分程控制与阀位控制 张建明 浙江大学智能系统与控制研究所

主要内容 分程控制的特点； 分程区间的确定方法； 阀位控制的概念与设计方法。

间歇聚合反应器的控制问题 控制要求：反应开始时需用蒸汽加热以达到反应所需的温度；正常反应后，因放出大量反应热，需要用冷水进行冷却，防止温度超高。

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 分程控制系统：一台控制器的输出可以同时控两只或两只以上的控制阀，控制器的输出被分割成若干个信号范围段，而由每一段信号去控制一只控制阀。 分程控制的实现：分程控制系统中控制器的输出信号分段是由附设在控制阀上的阀门定位器来实现的。 分程控制目的： （1）扩大控制阀的可调范围，以改善控制品质。 （2）为了满足工艺操作的特殊需要。

间歇放热反应器分程控制

线性控制阀的特性 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。

分程控制的信号变换 通过阀门定位器改变控制阀所需的控制信号范围。 如当输出p从0.02 变化至 0.06 MPa时，A阀可全范围变化（此时B阀开度不变）；当输出p从0.06 变化至 0.10 MPa时，B阀全范围变化（A阀开度不变）

控制阀的分程组合

间歇放热反应器 温度分程控制系统分析设计 问题： （1）选择控制阀的气开气关属性； （2）温度控制器的正反作用； （3）如何协调两控制阀的动作。 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。 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。

调节阀的分程动作关系 工作过程： （1）当温度变低时，调节阀的气动信号增大。若冷水阀还未全关，则先逐步关冷水阀；否则，再开大蒸汽阀； （2）当温度变高时，调节阀的气动信号减少。若蒸汽阀还未全关，则先逐步关蒸汽阀；否则，再开大冷水阀； 控制器是反作用的控制器，冷水阀是气关阀，蒸汽阀是气开阀,选左侧组合

分程控制系统的非线性 广义对象？ 问题：

分程控制系统非线性的补偿 补偿原理：

分程控制非线性补偿方法 补偿原理： 若:

贮罐气封系统 如何避免两调节阀的频繁开闭以减少N2用量? 反作用控制器 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↓→A阀全关、B阀开→P↓； （ 2）从油罐抽油时P↓→PC↑→B阀全关、A阀开→P↑。 对于氮封分程控制系统而言，若把A、B两阀的分程区域交换，虽然它们能组成负反馈控制，但控制系统是不经济的和不合理的。 如何避免两调节阀的频繁开闭以减少N2用量?

贮罐气封分程动作过程 如何避免两调节阀的频繁开闭以减少N2用量? 1、控制阀引入不灵敏区。 2、同时，控制器引入调节死区

分程控制系统的设计与控制器参数的整定 一、分程控制系统的设计 1.确定控制阀的开、闭型式： 从生产安全的角度考虑。 2.决定分程区域： 根据生产的要求和工艺的特点来考虑。 3.控制器的正反作用和控制规律： 与单回路控制系统一样。

分程控制系统的设计与控制器参数的整定 二、控制器参数的整定 分程控制系统有两只控制阀，如对象特性比较接近、控制阀也相同时，可按单回路系统一样来整定某一回路的控制器参数；若两个通道的特性不一样，相差很大，可采取折衷的办法，选择一组合适的控制器参数，使之能兼顾两个通道特性。 前述的蒸汽减压控制系统和氮封压力控制系统，它们的通道特性和控制阀特性比较接近，而间歇式反应器两个通道特性差距很大。

阀位控制 操纵变量选择原则的核心问题： 所选的操纵变量既要考虑到它的经济性和合理性， 又要考虑到它的快速性和有效性。 存在问题： 在有些情况下所选择的操纵变量很难做到两者兼顾。 解决办法： 阀位控制系统就是在综合考虑操纵变量的快速性、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 在控制系统中选用了两个操纵变量A和B，这两个操纵变量分别由两只控制器来控制。 C1 C2 A B F Y R2 R1 阀位控制系统结构原理图 操纵变量B由主控制器C1控制，控制操纵变量A的为阀位控制器C2。主控制器的给定值即产品的质量指标，阀位控制器的给定值是操纵变量B管线上控制阀的阀位。

加热炉出口温度控制 两调节阀同时动作 问题： 采用燃料进料阀VB进行控制较慢； 采用旁路阀VA控制，通道滞后小，但不节能。怎么办？

阀位控制系统 对主参数的控制具有良好的动态品质。 通过设定Vsp可实现节能。 1、假设VA为气关阀， VB为气开阀，确定控制器的正反作用？ 2、系统如何工作？ 3、该方案与分程控制、串级控制有何不同？ 两调节阀同时动作 1、温度控制器TC21和旁路阀VA构成的主回路； 2、将VA的阀位信号作为被控变量，由阀位控制器VPC21和VB 阀构成次控制回路。 对主参数的控制具有良好的动态品质。 通过设定Vsp可实现节能。

将操纵变量A和B有机地结合起来，却能达到提高控制质量的效果。 加热炉原油出口温度控制 选用燃料气（油）作为操纵变量A是经济的和合理的，然而它对克服外界干扰的影响却不及时。 操纵变量B对原油的出口温度十分及时、有效，然而从工艺考虑是不经济的（增加能耗）。 VPC TC B A R r VA VB 原油 燃料 将操纵变量A和B有机地结合起来，却能达到提高控制质量的效果。

（2）蒸汽减压系统压力控制 VPC PC R VA VB r 中压蒸汽 低压蒸汽 4.0MPa的中压蒸汽减压成0.3MPa的低压蒸汽，一般使用中压蒸汽经过起节流作用的控制阀VB就可以了。但是这样做不经济。如果将中压蒸汽通过中压透平后转为低压蒸汽，则可使透平做功，使能量得到有效的利用。 系统中，PC为主控制器，它的输出同时作为阀VB的控制信号，又作为阀位控制器VPC的测量信号，控制阀VA由阀位控制器进行控制，而阀位控制器的给定值r则决定着阀VB的开度（通常设置r值都是一个较小的值）。

阀位控制系统的设计及整定 （1）操纵变量的选择 要从经济性、合理性和快速性、有效性两个不同的角度考虑选择A、B两个操纵变量。其中操纵变量A着重考虑它的经济和合理性，而操纵变量B则着重考虑它的快速性和有效性。 （2）控制阀开闭形式的选择 与单回路系统介绍的方法相同。

（3）控制器规律及正反作用 控制器规律的选择 主控制器是控制产品的质量指标的，因此一般情况下主控制器应选用比例积分控制器。但当对象时间常数较大时，则可选用比例积分微分控制器。阀位控制器的作用是使控制阀处于一个固定的小开度上，因此控制阀应选比例积分作用。 控制器正反作用的选择 原则：闭环回路形成负反馈，与单回路一样。

管式炉原油出口温度阀位控制 A阀：气开 B阀：气开 TC：正作用 VPC：反作用 + - + - - + + TC B A R r VA VB 原油 燃料 A阀：气开 B阀：气开 TC：正作用 VPC：反作用 + - + Gm(S) GVB(S) GC(S) R Y GCV(S) GVA(S) GOA(S) GOB(S) r - - + +

蒸汽减压系统压力控制 r A阀：气开 B阀：气开 PC：反作用 VPC：正作用 + + - - + + + 中压蒸汽 VA VB R PC 低压蒸汽 A阀：气开 B阀：气开 PC：反作用 VPC：正作用 + + - Gm(S) GVB(S) GC(S) R Y GCV(S) GVA(S) GOA(S) GOB(S) r - + + +

（4）阀位控制系统的整定 1.在阀位控制器处于手动情况下，按单回路系统整定方法整定主控制器的参数。 2. 将整定好的主控制器参数放好，使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。

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