過(guò)程控制系統(tǒng)_齊衛(wèi)紅第五章

1、第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 內(nèi)容提要 生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常要求兩種或兩種以上的物料以一定的比例混合以后參加化學(xué)反應(yīng)，以保證反應(yīng)安全、充分并節(jié)約能量，由此提出了比值控制。本章將重點(diǎn)講述比值控制系統(tǒng)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)類型、比值系數(shù)的計(jì)算、比值控制系統(tǒng)方案的實(shí)施、實(shí)施中的有關(guān)問(wèn)題及比值控制系統(tǒng)的投運(yùn)與整定的步驟。第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)5.1 概述概述 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常需要兩種或兩種以上的物料按一定比例混合或進(jìn)行反應(yīng)。一旦比例失調(diào)，就會(huì)影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，影響產(chǎn)品質(zhì)量，浪費(fèi)原料，消耗動(dòng)力，造成環(huán)境污染，甚至造成生產(chǎn)事故。最常見(jiàn)的是燃燒過(guò)程，燃料與空氣要保持一定的比例關(guān)系，才能滿足生產(chǎn)

2、和環(huán)保的要求；造紙過(guò)程中，濃紙漿與水要以一定的比例混合，才能制造出合格的紙漿；許多化學(xué)反應(yīng)的多個(gè)進(jìn)料要保持一定的比例。因此，凡是用來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種或兩種以上的物料量自動(dòng)地保持一定比例關(guān)系以達(dá)到某種控制目的的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。 第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 比值控制系統(tǒng)是控制兩種物料流量比值的控制系統(tǒng)，一種物料需要跟隨另一種物料流量的變化。在需要保持比例關(guān)系的兩種物料中，必有一種物料處于主導(dǎo)地位，稱此物料為主動(dòng)量（或主物料），用表示；而另一種物料以一定的比例隨的變化而變化，稱為從動(dòng)量（或從物料），用表示。由于主、從物料均為流量參數(shù)，故又分別稱為主流量和副流量。例如，在燃燒過(guò)程的比值控制系

3、統(tǒng)中，當(dāng)燃料量增加或減少時(shí)，空氣流量也要隨之增加或減少，因此，燃料量應(yīng)為主動(dòng)量，而空氣量為從動(dòng)量。比值控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)從動(dòng)量與主動(dòng)量的對(duì)應(yīng)比值關(guān)系，即滿足關(guān)系式21FKF （5-1） 式中，K為從動(dòng)量與主動(dòng)量的比值。 由此可見(jiàn)，在比值控制系統(tǒng)中，從動(dòng)量是跟隨主動(dòng)量變化的物料流量，因此，比值控制系統(tǒng)實(shí)際上是一種隨動(dòng)控制系統(tǒng)。第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)5.2 比值控制系統(tǒng)的類型比值控制系統(tǒng)的類型 按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可將比值控制系統(tǒng)分為單閉環(huán)、雙閉環(huán)和變比值控制系統(tǒng)三種結(jié)構(gòu)類型。 從控制原理看，比值控制系統(tǒng)屬于前饋控制系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的比值控制系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)方法就是根據(jù)一種物料的流量

4、來(lái)調(diào)節(jié)另一種物料的流量，它的系統(tǒng)組成如圖5.1所示。在這個(gè)系統(tǒng)中，當(dāng)主動(dòng)量增大時(shí)，應(yīng)相應(yīng)地開(kāi)大從動(dòng)量控制閥的開(kāi)度，使從動(dòng)量F2跟隨主動(dòng)量F1變化，以滿足的要求。因此，當(dāng)F2因管線兩端的壓力波動(dòng)而發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)不起控制作用，此時(shí)難以保證F2與F1間的比值關(guān)系。也就是說(shuō)，開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)對(duì)來(lái)自于從動(dòng)量所在管線的擾動(dòng)并無(wú)抗干擾能力，只能適用于從動(dòng)量較平穩(wěn)且對(duì)比值要求不高的場(chǎng)合。而實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)F2的擾動(dòng)常常是不可避免的，因此生產(chǎn)上很少采用開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)。第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)圖圖5.1 開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng) 通常，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中采用閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。為了調(diào)節(jié)從動(dòng)量，從動(dòng)

5、量應(yīng)組成閉環(huán)，因此，根據(jù)主動(dòng)量是否組成閉環(huán)，可分為單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)和雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。如果比值K來(lái)自于另一個(gè)控制器，即主、副物料的流量比不是一個(gè)固定值，則該比值控制系統(tǒng)就是變比值控制系統(tǒng)。第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)5.2.1 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為了克服開(kāi)環(huán)比值控制方案的不足，在開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)從動(dòng)量的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖5.2所示。圖圖5.2 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 從圖5.2（a）可看出，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)與串級(jí)控制系統(tǒng)具有相類似的結(jié)構(gòu)形式，但兩者是不同的。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的主動(dòng)

6、量相當(dāng)于串級(jí)控制系統(tǒng)的主變量，但其主動(dòng)量并沒(méi)有構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，F(xiàn)2的變化并不影響到F1，這就是兩者的根本區(qū)別。 在穩(wěn)定狀態(tài)下，主、副流量滿足工藝要求的比值，F(xiàn)2/F1K。當(dāng)主流量變化時(shí)，其主流量信號(hào)F1經(jīng)變送器送到比值計(jì)算裝置（通常為乘法器或比值器），比值計(jì)算裝置則按預(yù)先設(shè)置好的比值使輸出成比例地變化，也就是成比例地改變副流量控制器的設(shè)定值，此時(shí)副流量閉環(huán)系統(tǒng)為一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，從而使F2跟隨F1變化，使得在新的工況下，流量比值K保持不變。當(dāng)主流量沒(méi)有變化而副流量由于自身擾動(dòng)發(fā)生變化時(shí)，副流量閉環(huán)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)定值控制系統(tǒng)，通過(guò)自行控制克服擾動(dòng)，使工藝要求的流量比值仍保持不變。第五章 比值控制系

7、統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 如圖5.3所示，為單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)實(shí)例。丁烯洗滌塔的任務(wù)是用水除去丁烯餾分中所夾帶的微量乙腈。為了保證洗滌質(zhì)量，要求根據(jù)進(jìn)料流量配以一定比例的洗滌水量。 總之，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)不僅能使從動(dòng)量的流量跟隨主動(dòng)量的變化而變化，實(shí)現(xiàn)主、從動(dòng)量的精確流量比值，還能克服進(jìn)入從動(dòng)量控制回路的擾動(dòng)影響。因此，其主、從動(dòng)量的比值較為精確，而且比開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量要好。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式較簡(jiǎn)單。所增加的儀表投資較少，實(shí)施起來(lái)亦較方便，而控制品質(zhì)卻有很大提高，因而被大量應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程控制，尤其適用于主物料在工藝上不允許進(jìn)行控制的場(chǎng)合。圖圖5.3 丁烯洗滌塔進(jìn)料與丁烯洗滌塔進(jìn)料與

8、洗滌水之比值控制洗滌水之比值控制第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中，雖然兩物料比值一定，但由于主動(dòng)量是不受控制的，所以總物料量（即生產(chǎn)負(fù)荷）是不固定的，這對(duì)于負(fù)荷變化幅度大物料又直接去化學(xué)反應(yīng)器的場(chǎng)合是不適合的。因負(fù)荷的波動(dòng)有可能造成反應(yīng)不完全，或反應(yīng)放出的熱量不能及時(shí)被帶走等，從而給反應(yīng)帶來(lái)一定的影響，甚至造成事故。此外，這種方案對(duì)于嚴(yán)格要求動(dòng)態(tài)比值的場(chǎng)合也是不適應(yīng)的。因?yàn)檫@種方案的主動(dòng)量是不定值的，當(dāng)主動(dòng)量出現(xiàn)大幅度波動(dòng)時(shí)，從動(dòng)量相對(duì)于控制器的設(shè)定值會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，也就是說(shuō)，在這段時(shí)間里，主、從動(dòng)量的比值會(huì)較大地偏離工藝要求的流量比，即不能保證動(dòng)態(tài)比值。第五章 比值控

9、制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)5.2.2 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為了克服單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主動(dòng)量不受控、生產(chǎn)負(fù)荷在較大范圍內(nèi)波動(dòng)的不足而設(shè)計(jì)的。在主動(dòng)量也需要控制的情況下，增加一個(gè)主動(dòng)量控制回路，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)就成為雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，如圖5.4所示。圖圖5.4 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 如圖5.5所示，為某溶劑廠生產(chǎn)中采用的二氧化碳與氧氣流量的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的實(shí)例。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)由于主動(dòng)量控制回路的存在，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主動(dòng)量的定值控制，大大克服了主流量干擾的影響，使主流量變得比較平穩(wěn)，通過(guò)比值控制副流量也將比較平穩(wěn)。這

10、樣不僅實(shí)現(xiàn)了比較精確的流量比值，而且也確保了兩物料的總流量（即生產(chǎn)負(fù)荷）能保持穩(wěn)定，這是雙閉環(huán)比值控制的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。圖圖5.5 二氧化碳與氧氣流量雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)二氧化碳與氧氣流量雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 雙閉環(huán)比值控制的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是升降負(fù)荷比較方便，只要緩慢地改變主動(dòng)量控制器的設(shè)定值，就可以升降主動(dòng)量，同時(shí)從動(dòng)量也就自動(dòng)跟蹤升降，并保持兩者的比值不變。雙閉環(huán)比值控制方案主要應(yīng)用于主動(dòng)量擾動(dòng)頻繁且工藝上不允許負(fù)荷有較大波動(dòng)，或工藝上經(jīng)常需要升降負(fù)荷的場(chǎng)合。但由于雙閉環(huán)比值控制方案使用儀表較多，投資高，而且投運(yùn)也較麻煩，因此，如果沒(méi)有以上控制要求，采用兩個(gè)單獨(dú)的單回

11、路定值控制系統(tǒng)來(lái)分別穩(wěn)定主、副流量，也能使兩種物料保持一定的比例關(guān)系（僅僅在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，比例關(guān)系不能保證）。這樣在投資上可節(jié)省一臺(tái)比值裝置，而且兩個(gè)單回路流量控制系統(tǒng)在操作上也較方便。 在采用雙閉環(huán)比值控制方案時(shí)，還需防止共振的產(chǎn)生。因主、副流量控制回路通過(guò)比值器是相互聯(lián)系的，當(dāng)主流量進(jìn)行定值控制后，它變化的幅值會(huì)大大減小，但變化的頻率往往會(huì)加快，使副流量控制器的設(shè)定值經(jīng)常處于變化之中，當(dāng)主流量回路的頻率和副流量回路的工作頻率接近時(shí)，就有可能引起共振，使副流量回路失控，以致系統(tǒng)無(wú)法正常投入運(yùn)行。因此，對(duì)主流量控制器進(jìn)行參數(shù)整定時(shí)，應(yīng)盡量保證其輸出為非周期變化，以防止產(chǎn)生共振。第五章 比值控制系

12、統(tǒng)比值控制系統(tǒng)5.2.3 變比值控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng) 前面介紹的兩種控制系統(tǒng)都屬于定比值控制系統(tǒng)，控制的目的是要保持主、從物料的比值關(guān)系為定值。但有些化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，要求兩種物料的比值能靈活地隨第三變量的需要而加以調(diào)整，這樣就出現(xiàn)了變比值控制系統(tǒng)。 在生產(chǎn)上維持流量比恒定往往不是控制的最終目的，而僅僅是保證產(chǎn)品質(zhì)量的一種手段。定比值控制方案只能克服來(lái)自流量方面的擾動(dòng)對(duì)比值的影響，當(dāng)系統(tǒng)中存在著除流量擾動(dòng)外的其他擾動(dòng)（如溫度、壓力、成分及反應(yīng)器中觸媒活性變化等擾動(dòng)）時(shí)，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須適當(dāng)修正兩物料的比值，即重新設(shè)置比值系數(shù)。由于這些擾動(dòng)往往是隨機(jī)的，擾動(dòng)的幅值也各不相同，顯然無(wú)法用人工方

13、法經(jīng)常去修正比值系數(shù)，定比值控制系統(tǒng)也就無(wú)能為力了。因此，出現(xiàn)了按照一定工藝指標(biāo)自行修正比值系數(shù)的變比值控制系統(tǒng)。如圖5.6所示，為一個(gè)用除法器組成的變比值控制系統(tǒng)。第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)圖圖5.6 變比值控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng) 由圖可見(jiàn)，變比值控制系統(tǒng)是比值隨另一個(gè)控制器輸出變化的比值控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)是串級(jí)控制系統(tǒng)與比值控制系統(tǒng)的結(jié)合。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)以某種質(zhì)量指標(biāo)為主變量、兩物料比值為副變量的串級(jí)控制系統(tǒng)，所以也稱為串級(jí)比值控制系統(tǒng)。根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)具有一定自適應(yīng)能力的特點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)中存在溫度、壓力、成分、觸媒活性等隨機(jī)擾動(dòng)時(shí)，這種變比值系統(tǒng)也具有能自動(dòng)調(diào)整比值、保證質(zhì)量指標(biāo)在規(guī)定范

14、圍內(nèi)的自適應(yīng)能力。因此，在變比值控制系統(tǒng)中，流量比值只是一種控制手段，其最終目的通常是保證表征產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的主被控變量恒定。第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 以圖5.7所示硝酸生產(chǎn)中氧化爐的爐溫與氨氣/空氣比值所組成的串級(jí)比值控制方案為例，說(shuō)明變比值控制系統(tǒng)的應(yīng)用。圖圖5.7 氧化爐溫度與氨氣氧化爐溫度與氨氣/空氣串級(jí)比值控制系統(tǒng)空氣串級(jí)比值控制系統(tǒng)第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 氧化爐是硝酸生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，原料氨氣和空氣在混合器內(nèi)混合后經(jīng)預(yù)熱進(jìn)入氧化爐，氨氧化生成一氧化氮（NO）氣體，同時(shí)放出大量的熱量。穩(wěn)定氧化爐操作的關(guān)鍵條件是反應(yīng)溫度，因此氧化爐的溫度可以間接表征氧化生產(chǎn)的質(zhì)量指標(biāo)。

15、若設(shè)計(jì)一套定比值控制系統(tǒng)來(lái)保證進(jìn)入混合器的氨氣和空氣的比值一定，就可基本上控制反應(yīng)放出的熱量，即基本上控制了氧化爐的溫度。但影響氧化爐溫度變化的其他擾動(dòng)很多，經(jīng)計(jì)算得知，當(dāng)氨氣在混合器中的含量每增加1%時(shí)，氧化爐的溫度將上升64.9 所以，成分變化是在比值不變的情況下改變混合器內(nèi)氨含量的直接擾動(dòng)。其他擾動(dòng)（如進(jìn)入氧化爐的氨氣、空氣的初始溫度等）的變化，意味s著物料帶入的能量變化，直接影響爐內(nèi)溫度；負(fù)荷的變化關(guān)系到單位時(shí)間內(nèi)參加化學(xué)反應(yīng)的物料量，由改變釋放反應(yīng)熱的多少而影響爐內(nèi)溫度。因此，僅僅保持氨氣和空氣的流量比值，尚不能最終保證氧化爐溫度不變，還需根據(jù)氧化爐溫度的變化來(lái)適當(dāng)修正氨氣和空氣的比

16、例，以保證氧化爐溫度的恒定。圖5.7所示的變比值控制系統(tǒng)就是根據(jù)這樣的意圖而設(shè)計(jì)的。由圖可見(jiàn)，當(dāng)出現(xiàn)直接引起氨氣/空氣流量比值變化的擾動(dòng)時(shí)，可通過(guò)比值控制系統(tǒng)得到及時(shí)克服而保持爐溫不變。而當(dāng)其他擾動(dòng)引起爐溫變化時(shí)，則通過(guò)溫度控制器對(duì)氨氣/空氣比值進(jìn)行修正，使氧化爐溫度恒定。第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 在變比值控制方案中，選取的第三參數(shù)主要是衡量質(zhì)量的最終指標(biāo)，而流量間的比值只是參考指標(biāo)和控制手段。因此在選用變比值控制時(shí)，必須考慮到作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的第三參數(shù)能否進(jìn)行連續(xù)的測(cè)量變送，否則系統(tǒng)將無(wú)法實(shí)施。由于具有第三參數(shù)自動(dòng)校正比值的優(yōu)點(diǎn)，且隨著質(zhì)量檢測(cè)儀表的發(fā)展，變比值控制可能會(huì)越來(lái)越多地在

17、生產(chǎn)上得到應(yīng)用。 需要注意的是，上面提到的變比值控制方案是用除法器來(lái)實(shí)施的，實(shí)際上還可采用其他運(yùn)算單元（如乘法器）來(lái)實(shí)施。同時(shí)從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)看，上例是單閉環(huán)變比值控制系統(tǒng)，如果工藝控制需要，也可構(gòu)成雙閉環(huán)變比值控制系統(tǒng)。第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)5.3 比值系數(shù)的計(jì)算比值系數(shù)的計(jì)算 在此，有必要把流量比值K和設(shè)置于儀表的比值系數(shù) K區(qū)別開(kāi)來(lái)，因?yàn)楣に嚿弦?guī)定的比值是指兩物料的（質(zhì)量或體積）流量之比，而目前通用的儀表則使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（例如，電動(dòng)儀表使用010 mA或420 mA直流電流信號(hào)，氣動(dòng)儀表使用20100 kPa氣壓信號(hào)等）。因此，必須把工藝規(guī)定的流量比值K折算成儀表信號(hào)的比值系數(shù)

18、 K，才能進(jìn)行比值設(shè)定。比值系數(shù)的折算方法隨流量與測(cè)量信號(hào)間是否成線性關(guān)系而不同。第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)5.3.1 流量與測(cè)量信號(hào)成線性關(guān)系時(shí)的折算流量與測(cè)量信號(hào)成線性關(guān)系時(shí)的折算 當(dāng)使用轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、橢圓齒輪流量計(jì)或帶開(kāi)方的差壓變送器測(cè)量流量時(shí)，流量信號(hào)均與測(cè)量信號(hào)成線性關(guān)系。 下面以圖5.8所示的單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)為例，分別討論當(dāng)采用DDZ-型、DDZ-型和氣動(dòng)儀表時(shí)，比值系數(shù)的折算方法。圖圖5.8 帶開(kāi)方差壓變送器的比值控制系統(tǒng)帶開(kāi)方差壓變送器的比值控制系統(tǒng)第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 1采用信號(hào)范圍為420 mA DC的DDZ-型儀表 當(dāng)流量從0變至最大值 時(shí)，

19、變送器對(duì)應(yīng)的輸出為420 mA DC，則流量的任一中間值F所對(duì)應(yīng)的輸出電流為max164FIF（5-2） 故m ax416IFF（5-3） 由式（5-3）可得工藝要求的流量比值為22 max2111max44IFFKFIF（5-4）由此可折算成儀表的比值系數(shù) ，為 （5-5）maxFmax2max11244FFKIIKK第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)式中，F(xiàn)1max主動(dòng)量變送器的量程上限；F2max副流量變送器的量程上限；I1主流量的測(cè)量信號(hào)值；I2副流量的測(cè)量信號(hào)值。2信號(hào)范圍為010 mA DC的DDZ-型儀表當(dāng)流量從0變至最大值Fmax時(shí)，變送器對(duì)應(yīng)的輸出為010 mA DC，則流量的

20、任一中間值F所對(duì)應(yīng)的輸出電流為m a x1 0FIF（5-6）m a x1 0IFF故由式（5-7）可得工藝要求的流量比值，為2 m ax22111 m axFFIKFIF（5-8）第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)由此可折算成儀表的比值系數(shù)K，為 （5-9）式中，F(xiàn)1max主流量變送器的量程上限；F2max副流量變送器的量程上限；I1主流量的測(cè)量信號(hào)值；I2副流量的測(cè)量信號(hào)值。3采用信號(hào)范圍為20100 kPa的氣動(dòng)儀表當(dāng)流量從0變至最大值時(shí)，變送器對(duì)應(yīng)的輸出為20100 kPa，變送器的轉(zhuǎn)換關(guān)系為m ax8020FpF（5-10）儀表的比值系數(shù)為（5-11）max2max112FFKIIK2

21、02012PPK第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)將式（5-10）代入（5-11），可得（5-12）式中，F(xiàn)1max主流量變送器的量程上限；F2max副流量變送器的量程上限；p1主流量的測(cè)量信號(hào)值；p2副流量的測(cè)量信號(hào)值?？梢钥闯觯瑢?duì)于不同信號(hào)范圍的儀表，比值系數(shù)的計(jì)算式是一致的，即（5-13）max2max1max2max112max11max22202080202080FFKFFFFFFFFKmax2max1FFKK第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)5.3.2 流量與測(cè)量信號(hào)成非線性關(guān)系時(shí)的折算流量與測(cè)量信號(hào)成非線性關(guān)系時(shí)的折算 當(dāng)使用差壓式流量計(jì)測(cè)量流量而未經(jīng)開(kāi)方處理時(shí)，構(gòu)成的單閉環(huán)比值控制

22、系統(tǒng)如圖5.9所示。流量與壓差的非線性關(guān)系為FCp（5-14）式中，C為差壓式流量計(jì)的比例系數(shù)。圖圖5.9 不帶開(kāi)方差壓變送器的比值控制系統(tǒng)不帶開(kāi)方差壓變送器的比值控制系統(tǒng)第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)此時(shí)針對(duì)不同信號(hào)范圍的儀表，測(cè)量信號(hào)與流量的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下。010 mA DC的DDZ-型電動(dòng)儀表：22maxmax1010pFIpF（5-15） 420 mA DC的DDZ-型電動(dòng)儀表：22max164FIF（5-16）20100 kPa的氣動(dòng)儀表:22max8020FpF （5-17）第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)以信號(hào)范圍為420 mA DC的DDZ-型電動(dòng)儀表為例，此時(shí)的比值系數(shù)計(jì)算如

23、下： （5-18）當(dāng)采用QDZ型儀表或DDZ-型儀表時(shí)，同樣可得到式（5-18）。這說(shuō)明比值系數(shù)的折算方法與儀表的結(jié)構(gòu)型號(hào)無(wú)關(guān)，只和測(cè)量的方法有關(guān)。通過(guò)對(duì)流量與測(cè)量信號(hào)的不同關(guān)系及不同信號(hào)范圍的儀表推導(dǎo)比值系數(shù)的計(jì)算式，可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論。2max2max122max22max121222max1212max222124416441644FFKFFFFFFFFIIK第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)（1）流量比值K與比值系數(shù)K是兩個(gè)不同的概念，不能混淆；（2）比值系數(shù)K的大小與流量比值K有關(guān)，也與變送器的量程有關(guān)，但與負(fù)荷的大小無(wú)關(guān)；（3）流量與測(cè)量信號(hào)之間有無(wú)非線性關(guān)系對(duì)計(jì)算式有直接影響，線

24、性關(guān)系時(shí) ，非線性關(guān)系（平方根關(guān)系）時(shí),但儀表的信號(hào)范圍不同及起始點(diǎn)是否為零，對(duì)計(jì)算式均無(wú)影響；max2max1FFKK線2max2max12FFKK非線K2K線非線K（4）線性測(cè)量與非線性測(cè)量（平方根關(guān)系）情況下， 間的關(guān)系為 第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)5.4 比值控制系統(tǒng)的實(shí)施比值控制系統(tǒng)的實(shí)施比值控制系統(tǒng)具有單閉環(huán)、雙閉環(huán)及變比值等多種類型，每種類型均可采用氣動(dòng)、電動(dòng)等不同的儀表構(gòu)成，因而其構(gòu)成方案很多。但最根本的是采用什么方式來(lái)實(shí)現(xiàn)主、副流量的比值運(yùn)算。分析所有的比值控制系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其運(yùn)算式有乘法和除法兩種，也就是說(shuō)具體實(shí)施分為相乘方案與相除方案兩類。第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系

25、統(tǒng)5.4.1 兩種實(shí)施方案兩種實(shí)施方案比值控制系統(tǒng)有兩種實(shí)現(xiàn)的方案。如果依據(jù)，那么就可以對(duì)F1的測(cè)量值乘以比值K，作為F2流量控制器的設(shè)定值，稱為相乘方案。而如果依據(jù)，那么就可以將與F1的測(cè)量值相除，作為比值控制器的測(cè)量值，稱為相除方案。1相乘方案如圖5.10所示，是采用相乘方案來(lái)實(shí)現(xiàn)單閉環(huán)比值控制的方案。圖圖5.10 相乘方案相乘方案第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)圖中“ ”（乘號(hào)）表示乘法器。比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)，是要按工藝要求的流量比值K來(lái)正確設(shè)置圖中儀表的比值系數(shù)K。該圖所示的相乘方案中，由于在差壓變送器后設(shè)有開(kāi)方器，因此流量信號(hào)與測(cè)量信號(hào)成線性關(guān)系，儀表的比值系數(shù)K應(yīng)按式（5-13

26、）計(jì)算。圖5.11 相除方案乘法方案運(yùn)算裝置如果使用氣動(dòng)儀表實(shí)施，可采用比值器、配比器及乘法器等；如果采用DDZ-型儀表實(shí)施，則有分流器及乘法器；而如果采用DDZ-型儀表實(shí)施，則有比值器及乘法器等；至于使用可編程控制器或其他計(jì)算機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，采用乘法運(yùn)算即可。如果比值為常數(shù)，上述常規(guī)儀表均可應(yīng)用；若K為變數(shù)（變比值控制）時(shí)，則必須采用乘法器，此時(shí)，只需將比值設(shè)定信號(hào)換接成第三參數(shù)就可以了。第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)2相除方案應(yīng)用相除的方案如圖5.11所示，圖中“ ”（除號(hào)）表示除法器。顯然它還是一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，只是控制器的測(cè)量值和設(shè)定值都是流量信號(hào)的比值，而不是流量本身。圖圖5.1

27、1 相除方案相除方案第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)無(wú)論是采用氣動(dòng)儀表還是電動(dòng)儀表，相除方案均采用除法器來(lái)實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于使用可編程控制器或其他計(jì)算機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，只要對(duì)兩個(gè)流量測(cè)量信號(hào)進(jìn)行除法運(yùn)算即可。由于除法器的（或除法運(yùn)算結(jié)果）輸出直接代表了兩流量信號(hào)的比值，所以可直接對(duì)它進(jìn)行比值指示和報(bào)警。相除方案的優(yōu)點(diǎn)是直觀，可直接讀出比值，且比值可直接由控制器進(jìn)行設(shè)定，其可調(diào)范圍寬，操作方便。若將比值給定信號(hào)改作第三參數(shù)，便可實(shí)現(xiàn)變比值控制。但相除方案也有其弱點(diǎn)。在相除方案中，可將比值K理解為真正的被控變量。由于比值計(jì)算包括在控制回路中，而除法器的增益是非線性的，使廣義對(duì)象的特性也為非線性，所以其放大

28、系數(shù)會(huì)隨負(fù)荷變化，比值系數(shù)一經(jīng)調(diào)整，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度就會(huì)變動(dòng)。在負(fù)荷較小時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。因此，在比值控制系統(tǒng)中應(yīng)盡量少用除法器，一般可用相乘形式來(lái)代替它。第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)5.4.2 比值控制系統(tǒng)中的信號(hào)匹配問(wèn)題比值控制系統(tǒng)中的信號(hào)匹配問(wèn)題比值控制系統(tǒng)中有進(jìn)行比值設(shè)置的運(yùn)算裝置，為了使需要的比值運(yùn)算能在模擬儀表上實(shí)現(xiàn)，而各環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號(hào)既能限制在規(guī)定的信號(hào)范圍之內(nèi)，又要盡可能在達(dá)到最大量程的情況下進(jìn)行運(yùn)算，達(dá)到較高的精度，因此就要合理調(diào)整有關(guān)儀表的量程，或設(shè)置必要的系數(shù)。這項(xiàng)工作稱為儀表的信號(hào)匹配。比值控制系統(tǒng)的運(yùn)算并不復(fù)雜，所以信號(hào)匹配的工作比較簡(jiǎn)單。比值系數(shù)K的計(jì)算

29、是比值控制系統(tǒng)信號(hào)匹配的一個(gè)主要內(nèi)容。K的大小除了與工藝規(guī)定的流量比值K有關(guān)外，還與儀表的量程上限有關(guān)，因此，要使比值控制系統(tǒng)具有較高的靈敏度和精度，儀表量程上限的確定是極為關(guān)鍵的。第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)1相乘方案中的信號(hào)匹配在采用相乘方案時(shí)，比值系數(shù) 值既不能太小，也不能太大，因?yàn)閺膭?dòng)量流量控制器的設(shè)定值是 (或 )，若 值太小，則設(shè)定值也必然很小，儀表的量程不能充分利用，影響控制精確度；若 值過(guò)大，則設(shè)定值可能接近控制器的量程上限，當(dāng)遇到主動(dòng)量流量F1值進(jìn)一步上升時(shí)，將無(wú)法完成比值控制的功能（儀表超限是必須檢查與防止的問(wèn)題）?；谝陨显?，在比值控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中若采用相乘方案

30、，比值系數(shù) 的經(jīng)驗(yàn)取值范圍如下：如果使用電動(dòng)儀表，通常 值必須在01的區(qū)間內(nèi)；如果使用氣動(dòng)儀表，通常K值在0.254的區(qū)間內(nèi)。1IK1PKKKKKK第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)2相除方案中的信號(hào)匹配對(duì)于采用除法器實(shí)施的比值控制系統(tǒng)，由于除法器的結(jié)構(gòu)，所以必須使輸入的分母信號(hào)大于分子信號(hào)。通常把主動(dòng)量作為分母項(xiàng)，此時(shí) 的范圍是 ，因此在選擇流量測(cè)量?jī)x表量程時(shí)，也需滿足 。同時(shí)，用除法器作比值計(jì)算時(shí)，應(yīng)該注意比值系數(shù) 的值不能在1附近。因?yàn)槿舯戎迪禂?shù)等于1，則比值設(shè)定已達(dá)最大信號(hào)，除法器輸出也必將達(dá)最大值。如果此時(shí)出現(xiàn)某種擾動(dòng)使比值F2/F1增加，雖然比值KF2/F1增加了，但由于除法器輸出已

31、飽和，相當(dāng)于系統(tǒng)的反饋信號(hào)不變，失去控制作用，故只好任比值K增加。因此，當(dāng)主、從動(dòng)量信號(hào)有可能出現(xiàn)相等或接近相等、除法器輸出將達(dá)最大值時(shí)，可在從動(dòng)量回路中串入一個(gè)比例系數(shù)為0.5的比值器，以將比值設(shè)定值調(diào)整在量程的中間值附近，保持有一定的控制余地。max1maxmax2FKF10 KKK第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)5.5 比值控制系統(tǒng)的投運(yùn)與整定比值控制系統(tǒng)的投運(yùn)與整定比值控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、安裝好以后，即可進(jìn)行系統(tǒng)的投運(yùn)。投運(yùn)前的準(zhǔn)備工作及投運(yùn)步驟與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)相同，不再重復(fù)介紹。這里主要介紹比值控制系統(tǒng)的整定。1投運(yùn)中比值系數(shù)投運(yùn)中比值系數(shù) 的設(shè)置所需注意的問(wèn)題的設(shè)置所需注意的問(wèn)題首先根據(jù)

32、工藝規(guī)定的流量比值K按實(shí)際組成的方案進(jìn)行比值系數(shù)的計(jì)算。比值系數(shù)計(jì)算為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、儀表量程的選擇和現(xiàn)場(chǎng)比值系數(shù)的設(shè)置提供了理論依據(jù)。但由于采用差壓法測(cè)算流量時(shí)，要做到精確計(jì)量有一定的困難；而且盡管對(duì)測(cè)量元件進(jìn)行了精確計(jì)算，但在實(shí)際使用中尚有不少誤差，想通過(guò)比值系數(shù)一次精確設(shè)置來(lái)保證流量比值是不可能的。因此，在投運(yùn)前系統(tǒng)的比值系數(shù)不一定要精確設(shè)置，可以在投運(yùn)過(guò)程中逐漸校正，直至工藝認(rèn)為合格為止。K第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)2比值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定比值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定比值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定，關(guān)鍵是先要明確整定要求。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的主流量回路為一般的定值控制系統(tǒng)，可按常規(guī)的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)進(jìn)行

33、整定；變比值控制系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)上屬于串級(jí)控制系統(tǒng)，故主控制器可按串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行整定。下面對(duì)于單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)的副流量回路，以及變比值回路的參數(shù)整定作簡(jiǎn)單介紹。比值控制系統(tǒng)中的副流量回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，工藝上希望副流量能迅速、正確地跟隨主流量變化，并且不宜有過(guò)調(diào)。由此可知，比值控制系統(tǒng)實(shí)際上是要達(dá)到振蕩與不振蕩的臨界過(guò)程，這與一般定值控制系統(tǒng)的整定要求是不一樣的。第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)按照隨動(dòng)控制系統(tǒng)的整定要求，一般的整定步驟如下所述。（1）根據(jù)工藝要求的兩流量比值K，進(jìn)行比值系數(shù)的計(jì)算。若采用相乘形式，則需計(jì)算儀表的比值系數(shù)K值；若采用相除形式，則需計(jì)算比值控制器的設(shè)定值

34、。在現(xiàn)場(chǎng)整定時(shí)，可根據(jù)計(jì)算的比值系數(shù)K值投運(yùn)。在投運(yùn)后，一般還需按實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以滿足工藝要求。（2）控制器一般需采用PI形式。整定時(shí)可先將積分時(shí)間設(shè)置于最大，由大到小地調(diào)整比例度，直至系統(tǒng)處于振蕩與不振蕩的臨界過(guò)程為止。（3）若有積分作用，則適當(dāng)?shù)胤艑挶壤龋ㄒ话惴糯?0左右），然后慢慢地把積分時(shí)間減小，直到系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩與不振蕩的臨界過(guò)程或微振蕩的過(guò)程為止。第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)本本 章章 小小 結(jié)結(jié)隨著石油、化工生產(chǎn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位不斷提高，比值控制系統(tǒng)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛比值控制系統(tǒng)有三種類型：?jiǎn)伍]環(huán)、雙閉環(huán)、變比值控制系統(tǒng)。其中單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)最為常見(jiàn)。根據(jù)運(yùn)算器

35、在閉環(huán)中所處位置的不同，可構(gòu)成兩種實(shí)施方案：相乘方案和相除方案。其中相除方案由于其局限性已較少采用。在實(shí)際使用中，依據(jù)測(cè)量方法的不同，需要將工藝上的流量比值K折算成儀表上的比值系數(shù)K。用儀表構(gòu)成比值控制系統(tǒng)時(shí)還應(yīng)注意信號(hào)匹配問(wèn)題。應(yīng)充分理解和掌握比值控制系統(tǒng)中副流量回路的特點(diǎn)及整定要求。除上述內(nèi)容外，還應(yīng)注意到實(shí)施中的一些其他問(wèn)題。如主動(dòng)量和從動(dòng)量的選擇，原則上把決定生產(chǎn)負(fù)荷的關(guān)鍵物料量作為主動(dòng)量，如果有工藝上的特殊要求則應(yīng)首先服從操作要求；再如氣體流量的溫度、壓力校正問(wèn)題。近年來(lái)，智能化儀表的發(fā)展使比值控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上也發(fā)生了一些變化。由于智能化儀表的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，所以不用再進(jìn)行比值系數(shù)的

36、換算；在系統(tǒng)中用功能塊參與運(yùn)算，也就不需引入比值器，使控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)更加快捷、方便。第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)思考與練習(xí)思考與練習(xí)1何為比值控制系統(tǒng)？流量比是如何定義的？2比值控制系統(tǒng)有哪些形式，它們各有何特點(diǎn)？3在生產(chǎn)硝酸的過(guò)程中，要求氨氣量與空氣量保持一定的比例關(guān)系。在正常情況下，工藝規(guī)定氨氣流量為2 000 m3/h，空氣流量為20 000 m3/h，氨氣流量表的量程03 200 m3/h，空氣流量表的量程為025 000 m3/h，求儀表的比值系數(shù)K。4自來(lái)水因含有大量微生物，所以在供應(yīng)用戶之前必須進(jìn)行消毒。氯氣是常用的消毒劑。但如果氯氣的用量少則起不到應(yīng)有的效果，過(guò)多又會(huì)使自來(lái)

37、水氣味難聞并會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕作用。為使注入到自來(lái)水中的氯氣量合適，必須使氯氣注入量與自來(lái)水成一定的比值關(guān)系。自來(lái)水凈化工藝流程圖如圖5.12所示，試設(shè)計(jì)一個(gè)凈化水量與氯氣量的比值控制系統(tǒng) 第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)圖圖5.12 自來(lái)水凈化工藝流程圖自來(lái)水凈化工藝流程圖5在某生產(chǎn)過(guò)程中，需使參與反應(yīng)的甲、乙兩種物料流量保持一定的比值，若已知正常操作時(shí)，甲流量7 m3/h，采用孔板測(cè)量并配用差壓變送器，其測(cè)量范圍為010 m3/h；乙流量250 L/h，相應(yīng)的測(cè)量范圍為0300 L/h，根據(jù)要求設(shè)計(jì)保持比值的控制系統(tǒng)。試求在流量與測(cè)量信號(hào)分別成線性關(guān)系和非線性關(guān)系時(shí)，采用DDZ-型儀表組成系統(tǒng)時(shí)的比值系數(shù)K。第五章 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)6某生產(chǎn)工藝要求A、B兩物料流量比值維持在0.4。已知 3 200 kg/h， 800