训练任务十　精馏塔液位工艺流程控制过程

一、训练目的

分析液位控制人工操作的过程，并与自动控制过程进行比较，从而进一步认识自动控制系统的特点及组成，了解简单定值控制系统的工作过程。

二、工作原理

1.人工控制原理

自动控制系统是在人工控制的基础上演变而来的。下面通过精馏塔液位控制过程，将人工控制与自动控制进行对比分析，从而进一步认识自动控制系统的特点及组成。

在工业生产中，精馏塔是实现混合物组分分离的主要设备，如图2-3所示。在正常工作时，精馏塔液位将保持在规定范围内是非常重要的。一旦生产发生变化，液位就发生相应变化。为保持液位恒定，操作人员必须密切注视着液位检测装置的变化。

如图2-3所示，为保持精馏塔液位恒定，操作人员应根据塔内液位的变化情况控制精馏塔塔底馏出液流量。手工控制的过程主要分为三步：

①用眼睛观察液位检测装置变化以获取液位测量值，并通过神经系统传送到大脑；

②大脑根据眼睛看到的液位变化，与设定值进行比较，得出偏差的大小和方向，然后根据操作经验发出控制命令；

③根据大脑发出的命令，用双手去改变塔底馏出液流量调节阀的开度，最终使液位保持在工艺要求的高度上。

在整个手工控制过程中，操作人员的眼、脑、手分别担负了检测、判断和运算、执行三个作用，来完成测量、求偏差、再施加控制操作以纠正偏差的工作过程，保持精馏塔液位的恒定。由于人工控制受到生理上的限制，满足不了大型现代化生产的需要，为了提高控制精度和减轻劳动强度，可以用一套自动化装置来代替上述人工操作，这样，就由人工控制变成自动控制了。精馏塔和自动化装置一起构成了一个自动控制系统，如图2-4所示。

2.自动控制的工作原理

这里以精馏塔液位控制系统为例说明自动控制系统的工作原理。当精馏塔受到扰动作用后，被控变量（液位）发生变化，通过检测变送仪表得到其测量值；调节器接受液位变送器送来的测量信号，与设定值相比较得出偏差，按某种运算规律进行运算并输出控制信号；调节阀接受调节器的控制信号，按其大小改变阀门的开度，调整塔底馏出液流量，以克服扰动的影响，使被控变量液位回到设定值，最终达到稳定精馏塔液位的目的。这些自动控制装置和被控的工艺设备组成了一个没有人直接参与的自动控制系统。

过程控制系统常用带控制点的工艺流程图表示，常用字母功能如下：

①首位变量字母　压力（P）、流量（F）、物位（L）、温度（T）、成分（A）；

②后继功能字母　变送器（T）、调节器（C）、调节阀（K）；

③附加功能　记录功能（R）、指示功能（I）都放在首位和后继字母之间，开关或联锁功能（S）、报警功能（A）都放在最末位。

需要说明的是，如果仪表同时有指示和记录附加功能，只标注字母代号“R”。如果仪表同时具有开关和报警功能，只标注代号“A”。当“SA”同时出现时，表示仪表具有联锁和报警功能。其他常见字母变量的功能后面再介绍。

图2-5是精馏塔液位控制系统带控制点的工艺流程图。图中LT表示液位变送器，LC为液位调节器，调节阀为气动调节阀。

3.自动控制系统的基本组成

从精馏塔液位控制系统中可以总结出一般过程控制系统是由被控对象、测量变送器、调节器、调节阀几部分组成的。为了更清楚地表达一个自动控制系统各环节的相互影响和信号联系，常用方框图来表示。图中用一个方块表示组成系统的一部分，称之为环节，用带箭头的直线表示信号的相互联系和传递方向，如图2-6所示。

从图2-6过程控制系统的基本组成框图可知，过程自动控制系统主要由工艺对象和自动化装置（调节阀、调节器、检测变送器）两个部分组成。

①被控对象　是指被控制的生产设备或装置。工业生产中的各种塔、换热器、泵和压缩机及各种容器、储槽都是常见的被控对象，甚至一段管道也可以是一个被控对象。

②检测元件和变送器　感受并测量被控变量的变化，并将其转变为标准信号输出，作为测量值。如上例中液位变送器是将液位变化检测出来并转化成统一标准信号（如4～20mA DC）。

③比较机构　其作用是将设定值与测量值比较并产生偏差值。

④调节器　在调节器内将设定值与测量值进行比较，得出偏差值，按预定的控制规律实施控制作用。比较机构和调节器通常组合在一起，可以是气动调节器、电动调节器、可编程序调节器等。

⑤调节阀　在过程控制系统中，最常用的调节阀是气动薄膜调节阀。调节阀接受调节器送来的控制信号，直接去改变操纵变量q（t）。

⑥被控变量y（t）　按照工艺要求，被控对象通过控制能达到工艺要求设定值的工艺变量，如上例中的精馏塔液位。

⑦设定值（给定值）x（t）　自动控制系统中，设定值是与工艺预期的被控变量相对应的信号值，由工艺要求决定。如上例中液位高度为量程的50％～60％。

⑧测量值z（t）　检测元件及变送器的输出值，即被控变量的实际测量值。

⑨偏差e（t）　设定值与测量值之差。

⑩操纵变量q（t）　由调节器操纵，能使被控变量恢复到设定值的物料量或能量。如上例中的精馏塔塔底馏出流量。

扰动f　除操纵变量外，作用于生产过程对象并引起被控变量变化的随机因素，如进料量的波动。

4.自动控制系统基本工作方式

自动控制系统一般有两种基本控制方式，通常按照控制系统是否设有反馈环节来对其进行分类。不设反馈环节的，称为开环控制系统；设有反馈环节的，称为闭环控制系统。这里所说的“环”，是指由反馈环节构成的回路。下面介绍这两种控制系统的控制特点。

（1）开环控制系统

若系统的输出信号对控制作用没有影响，则称为开环控制系统，即系统的输出信号不反馈到输入端，不形成信号传递的闭合环路。

在开环控制系统中，控制装置与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系。例如，洗衣机从进水、洗涤、漂洗到脱水的整个洗衣过程，都是根据设定的时间程序依次进行的，而无需对输出信号（如衣服清洁程度、脱水程度等）进行测量。显然，开环控制系统不是反馈控制系统。

由此可见，由于开环控制方式不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制，所以开环控制方式的特点是：无反馈环节；系统结构和控制过程均很简单，容易构成；操作方便；成本比相应的闭环系统低。由于不测量被控变量，也不与设定值比较，所以系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定值，且无法消除偏差，因此开环控制的缺点是抗扰动能力差、控制精度不高。

过程控制系统开环控制的原理方框图如图2-7所示。

一般情况下开环控制系统只能适用于对控制性能要求较低的场合。其具体应用原则如下：当不易测量被控变量或在经济上不允许时，采用开环控制比较合适；在输出量和输入量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大（或这些扰动因素产生的误差可以预先确定并能进行补偿）的情况下，也应尽量采用开环控制系统。但是当系统中存在无法预计的扰动因素，并且对控制性能要求较高时，开环控制系统便无法满足技术要求，这时就应考虑采用闭环控制系统。

（2）闭环控制系统

通常，设定值是系统的输入变量，而被控变量是系统的输出变量。系统的输出变量通过适当的测量变送仪表又引回到系统输入端，并与输入变量相比较，这种做法称为“反馈”。当反馈信号与设定值相减时，称为负反馈；反馈信号取正值，与设定值相加，称为正反馈。

从图2-6方块图可以看出，系统的输出（被控变量）通过测量变送环节又返回到系统的输入端，与设定信号比较，以偏差的形式进入调节器，对系统起控制作用，整个系统构成了一个封闭的负反馈回路，这种控制系统被称为闭环负反馈控制系统，或称反馈控制系统。

在负反馈控制系统中不论什么原因引起被控变量偏离设定值，只要出现偏差，就会产生控制作用，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的，这是闭环控制的优点。这一优点使得闭环控制系统具有较高的控制精度和较强的抗扰动能力。因此，在实现对生产过程进行自动控制时，均采用闭环控制。但是闭环控制也会使系统的稳定性变差，甚至造成不稳定的副作用。这是由于闭环控制系统按偏差进行控制，所以尽管扰动已经产生，但在尚未引起被控变量变化之前，系统是不会产生控制作用的，这就使控制不够及时。如果系统内部各环节配合不当，则会引起剧烈振荡，甚至会使系统失去控制。此外，由于闭环控制需要增加检测、反馈比较等环节，这会使系统较为复杂、成本提高。这些是闭环控制系统的缺点，在自动控制系统的设计和调试过程中应加以注意。

在闭环控制系统中，按照设定值的情况不同，又可分类为三种类型。

①定值控制系统　所谓定值控制系统，是指这类控制系统的设定值是恒定不变的。定值控制系统的基本任务是克服扰动对被控变量的影响，即在扰动作用下仍能使被控变量保持在设定值（给定值）或在允许范围内。工业生产中凡要求工艺条件不变的，都属于这种范畴，如图2-5和图2-8，都是定制控制系统的实例。

图2-8（a）是一个用电阻丝加热的恒温箱温度控制系统。控制变压器活动触点的位置即改变了输入电压，使通过电阻丝的电流产生变化，从而将恒温箱控制在不同的温度值上。所以，控制活动触点的位置可以达到控制温度的目的。这里的被控变量是恒温箱的温度，经热电偶测量并与设定值比较后，其偏差经过放大器放大，控制电动机的转向，然后经过传动装置，移动变压器的活动触点位置，其控制结果使偏差减少，直到温度达到设定值为止。其系统方框图如图2-8（b）所示。

②随动控制系统　随动控制系统也称为自动跟踪系统，这类系统的设定值是一个未知的变化量。这类控制系统的主要任务是使被控变量能够尽快地、准确无误地跟踪设定值的变化，而不考虑扰动对被控变量的影响。在化工生产中，有些比值控制系统属于此类。例如要求甲物料的流量和乙物料的流量保持一定的比值，当乙物料的流量变化时，要求甲物料的流量能快速而准确地随之变化。由于乙物料的流量变化在生产中可能是随机的，所以相当于甲物料的流量设定值也是随机的，故属于随动控制系统，如图2-9所示。航空中的导航雷达系统、电视台的天线接收系统都是随动控制系统。

③程序控制系统　程序控制系统也称顺序控制系统。这类控制系统的设定值也是变化的，但它是已知的时间函数，即设定值按预定的时间程序变化，被控变量自动跟踪设定值。化工生产中间歇反应器的升温控制系统、食品工业中的罐头杀菌温度控制、造纸中纸浆蒸煮的温度控制、机械工业中的退火炉温度控制以及工业炉、干燥窑等周期作业的加热设备控制等，要求按工艺规程规定随时间变化，如具有一定的升温时间、保温时间和降温时间等。程序控制的设定值按程序自动改变，系统按设定程序自动运行，直到整个程序完成为止。

图2-10所示是某电炉炉温程序控制系统示意图。给定电压U₀由程序装置给出（根据需要按时间变化，由时钟机构和凸轮产生），并与热电偶所产生的热电势U₁比较。若U₁≠U₀，则放大器输入端有偏差电压U=U₀-U₁产生，此电压经放大后送到电动机。电动机根据偏差大小和极性而动作，经减速器改变电炉电阻丝的电流，使电炉内的温度发生变化，直至U₁=U₀为止。此时放大器输入的偏差电压U=U₀-U₁=0，电动机不转动。当U₀按一定程序变化时，电炉温度也随之而变化，使热电势U₁跟踪给定电压U₀变化。