课程名称 过程控制工程 课 讲新课 (分程控制系统) 教师姓名 授课学时 1学时(50分钟) 分程控制的概念和应用场合 教学内容 控制器参数的整定 分程阀总流量特性的改变 通过本节内容的学习，使学生了解分程控制系统的概念、应 教学目的 用场合以及分程控制中应注意的几个问题，自学分程控制系统控 制器参数的整定。 分程控制系统的应用： 教学重点 分程控制中应注意的问题。 难点：分程控制系统在各种场合的应用 策略： 通过蒸汽减压系统的分程控制举例说明分程控制可用于扩 教学难点 大控制阀的可调范围，改善控制品质。 及相应的 2. 通过间歇反应过程控制举例说明分程控制可用于控制两种 教学策略 不同的介质。 3. 通过油品储罐氮封压力控制举例说明分程控制可用作生产 安全防护。 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自 教学方法 问自答) 教学手段 板书及多媒体有机结合
课程名称 过程控制工程 课 型 讲新课 （分程控制系统） 教师姓名 授课学时 1 学时（50 分钟） 教学内容 分程控制的概念和应用场合 控制器参数的整定 分程阀总流量特性的改变 教学目的 通过本节内容的学习，使学生了解分程控制系统的概念、应 用场合以及分程控制中应注意的几个问题，自学分程控制系统控 制器参数的整定。 教学重点 分程控制系统的应用； 分程控制中应注意的问题。 教学难点 及相应的 教学策略 难点：分程控制系统在各种场合的应用 策略： 1. 通过蒸汽减压系统的分程控制举例说明分程控制可用于扩 大控制阀的可调范围，改善控制品质。 2. 通过间歇反应过程控制举例说明分程控制可用于控制两种 不同的介质。 3. 通过油品储罐氮封压力控制举例说明分程控制可用作生产 安全防护。 教学方法 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、 课堂讨论法（教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自 问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合
分 教学过程 教学方法、 手段 7.分程及阀位控制系统 7.1分程控制系统 7.1.1橛述 一般控制系统中，一台控制器的输出只挡制一台控制阀。 定义：分程控制系统中 合控制器的输出可控制两台或两台以上的控制阀。 实现：分程控制是通过设在各控制阀上的阀门定位器来实现的，阀门定位器相兰 于一只放大倍数和零点可调的放大器。 一个控制器控制几个控制阀一输出信号分段“分程控制” 如，控制两个阀A、B A阀控制信号：0.02-0.06Mp B阀控制信号0.06-0.1Mp 控制器输出在0.06Mpa以下，只有阀A动作，在0.06Mpa以上，只有阀B动作 通过阀门定位器调整 A:0.02-0.06MDa -01000% B.006-01Mna 0-100% 根据各阀的气开、气闭形式不同，决定阀的行程方向 两阀同向动作 探究式 讲授法 0 100% 100% 两阀异向动作 0 100% 0 100% 在采用三个或更多控制阀时，组合方式更多。不过，总的分程数也不宜太多， 则每个阀门在很小输入区间就以全开到全关，要精确实现这样的规律相当闲难 分程控制的目的：(1)扩大控制阀可调范围，改善控制品质： (2)话应工艺操作的某些特殊要求
- 1 - 时间 分配 教学过程 教学方法、 手段 课 程 导 入 10 分 钟 7．分程及阀位控制系统 7.1 分程控制系统 7.1.1 概述 一般控制系统中，一台控制器的输出只控制一台控制阀。 定义：分程控制系统中，一台控制器的输出可控制两台或两台以上的控制阀。 实现：分程控制是通过设在各控制阀上的阀门定位器来实现的，阀门定位器相当 于一只放大倍数和零点可调的放大器。 一个控制器控制几个控制阀——输出信号分段“分程控制” 如，控制两个阀 A、B A 阀控制信号:0.02~0.06Mpa B 阀控制信号:0.06~0.1Mpa 控制器输出在 0.06Mpa 以下，只有阀 A 动作，在 0.06Mpa 以上，只有阀 B 动作 通过阀门定位器调整 A：0.02~0.06Mpa —— 0~100% B：0.06~0.1Mpa —— 0~100% 根据各阀的气开、气闭形式不同，决定阀的行程方向 两阀同向动作 0 100% 100% 0 两阀异向动作 0 100% 0 100% 在采用三个或更多控制阀时，组合方式更多。不过，总的分程数也不宜太多，否 则每个阀门在很小输入区间就以全开到全关，要精确实现这样的规律相当困难。 分程控制的目的：（1）扩大控制阀可调范围，改善控制品质； （2）适应工艺操作的某些特殊要求 探究式 讲授法
7.1.2分程控制的应用场合 (1)扩大控制阀可调范围，改善控制品质，使得在小流量时有更精确的控制： 两个阀分程使用，扩大了流通能力 两个流通能力相同的阀，同调节蒸汽压力，小负荷时，只开一个阀，大负荷 时，再开第2个阀。通过计算，如果两个阀流通能力相同，分程后，总的流通能 力扩大1倍。 例1： 蒸汽减压系统的分程控制 问题：如果用一只控制阀，考虑到最大负荷时的供气量，控制阀应选得很大。但 正常时负荷达不到那么大，控制阀只得在小开度下工作。长此以往，阀特性会畸 变，也容易产生噪声和振荡，控制效果变差，质量降低。 解决方空.采用质只烟.控制器给出信号分为两程(002006.006-01MP妇) 小负荷时，控制器输出在0.02.0.06范围内变化， 通过A阀调整，B阀全关。 负荷增加时，控制器输出大于0.06时，A阀全开但达不到负荷要求，此时B阀 用打开，以补充流量的不足。 从数据上看：设A、B两阀最大流通能力Cmax均为100，可调范围R为30 例 ~R-C避=阀的最大流通能力 .C=Ca=100 =3.33 20 Ca阀的最小流通能力 R30 钟 C=CAma +C Bma =200 采用两只阀： 30 可调范围：R=C 200 =60(是原来的两倍) 多媒体 100/30 演示法 可满足不同的负荷要求，调节精度提高，质量改善，同时生产的稳定性和安 全性也较为可常。 (2)同时控制两种介质，满足工艺要求 图7-4间歇式化半反应器分程控制系统 例2间歇反应过程的控制 1
- 2 - 应 用 举 例 20 分 钟 7.1.2 分程控制的应用场合 （1）扩大控制阀可调范围，改善控制品质，使得在小流量时有更精确的控制： 两个阀分程使用，扩大了流通能力 两个流通能力相同的阀，同调节蒸汽压力，小负荷时，只开一个阀，大负荷 时，再开第 2 个阀。通过计算，如果两个阀流通能力相同，分程后，总的流通能 力扩大 1 倍。 PC 例 1：蒸汽减压系统的分程控制 问题：如果用一只控制阀，考虑到最大负荷时的供气量，控制阀应选得很大。但 正常时负荷达不到那么大，控制阀只得在小开度下工作。长此以往，阀特性会畸 变，也容易产生噪声和振荡，控制效果变差，质量降低。 解决方案：采用两只阀，控制器输出信号分为两程（0.02-0.06，0.06-01MPa）， 小负荷时，控制器输出在 0.02-0.06 范围内变化，通过 A 阀调整，B 阀全关。当 负荷增加时，控制器输出大于 0.06 时，A 阀全开但达不到负荷要求，此时 B 阀 打开，以补充流量的不足。 从数据上看：设 A、B 两阀最大流通能力 Cmax 均为 100，可调范围 R 为 30 3.33 30 100 R C C max min min max = = ∴ = = = 阀的最小流通能力 阀的最大流通能力 C C QR 采用两只阀： 30 100 C C C C C 200 min ' min Amax Bmax ' max = = = + = 可调范围： 60 ( ) 100 / 30 200 C C R min max = = 是原来的两倍 ′ ′ ′ = 可满足不同的负荷要求，调节精度提高，质量改善，同时生产的稳定性和安 全性也较为可靠。 （2）同时控制两种介质，满足工艺要求 图7-4 间歇式化学反应器分程控制系统 TC A B A B A.C A.O 图7-4 间歇式化学反应器分程控制系统 TC A B A B A.C A.O 例 2 间歇反应过程的控制 探究式 讲授法 多媒体 演示法
工梦要求： 投料后，需由蒸汽加温，以达到反应温度，反应进行后，放出热量，需要将 应用 热量移走。 两个控制阀：冷水阀A(气关)、蒸汽阀B(气开)一安全角度设置 温度控制器TC(反作用)一副反馈要求 T<设定值，TC输出增加A阀关闭、B阀逐渐打开 下设定值，TC输出减小A阀逐渐打开、B阀关闭 (3)安全生产的防护措施 放空 B B 图7-6油品储罐氮封分程控制 例3油品储罐氮封压力控制 多媒体 油品与空气长期接触会氧化变质，所以采用氮封。但氯封压力受注油和排油 演示法 情况的影的而变化，加不及时谓整会出现特破或吸坡油罐的情况。 加氨阀A ,放空阀B 控制两个阀 共同保持储罐氨封压力。为了防止在分 程点两个阀频繁动作，可以设置一个死 7.1.3分程控制器参数整定 A阀 控制器 对象 B阀☐ L变送器 1、3例子两个阀通道相同，若阀的特性也相同，按一个阀通道整定即 A阀 控制器 对象 板书 互动法 B阀H 变送器 2例子两个阀通道不相同，只能折中 本质上是一个单回路反馈控制系统。有关控制器控制规律的选择和系统的参 数整定，可参照单回路反愤控制系统处理。在运行中，若两个控制通道特件不同 一组整定参数可不能同时满足两个不同的对象特性，此时只能兼顾两种情况下的 控制对象特性，选择一组比较合适的整定参数
- 3 - 应 用 举 例 20 分 钟 参 数 整 定 8 分 钟 工艺要求： 投料后，需由蒸汽加温，以达到反应温度，反应进行后，放出热量，需要将 热量移走。 两个控制阀：冷水阀 A（气关）、蒸汽阀 B（气开）——安全角度设置 温度控制器 TC（反作用）——副反馈要求 T设定值，TC 输出减小 A 阀逐渐打开、B 阀关闭 （3）安全生产的防护措施 图7-6 油品储罐氮封分程控制 油品储罐氮封分程控制 B A A.C A.O PC B A 放空 氮 图7-6 油品储罐氮封分程控制 油品储罐氮封分程控制 B A A.C A.O PC B A 放空 氮 例 3 油品储罐氮封压力控制 油品与空气长期接触会氧化变质，所以采用氮封。但氮封压力受注油和排油 情况的影响而变化，如不及时调整会出现鼓破或吸瘪油罐的情况。 加氮阀 A、放空阀 B，控制两个阀，共同保持储罐氮封压力。为了防止在分 程点两个阀频繁动作，可以设置一个死区。 7.1.3 分程控制器参数整定 控制器 A阀 B阀 变送器 控制器 对象 A阀 B阀 变送器 对象 1、3 例子两个阀通道相同，若阀的特性也相同，按一个阀通道整定即 A阀 变送器 对象 B阀 控制器 A阀 变送器 对象 B阀 控制器 2 例子两个阀通道不相同，只能折中 本质上是一个单回路反馈控制系统。有关控制器控制规律的选择和系统的参 数整定，可参照单回路反馈控制系统处理。在运行中，若两个控制通道特性不同， 一组整定参数可不能同时满足两个不同的对象特性，此时只能兼顾两种情况下的 控制对象特性，选择一组比较合适的整定参数。 探究式 讲授法 多媒体 演示法 板书、 互动法
71.4分程阀流量特性问题 100% 100 0.02 0.06 01 0.02 0.06 01 图7一11A、B分程阀特性 图7-一12A、B分程阀组合特性 两个流通能力不同的阀，组合后的流量特性就成为了非线性，在分程点有 个转折，不平滑。 (1)连续分程法： 寻找总的流量特性曲线，再确定分程点 例1线性阀 F/Fmax=KI十K 多媒体 演示法 问题 自问自 例2等百分比阀 答形式 10分钟 侵阴 缺点：如果两个阀的流通能力相差很大时，会有一个阀的 分程信号变得非常小，调节困难
- 4 - 流 量 特 性 问 题 10 分 钟 7.1.4 分程阀流量特性问题 100% 0 0.02 0.06 0.1 0.02 0.06 0.1 图7—11 A、B分程阀特性 图7—12 A、B分程阀组合特性 0 100% 100% 0 0.02 0.06 0.1 0.02 0.06 0.1 图7—11 A、B分程阀特性 图7—12 A、B分程阀组合特性 0 100% 两个流通能力不同的阀，组合后的流量特性就成为了非线性，在分程点有一 个转折，不平滑。 （1）连续分程法： 寻找总的流量特性曲线，再确定分程点 例 1 线性阀 K dl F F d = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ max F／Fmax ＝Kl十Kl 例 2 等百分比阀 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ max max F F K dl F F d 缺点：如果两个阀的流通能力相差很大时，会有一个阀的 分程信号变得非常小，调节困难。 探究式 讲授法 多媒体 演示法 自问自 答形式
(2)间隔分程法： 事先确定分程点，再分别作出各自的流量曲线，如果在分程点流量特性突变较小 流量特性 可把突变部分信号去掉。 启发式 课堂讨论 7.1.5控制阀的泄漏量问题 在目的为扩大阀的可调范围的分程调节，必须若重考虑大阀的泄漏量。如果 大阀在全关时也有相当大的泄漏量，就无法保证扩大总的可调范围的要求。 互动法 钟 1总结本次课所讲的主要内容。 2 2布重课后练习及下节课预习任务。 探究式 课后练习： 讲授法 钟 预习：
- 5 - 流 量 特 性 问 题 10 分 钟 （2）间隔分程法： 事先确定分程点，再分别作出各自的流量曲线，如果在分程点流量特性突变较小， 可把突变部分信号去掉。 7.1.5 控制阀的泄漏量问题 在目的为扩大阀的可调范围的分程调节，必须着重考虑大阀的泄漏量。如果 大阀在全关时也有相当大的泄漏量，就无法保证扩大总的可调范围的要求。 启发式 课堂讨论 互动法 小结 2 分 钟 1.总结本次课所讲的主要内容。 2.布置课后练习及下节课预习任务。 课后练习： 预习： 探究式 讲授法
课程名称 过程控制工程 课 讲新课 (阀位控制系统) 教师姓名 授课学时 1学时(50分钟) 阀位控制系统的概述 教学内容 阀位控制系统的应用 阀位控制系统的设计与整定 教学目的 通过本节内容的学习， 使学生了解阀位控制系统的概念、应 用以及阀位控制系统的设计与整定问题。 教学重点 阀位控制系统的应用： 阀位控制系统的设计与整定 难点：阀位控制系统的应用 教学难点 策略 及相应的 通过管式加热炉原油出口温度控制和蒸汽减压系统压力控制的 距离，详细说明阀位控制系统的应用，并进行分析讲解。 教学策略 教学方法 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、课堂讨论法 (教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答) 教学手段 板书及多媒体有机结合 6
- 6 - 课程名称 过程控制工程 课 型 讲新课 （阀位控制系统） 教师姓名 授课学时 1 学时（50 分钟） 教学内容 阀位控制系统的概述 阀位控制系统的应用 阀位控制系统的设计与整定 教学目的 通过本节内容的学习，使学生了解阀位控制系统的概念、应 用以及阀位控制系统的设计与整定问题。 教学重点 阀位控制系统的应用； 阀位控制系统的设计与整定。 教学难点 及相应的 教学策略 难点：阀位控制系统的应用 策略： 通过管式加热炉原油出口温度控制和蒸汽减压系统压力控制的 距离，详细说明阀位控制系统的应用，并进行分析讲解。 教学方法 探究式讲授法、互动法（提问）、演示法（多媒体）、课堂讨论法 （教师启发、引导学生发言、教师评价并总结包括自问自答） 教学手段 板书及多媒体有机结合
时间 教学方法、 分配 教学过程 手段 7.2阀位控制系统 7,2.1概述 控制某个过程参数时，操纵变量的选择不是唯一的 操纵变量选择的原则：经济性和工艺合理性、快速性和有效性 探究式 讲授法 5 一阀位控制系统 变量A:经济合理 变量B:快速有效 主控制器，控制B C2阅位控制器，控制A 探究式 讲授法 多媒体 C2 演示法
- 7 - 时间 分配 教学过程 教学方法、 手段 课 程 导 入 5 分 钟 7.2 阀位控制系统 7.2.1 概述 控制某个过程参数时，操纵变量的选择不是唯一的 操纵变量选择的原则：经济性和工艺合理性、快速性和有效性 有些情况，两者不能兼顾。 综合考虑——阀位控制系统 探究式 讲授法 问 题 描 述 5 分 钟 变量 A：经济合理 变量 B：快速有效 C1 主控制器，控制 B C2 阀位控制器，控制 A C2 C1 F A B 探究式 讲授法 多媒体 演示法
7.2.2阀位控制系统的应用 例1：原油加热炉出口温度控制 探究式 讲授法 原油 举 例 原油出口温度控制系统 原油出口温度阀位控制系统 多 A:燃料量，经济合理，阀位控制器 B:支管原油量，快速有效，主控制器 工作原理： A) T1一Tc输出1一v.1 板书 20 一T)一v输出|一 互动法 分 钟 v|(r)一T=m即 一V处于某一新开度，V处于V所设置的小开度r b) TI- 一c输出一vB (一T【)一vPC输出1 vAI(T 1) 总结：干扰出现，由快速变量迅速使被控量回到给定，然后，由经济变量调整 最终使快速变量回到原来值，而整个控制任务都又经济量完成。 8
- 8 - 应 用 举 例 20 分 钟 7.2.2 阀位控制系统的应用 例 1：原油加热炉出口温度控制 原油出口温度控制系统 原油出口温度阀位控制系统 A.O A.O TC 燃料 原油 TC VPC B A 原油出口温度控制系统 原油出口温度阀位控制系统 A.O A.O TC 燃料 原油 TC VPC B A A：燃料量，经济合理，阀位控制器 B：支管原油量，快速有效，主控制器 工作原理： a) T TC输出 VB ( ) T VPC输出 VA ( ) T T=Tsp VA处于某一新开度，VB处于VPC所设置的小开度 r T TC输出 VB ( ) T VPC输出 VA ( ) T T=Tsp VA处于某一新开度，VB处于VPC所设置的小开度 r b) T TC输出 VB ( ) T VPC输出 VA T ( ) T TC输出 VB ( ) T VPC输出 VA T ( ) 总结：干扰出现，由快速变量迅速使被控量回到给定，然后，由经济变量调整， 最终使快速变量回到原来值，而整个控制任务都又经济量完成。 探究式 讲授法 多媒体 演示法 板书、 互动法
例2：蒸汽减压系统压力控制 工作原理： 应用举 蒸汽减压系统低压总管压力阀位控 P c输出1一 多媒体 演示法 (→ P1)一vpC输出一 VB→VA} 自问自 VB由r确定 答形式 VA处于一断的开度 7.2.3阀位控制系统的设计及整定 (1)操纵变量的选择 一经济合理B一快速有效 (2)控制阀开闭形式 启发式 与单回路相同 课堂讨论 (3)控制器规律和正反作用 主控制器：PI(PID对象时间常数大) 得位控制器，p1 互动法 根据总符号为“”的原则 G☐-Go□ GGyAGON (4)参数整定 可视为两个彼此之间有联系的单回路系统来整定（与串级不同） 第一步：阀位控制器处于手动，按单回路系统整定方法整定 第二步： 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
- 9 - 应 用 举 例 20 分 钟 例 2：蒸汽减压系统压力控制 工作原理： 蒸汽减压系统低压总管压力阀位控制 B A VPC PC A.O A.O 蒸汽减压系统低压总管压力阀位控制 B A VPC PC A.O A.O P PC输出 VB ( ) P VPC输出 VA P ( ) VB VA VB由 r 确定 VA处于一新的开度 P PC输出 VB ( ) P VPC输出 VA P ( ) VB VA VB由 r 确定 VA处于一新的开度 探究式 讲授法 多媒体 演示法 自问自 答形式 设 计 与 整 定 15 分 钟 7.2.3 阀位控制系统的设计及整定 （1）操纵变量的选择 A——经济合理 B——快速有效 （2）控制阀开闭形式 与单回路相同 （3）控制器规律和正反作用 主控制器：PI（PID 对象时间常数大） 阀位控制器：PI 根据总符号为“-”的原则 R Gc GVB GCV GVA GOB GOA Y r R Gc GVB GCV GVA GOB GOA Y r （4）参数整定 可视为两个彼此之间有联系的单回路系统来整定（与串级不同） 第一步：阀位控制器处于手动，按单回路系统整定方法整定 主控制器的参数。 第二步：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。 启发式 课堂讨论 互动法
