第六章
典型过程控制系统应用方案
第一节 热交换器温度反馈—静态前馈控制系统
一、生产过程对系统设计的要求
1．系统简介：如图6-1所示。
把煤气发生炉来的一氧化碳同水蒸气的混合物转换生成合成氨的原料气。这种冷、热介
质的热量交换是通过热交换器来完成的。
图6-1 热交换器及其有关工艺参数
2．对系统要求：
（1） 为了节省能量，利用生产过程中产生的废热热源（成品、半成品或废气、废液）。 （2） 不希望对其流量进行调节。 （3） 设计控制系统。
二、系统组成
1．控制方式选择：根据热交换器温度反馈情况，选择静态前馈控制系统。 2．系统组成：
（1） 热量计算公式：根据稳态时的热平衡关系，忽略其它因素（散热损失等）， （2） 静态前馈函数计算关系式：
（3） 静态前馈函数的实施线路：如图6-2的虚线框中所示。
图6-2 热交换器温度反馈—前馈控制系统的组成
1 （4） 讨论：根据式（6-2）知，当Th
1、Th
2、Tc1或Q1中的任意一个变量变化时，
其变化都可以通过前馈函数部分及时调整流量Q2；
使这些变量的变化对被控制变量Tc2的影响得到补偿。
三、仪表静态参数的设置
1．关键参数：比值器的系数α、加减器的偏置信号I5。 2．主要参数设置：
设：K=C1/C2=1.20，Th1=380℃，Th2=300℃，Tc1=150℃，Tc2=260℃，Q1=0.125 m/s，Q2=0.109 m/s。
（1）Tc2温度变送器的仪表转换系数计算：
（2）温差变送器的仪表转换系数计算：
（3）流量变送器转换系数计算：
（4）各个变送器的输出信号值计算：
（5）比值器的系数α计算：
3．结论：
（1） 由Tc2温度变送器、PID调节器、PI调节器、Q2流量变送器、电/气转换器与Q2控制阀门组成一个串级调节系统。Tc2为主被调节变量，Q2为副被调节变量。
（2） 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。 （3） 这种控制系统对于来自Q
2、Tc
1、Th
1、Th2或Q1的扰动，效果良好。
33第二节 单回路控制系统的应用
牛奶类乳化物干燥过程中的喷雾式干燥工艺设备控制系统
应用：非常广泛地应用。
据统计，在一个年产30万吨合成氨的现代化大型装置中，约占85%。
2 特点：结构简单、投资少、易于调整、投运、又能满足一般生产过程的工艺要求。
系统回顾：单回路控制系统是最基本的控制系统。一般由被控过程W0(s)、测量变送器Wm(s)、
调节器Wc(s)和调节阀Wv(s)等环节组成，如图6-3所示。
图6-3 单回路控制系统基本结构框图
实例：牛奶类乳化物干燥过程中的喷雾式干燥工艺设备控制系统
一、生产工艺简况：
图6-4 牛奶的干燥过程流程图
1．结构：图6-4所示为牛奶类乳化物干燥过程中的喷雾式干燥工艺设备。
2．工作原理：由于乳化物属于胶体物质，激烈搅拌易固化，不能用泵输送。故采用高位槽的办法，即浓缩的乳液由高位槽流经过滤器A或B（两个交换使用，保证连续操作），除去凝结块等杂物，再通过干燥器顶部从喷嘴喷出。空气由鼓风机送至换热器（用蒸汽间接加热），热空气与鼓风机直接来的空气混合后，经过风管进入干燥器，从而蒸发出乳液中的水分，成为奶粉，并随湿空气一起输出，再进行分离。生产工艺对干燥后的产品质量要求很高，水分含量不能波动太大，因而对干燥的温度要求严格控制。试验证明，若温度波动小于±2℃，则产品符合质量要求。
二、控制系统设计
（一）被控参数与控制参数的选择
3 1．被控参数选择：产品质量（水分含量）与干燥温度密切相关。由于测量水分难度大，水分与温度一一对应，所以故选用干燥器的温度为被控参数。 2．控制参数选择：分两种情况讨论。
（1）知道被控过程的数学模型：可以选取可控性良好的参量作为控制参数。 （2）未知被控过程的数学模型：根据图6-4所示装置分析如下。
①影响干燥器温度的因素：有乳液流量f1(t)、旁路空气流量f2(t)、加热蒸汽量f3(t)。，图中用调节阀位置代表三种控制方案，其框图分别如图6-
5、图6-
6、图6-7所示。
②确定控制参数：选取其中任一变量作为控制参数，构成温度控制系统。
③设计控制方案：
第一方案：如图6-5所示。
乳液直接进入干燥器，滞后最小，对于干燥温度的校正作用最灵敏，而且干扰进入位置最靠近调节阀1，似乎控制方案最佳。但是，乳液流量即为生产负荷，一般要求能保证产量稳定。若作为控制参数，则在工艺上不合理。所以不宜选乳液流量为控制参数，该控制方案不能成立。
图6-5 乳液流量为控制参数时的系统框图
第二方案：如图6-6所示。
可以调节旁路空气流量与热风量混合后，再经过较长的风管进入干燥器。与图6-5所示方案相比，由于混合空气传输管道长，存在管道传输滞后，故控制通道时间滞后较大，对于干燥温度校正作用的灵敏度要差一些。
图6-6 风量作为控制参数时的系统框图
第三方案：如图6-7所示
4 调节换热器的蒸汽流量，以改变空气的温度，则由于换热器通常为一双容过程，时间常数较大，控制通道的滞后最大，对干燥温度的校正作用灵敏度最差。显然，选择旁路空气量作为控制参数的方案最佳。
图6-7 蒸汽流量作为控制参数时的系统框图
（二）过程检测控制仪表的选用
根据生产工艺和用户的要求，选用电动单元组合仪表（DDZ—Ⅲ型）。 1． 测温元件及变送器
被控温度在600℃以下，选用铂热电阻温度计。为了提高检测精度，应用三线制接法，并配用DDZ—Ⅲ型热电阻温度变送器。 2． 调节阀
根据生产工艺安全原则及被控介质特点，选用气关形式的调节阀。 根据过程特性与控制要求选用对数流量特性的调节阀。 根据被控介质流量选择调节阀公称直径和阀芯直径的具体尺寸。 3． 调节器
根据过程特性与工艺要求，可选用PI或PID控制规律。 根据构成系统负反馈的原则，确定调节器正、反作用方向。
（三）画出的温度控制流程图及其控制系统方框图。 1． 温度控制流程图：如图所示
图6-8 温度系统单回路控制流程图
2．控制系统方框图：如图所示
图6-8 温度系统单回路控制方框图
（四）调节器参数整定
为了使温度控制系统能运行在最佳状态，可以按照调节器工程整定方法中的任一种进行调节器参数的整定。
