4=15.24 mA I6= Kqv2×0.109+4=13.81 mA I9= KTc2×(260-210)+4=12 mA 求出正常工况下 DJS–1000 乘除器的输出信号为
6.2 单回路控制系统的应用
在现代工业生产装置自动化过程中，即使在计算机控制获得迅速发 展的今天，单回路控制系统任在合成氨的现代化大型装置中，约有 85% 的控制系统是单回路控制系统。所以，掌握单回路控制系统的设计原则 应用对于实现过程装置的自动化具有十分重要的意义。
qv1=0.125m 3 s ，qv2=0.109m3 s 。选择电动单元组合仪表 DDZ–Ⅲ型 组成控制系统，线路中的陈法器与除法器可以用一台型号为 DJS–1000 的乘除器代替，比值器与加减器可以用一台 DJJ–1000 的通用加减器代 替。电动单元组合仪表 DD–Ⅲ型的仪表信号范围为 4～20mA(或 1～5V DC)。若取 Tc2 温度变送器的量程为 100℃，仪表零位为 210℃，则可以 得到 Tc2 温度变送器的仪表转换系数为