被控变量的迭择

被控变量的迭择
    被控变量的选择是与生产工艺密切相关的，而影响一个生产过程正常操作的因素是很多的，但并非所有影响因素都要加以自动控制。所以，必须深人实际，调查研究，分析工艺，找出影响生产的关键变量作为被控变量。所谓“关键”变量，是指这样一些变量:它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的;或者人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是既紧张而又频繁的。
    根据被控变量与生产过程的关系，可分为两种类型的控制型式:直接指标控制与间接指标控制。如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标(温度、压力、流量、液位、成分等)，则称为直接指标控制;如果工艺是按质量指标进行操作的，照理应以产品质量作为被控变量进行控制，但有时缺乏各种合适的获取质量信号的检测手段，或虽能检侧，但信号很微弱或滞后很大，这时可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的另一变量，如温度、压力等作为间接控制指标，进行间接指标控制。例如生产上要求对一些成分量进行控制(像粘度、浓度等等)，然而由于目前成分量的在线测量仪表较少、测量滞后较大，灵敏度也较差，因此一般采用与成分量有单值函数关系的温度、流量等间接参数作为被控量，进行间接指标控制。
    被控变量的选择，有时是一件十分复杂的工作，除了前面所说的要找出关键变量外，还要考虑许多其它因素，一般要遵循下列原则:
    (1)被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都是工艺过程中比较重要的变量;
    (2)被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持被控变量的恒定，需要较频繁的调节;
    (3)尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量;
    (4)被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度;
    (5)选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状;
    (6)被控变量应是独立可控的。
    下面通过一个例子来说明被控变量的选择方法。
    图7-2-1是精馏过程的示意图。它的工作原理是利用被分离物各组分的挥发度不同，把混合物中的各组分进行分离。假定该精馏塔的操作是要使塔顶(或塔底)馏出物达到规定的纯度，那么塔顶(或塔底)馏出物的组分x _D(或x _w)应作为被控变量，因为它就是工艺上的质量指标。
    如果检测塔顶馏出物的组分x _D(或x _w)尚有困难，或滞后太大，那么就不能直接以x _D(或x _w)作为被控变量进行直接指标控制。这时可以在与x _D(或x _w)有关的参数中找出合适的变量作为被控变量，进行间接指标控制。
    在二元系统的精馏中，当气液两相并存时，塔顶易挥发组分的浓度x _D、塔顶温度T _D、压力p三者之间有一定的关系。当压力恒定时，组分x _D和温度T_D之间存在有单值对应的关系。图7-2-2所示为苯、甲苯二元系统中易挥发组分苯的质量分数与温度之间的关系。易挥发组分的浓度越高，对应的温度越低;相反，易挥发组分的浓度越低，对应的温度越高。
当温度TD恒定时，组分x _D和压力p之间也存在着单值对应关系，如图7-2-3所示。易挥发组分浓度越高，对应的压力也越高;反之，易挥发组分的浓度越低，对应的压力也越低。由此可见，在组分、温度、压力三个变量中，只要固定温度或压力中的一个，另一个变量就可以代替x _D作为被控变量。在温度和压力中，究竟应选哪一个参数作为被控变量呢?

    从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。这是因为:第一，在精馏塔操作中，压力往往需要固定。只有将塔操作在规定的压力下，才易于保证塔的分离纯度，保证塔的效率和经济性。如塔压波动，就会破坏原来的汽液平衡，影响相对挥发度，使塔处于不良工况。同时，随着塔压的变化，往往还会引起与之相关的其他物料量的变化，影响塔的物料平衡，引起负荷的波动。第二，在塔压固定的情况下，精馏塔各层塔板上的压力基本上是不变的，这样各层塔板上的温度与组分之间就有一定的单值对应关系。由此可见，固定压力，选择温度作为被控变量是可能的，也是合理的。
    在选择被控变量时，还必须使所选变量有足够的灵敏度。在上例中，当xD变化时，温度TD的变化必须灵敏，有足够大的变化，容易被测量元件所感受，且使相应的测量仪表比较简单、便宜。
    此外，还要考虑简单控制系统被控变量间的独立性。假如在精馏操作中，塔顶和塔底的产品纯度都需要控制在规定的数值，据以上分析，可在固定塔压的情况下，塔顶与塔底分别设置温度控制系统。但这样一来，由于精馏塔各塔板上物料温度相互之间有一定联系，塔底温度提高，上升蒸汽温度升高，塔顶温度相应亦会提高；同样，塔顶温度提高，回流液温度升高，会使塔底温度相应提高。也就是说，塔顶的温度与塔底的温度之间存在关联问题。因此，以两个简单控制系统分别控制塔顶温度与塔底温度，势必造成相互干扰。使两个系统都不能正常工作。所以采用简单控制系统时，通常只能保证塔顶或塔底一端的产品质量。工艺要求保证塔顶产品质量，则选塔顶温度为被控变量;若工艺要求保证塔底产品质量，则选塔底温度为被控变量。如果工艺要求塔顶和塔底产品纯度都要保证，则通常需要组成复杂控制系统，增加解藕装置，解决相互关联问题。
    从上面举例中可以看出，要正确地选择被控变量，必须了解工艺过程和工艺特点对控制的要求，仔细分析各变量之间的相互关系，才能正确的选择被控变量。
 
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