比值控制系統(tǒng)

1、過程控制系統(tǒng) 比值控制系統(tǒng) 方法的產(chǎn)生 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，要求兩種或多種物料流量 成一定的比例關系：一旦比例失調(diào)，會影響生產(chǎn)的 正常進行，影響產(chǎn)品的質(zhì)量，浪費勞動力，造成環(huán) 境的污染，甚至產(chǎn)生生產(chǎn)事故。如： 1、燃燒過程：燃料與空氣要保持一定的比例，才 能滿足生產(chǎn)和環(huán)保的要求。 2、造紙過程：濃紙漿與水要以一定比例混合，才 能制造出合格 紙漿。 3、不少化學反應過程，多個進料要保持一定 比例 。 4、制藥生產(chǎn)中要求藥物和注入劑按比例混合。 5、水泥配料系統(tǒng) 基本概念與原理 比值控制中，需要保持比例的兩種物料： 處于主導地位的稱為主動量（主流量）， 通常用F1表示，如燃燒中的燃料量。 另一種

2、物料稱為從動量（副流量），用F2 表示，如燃燒比值系統(tǒng)中的空氣量。 比值系統(tǒng)要實現(xiàn)： F2/F1=k K為從動量與主動量的比值。 比值控制系統(tǒng)：凡是用來實現(xiàn)兩個 或兩個以上的物料按一定比例關系 控制以達到某種控制目的的控制系 統(tǒng)。 比值系統(tǒng)是按功能來命名的。 主動量 F1 ，從動量 F2 ，比值 F2/F1=k 常用的比值系統(tǒng)有： 開環(huán)比值控制系統(tǒng) 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 變化值控制系統(tǒng) 1、開環(huán)比值控制系統(tǒng) 兩種物料的比值關系很難保證 不變。對流量的波動無法克服 ，比值精度較低，在實際生產(chǎn) 上很少采用。 適用場合：適用于副流量較平 穩(wěn)且比值關系要求不高的場合 。 2、單閉環(huán)比

3、值控制系統(tǒng) 單閉環(huán)比值系統(tǒng)是為了克服開環(huán)比值系統(tǒng)的 存在的不足，在開環(huán)系統(tǒng)的基礎上，增加一個副 流量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。即實現(xiàn)副流量跟隨主流量 的變化而變化，又可克服副流量本身干擾對比值 的影響。 兩種控制方式 該系統(tǒng)存在的問題： 1、由于主流量不受控制，所以總物料量 不固定，不適合負荷變化幅度大的場合。 2、無法保證動態(tài)比值。 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)與串級控制系統(tǒng)的 區(qū)別： 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的主流量相當于串 級控制系統(tǒng)的主參數(shù)，而主流量沒有構(gòu) 成閉環(huán)系統(tǒng)，F(xiàn)2的變化并不影響到F1。 3、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 主流量回路：克服流量擾動，實現(xiàn)定值控制。 副流量回路：抑制副回路的擾動，使副流量與主流量成比

4、值關系 。 優(yōu)點：1、克服單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主流量不受控，生產(chǎn)負荷在 較大范圍內(nèi)波動不足，故增設了主流量控制回路，克服主流量干 擾的影響。 2、實現(xiàn)精確的流量比值關系，確保兩物料總量基本保持不變。 3、提降負荷比較方便，只需緩慢主流量控制器的給定，就可以 擔降主流量，副流量自動跟蹤提降，并保持比值不變。 存在問題：需要防止共振的產(chǎn)生。 4、變比值控制系統(tǒng) 定義：按照一定 的工藝指標自行 修正比值系數(shù)的 變化值控制系統(tǒng) ，比稱為串級比 值控制系統(tǒng)。 注意：第三參數(shù) 必須可連續(xù)的測 量變送，否則系 統(tǒng)將無法實施。 兩種方案 氧化爐溫度對氨氣/空氣串級比值 控制系統(tǒng) 串級和比值控制組合的系統(tǒng) 比值系

5、數(shù)的計算 1、采用線性流量檢測單元情況 )()( max2 max1 max2 max1 1 2 max11 max22 F F k F F F F FF FF K 對于不同信號制的儀表，在非線性測 量情況下比值系數(shù)的計算式是一樣的 ；比值系數(shù)只一要實現(xiàn)的兩物料流量 比和所選用的測量儀表量程有關，與 實際流量無關。 應注意下列問題： 1、采用線性流量檢測單元情況時，只有在亦 F1max=F2max的場合，k=K。在同樣的比值k下， 通過調(diào)整F1max,F2max可以改變比值。 2、采用電動和氣動儀表時，乘法器輸入的比值電流 或氣壓和相除方案中比值控制器設定電流或氣壓可 按下列公式計算： 一般標

6、準公式：輸入信號=儀表量程范圍K + 零點 3、在采用相乘的方案中，采用分流器、加法器等儀 表可直接設置儀表比值系數(shù)K。 4、在采用相除的方案中，如果計算所得的儀表比值 系數(shù)K大于1，則除法器的輸入信號更換，即主動量 信號作為被除數(shù)信號，從動量信號作為除數(shù)信號。 2 max2 2 max1 2 2 max2 2 max1 2 1 2 2 F F k F F F F K 該比值系數(shù)只與變送器的量程和所要 求從動量與主動量的對應比例關系有 關，與變送器的電氣點無關。 比值系數(shù)計算示例 合成氨一段轉(zhuǎn)化反應中，為保證甲烷的轉(zhuǎn)化率，需保持甲烷 、蒸汽和空氣三者的比值為1:3:1.4。流量測量都采用節(jié)流裝

7、 置和差壓變送器，未裝開方器，其中，蒸汽最大流量為 31100m3/h；天然氣最大流量為11000m3/h；空氣最大流量為 14000m3/h；采用相乘和相除方案，確定各差壓變送器的量程 ，儀表比值系數(shù)K1和K2，乘法器和除法器輸入電流I k1和I k2 。 從儀表精確度考慮，流量儀表測量范圍分 為十擋：1、1.25、1.6、2、2.5、3.2、4、 5、6.3、810n（n為整數(shù)）。根據(jù)題意， 各差壓變送器的量程應選擇為： Fsmax=32000m3/h；Fhmax=12500m3/h； Famax=16000m3/h； 采用蒸汽作為主動量Fs，天然氣Fh和空氣 Fa為從動量。防止水碳比過低

8、造成析碳。 工藝比值系數(shù)為：k1= ； k2= 。 3/1 sh FF 3/4.1 sa FF 因采用非線性檢測變送環(huán)節(jié)，儀表比值系數(shù)的計算公式為： 即 ； 假設采用電動III型儀表，則乘法器輸入電流（即恒流給定 器輸出）和相除方案中比值控制器設定電流應為： mA； mA； 7282. 0 12500 32000 3 1 2 2 22 max 2 max2 11 h s F F kK 比值控制系統(tǒng)設計和工程應用中 的問題 1、主動量和從動量的選擇 1、主動量通常選擇可測量但不可控制的過程 變量； 2、從安全考慮，如該過程變量供應不足會不安 全時，應選擇該過程變量為主動量，例如，水 蒸汽和甲烷進

9、行甲烷轉(zhuǎn)化反應，由于水蒸氣不 足會造成析碳，因此，應選擇水蒸汽作為主動 量； 3、從動量通常應是既可測量又可控制，并需要 保持一定比值的過程變量。 2、比值控制系統(tǒng)類型的選擇 1、主動量不可控時，選用單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)， 例如，主動量來自上一工序； 2、主動量可控可測，并且變化較大時，宜選雙閉 環(huán)比值控制系統(tǒng)； 3、當比值根據(jù)生產(chǎn)過程的需要由另一個控制器進 行調(diào)節(jié)時，應選擇變比值控制系統(tǒng)； 4、當質(zhì)量偏離控制指標需要改變流量的比值時， 應采用變比值控制系統(tǒng)； 5、變比值控制系統(tǒng)的第三過程變量通常選擇過程 的質(zhì)量指標，例如，煙道氣中的氧含量等。 比值控制系統(tǒng)的實施方案有相乘和相除兩類。 1、一般

10、情況下，宜選擇相乘控制方案。 2、采用計算機或DCS控制時，應選擇相乘控 制方案。 3、需要獲得主從動量流量的實際比值時，建 議用除法器作比值運算，但不包含在控制回 路內(nèi)部 3、比值函數(shù)環(huán)節(jié)的選擇 比值函數(shù)環(huán)節(jié)可從乘法器、分流器、加法器等儀表 中選擇。 采用乘法器需要配套恒流給定器，但比值系數(shù) 設置的精度較高； 分流器比較簡單，可直接用電位器實施，但精 度不高； 加法器實施時可直接用控制器的輸入乘以比值 系數(shù)，同樣，設置比值系數(shù)的精度也不高。 計算機控制裝置或DCS實施比值控制時，儀表比值 系數(shù)采用工藝比值系數(shù)直接設置，使用系統(tǒng)內(nèi)部乘 法運算或比值控制功能模塊直接完成比值運算（采 用相乘控制方

11、案）。 采用常規(guī)儀表實施，如果K大于1，應將比值函數(shù)環(huán)節(jié) 設置在從動量控制回路內(nèi)。用DCS或計算機實施時，K 可大于1，比值函數(shù)環(huán)節(jié)仍設置在從動量控制回路設定 值通道。 4、變送器量程的選擇： 常規(guī)儀表實施比值控制系統(tǒng)時，為提高控制精確度， 通常應使KF1的數(shù)值位于從動量控制器量程范圍的中 間（儀表比值系數(shù)小于1），或者使KF2的數(shù)值位于 從動量控制器量程范圍的中間（儀表比值系數(shù)大于1 ）。 采用計算機DCS組成比值控制系統(tǒng)時，為提高控制精 確度，可適當縮小檢測變送器的量程范圍，并且，不 需計算儀表比值系數(shù)。 采用常規(guī)儀表時，如果采用線性檢測變送環(huán)節(jié)，主、 從動量的儀表量程范圍相等，則工藝比值

12、系數(shù)k與儀 表比值系數(shù)K相等；如果采用非線性檢測變送環(huán)節(jié)， 主、從動量的儀表量程范圍滿足： ，則工藝 比值系數(shù)k與儀表比值系數(shù)K相等。 2 max1 2 max2 F F k 5、流量的溫度壓力補償： 當采用孔板等節(jié)流裝置測量氣體流量 時，如果設計計算時的工況溫度和壓 力與實際運行時的工況溫度和壓力有 偏差，就會對氣體流量測量造成誤差 。因此，當被測氣體的工況溫度較高 ，變化較大或工況壓力較高，變化較 大時應對該氣體流量進行溫度壓力補 償。其中，溫度應換算到凱氏溫度， 壓力應換算到絕對壓力。 比值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定和投運 1、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是隨動控制系統(tǒng)，應按 照隨動控制系統(tǒng)的整定原則整定

13、從動量控制器 的參數(shù)。即整定為非振蕩或衰減比10:1的過渡過 程為宜。 2、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中主動量的控制系統(tǒng)是 定值控制系統(tǒng)，以衰減比為4:1整定主控制器參 數(shù)，從動量控制系統(tǒng)是隨動控制系統(tǒng)為主的控 制系統(tǒng)，以非振蕩或衰減比為10:1整定從動量控 制器參數(shù)。 3、變比值控制系統(tǒng)中從動量控制系統(tǒng)是串級控 制系統(tǒng)的副環(huán)，因此，按串級控制系統(tǒng)副環(huán)的 整定方法整定參數(shù)，變比值控制器按串級控制 系統(tǒng)主對象整定控制器參數(shù)。 整定步驟 1、把控制器的積分時間Ti放在最大，然后從大到小逐漸減小 比例帶，直到被調(diào)量在主流量階躍擾動下的過渡過程處于 振蕩與不振蕩的臨界情況，如圖曲線中b所示。（接近1 ） 2、在確定好比例帶后，逐步減小Ti，直到調(diào)節(jié)過程中被調(diào)量 稍有一點過調(diào)，如圖曲線中C所示。 的主流量回路 可按單回路控制系統(tǒng)進行整定； 的主調(diào)節(jié)器可按 串級系統(tǒng)進行整定。 比值控制系統(tǒng)應用實例 一段轉(zhuǎn)化爐的主要功能是將原料轉(zhuǎn)化為合成所 需要的氫，該轉(zhuǎn)化過程是在一定的溫度條件下 進行的，所以轉(zhuǎn)化過程中原料量與加熱燃料量 有一定的比例關系，為此設計了雙閉環(huán)比值控 制系統(tǒng)。