【大四上学期】过程控制系统课程笔记

过程控制系统

笔记食用指南(by SJJ)

期末考试内容 = 过程控制系统 + 过程控制工程, 包含小题(填空, 判断等), 大题(简答, 计算等), 期中考试的内容期末也会考到, 但不一定是一样的题目, 会换种形式. 掌握1-9章(8除外)各种各样的典型控制系统是分析后面10-13章工程控制系统的基础. 前9章内容(8除外)明显远多于后4章, 大家可以根据自己的进度进行重点复习.

过程控制系统部分: 内容完整✔️

过程控制工程部分: 10, 11章内容完整度还可(针对上课讲的重点, 考点); 12, 13章因重装系统导致上课录屏丢失, 因此只能根据作业整理笔记, 效果很差. 这两章还是建议看课本即PPT上的文字(如果担心简答题和填空判断之类的话)

个人建议: 大题看所有的作业题, 课堂练习题, A4补充题; 小题前9章(8除外)可以笔记为主, 课本ppt为辅, 后4章以ppt课本为主, 笔记不一定全.

最后: 时间较紧, 本人精力有限, 很遗憾此份笔记无法达到100%完整, 祝愿大家都能过过过!

第一章 单回路反馈控制系统

单回路系统结构组成

举例–水槽液位控制系统

单回路控制系统方框图

各环节增益注意点:

1. 控制器: 正作用: 增益为－; 负作用: 增益为＋
2. 控制阀: 气开阀: 增益为＋; 气闭阀: 增益为－
3. 变送器: 一般为＋
4. 控制对象: 根据*操纵变量Q(S)的变化引起被控变量Y(S)*的变化确定. Q(s)↑Y(s)↑增益为＋

符号: 由于是负反馈系统, 因此闭环系统各环节的增益乘积必须为＋

单回路反馈控制系统特点

• 由一个测量变送装置, 一个控制器, 一个控制阀, 相应的被控对象组成
• 系统中控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差进行控制( error = 测量值 - 给定值)

被控变量选择

选择方法

• 对于以温度, 压力, 流量, 液位为操作指标的生产过程, 直接选;
• 若选择质量指标作为被控变量, 若不方便测量, 可选间接指标作为被控变量. (要求: 1间接指标与直接指标之间存在单值对应关系; 2具有一定变化灵敏度)

原则

• 首选质量指标
• 用间接指标反映质量指标(单值对应)
• 间接指标参数有足够大的变化灵敏度
• 考虑工艺合理性

对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择

对象特性(干扰通道和控制通道)对控制质量的影响

	干扰通道	控制通道
K(放大倍数)	小, 越小越好	尽可能地大
T(时间常数)	大, 越大越好	适当地小
$\tau$(纯滞后)	无关	小, 越小越好

操作变量选择

• 所选的操纵变量必须是可控的；
• 所选的操纵变量的通道放大倍数应较大，最好大于干扰通道的放大倍数；
• 所选的操纵变量应使扰动时间常数愈大愈好，而控制通道的时间常数适当小一些为好，但不宜过小；
• 操纵变量其通道纯滞后时间愈小愈好；
• 操纵变量应使干扰点远离被控变量而靠近控制阀；
• 选择操纵变量时还应考虑到工艺的合理性。

控制阀的选择

开闭形式选择原则

1. 首先从安全生产出发
2. 考虑介质特性
3. 考虑减少经济损失
4. 保证产品质量

举例

• 生产安全

  

从保护锅炉出发，应选用气闭阀；从保护后续设备出发，应选用气开阀。主要要分清主次矛盾。

• 介质特点

  

被加热物料在温度过高时会发生分解、自聚, 在温度过低时会发生凝结

• 降低经济损失, 保证产品质量

  

控制阀结构形式的选择

• 直通单座: 阀前后压降低, 适用于泄漏量小的场合
• 直通双座: 阀前后压降大, 适用于泄漏量大的场合

阀门定位器的作用

• 消除控制阀膜头和弹簧的不稳定以及各运动部件的干摩擦，从而提高控制阀的精度和可靠性，实现准确定位。
• 增大执行机构的输出功率，减少系统的传递滞后。
• 改变控制阀的流量特性。
• 利用阀门定位器可将控制器输出信号分段，以实现分程控制。

控制器参数对控制质量的影响及控制规律的选择

控制器参数对系统动态误差的影响

控制规律的选择

P: 适用于干扰变化幅度小，自衡能力强，对象滞后(τ∕T )较小，控制质量要求不高，且系统允许有一定范围余差的场合。

PI: 工艺要求静态无余差，控制对象容量滞后很小，负荷变化幅度较大，但变化过程又较缓慢的场合。

PD: 适用于控制对象T0较大的场合。对于滞后很小，信号有噪声或周期性干扰的系统不能采用微分作用。

PID: 适用于负荷变化和对象容量滞后都较大、时滞不太大且控制质量要求又较高，被控变量变化缓慢的场合。

第二章 串级控制系统

概念

定义

串级控制系统：用两台控制器相串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的输入。

常用名词

• 主被控变量(主参数, 主变量)

• 附被控变量(副参数, 副变量)

• 主控制器

• 副控制器

• 主回路(主环)

• 副回路(副环)

  

举例——串级控制系统方案(温度-流量)

串级控制系统的实施

考虑以下几个问题

• 所选用的仪表信号必须匹配

• 所选用的副控制器必须具有外给定输入接口

• 在选择实施方案时, 应是否增加一只切换开关, 作"串级"与"主控"的切换作用

• 实施方案应力求实用, 少花钱多办事

• 实施方案应便于操作

主, 副控制器控制规律的选择

1. 主回路 (定值系统)

   主回路是一个定值系统，主控制器起着定值控制作用。保持主变量的稳定是首要任务，主控制器必须有积分作用，因此采用PI或PID

2. 副回路 (随动系统)

   副回路是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副控制器一般不用积分作用，采用P或者PD(副对象的容量滞后T较大)

注意: 当主, 副控制器采用积分作用时:

• 只有当主控制器采用具有积分作用的控制器时，不论干扰在副回路还是主回路，都能保证主变量无余差。
• 当副控制器有积分作用时而主控制器无积分作用时，只有干扰作用于副回路，主变量无余差；干扰作用于主回路，主变量仍然存在余差。

主, 副控制器正反作用的选择

​ 注: 先副后主

1. 副控制器

   副控制器的正、反作用要根据副回路的具体情况决定，而与主回路无关。副环可以按照单回路控制系统确定正、反作用的方法来确定副控制器的正、反作用

2. 主控制器

   主控制器的正、反作用根据主回路所包括的各环节来确定。副回路的放大倍数可视为“正”，因变送器一般为“正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性一样

控制对象正负特性

1. 压力对象

   检测环节在控制阀后面: “＋”

   检测环节在控制阀前面: “－”

2. 温度对象

   根据*操纵变量Q(S)的变化引起被控变量Y(S)*的变化确定. Q(s)↑Y(s)↑增益为＋

例题

例1: 确定下图所示加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统主、 副控制器的正反作用

• 绘制结构图

  

• 副环: 控制阀应选气开（正特性）→副对象放大倍数为正特性→副变送器放大倍数为正特性→副控制器应为正特性（选反作用）

• 主环: 主对象放大倍数为正特性→主控制器应选反作用(主控制器放大倍数应取主对象放大倍数的特性符号)

例2: 氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统主、 副控制器的正反作用(氨气流量变化1%，氧化炉温度改变64℃ )

• G_O1(S): +, G_O2(S): +, G_V(S): +, G_C2(S): +, G_C1(S): +

• TC: 反作用, FC: 反作用

• 注意:

  • 结构图(带控制点的工艺流程图)≠方框图

串级控制系统的投运和整定

投运

1. 投运顺序: 先副环, 后主环

2. 无扰动切换: 预置给定等于测量

   注意: 投运过程中应切除微分作用

整定

串级控制系统的特点

• 由于副回路的存在，改善了对象的特性使系统的工作频率提高;
• 串级控制回路具有较强的抗干扰能力;
• 串级控制系统具有一定的自适应能力.

串级系统副回路设计

原则

1. 使系统主要干扰包含在副环内;

2. 在可能情况下，应使副环包含更多一些的干扰;

3. 当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性环节于副环之中;

4. 当对象具有较大纯滞后时，在设计时应使副回路尽量少包括或不包括纯滞后;

5. 副回路设计时应考虑主、副对象时间常数的匹配，以防共振;

6. 所设计的副回路需考虑到方案的经济性和工艺的合理性

举例: 加热炉出口温度控制

主要干扰:

• 燃料气压力

• 燃料气热值

• 燃料效果

• 环境温度

• 原油流量

• 原油温度

第三章 比值控制系统

考核点

1. 比值控制系统的类型
2. 比值, 比值系数两者关系
3. 设计方案, 方框图, 控制阀, 控制器的正反作用
4. 方案实施{相乘, 相除}, 比值系数的设定
5. 逻辑比值控制系统(工作过程分析)

概述

比值控制系统: 实现两个或两个以上参数符合一定的比例关系的控制系统

主动量: 需要保持比值关系的两种物料中，处于主导地位物料，称之为主动量

从动量: 按主物量进行配比变化的物料，在控制过程中随主物料而变化，称之为从动量

比值控制系统就是要实现副流量F₂ 和主流量F₁ 成比值关系 $K=\frac{F_2}{F_1}$ , K为副流量与主流量的流量比值

比值控制系统的类型

开环比值控制系统

• 特点: 最简单的比值控制系统，同时也是开环控制系统。随着F1的变化，F2将跟着变化
• 缺点: 由于系统是开环的，对副流量F2的波动无法克服，比值精度低

单闭环比值控制系统

• 特点: 既实现副流量跟随主流量变化而变化，又可克服副流量本身干扰对比值的影响
• 缺点: 1. 由于主流量不受控制，所以总物料量不固定，不适合负荷变化幅度大的场合; 2. 无法保证动态比值

单闭环比值控制系统与串级控制系统的区别: 单闭环比值控制系统的主流量相当于串级控制系统的主参数，而主流量没有构成闭环系统，F₂的变化并不影响F₁

双闭环比值控制系统

• 特点: 克服主流量干扰影响
• 缺点: 需要防止共振

其他类型的比值控制

1. 变比值控制系统
   • 按一定工艺指标[第三参数]自行修正比值系数
2. 串级和比值控制组合系统
   • 要求主流量随另一个参数的需要而改变，两流量的比值关系保持不变，整个系统属于定比值控制

比值系数的计算(比值与比值系数不同!)

• [工艺流量]比值: K
• [仪表信号]比值系数: K’

流量与测量信号成线性关系(加开方器)

电流与流量关系 $\frac{I-4}{20-4}=\frac{F}{F_{max}}$ --> $I=\frac{F}{F_{max}}\ast 16+4$

比值系数K’为仪表信号之比$K^{\prime }=\frac{I_2-4}{I_1-4}$, I₂, I₁为副, 主流量测量信号值

联立两式可得: $K^{\prime }=\frac{F_2}{F_1}\ast \frac{F_{1max}}{F_{2max}}=K\ast \frac{F_{1max}}{F_{2max}}$, F_2max, F_1max为副, 主流量变送器量程上限

流量与测量信号成非线性关系(未加开方器)

流量与差压的非线性关系: $F=k\sqrt{\Delta p}$

针对不同信号范围仪表:

1. 0~10mADC电动仪表$I=\frac{F^2}{F{}_{max}^2}\ast 10$
2. 4~20mADC电动仪表$I=\frac{F^2}{F{}_{max}^2}\ast 16+4$
3. 20~100kPa气动仪表$I=\frac{F^2}{F{}_{max}^2}\ast 80+20$

此时, $K^{\prime }=K^2\ast (\frac{F_{1max}}{F_{2max}}{)}^2$, F_2max, F_1max为副, 主流量变送器量程上限

比值控制方案的实施

两类实施方案

1. 相乘方案(F₂=KF₁)

   

   定义: 主流量F₁的测量值乘上某一系数, 作为F₂流量控制器的给定

   乘法器: 把外接的恒流给定器输出设定为 I_k

2. 相除方案(K=F₂ / F₁)

   

   定义: 将F₂与F₁的测量值相除, 作为比值控制器的测量值

   除法器: 在仪表上直接把输出设成 I_k

比值控制方案实施举例

1. 乘法器

   

   比值设定步骤:

   (1) 先由工艺规定的两物料的流量比值K，结合测量变送器的测量上限，正确的计算出仪表比值系数K′

   (2) 根椐所使用的乘法器运算式，由K′进一步算出I_k，然后将恒流定器的输出值调整到上述计算值

2. 除法器

   

比值设定步骤:

(1) 先由工艺规定的流量比，测量变送仪表的特性，计算比值系数K′

(2) 按给定值计算公式，算出给定值后再把比值器的给定值设置成上面的计算值

比值控制系统其他问题

具有逻辑规律的比值控制

在生产过程中, 有时工艺上不但要求物料量成一定比例,而且要求在负荷变化时,它们的提降量有一定的先后次序.

逻辑规律: 指工艺上对主、副流量提降负荷时的先后要求而言。所以具有逻辑规律的比值控制也称为逻辑提量

• 负荷提量, 先提空气, 再提燃料;
• 负荷减量, 先减燃料, 再减空气;

正常情况: 低选器LS以PC的输出作为输出信号，高选器HS以燃料量F₁T的信号作为输出。这样空气与燃料就有一定的比值关系

提量时: 蒸汽流量的增加，蒸汽压力PT↓→PC↑, 信号被高选器HS选中, 使F₂C给定↑, 空气量F₂T↑, 使其变送器输出↑, 经变送器的测量信号被低选器LS选中, 作为燃料流量控制器F₁C的给定值↑, 使燃料提量. 提量过程直至I_p=I₁=I₂, 系统又恢复稳定状态. 实现了先提空气量后提燃料量的原则

减量时: 蒸汽流量的减少，蒸汽压力PT↑→PC↓, 信号被低选器LS选中, 使F₁C↓, 燃料量F₁T↓, 使其变送器输出↓, 经变送器的测量信号被高选器HS选中, 作为空气流量控制器F₂C的给定值↓, 使空气降量. 降量过程直至I_p=I₁=I₂, 系统又恢复稳定状态. 实现了先降燃料量后降空气量的原则

第四章 均匀控制系统

均匀控制方案

双冲量均匀控制

考核点: 1. 方框图; 2. 阀, 控制器正反作用; 3. 加法器各信号的符号

冲量: 连续的信号和参数

定义: 用一个控制器, 以两个测量信号(液位和流量)之差为被控变量的系统.

举例: 双冲量均匀控制系统的原理图与方框图, 它以塔釜液位与采出流量两个信号之差为被控变量(如流量为进料时, 则为两信号之和), 通过控制, 使液位和流量两个参数均匀缓慢变化

原理图:

方框图:

理解: 工况稳定情况下, I_L与I_F符号相反, 互相抵消, 为此, 通过调整I_S值, 使加法器的输出等于控制器的给定值. 当受到干扰时，若液位升高，则加法器的输出I₀也增加，控制器感受到这一偏差信号而进行控制，发出信号去开大控制阀，于是流量开始增加。与此同时，液位从某一瞬间开始逐渐下降，当液位和流量变送器的输出逐渐接近到某一数值时，加法器的输出重新恢复到控制器的给定值，系统逐渐趋于稳定，控制阀停留在新的开度上，液位的平衡数值比原来有所提高，流量的平衡数值也比原来有所增加，从而达到了均匀控制的目的。

第五章 前馈控制系统

考核点

• 类型(3个)—>判断类型
• 设计, 画出结构图
• 方框图的画法
• 控制阀, 控制器正反作用
• 前馈控制器G_ff数学模型

前馈控制系统的特点

1. 前馈控制及时
2. 前馈控制属于开环控制系统
3. 前馈前馈控制器是视对象特性而定的“专用”控制器
4. 一种前馈控制只能控制一种干扰**(据干扰控制)**

前馈控制系统的几种主要结构形式

单纯的前馈控制系统

1. 动态前馈控制

   

2. 静态前馈控制

   图同上, 但是静态前馈控制器的输出M_ff仅仅是输入量的函数，而与时间因子t无关

前馈–反馈控制系统

1. 结构图

   

2. 方框图

   

3. 数学模型计算

   利用梅森增益公式计算系统输出相对于干扰量的传递函数：T(s)/F(s)（即输出/干扰），根据完全补偿原理，其值为0，据此代入计算出G_ff值

前馈–串级控制系统

1. 结构图

   

2. 方框图

   

3. 数学模型计算

   利用梅森增益公式计算系统输出相对于干扰量的传递函数：T(s)/F(s)（即输出/干扰），根据完全补偿原理，其值为0，据此代入计算出G_ff值

补充：前馈控制与反馈控制的比较

第六章 选择性控制系统

考核点

1. 类型(3种)

2. 设计方案, 画出结构图

3. 方框图, 控制阀, 控制器正反作用

4. 选择器确定<从非常情况入手>

5. 积分饱和现象

   • 产生条件

   • 防止措施

6. 工作过程

概述

1. 选择性控制系统: 在正常工况下，该参数不会超限，所以也不考虑对它进行直接控制；而在非常工况下，该参数会达到极限值，这时又要求采取强有力的控制手段，避免超限。

2. 生产保护性措施

   • 硬保护措施<停车>(不好)

   • 软保护措施<不停车>(好)

3. 构成选择性控制: 生产操作必须有一定选择性逻辑关系。而选择性控制的实现则需要具有选择功能的自动选择器(高值选择器和低值选择器)或有关切换装置来完成。

选择性控制系统的类型及应用

开关型选择性控制系统

工作机理: 一般设有A、B两个可供选择的变量。其中A是工艺操作的主要指标；另一个变量B，工艺上对它只有一个限值要求。当B工作在限值以内时，生产过程按变量A进行连续控制，当B达到或超过限值时，选择控制系统将通过专门的装置切断A的输出，而控制阀迅速关闭或打开，直到B回到限值内，系统才重新恢复到按变量A进行连续控制

连续型选择性控制系统

1. 工作机理: 在连续型性选择控制系统中，一般具有两只连续控制器，它们的输出通过一只选择器后，送往控制阀。一只控制器工作在正常情况下，另一只工作在非正常情况下，并通过选择器进行切换

2. 与开关型的区别: 取代作用发生后，控制阀不是立即全关或全开，而是在原有开度基础上继续控制，因此，对控制阀来说，控制作用是连续的

3. 举例: 蒸汽压力与燃料气压力的选择性控制系统

   注: 脱火现象–当燃料压力过高时，会将燃烧喷嘴的火焰吹灭，产生脱火现象

• 结构图

  

• 方块图

  

• 分析工作过程:

  • 正常情况下, 燃料气压力低于产生脱火的压力，PC2感受到的是负偏差，因此它的输出PB呈现为高信号，而与此同时PC1的输出信号相对来说呈低信号。这样，低选器LS将选中PC1输出PA 送往控制阀，构成蒸汽压力控制系统
  • 当燃料气压力上升到超过PC2的给定值时，PC2感受到的是正偏差，由于它是反作用、窄比例，因此它的输出PB一下跌为低信号，于是低选器LS将选中PC2输出PB 送往控制阀，构成燃料气压力控制系统，从而防止燃料气压力上升，达到防止脱火的产生

• 注意: 选择器LS最后确定<从非常情况入手>

混合型选择性控制系统

定义: 既包含有开关型选择的内容，又包含有连续型选择的系统

选择性控制系统的设计

1. 根椐生产安全要求选择控制阀的开、闭形式
2. 根椐对象的特性和控制要求，选择控制器的控制规律及正 、反作用
3. 最后根椐控制器的正、反作用和选择性控制系统设置的目的，确定选择器的类型

积分饱和及其防止措施

产生条件

• 控制器具有积分作用
• 控制器处于开环工作状态
• 偏差信号长期存在

防止措施

• 限幅法(通过采取一些专门的技术措施对积分反馈信号加以限制，从而使控制阀工作在信号范围内)
• 积分切除法(当控制器处于开环状态时，将控制器的积分作用切除掉的方法)
• 外反馈法(采用外部信号作为控制器的反馈信号，这样，当控制器处于开环状态时，由于反馈信号不足输出信号自身，就不会形成对偏差的积分作用)

第七章 分程及阀位控制系统

分程控制系统

考核点

• 设计, 结构图
• 方框图, 控制阀, 控制器正反作用
• 两个阀分程区间的确定⭐️
• 工作过程分析
• 如何实现分程控制<阀门定位器>⭐️

概述

1. 分程控制系统定义: 一台控制器的输出可以同时控制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

2. 分程控制的实现: 阀门定位器<5个字>

3. 分类

   • 两个控制阀同向工作
   
   • 两个控制阀异向工作
   

注意:

• 横纵坐标
• 标注A/B

分程控制应用场合

1. 扩大控制阀可调范围, 改善控制品质

2. 用于控制两种不同的介质, 以满足工艺生产的要求

   eg. 间歇式化学反应器分程控制系统

   

   分析: 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 ；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。

3. 用作生产安全的防护措施

   eg. 油品储罐N2封分程控制系统

   

   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↓（<0.06MPa） →A阀全关、B阀开→P↓；（ 2）从油罐抽油时P↓→PC↑（>0.06MPa）→B阀全关、A阀开→P↑。

阀位控制系统

考核点

• 名称由来
• 设计结构图
• 绘制方框图, 判断控制阀, 控制器<控制规律>, 正反作用
• 两个操纵变量的区别 ⭐️
• 工作过程分析 <特别突出> ⭐️

概述

1. 引入: 阀位控制系统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
2. 阀位控制系统结构原理图

阀位控制系统的应用

1. 管式加热炉原油出口温度控制

• 分析: 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）。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。

• 方框图

  

• 工作过程分析:

阀位控制系统的设计及整定

1. 操纵变量的选择

   操纵变量A: 着重考虑它的经济和合理性 <阀位控制器>

   操纵变量B: 着重考虑它的快速性和有效性 <主控制器>

2. 控制阀开闭形式选择<同单回路>

3. 控制器规律及正反作用

   • 控制规律: 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PI控制器。但当对象时间常数较大时，则可选用PID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PI作用
   • 正反作用: <原则>闭环回路各环节放大倍数的符号乘积必须为负

第八章(不考)

第九章 新型控制系统

纯滞后补偿控制系统

纯滞后补偿原理

1. 原理:

   

2. 在广义对象上并联一个分路, 使得$G(s)=G_p(s)\ast e^{-\tau s}+G_{\tau }(s)=G_p(s)$, 可得$G_{\tau }(s)=G_p(s)(1-e^{-\tau s})$, 这种方法称为史密斯补偿法, 这种补偿器称为史密斯补偿器

按计算指标及推断控制系统

考核点

• 精馏塔内回流控制<设计>

• 精馏塔进料热焓控制<设计>

  (1) 为什么要用热焓控制?

  (2) 什么情况下可以用温度控制取代热焓控制

定义: 假若不可测的被控变量，只要依靠可测的辅助输出变量即能推算出来，这是<推断控制>中最简单的情况，称为“按计算指标的控制系统”

精馏塔内回流控制系统

1. 内回流是使精馏塔平稳操作的一个重要因素。内回流的变化将会影响塔板上汽液平衡状况，要使工况稳定，需保持内回流流量的恒定

2. 内外回流关系

   

   塔板向下流的内回流L_i应等于外回流L₀与由它们的温差而产生的冷凝液ΔL之和, $L_i=L_0+\Delta L$

3. 实现内回流控制的方法

• 内回流运算的数学模型: 由物料平衡关系式$L_i=L_0+\Delta L$和热量平衡关系式$\Delta L\lambda =L_o{c}_p(T_{oH}-T_R)$可得$L_i=L_o[1+\frac{c_p}{\lambda }(T_{oH}-T_R)]=L_o(1+K\Delta T)$ <内回流计算式>
• 用仪表实现等式右边, 作为测量值⭐️

4. 内回流控制实施原理图

精馏塔进料热焓控制

1. 热焓定义: 单位重量（或单位体积）的物料所积存的热量

2. 为何要进行热焓控制?

   在精馏操作中，进料状态即进料流量、组成及热焓为精馏过程的主要干扰，其中进料热焓是个重要因素，故要求进料热焓应该恒定. 对于单相进料时，热焓与温度成单值对应关系，常用温度控制来代替热焓控制。当汽、液混相进料时，热焓与温度就不存在单值对应关系，这时就需要对进料进行热焓控制。⭐️

3. 热焓运算的数学模型及实施原理图

• 载热体进出热交换器的情况

  (1) 载热体进出热交换器都是液相，无相变

  (2) 载热体进出热交换器都是汽相，无相变

  (3) 载热体进热交换器前是汽相，释放热量后冷凝成液相

• 热平衡关系 $E_F=c_f\ast T_1+\frac{F_s}{F}\ast h_s+\frac{F_s}{F}\ast c_s(T_2-T_3)$

  

• 实施原理图

  

解耦控制系统

考核点

• 关联系统解耦条件
• 解耦矩阵, 方框图**<完整>**
• 解耦控制方案
• 求解耦装置矩阵F(s)

引入: 在同一设备或装置上设置两套控制系统时，就要考虑系统间关联的问题，其关联程度可通过计算各通道相对增益大小来判断. 如相对增益都接近于1，则说明系统间关联较小；如相对增益于1差距较大，则说明系统间关联较为严重。对于系统间关联比较小的情况，可以采用控制器参数整定，将各系统工作频率拉开的办法，以削弱系统间的关联的影响。如果系统间的关联严重，就需要考虑解耦的办法加以解决。

解耦控制就是设计一个控制系统，使之能够消除系统之间的耦合关系，而使各个系统变成相互独立的控制回路

研究2×2系统的关联及解耦方法

• 方块图

  

• 数学关系式:

  $$Y_1(s)=G_{11}(s)P_1(s)+G_{12}(s)P_2(s)$$

  $$Y_2(s)=G_{21}(s)P_1(s)+G_{22}(s)P_2(s)$$

  即:$$\left[\begin{array}{c}{Y}_1(s)\\ Y_2(s)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{G}_{11}(s)& G_{12}(s)\\ G_{21}(s)& G_{22}(s)\end{array}\right]\ast \left[\begin{array}{c}{P}_1(s)\\ P_2(s)\end{array}\right]$$

  • 当G12=G21=0时，两个控制通道各自独立，不存在关联；
  • G12、G21中有一个等于0，称为半耦合
  • 如果G12、G21均不为0，则两个控制通道相互关联

关联系统解耦条件⭐️

1. 关联系统的解耦条件是系统的闭环传递矩阵必须是对角阵

2. <可改为>系统的开环传递矩阵G_o(s)必须是对角阵

3. <最终总结为>广义对象的传递矩阵G(s)必须是对角阵

   做法: 在相互关联的系统中增加一个解耦装置（通常称为解耦矩阵，用F(S)表示），使对象的传递矩阵与解耦装置矩阵的乘积为对角矩阵，即可达到解耦的目的

   

解耦控制方案⭐️

1. 理想解耦
2. 简化解耦

• 对于2×2的系统来说，所谓简化解耦，就是选择一种简化解耦装置，以达到解耦的目的。而在这种简化解耦装置模型中令F(S)的某两个元素固定为1。

• 四种组合

• 若选第一种组合, 则用其构成的解耦控制系统方框图如下

对象传递矩阵与解耦装置的乘积

据解耦条件, 上式为对角阵, 则

则简化解耦装置模型为:

过程控制工程

单元操作中的控制方案设置主要考虑的四个方面:

• 物料平衡控制
• 能量平衡控制
• 质量控制
• 约束条件控制

第十章 流体输送设备的控制

考点:

1. 根据已知操作线方程设计方案, 画结构图✔️
2. 喘振现象及产生原因✔️
3. 防喘振控制方案类型✔️
4. 控制阀, 控制器正反作用
5. 何时打开旁路阀✔️

概述

流体: 输送的物料流和能量流 (液体+气体)

流体输送设备: 泵 (输送液体和提高其压头的机械) + 风机/压缩机 (输送气体并提高其压力的机械)

对流体输送设备的控制主要保证物料平衡的流量和压力控制

泵和压缩机的控制

离心泵的控制方案

1. 直接节流法

   

   注意: 直接节流法的控制阀应安装在泵的出口管道上，而不能装在泵的吸入管道上。否则会出现**“气缚”及“气蚀”**现象。

2. 改变泵的转速n

   

3. 改变旁路回流量

压缩机的控制方案

离心式压缩机的防喘振控制

喘振现象及产生原因

喘振现象: 当负荷低于某一定值时，气体的正常输送遭到破坏，气体的排出量时多时少，忽进忽出，发生强烈震荡，并发出如同哮喘病人“喘气”的噪声。

喘振是离心式压缩机的固有特性，由特性曲线呈驼峰型而引起的, 如下图. 根据能量平衡分析稳定性, 压缩比$\frac{p_2}{p_1}$看作衡量位能的指标, 排量$Q$看成衡量动能的指标. 二者相互转化

• M点不稳定(沿着$Q$增大方向, $\frac{p_2}{p_1}$也增大, 不满足能量守恒)
• M₁点稳定(沿着$Q$增大方向, $\frac{p_2}{p_1}$减小, 满足能量守恒)

引起喘振现象的原因:

• (最直接原因)负荷的下降，使工作流量Q₁小于极限流量Q_p
• 工艺原因

防喘振控制系统

1. 固定极限流量防喘振控制

2. 可变极限流量防喘振控制: 它是在整个压缩机负荷变化范围内, 设置极限流量跟随转速而变的一种防喘振控制. 设计的关键是确定压缩机喘振极限线方程:

• 安全操作线的数学方程的建立
• 用仪表等技术工具实现上述数学方程的运算

设吸入口, 排出口的绝对压力为$p_1,p_2$, 吸入口气体的体积流量和绝对温度为$Q_1,T_1$, 由安全操作线方程: $\frac{p_2}{p_1}=a+b\frac{Q_1^2}{T_1}$可得

• $\Delta p_1=\frac{r}{b{K}^2}\left(p_2-a{p}_1\right)$ 左边是给定值, 右边是测量值, 1代表吸入, 2代表排出

  可变极限流量防喘振控制系统设计1如下:

  

• $\frac{\Delta p_1}{\left(p_2-a{p}_1\right)}=\frac{r}{b{K}^2}$

  可变极限流量防喘振控制系统设计2如下

  

在防喘振控制系统中，当测量值大于给定值时，旁路阀始终关闭；而当测量值小于给定值时，旁路阀开启到一定位置，故能防止喘振的出现，确保压缩机的安全运行。

注意问题:

• 防喘振控制器的防积分饱和
• 相对压力与绝对压力的转换
• 有时不能在入口处测量流量，而必须改出口处测量时，将喘振安全操作线方程中$\Delta p_1$转为$\Delta p_2$

第十一章 传热设备的控制

考点:

1. 虚假水位现象及其危害性

2. 设计整体方案, 注: 双冲量, 三冲量控制系统

   方块图, 控制阀, 控制器正反作用, 加法器符号的确定, I₀的作用

3. 炉膛负压控制

   设计控制方案的理由: 负压值过小/大

概述

传热设备的类型

1. 从热量传递方式看
   • 热传导
   • 热对流
   • 热辐射
2. 从进行热交换的两种流体的接触关系看
   • 直接接触式
   • 间壁式
   • 蓄热式

传热设备的控制要求

1. 传热目的
   • 使工艺介质达到规定的温度
   • 使工艺介质改变相态
   • 回收热量
2. 传热设备的控制: 主要是热量平衡的控制，温度作为被控变量。对某些传热设备，也有约束条件的控制。

一般传热设备的控制

一般传热设备通常指：换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝冷却器

换热器的控制

换热器两侧介质（工艺介质和载热体）在换热过程中都没有相变

换热器的控制方案

锅炉设备的控制

锅炉可产生高压蒸汽用于驱动蒸汽透平的动力源或作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源，是石油化工、发电厂的重要动力设备

锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行

• 锅炉汽包水控制
• 锅炉燃烧系统控制
• 过热蒸汽系统控制

锅炉汽包水位控制

1. 汽包水位动态特性

   虚假水位现象: 当蒸汽量加大时, 虽然锅炉的给水量小于蒸发量, 但在一开始, 水位不仅不下降, 反而迅速上升, 然后再下降; 反之, 蒸汽流量突然减少时, 水位先下降, 然后上升.

   虚假水位现象属于反向特性，会使控制器反向错误动作

2. 单冲量控制系统

   冲量指的是变量

   

   缺点:

   • 存在虚假液位现象
   • 对负荷不灵敏
   • 对给水干扰不能及时克服

3. 双冲量控制系统

   

   根据蒸汽流量作为校正作用，可以纠正虚假水位引起的误动作，也能提前发现负荷的变化，从而大大改善了控制质量

   本质: 前馈(蒸汽流量)-反馈控制系统

   方块图如下:

   
   • 加法器系数确定: $\mathrm{I}={\mathrm{C}}_1{\mathrm{I}}_{\mathrm{c}}\pm {\mathrm{C}}_2{\mathrm{I}}_{\mathrm{F}}\pm {\mathrm{I}}_0$
   • 阀的开闭形式, 控制器正反作用及运算器符号决定
     • 控制阀: 从保护锅炉的安全角度，选气闭；以保护后续设备(如汽轮机)角度，选气开
     • 控制器LC: 气闭阀时为正作用(-)，气开阀时为反作用(+)
     • 运算器: 对于参数$C_2$, 当气闭阀时, 当蒸汽流量加大, 给水量亦需增大, I应减小, 即应取负号$I=C_1{I}_c-C_2{I}_F+I_0$; 气开阀时, I应增加, 即应取正号$I=C_1{I}_c+C_2{I}_F-I_0$. 注意: $I_0$符号与$C_2$相反, 目的是平衡抵消$I_F$影响

4. 三冲量控制系统

   双冲量控制系统无法克服给水干扰的影响，引入给水量，构成三冲量控制系统

   

   本质: 前馈(蒸汽流量)-串级控制系统

   方块图如下:

   

   阀的开闭形式, 控制器正反作用及运算器符号决定

   • 控制阀: 从保护锅炉的安全角度，选气闭；以保护后续设备(如汽轮机)角度，选气开
   • 控制器LC: 同串级控制系统的分析
   • 运算器: $I=I_{\mathrm{c}}+C{I}_{\mathrm{F}}-I_0$, 注意: $I_0$的设置是为了在正常负荷下抵消$I_c$, 因此$I_0$前符号为负. C项正负与阀或控制器无关.

锅炉燃烧系统的控制

1. 蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统

   

   负荷提量: 先提空气, 再提燃料

   负荷减量: 先减燃料, 再减空气

2. 炉膛负压控制与有关安全保护系统

   

   (1) 炉膛负压控制系统

   • 本质: 前馈-反馈控制系统

   • 通常把炉膛负压控制在-20Pa左右

     设计控制方案的理由

   • 负压值过小, 造成炉膛热烟气往外冒, 危及操作人员, 设备安全

   • 负压值过大, 大量冷空气漏进炉膛内, 使热量损失增加

   (2) 防脱火和防回火控制系统

第十二章 精馏塔的控制

概述

精馏是石油、化工等众多生产过程中广泛应用的一种传质过程，通过精馏过程，使混合物料中的各组分分离，分别达到规定的纯度。

分离机理: 是利用混合物中各组分的挥发度不同( 沸点不同)，使液相中的轻组分(低沸点)和汽相中的重组分(高沸点)相互转移，从而实现分离。

特点: 精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理较复杂，动态响应迟缓、变量之间相互关联，不同的塔工艺结构差别很大，而工艺对控制提出的要求又较高，所以确定精馏塔的控制方案是一个极为重要的课题。而且从能耗的角度，精馏塔是三传一反典型单元操作中能耗最大的设备<判断>。

一. 精馏塔的基本关系

1. 物料平衡关系

   总物料平衡: F=D+B

2. 能量平衡关系

二. 精馏塔的控制要求

在保证产品质量合格的前提下, 使塔的总收益最大或总成本最小

• 产品质量控制
• 物料平衡控制
• 能量平衡控制
• 约束条件控制

三. 精馏塔的主要干扰因素

进料流量F, 进料组分z_f, 进料温度T_f, 热焓F_E

精馏塔被控变量的选择

一. 直接产品成分信号

制约因素:

• 分析仪表可靠性差
• 分析测量过程滞后大,反应缓慢

二. 间接温度信号

1. 二元组分精馏塔

   一定压力下, 沸点和产品的成分有单值的对应关系

2. 多元精馏过程

   一定压力下, 温度与成分也有近似对应关系

关于温度点的位置

• 温度检测点放在塔顶:精馏段温控系统

• 温度检测点放在塔底:提馏段温控系统

精馏塔整体控制方案

Shinskey精馏塔控制中变量配对的三条准则:

1. 当仅需要控制塔的一端产品时，应当选用物料平衡方式来控制该产品的质量

2. 塔两端产品流量较小者，应作为操纵变量去控制塔的质量

3. 当塔的两端产品均需按质量控制时，一般对含纯产品较少，杂质较多的一端的质量控制选用物料平衡控制，而含纯产品较多，杂质较少的一端的质量控制选用能量平衡控制

   当选用塔顶部产品馏出物流量D或塔底采出液量B来作为操纵变量控制产品质量时，称为物料平衡控制

   而当选用塔顶部回流L或再沸器加热量Q(V)来作为操纵变量控制产品质量时，称为能量平衡控制

质量指标反馈控制

一般说来，精馏塔的质量指标只设定一个，分别称为精馏段控制和提馏段控制

操纵变量(4种):

• D塔顶部产品馏出物流量(物料平衡)
• B塔底采出液量(物料平衡)
• L塔顶部回流(能量平衡)
• Q再沸器加热量(能量平衡)

被控变量(3种):

• 质量指标
• 回流罐液位L_D
• 塔釜液位L_B

以上搭配可构成精馏塔的控制方案----精馏段/提馏段+物料平衡控制/能量平衡控制----核心是观察温度监测点TC的位置+与TC相对应控制阀的操纵变量⭐️

方案一:精馏段物料平衡控制方案

方案二:精馏段能量平衡控制方案

方案三:提馏段能量平衡控制方案

方案四:提馏段物料平衡控制方案

串级, 均匀, 比值, 前馈等控制系统在精馏塔中的应用

该部分即为前面的各种控制系统在精馏塔中的应用

精馏塔塔压的控制

1. 常压塔

2. 加压塔

   • 气相采出

     

3. 减压塔

第十三章 化学反应器的控制

概述

化学反应器类型

1. 按反应器的进出物料状况分: 间歇式和连续式
2. 从物料流程的排列来分: 单程与循环
3. 从反应器的结构形式分: 釜式、管式、塔式、固定床、硫化床
4. 从传热情况分: 绝热式和非绝热式

化学反应器的控制要求

• 物料平衡控制
• 能量平衡控制
• 约束条件控制
• 质量控制

反应器基本控制方案

绝热反应器控制

绝热反应器由于与外界没有热量的交换。因此，要对反应器的温度进行控制，只能通过控制物料的进口状态来实现。所谓的物料进口状态的控制，即控制物料的进口浓度x₀、进料温度θ_f、和负荷量G

1. 进口浓度x₀的控制

   以进口浓度x₀作为操纵变量来控制反应器温度, 当θ_f不变时，随着x₀的增大（放热Q1增大），反应器温度θ也增大

   改变进口浓度的常用方法

   • 改变主要反应物的量
   • 改变已过量的反应物的量
   • 循环操作系统中改变循环量
   • 在均相催化反应中改变催化剂的量

2. 进料温度θ_f的控制

   提高进料温度θ_f，将使反应温度θ升高

3. 改变负荷G

非绝热反应器控制

由于非绝热反应器是在反应器上外加传热，因此可以像传热设备那样来控制反应温度。控制方案中常采用分程控制和分段控制