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调节阀之自动控制系统概述(三)

发布时间:2016-06-20

第二章  自动控制系统


第一节自动控制系统的基本概念


77化工自动化的主要内容有哪些?

         为了实现化工生产过程自动化,化工自动化的主要内容包括自动检测系统,程序控制、自动联锁保护系统和自动控制系统等。自动控制系统包含了自动检测和自动操纵功能,是自动化系统的核心问题。

78自动控制系统有哪几部分组成?


      自动控制系统由三部分组成。

      ①测量元件及变送器(LT):将测得的物理量转换为另一个特定的物理量(如气压信号、电流信号)。这部分称测量变送。

      ②自动调节器(LC):它接受变送器送来的信号,与工艺需要保持的参数相比较得出偏差,并按某种运算规律算出结果,然后用特定信号(气压或电流)发送出去。

      ③执行机构:本书指调节阀,它能自动地根据接受到的信号值改变阀门开度。


79方块图的作用是什么?如何画方块图?


      为清楚地说明自动控制系统的结构及各部分(环节)之间相互关系和信号联系,一般可用方块图表示。

     方块图中每个方块代表系统中一个环节,方块之间用一条带箭头的直线表示它们相互间的联系,箭头所指方向表示信号传递方向,线上字母说明信号的名称。以图2-1为例,图中的水槽可用一个“被控对象”方块表示。

    如图2-1所示,其液位就是生产过程中要求保持定值的参数,在自动控制系统中称为被调参数,用符号y表示,y是对象方块的输出信号。在本例中,若影响y波动的因素是进料量的变化,这种引起被调参数y波动的外来因素称为干扰(或称扰动)作用,用符号y表示。干扰作用是作用于对象的输入信号,用箭头指向“被控对象”方块。由图可见,出料流量的改变是由于调节阀动作引起的,那么出料流量调节阀方块的输出信号。同时,出料流量的变化影响液位起到调节作用,所以也是作用于”被控对象“的输入信号,箭头指向”被控对象“方块,而尾端连接于”调节阀“方块。水槽的液位信号是测量元件及变送器的输入,而变送器的输出信号z进入比较机构与给定值信息x进行比较,得到偏差信与e(e=x-z),并被送往调节器。调节器根据偏差信号e,按某种运算规律算出结果,发出控制信号p(气压或电流)至调节阀,使阀门动作,改变其开度,使被调参数稳定在要求的范围。

      按前面所述作出自动控制系统方块图,如图2-2所示。

      需要说明一点,调节器前面的比较机构实际上是调节器的一部分,不是独立元件,在图中将其画出,为的是说明其比较作用。


80为什么自动控制系统是一个采用负反馈的闭环回路?


        对于任何一个简单的自动控制系统,其方块图不论在表面上有多大差别,它的各个组成部分在信号传递关系上总会形成一个闭合的环路。其中任何一个信号,只要沿着箭头方向方向前进,通过若干个环节后,最终又会回到原来的起点。所以,自动控制系统是一个闭环系统。

     再看“自动控制系统方块图”,系统的输出参数是被调参数,但是它经过测量元件和变送器后,又返回在到系统输入端,与给定值进行比较。这种反系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节重新返回输入端的做法叫做反馈。从“自动控制系统方块图”还可以看到,在反馈信号z帝有一个负号“一”而在给定值x旁有一个正事情“+”(也可省略),这里正和负的意思是指在比较时,以x作为正值,以x作为负值,也就是到调节器的偏差信息e=x-z。因为“自动控制系统方块图”中的反馈信号z取负值,所以叫做负反馈,负反馈信号能够使原来的信号减弱。如果反馈信号不取负值,而取正值,反馈信号使原来的信号加强,那么就叫做正反馈。在这种情况下,方块图中反馈信号z旁则要用正号“+”,此时偏差e=x+z。在自动控制系统中都采用负反馈。因为只有负反馈才能使被调 参数y受到干扰的影响而升高时,反馈信号z将升高,经过比较而到调节器去的偏差信号e将降低,此时调节器将发出信号而使调节阀的开充发生变化,变化的方向为负,从而使被调参数下降回到给定值。这样就达到了调节的目的。如果采用正反馈的形式,那么调节作用不仅不能克服干扰的影响,反而起到推波助澜的作用,即当被调参数受到干扰升高时,z亦升高,调节阀的动作方向是使被调参数进一步上升,而且只要有一点微波的偏差,调节作用就会使偏差越来越大,直至被调参数超出安全范围而破坏生产。所以,调节系统**不能单独采用正反馈。

       综上所述,自动调节系统是具有被调参数负反馈的闭环系统。


81什么是被控对象、给定值和偏差?


       自动控制系统的工艺生产设备叫做被控对象或简称对象。生产中要求保持的工艺指标,被称为给定值。在自动控制系统中,习惯上采用给定值x减去测量值z作为偏差e,即e=x-z,给定值x大于测量值z时为正偏差,而给定值x小于测量值z时为负偏差。


第二节简单的调节系统


82构成方块图最重要的一步是什么?


       构成方块图最重要的是确定被控对象,随即需要选定对象的输入信号——调节参数与对象的输出信号——被调参数。一旦调节参数与被调参数选定后,调节通道中对象特性也就能确定了。

       有时,选择被调参数与调节参数并不难。自动控制系统是为工艺上某一目的的服务的,若工艺操作参数是液位、压力、流量、温度等,显然被调参数就是液位、压力、流量、温度;至于调节参数,则往往是能够调整的物料量或能量参数。

        被调参数的选择十分重要,它是决定控制系统有无价值的关键。若被调参数选择不当,仪表、调节器配备再好也是无用的。

83怎样选择被调参数?被调参数的个数选择怎样确定?


       对于一个生产过程,要实现自动控制,其被调参数的选择实质上反映在两个方面。

       ①应该选择几个被调参数,选哪几个为好?

       ②构成简单调节回路后,回路之间有否影响?相互关联的程度如何?用下例说明以上两个方面内容的考虑。

       例如,要对一个产生饱和蒸汽的锅炉蒸汽质量进行控制,提出了三种方案?

       ①压力p与温度T皆为被调参数;

       ②温州T为被调参数;

       ③压力P为被调参数。

       被调参数个数选择应按照被调参数个数等于自由度确定。

       根据物理化学中介绍的相律关系,自由度表达式为F=C-P+2

式中  F——自由度;C——组分数;P——相数。

       作为饱和蒸汽,实质上存在着气、液两相,即P=2,而组分数皆为水,即C=1,故得F=1-2+2=1

       表示饱和蒸汽的自由度为1,或独立变量只有一个。所以,要反映蒸汽质量,不必选两个被调参数,只要选取温度或压力其中之一就够了。至于选压力还是温度,可从测量元件时间常数小、元件简单可靠等方面来考虑,一般以选择压力为宜。

      如果不按照被调参数的个数等于自由度的原则,设计出既有温度又有压力作为被调参数的方案,那么,这种控制系统将是无法投运的。

84选择被调参数的原则是什么?


     选择被调参数的原则如下:

      ①选择质量指标作为被调参数,它最直接也最有效。

      ②当不能用质量指标作为被调参数时,应选择一个与产品质量有单值对应关系的参数作为被调参数。

      ③当被表征的质量指标变化时,被调参数必须具有足够的变化灵敏度或足够大的信号。

      ④选择被调参数时,必须考虑到工艺过程的合理性和国内外仪表和生产的现状。


85调节参数的作用是什么?


      当对象的被调参数被选定以后,下一步是考虑如何构成简单控制回路,选择什么调节参数去克服干扰对被调参数的影响。为此,在设计控制回路时,要认真分析各种干扰,深入研究对象的特性,正确地选择调节参数。干扰是影响控制系统平稳运行的破坏因素,调节参数的作用则是克服干扰影响,使控制系统正常运行的因素。只要合理地确定调节参数,正确地选择调节通道,组成一个性能良好的控制系统后,就能有效地克服干扰影响,使被调参数回复到给定值。


86选择调节参数的原则是什么?


       选择调节参数的原则是:首先要考虑工艺上的合理性,除物料平衡调节外,一般避免用主物料流量作为调节参数;同时调节参数的选择应从静态和动态两方面进行考虑,即调节通道克服干扰的校正能力要强,调节通道的动态响应要较干扰通道的动态响应为快。


87一套用DDZ-Ⅱ型单元组合仪表构成的温度控制系统,设它是用改变加热蒸汽量来调节的,方块图如图2-3所示

2-3  DDZ-Ⅱ型单元组合仪表构成的温度控制系统

    ①请说明xzefy所表示的专业术语是什么?

    ②气动薄膜调节阀环节的输入、输出各是什么物理量?

    ③设工艺要求温度保持在150℃±3℃。当系统在某一幅值的阶跃扰动作用下,系统在调节的整个过程中,记录仪表反映出温度(z)某一瞬间的**超量是3 ℃,没有超过工艺要求。问实际的温度(y)变化是否也符合工艺要求?实际**超调量比3℃大还是小?为什么?

    ④当系统过渡过程结束后,记录仪上所记下的温度值能否代表实际温度?

答:

    x是给定值z是测量值(温度)e是偏差(e=x-z)f是干扰y为被调参数(温度)的真实值。

    ②气动薄膜调节阀输入p20-100kPa气信号,输出q是调节参数蒸汽流量。

    ③实际温度变化超调量大于3℃,超过工艺要求。由于温度测量的一次元件是惯性时间圈套的滞后环节,因而调节动态过程瞬时的测量值与真实值是不一样的,**偏差及超调量实际值要大于测量值

    ④当系统过渡过程结束后,静态测量值能代表真实值,因此记录仪上的记录值是实际温度值。

88试分析如图2-4所示酒精蒸馏塔塔顶温度控制方案,以塔顶温度作为被调参数是否合理?


2-4 酒精蒸馏塔塔顶温度控制方案

     由相律关系

自由度数(f)=组分数(c)+相数(p)-2

    因为酒精蒸馏塔内进行酒精与水的分离组分数为2(即酒精和水两组分),且相数为2(呈气、液两相)

    所以

自由度数=2+2-2=2

     由所求得F=2来看,似乎应该控制两个参数才合理。但是由图可知,冷凝罐上部通大气,因此实际上已恒定了冷凝罐与蒸馏塔的压力,客观上塔压已被控制,因此用塔顶温度作为被调参数是合理的。

89图2-5各控制方案是否合理?理由如何?


   2-5a)不合理。离心泵不能在吸入口安装阀门,否则,当阀门关小时极易产生汽蚀现象。

   2-5b)合理。因为有旁通阀和泵出口压力控制系统使往复泵可以在其出口直接节流。

   2-5c)不合理。压力检测点不对,为保证阀前燃油压力稳定,会使燃油量变化较大,无法使炉温稳定,应将油压点移至阀后,测烧嘴的背压。

  2-5d)合理。根据被冷却介质(出口)温度调节氨冷器氨气侧的蒸发压力,而蒸发压力又对应一定的蒸发温度,所以调节NH3排出量实际上调整了氨冷器内氨蒸发侧的温度,使传热温差得到调整,即可达到调节出口温度的目的。

   2-5e)不合理。塔釜为恒定加热量。当受某种扰动使釜温上升时,气开阀将开大,放出一部分重组分物料,塔釜物料的减少,使塔内温度上升更快,从而构成一个正反馈系统,不能正常工作,降温亦如此。

   2-5f)不合理。汽液混合进料不能采用这种温度控制。因为当改变加热蒸汽量时进料的温度并不变化,只是汽液比发生了变化。应改为热焓控制,控制进塔物料的热量。

90气体脱硫装置的PRC-203与PRC-204(自控流程如图2-6)不能同时投入自控,其原因是什么?怎样改进?

   不能同时投自控,原因是:

    ①从流程图可看出,塔205中部压力与容208压力是关联的,任一个压力变化,另一个压力即跟着变化;

    ②两者选用的都是压力控制系统,反应速度都较快,互相干扰较大。

    改进措施:容208的压力实际上代表着塔205的压力,故塔205的压力不需要再控制而改用塔顶温度调节进换202的蒸汽量,使两个调节回路的响应速度变成一快一慢,减少互相干扰。改进后的自控流程如图2-7所示。

91图2-8的自动控制系统错在哪里?


      有人为解决造气工段入炉蒸汽压力不稳的问题,提出图2-8所示的方案。理由是压力自动控制系统能够稳压,蒸汽缓冲罐也有稳压作用,图中方案两者兼而有之,可以解决蒸汽稳压问题。安装以后投入运行,结果适得其反。请问这个方案错在哪里?

     答:因为进气工段的蒸汽经截止阀以后,有一路经过蒸汽缓冲罐进到入炉蒸汽总管,调节阀的动作根本控制不了八炉蒸汽总管的流量 ,也就控制不了入炉蒸汽总管的压力。

图2-8  自动控制系统


92用变送器的输出直接控制调节阀,能否起调节作用?


      这要视控制要求而定。

      所谓控制,指的是把被调参数控制在某个给定值上,因此系统中要有调节器,使被调参数和给定值 在调节器内进行比较,如果两者不等,调节器的输出就去调节阀门开度。但若变送器直接控制调节阀,那就没法给定,也不能按要求的控制规律去调节阀门开度,因此不能把被调参数控制在所需值上,而只能围绕某个不可调的值上下波动。如果变送器的量程可调,则波动可约束在某个范围,这对要求不高的控制系统,有时也能满足要求。

93锅炉除氧器的水温控制,除了用温度控制系统外,是否可以用其他方法控制?


       除氧器里的水温随蒸汽的加热变化惯性很大,这样就给自动控制带来了滞后现象,水温不能实现理想的自动控制,使除氧效果不好,故直接影响锅炉用水的水质标准。考虑到蒸汽的压力和温度有一对应关系,可以采用控制除氧器里的蒸汽压力来控制除氧器的水温,这样就克服了滞后现象,除氧后的水质完全达到了锅炉的用水标准。

       其他类似的温度调节也可以用压力来进行间接控制。

94锅炉自控风量调节系统(图2-9),由于暂缺风量变送器,系统为开环控制,为了提高系统的稳定性,试问用何种简单方法使开环变成闭环? 


图2-9 锅炉自控风量调节系统

      将执行器的位置反馈电流延伸到调节器作为调节器的电流外给定,使系统构成闭环。这样做的好处是:由于风量的大小与阀门的开度有关,闭环之后,把阀门的开度信号反馈至调节器,使系统的稳定性得到提高。

95控制系统中调节器确定正、反作用的依据什么?单参数控制系统中调节器的正反作用应怎样选择?


图2-10 控制系统

        前一问的依据是实现闭环回路的负反馈。

  对后一问先做两条规定:

  ①气开调节阀为+A,气闭调节阀为-A;

  ②调节阀开大,被调参数上升为+B,下降为-B,则

     A·B="+"调节器选反作用

     A·B="一"调节器选正作用

       2-10所示被调参数是液位,阀为气开为+A,阀开大,液位下隆为一B,则(+A)·(一B=“一”,调节器选正作用。

96图2-11例中,控制系统中的调节器应该选用正作用方式,还是反作用方式?


      2-11(a)选定调节器为正作用

      2-11(b) 选定调节器为反作用

      2-11(c) 选定调节器为反作用

      2-11(d) 选定调节器为正作用

      2-11(e) 选定调节器为反作用

2-11  控制系统

97请判定图2-12所示温度控制系统中,当工况为以下情况时,调节阀和调节器选择什么样的作用形式。


    当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质、调节介质为过热蒸汽时;

    ②当物料为温度过高时易结焦或分解的介质、调节介质为过热蒸汽时;

    ③当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质、调节介质为待加热的软化水时;

    ④当物料为温度过高时易结焦或分解的介质、调节介质为待加热的软化水时。

答:

    ①气闭调节阀、正作用调节器;

    ②气开调节阀、反作用调节器;

    ③气开调节阀、正作用调节器;

    ④气闭调节阀、反作用调节器;


98图2-13所示为加热炉温度控制系统。根据工艺要求,出现故障时炉子应当熄火。试说明调节阀的气开、气闭形式,调节器的正、反作用方式怎么选择?并简述调节系统的动作过程。


      故障情况下,气源压力为零,应切断燃料以确保护炉子熄火。故要求调节阀为气开式,气源中时关闭。

      当炉温增高时,要求燃料量减少,即减小调节阀开度。由于是气开阀,所以要求调节器输出减小,应选用反作用调节器。

      调节系统的动作过程如下:

      进料↓→温度↑→调节器输出↓→调节阀开度↓→燃料量↓→炉温↓

     反之,由于各种原因引起炉温↓→调节器输出↑→调节阀开度↑→燃料量↑→炉温↑

99图2-14(a)为一蒸汽加热器,它的主要作用是对工艺介质加热,要求此介质也口温度恒定。


    ①怎样选择被调参数和调节参数组成调节回路(直接用图例符号在图上标明即可),并画出方块图?

2-14  蒸汽加热器

    ②如何决定调节阀的气开、气闭形式和调节器的正、反作用?

    ③当被加热的流体为热敏介质时,应选择怎样的调节方案为好?

答:

    ①选择被调参数和调节参数如图2-14(b)所示,方块图表示如图2-14(c)所示。

    ②对一非热敏介质或易结晶介质应选气闭式,调节器的作用方向应是正作用的。

    ③对于热敏介质,为防止局部过热而汽化,调节参数不宜为蒸汽而应选冷凝水为好,即将调节阀装于冷凝水管线上。



100图2-15所示为一液面调节回路,工艺要求故障情况下送出的气体中也不许带有液体。怎样选取调节阀气开、气闭形式和调节器的正、反作用?这一调节回路的工作过程怎样?


     因工艺要求故障情况下送出的气体不许带液,故当气源压力为零时,阀门应打开,所以调节阀是气闭式。当液位升高时,要求调节阀开度增大,由于所选的是气闭调节阀,故要求调节器输出减少,调节器是反作用。

2-15  液面调节回路

    其工作过程如下:

    液位↑→液位变送器输出↑→调节器输出↓→调节阀开度↑→液体输出↑→液位↓。


101简要说明各类常见调节系统的特点怎样?相应如何选择调节阀的流量特性?


答案见表2-1.

2-1  各类常见调节系统的特点