過程控制技術(shù)第7章(1)

1、7.1 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)7.1.1 基本概念基本概念 在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常碰到有兩種或兩種以上物體流量，按一定比例進(jìn)行混合，然后加工制造成產(chǎn)品。配比是否準(zhǔn)確，或比例是否失調(diào)，往往影響產(chǎn)品的性能與質(zhì)量，以及原料消耗和能源節(jié)省。例如，在工業(yè)鍋爐燃燒過程中，為了保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性，防止大起污染，保護(hù)環(huán)境，在爐膛中，需要燃料量與空氣量按一定的比例混合，以確保燃燒的效率；在硝酸生產(chǎn)中，氨氣與空氣的流量必須一個(gè)適當(dāng)?shù)谋壤駝t，有可能產(chǎn)生爆炸事故。 實(shí)現(xiàn)兩種或兩種以上的物料在生產(chǎn)過程中，自動(dòng)地保持一定比例關(guān)系的調(diào)整裝置，稱為比值控制系統(tǒng)（Ratio Control System）。在比值控制中，物料幾

2、乎全是流量，并且始終有一種物料處在主導(dǎo)地位，其它物料按其進(jìn)行配比，這種物料稱作主物料、主動(dòng)量或主流量（Main flux），一般用 表示，而其它處于次要地位的物料稱作從物料、從動(dòng)量、從流量或副流量（Accessory flux），通常用 表示。從動(dòng)量與主動(dòng)量之比（工藝流量比）用 K 表示，即1Q2Q21QKQ7.1.2 比值控制系統(tǒng)的類型比值控制系統(tǒng)的類型 1. 開環(huán)比值控制系統(tǒng) 開環(huán)比值控制系統(tǒng)是比值控制中最簡(jiǎn)單的一種，其原理圖和方框圖如圖 7-1 所示，其中 FT為主流量檢測(cè)器，K 為比值器。主流量為 ，從流量為 ，在穩(wěn)定時(shí)， 與 之比保持恒定，即 ，這里的 K 為工藝指標(biāo)規(guī)定的重量或體積

3、流量比值，一般為常數(shù)。顯然，當(dāng)主動(dòng)量 1Q2Q2Q21/QQK1Q可見，從動(dòng)量是隨主動(dòng)量按一定比例變化的。所以，比值控制系統(tǒng)實(shí)際上是一種隨動(dòng)控制系統(tǒng)。 變化時(shí)，主流量檢測(cè)器 FT 將其傳輸給比值器(采用比例控制器 ), 比值器按偏差運(yùn)算后，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，改變閥門的開度，使從動(dòng)量 重新與變化后的 保持原比值關(guān)系。由于開環(huán)比值控制系統(tǒng)并沒有形成閉環(huán)，對(duì)于因干擾，例如閥門兩端壓力變化引起的 變化，該控制并不具備抵御能力。所以，它在實(shí)際工作中很少被采用。 1Q1Q2Q2QK圖 7-1 開環(huán)比值控制系統(tǒng)b) 控制方框圖a) 控制原理圖 2. 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 為了克服開環(huán)比值控制系統(tǒng)的缺陷，人們

4、又發(fā)展了一種單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，它增加了對(duì)副流量的檢測(cè)，并形成一個(gè)副流量控制回路，如圖 7-2 所示，其中 、 、 和 分別為主流量檢測(cè)器、比值器、副流量檢測(cè)器和副流量控制器， 為 K 折算為電信號(hào)的值，稱為比值系數(shù)（Ratio Coefficient），即電氣比，或儀表比，稍后將談及兩者的轉(zhuǎn)換問題。1FT 2F T2F CKK圖 7-2 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)a）結(jié)構(gòu)圖b)控制方框圖 當(dāng)系統(tǒng)處在穩(wěn)態(tài)時(shí)，主、副流量穩(wěn)定，并且有 的關(guān)系。當(dāng)主流量 不變，而副流量21QKQ1Q 因干擾而變化時(shí)，閉環(huán)負(fù)反饋將克服這種干擾，使 維持不變化，此時(shí)系統(tǒng)為定值控制；當(dāng)主流量 變化時(shí)，經(jīng)主檢測(cè)器 送至比值器，按預(yù)

5、先設(shè)定的比值 K，比值器輸出作為副回路的給定，使得副流量 仍按原設(shè)定的比值變化，即 , 此時(shí)系統(tǒng)輸出 隨 的變化而變化，為隨動(dòng)控制；當(dāng)系統(tǒng)的主副流量同時(shí)被擾動(dòng)時(shí)， 副流量回路一方面克服回路中的擾動(dòng),另一方面根據(jù)新的 值，改變閥門開度，使得副流量 按原比值作出相應(yīng)變化，盡管 和 均有變化，但它們的比 不變，仍符合工藝要求。 2Q2Q2Q2Q2Q1Q1Q1Q1Q1FT21QKQ21/KQQ2Q 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)對(duì)于副流量因干擾而發(fā)生變化，有較好抵抗能力，能隨主流量的變化而及時(shí)變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)保持與主流量的比不變。但是，主流量不受約束或限制，實(shí)際中有些工藝過程對(duì)于總的物料量（主流量 + 副流量）是有限

6、制的，此時(shí)，該控制顯得不合適。 3. 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 針對(duì)單閉環(huán)比值控制主流量易受干擾而變化，以及對(duì)工藝生產(chǎn)中物料總量（負(fù)荷）有限制等問題，人們?cè)趩伍]環(huán)比值控制的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種對(duì)主流量有約束的比值控制系統(tǒng)，它就是雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。具體見圖 7-3，其中 、 分別為主流量檢測(cè)器和控制器， 、 分別為副流量檢測(cè)器和控制器，K、 分別為副主流量的工藝比與電氣比。 1FT1FC2F T2F CKa) 控制流程圖b）控制方框圖圖 7-3 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 當(dāng)主變量受干擾而變化時(shí)，一方面主流量閉環(huán)回路可進(jìn)行及時(shí)抵御，另一方面，系統(tǒng)將主流量信息通過比值器，作為副流量設(shè)定值傳遞給副回路，通過副流量

7、閉合回路，實(shí)現(xiàn)副流量（副被控量） 及時(shí)跟隨主流量變化。對(duì)于因任務(wù)要求，需主動(dòng)升或降負(fù)荷的情況，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)顯得更加方便，通過改變主流量設(shè)定 即可實(shí)現(xiàn)，副流量自動(dòng)跟隨其升或降，不用擔(dān)心比值變化的問題。2Q1R 由此可見，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)不僅能有效克服主、副流量的干擾，而且能方便地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)負(fù)荷的改變。缺點(diǎn)是該系統(tǒng)投用儀表較多、調(diào)整和維護(hù)顯得較為麻煩。 4. 變比值控制系統(tǒng) 前面介紹的比值控制系統(tǒng)的主、副流量比值關(guān)系是固定不變的，但是有些生產(chǎn)過程卻要求兩流量的比值隨第三個(gè)工藝參數(shù)的需要而變化，這就是我們所說(shuō)的變比值控制系統(tǒng)。圖 7-4 就是用除法器構(gòu)成的變比值控制系統(tǒng)。圖 7-4 變比值控制

8、系統(tǒng)控制方框圖 從上圖可以看出，變比值控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上有串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，它實(shí)際上是一個(gè)以第三參數(shù)為主被控量，以兩個(gè)流量比為副被控量的串級(jí)控制系統(tǒng)。所以，也稱它為串級(jí)比值控制系統(tǒng)?，F(xiàn)將它們的工作原理簡(jiǎn)述如下。 先看系統(tǒng)處在穩(wěn)態(tài)時(shí)的情景，此時(shí)兩流量 和 穩(wěn)定，分別經(jīng)檢測(cè)器后送至除法器，實(shí)施 ，其比值作為副回路的檢測(cè)信號(hào)傳輸給副控制器 的副輸入端，而來(lái)自主控器 的輸出 從副控制器的正輸入端輸入，此時(shí)副控制器 輸出穩(wěn)定，維持調(diào)節(jié)閥處于某一開度，實(shí)現(xiàn)主被控量 符合工藝要求。 1Q2Q21/QQc2( )Gsc( )G s2( )R sc2( )Gs( )Y s 再看出現(xiàn)擾動(dòng)的情況，當(dāng) 因擾動(dòng)而變化時(shí)

9、，除法器的輸出也變，于是 的輸出也變，閥門開度變化，使得 與 的比值恢復(fù)到穩(wěn)定時(shí) 的水平。當(dāng) 因擾動(dòng)而變化時(shí)，內(nèi)環(huán)的閉環(huán)負(fù)反饋將抵抗這種變化，維持比值不變。當(dāng)干擾引起 變化時(shí)， 也變化，它作為副回路的設(shè)定值，則會(huì)對(duì) 進(jìn)行調(diào)整，并以此來(lái)維持 穩(wěn)定。由此可以看出，流量比 經(jīng)常變化，其目的是維持主被控量 不變，通常 是產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)。1Q1Q2Q2Qc2( )Gs2( )R s2( )R s( )Y s( )Y s( )Y s21/QQ21/QQ( )Y s7.1.3 比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1. 控制方案選擇 從前面比值控制系統(tǒng)的類型看，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，可實(shí)現(xiàn)主、副流

10、量的精確比值。它對(duì)包含在副流量回路中的干擾具有較好的抵抗能力，但對(duì)于主流量的干擾卻無(wú)抵抗能力，對(duì)總的流量也無(wú)約束。所以多用于僅要求主、副流量保持合適比例的工藝場(chǎng)合；雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)可有效抵抗主、副流量頻繁受到的干擾，對(duì)負(fù)荷變化也能適應(yīng)，同時(shí)可約束或改變主、副物料總量；當(dāng)兩種物料的比值需跟隨第三參數(shù)的需要進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，可選擇變比值控制系統(tǒng)，它屬于一種動(dòng)態(tài)比值控制。 控制方案的選擇，實(shí)際上就是根據(jù)不同生產(chǎn)工藝要求、負(fù)荷變化、擾動(dòng)位置和控制目的，恰當(dāng)?shù)卮_定比值控制系統(tǒng)的類型，并由此展開具體的設(shè)計(jì)。 2. 主、副流量的確定及流量計(jì)的選擇 在過程控制中，不論維持兩流量的比值恒定，還是隨第三參數(shù)而變化

11、，都是為了保證產(chǎn)品質(zhì)量、數(shù)量或安全。但是主、副流量的確定往往需要設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)與智慧，下面幾點(diǎn)值得關(guān)注： （1）一般將生產(chǎn)過程中其主導(dǎo)作用的物質(zhì)流量選為主流量，而其它以它為準(zhǔn)，跟隨其變化的物質(zhì)流量為副流量。例如，煤氣燃燒需要空氣，一個(gè)批次的煤氣中含可燃成分是相對(duì)固定的，它需要一定比例的空氣與其搭配，才能產(chǎn)生最大熱量，這里煤氣可選為主流量。 （2）將經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的物料流量選為主流量，這樣有利于計(jì)劃生產(chǎn)，節(jié)省資源。這一點(diǎn)對(duì)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)顯得更為明顯。 （3）當(dāng)生產(chǎn)工藝對(duì)物料流量有特別要求時(shí)，主、副物料流量的確定應(yīng)服從或滿足這種要求。因?yàn)楣に囈鬀Q定控制模式，控制是為產(chǎn)品服務(wù)的。 實(shí)際生產(chǎn)中，也會(huì)

12、遇到一些特殊的情況，應(yīng)理智分析后，再確定主副流量。例如，兩種物料中，一種是可控的，另一種是不可控的，則應(yīng)選擇不可控的物料做主流量，可控物料作副流量；如果一種物料供應(yīng)充沛，另一種物料可能供應(yīng)不足，此時(shí)應(yīng)選供應(yīng)可能不足的物料作主流量。這是因?yàn)橐坏┲髁髁坎蛔?，副流量可隨之減小，從而保持比值不變。 主副流量的測(cè)量是比值控制的基礎(chǔ)，其流量計(jì)的選擇主要有量程和精度兩方面要求。一般來(lái)說(shuō)，正常被測(cè)流量應(yīng)占流量計(jì)滿量程的 70，流量計(jì)的精度應(yīng)優(yōu)于系統(tǒng)精度，具體產(chǎn)品選擇可參考有關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)與經(jīng)銷商的手冊(cè)。 3. 控制器和比值器的選擇 在比值控制系統(tǒng)中，控制器的控制規(guī)律隨比值控制類型的不同，應(yīng)有所區(qū)別。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于

13、雙閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主流量實(shí)現(xiàn)的是定值定量控制，不宜有無(wú)差，副流量應(yīng)該是按主流量的比例流淌的（從其設(shè)定可知），也不宜有差，同時(shí)還有快速性要求，所以副流量回路的控制器為 PI 或 P 控制規(guī)律；按照雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中副流量控制器的思路，為實(shí)現(xiàn)主、副流量的比值，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的控制規(guī)律也應(yīng)是 PI；由于變比值控制系統(tǒng)實(shí)際上是一種串級(jí)控制系統(tǒng)，所以依據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律，主控制器應(yīng)為 PI 或 PID 控制規(guī)律，副控制器可用P 控制規(guī)律。 比值器作為一種特殊的控制器，本質(zhì)上是一個(gè)運(yùn)算器運(yùn)算器，實(shí)現(xiàn)特定的乘法或除法功能，通常有相乘和相除兩種實(shí)現(xiàn)方法（稍后介紹），工程上可選用比值器、乘法器或除

14、法器等儀表來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果采用計(jì)算機(jī)來(lái)處理，可通過乘或除運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。 4. 由工藝比到儀表比的折算 這是比值控制中一個(gè)特有的問題，它是將生產(chǎn)工藝中的流量（或質(zhì)量）比 K，換算成儀表比（或稱電氣比） （比值系數(shù)），并正確地設(shè)置在相應(yīng)的儀表上，以便控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在主要使用 DDZ- 型組合儀表，當(dāng)流量為 時(shí)，變送器輸出為 420 mA DC。這里分兩種情況來(lái)討論。 Kmax0Q （1）流量與檢測(cè)器輸出信號(hào)之間為線性關(guān)系 如果選用線性流量計(jì)，比如轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)或橢圓齒輪流量計(jì)等測(cè)量流量時(shí)，變送器輸出信號(hào)與被測(cè)流量之間是線性關(guān)系，下面看這種情況下的工藝比與儀表比之間的關(guān)系。 由于流量為 時(shí)，流

15、量計(jì)的變送器輸出信號(hào)為 420 mA DC，所以，有 max0Q111max164QIQ222max164QIQ， 其中， 和 分別為主流量和副流量， 和 分別為主流量和副流量的最大刻度值， 和 分別為主流量計(jì)和副流量計(jì)的輸出電流值。于是有1Q2Q1maxQ2maxQ1I2I1max11416QIQ2max22416QIQ （7-1）（7-2） 由工藝比定義，并將式（7-1）和（7-2）代入，有2max2max22111max1max44QQQIKKQIQQ這里有1max212max44QIKKIQ （7-3）式（7-3）中的 即為儀表比（或電氣比），它與工藝比之間的關(guān)系就是式（7-3）。 K

16、 （2）流量與檢測(cè)器輸出信號(hào)之間為非線性關(guān)系 用差壓流量計(jì)測(cè)量流量，并且輸出未經(jīng)開方處理時(shí)，流量與檢測(cè)器兩端的壓差的關(guān)系為QCp其中 C 為差壓流量計(jì)的比例系數(shù)。由差壓檢測(cè)器原理可知，當(dāng)流量為 時(shí)，差壓為0 ，流量檢測(cè)器的變送器輸出為 420 mA DC，當(dāng)流量為 Q 時(shí)，檢測(cè)器輸出信號(hào)則為maxpmax0Q2max164QIQ于是有1max2211416IQQ2max2222416IQQ， 由工藝比定義，有22222max2max222111max1max44QQQIKkQIQQ這里有221max212max44QIKKIQ 其中， 為測(cè)量主流量 時(shí)，主檢測(cè)儀表最大刻度值， 為測(cè)量副流量 時(shí)

17、，副檢測(cè)儀表最大刻度值， 和 的含義同上。由此可見，流量檢測(cè)中的儀表比與工藝比之間不是線性關(guān)系。 1maxQ1Q2maxQ2Q1I2I7.1.4 比值控制系統(tǒng)的實(shí)施與參數(shù)整定比值控制系統(tǒng)的實(shí)施與參數(shù)整定 1. 比值器的實(shí)現(xiàn) 比值器的作用是實(shí)現(xiàn) ，或 。然而，工藝上的訴求需要儀表或電氣技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，前面已經(jīng)談到從工藝比到儀表比 的轉(zhuǎn)化，這里進(jìn)一步說(shuō)說(shuō)比值器的實(shí)施?，F(xiàn)有兩種方法，一是相乘法，二是相除法。21/QQK21QKQK 先將 測(cè)量出來(lái)，然后乘以儀表比 ，其積 （輸出）作為流量 的給定值，控制實(shí)際流量 ，這就是相乘法，如圖 7-5 所示。前面介紹的單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)就是這種；將兩個(gè)流量 和 都

18、測(cè)量出來(lái)，經(jīng)除法器 后，輸出的商 就是比值的測(cè)量值，如圖 7-6 所示。上面介紹的變比值控制系統(tǒng)中的比值器用的就是這一方案。1Q1Q2Q2QK1K Q 2Q21/QQK 2. 控制器參數(shù)整定 因比值控制系統(tǒng)的類型不同，作用或功能有異，從而導(dǎo)致相應(yīng)控制器的參數(shù)整定有所區(qū)別。一般來(lái)說(shuō)，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中的副流量回路，以及變比值控制系統(tǒng)中的變比值回路（二次回路）均為隨動(dòng)控制，它們將隨主流量或第三參數(shù)的變化而變化，跟隨 的快速性顯得尤為重要，其控制器的參數(shù)整定不按 41 的衰減過程進(jìn)行，輸出不宜振蕩，以處在振蕩與不振蕩的邊界為好；雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中的主流量控制器、變比值控制系統(tǒng)

19、中的主控制器應(yīng)按定值控制進(jìn)行參數(shù)整定，可按前章單閉環(huán)控制系統(tǒng)參數(shù)整定和串級(jí)控制系統(tǒng)主控制器參數(shù)整定法進(jìn)行。圖7-5 相乘方案圖7-6 相除方案7.1.5 比值控制的應(yīng)用舉例比值控制的應(yīng)用舉例 比值控制的例子很多，下面看一個(gè)關(guān)于變比值控制系統(tǒng)的應(yīng)用。 在有些工廠排除的廢液中，含有堿，如果將其直接排入江河湖泊中，會(huì)造成環(huán)境污染的不良后果。由于廢液中堿含量不高，也無(wú)回收價(jià)值。為此，在廢液中加入適量酸，可將其中和為中性的無(wú)害液體（ ），然后再排放。這樣可避免污染、保護(hù)環(huán)境。鑒于廢液中堿的濃度 pH7是變化的，為了保證最終質(zhì)量指標(biāo) ，需設(shè)計(jì)一個(gè)變比值的控制系統(tǒng)來(lái)解決此問題，具體見圖7-7。其中，pHT、

20、pHC、 、 、 和分別為 pH 值檢測(cè)器、pH 值控制器、廢堿液流量計(jì)、酸液流量計(jì)、酸液控制器和乘法器。pH71FT2F T2F C圖7-7 廢堿液的 pH 控制 廢堿液 與加入酸 的流量比，將隨第三參數(shù) pH 值的變化由比值器自動(dòng)調(diào)整。穩(wěn)態(tài)時(shí)，有 ， 。當(dāng)廢堿液 受到擾動(dòng)時(shí)，比值回路改變 ，使得 不變， 。當(dāng) 或 的濃度變化時(shí)，將改變 pH 值，經(jīng)第三參數(shù) pH 的反饋，其控制器 pHC 輸出發(fā)生變化，改變了比值設(shè)定，使得在新流量比下，仍有 。這里質(zhì)量指標(biāo)是 ，它是廢堿液變中性的體現(xiàn)。相應(yīng)的控制方框圖如圖 7-8 所示，其中， 為 ， 為 ， 為 pHT， 為1Q2Q2Q1Q21/QQKp

21、H721/QQKpH7pH7pH7m1( )Gsm2( )Gsm( )Gsc( )G s1Q2Q1FT2F T7.2 均勻控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)pHC， 為 ， 為調(diào)節(jié)閥， 為酸流量對(duì)象， 為處理罐。c2( )Gsv( )Gso2( )G so( )G s2F C圖 7-8 廢堿液 pH 控制方框圖7.2.1 均勻控制的提出及其概念均勻控制的提出及其概念 均勻控制是針對(duì)生產(chǎn)過程中一些彼此不協(xié)調(diào)的工藝過程提出來(lái)的。下面通過一個(gè)具體的生產(chǎn)過程，引出均勻控制系統(tǒng)的概念，并由此展開討論均勻控制的相關(guān)問題。 圖 7-8 是前后串聯(lián)的精餾塔過程控制示意圖，過程工藝中前一塔的出料是后一塔的進(jìn)料，中間用一根管道

22、將其連接起來(lái)。為了保證分餾過程的順利進(jìn)行，要求 1 號(hào)塔（前塔）釜內(nèi)的液位穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，所以設(shè)置了液位控制子系統(tǒng)。另外，2 號(hào)精餾塔（后塔）希望進(jìn)料平穩(wěn) ,于是設(shè)置了流量控制子系統(tǒng)。圖7-8 雙塔串聯(lián)分離過程控制示意圖 假如 1 號(hào)塔液位穩(wěn)定后突然受擾而使塔釜內(nèi)液位上升，液位控制子系統(tǒng)將增大調(diào)節(jié)閥1 的開度，使出料量大增，力圖使液位回復(fù)原穩(wěn)定液位。由于 1 號(hào)塔的出料就是 2 號(hào)塔的進(jìn)料，所以引起 2 號(hào)塔進(jìn)料增加。此時(shí)流量控制子系統(tǒng)將發(fā)出指令，使 2 號(hào)塔的進(jìn)料調(diào)節(jié)閥關(guān)小，企圖維持原穩(wěn)定時(shí)的進(jìn)料流量變化范圍。至此，1 號(hào)調(diào)節(jié)閥開大，2 號(hào)調(diào)節(jié)閥關(guān)小，而兩個(gè)閥同在一條管路上，控制的結(jié)果造成

23、了物料輸出和進(jìn)入的矛盾狀態(tài)，工藝上的不合理，直接導(dǎo)致控制失敗。 為了解決這一物料出進(jìn)的矛盾，有人想在前后兩塔連接管段，增加一個(gè)緩沖設(shè)備，即儲(chǔ)槽。但是，增加緩沖設(shè)備，不僅增大投資，增加物料傳送途中的能量損耗，而且有些生產(chǎn)過程不允許物料中途停頓，否則，可能導(dǎo)致中間物料的聚合或分解。于是，生產(chǎn)工藝上需要一種控制方式或系統(tǒng)，來(lái)解決這種前后設(shè)備在物料傳輸上的矛盾、協(xié)調(diào)控制問題，這就是均勻控制系統(tǒng)（Homogeneous / Uniform Control System）。 所謂均勻控制系統(tǒng)，是指在生產(chǎn)過程中，針對(duì)兩個(gè)被控參數(shù)在控制中既有聯(lián)系又有抵觸的現(xiàn)象，實(shí)施一種旨在緩解矛盾、相互協(xié)調(diào)的過程調(diào)整行為的裝

24、置。雖然控制效果沒有達(dá)到像單個(gè)參數(shù)控制系統(tǒng)那樣精準(zhǔn)，但也能做到兼顧彼此、輸出相對(duì)平穩(wěn)、且在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。顯然，這是一種特定環(huán)境中的特殊要求，在某些工藝過程控制中有一定的應(yīng)用需求。 對(duì)于上面串聯(lián)精餾塔控制來(lái)說(shuō)，均勻控制就是要同時(shí)兼顧液位和流量控制，協(xié)調(diào)顧此失彼的矛盾，使其在一定范圍之內(nèi)緩慢變化，滿足工藝要求。當(dāng)然，這里不用通常的控制性能指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)優(yōu)劣，系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、快速性之類的指標(biāo)被放寬，但是，系統(tǒng)的穩(wěn)定性還是應(yīng)該堅(jiān)守的。具體來(lái)說(shuō)，假如將圖 7-8 中的液位控制得比較平穩(wěn)，而流量波動(dòng)卻較大，如圖 7-9 a)所示（其中 H 為液位，Q 為流量），或者像圖 7-9 b) 那樣，流量控制得

25、比較平穩(wěn)，而液位卻起伏較大，這兩種情況都不是好的均勻控制效果。但是，液位和流量像圖 7-9 c) 那樣，緩慢地在緩慢地在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，一定范圍內(nèi)波動(dòng)，就是較為合適的均勻控制響應(yīng)曲線。在這里，液位和流量并不要求固定在某一值上。7.2.2 均勻控制系統(tǒng)的常見類型均勻控制系統(tǒng)的常見類型 1. 簡(jiǎn)單均勻控制 圖 7-10 為液位簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)示意圖，從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，它與單回路液位控制系統(tǒng)沒有什 圖 7-9 液位、流量變化曲線 c)b)a)么差異。但是，它在控制理念、參數(shù)整定和控制效果上都不同。該系統(tǒng)要求控制器用較為平緩的方式，使液位在規(guī)定的范圍內(nèi)，緩慢變化。因此，控制器一般選用比例控制規(guī)律，并且比例

26、度也整定得較大（100），有時(shí)為了限制余差超過工藝允許的范圍，也考慮引入積分，但其時(shí)間常數(shù)通常整定得比較大，以削弱積分的作用。 圖 7-10 簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng) 簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整定方便、成本較低，適用于擾動(dòng)較小、控制要求不高的場(chǎng)合。 2. 串級(jí)均勻控制 上面簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)中流過調(diào)節(jié)閥的流量除了受到 1 號(hào)塔液位影響外，還受閥門前后壓力差變化的影響，假如 2 號(hào)塔對(duì)流入的物料流量也有平穩(wěn)、可控之類的要求，那么，簡(jiǎn)單的均勻控制就難以滿足要求。此時(shí)可考慮在簡(jiǎn)單均勻控制的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)流量控制回路，構(gòu)成類似于串級(jí)控制系統(tǒng)的串級(jí)均勻控制系統(tǒng) (Cascade Homogeneous

27、 Control System)，如圖 7-11 所示。 圖 7-11 串級(jí)均勻控制系統(tǒng) 在這里，引入串級(jí)控制的形式不是為了提高液位控制精度，而是為了塔釜液位與流出調(diào)節(jié)閥流量（即進(jìn)入 2 號(hào)塔流量）的均勻協(xié)調(diào)。當(dāng)然，這里流量副回路與串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路有 相同的功能，它可在兩塔壓力波動(dòng)時(shí)，快速克服其對(duì)流量的影響，盡快使流量調(diào)回到給定值，同時(shí)減小對(duì)前塔液位的影響。 當(dāng)流量副回路受到干擾，以及液位主回路受到干擾后，系統(tǒng)的調(diào)整過程，大體與串級(jí)控制系統(tǒng)相似，只是在主被控量的變化上，緩慢而相對(duì)平穩(wěn)。這主要是通過對(duì)主、副控制器參數(shù)整定來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 一般說(shuō)來(lái)，串級(jí)均勻控制系統(tǒng)的主控制器可選用 P 控制規(guī)律，允

28、許在給定值許可范圍的上下有所波動(dòng)。如果對(duì)波動(dòng)范圍有限制，或者要消除余差，可用PI控制器，以防主被控量液位可能突破限定的范圍，進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量。副控制器通常用P控制規(guī)律，如果對(duì)副被控量有較高要求，也可考慮 PI 控制律。 3. 雙沖量均勻控制 這種均勻控制系統(tǒng)是在上面串級(jí)均勻控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的，去掉了一個(gè)主控制器，增加了一個(gè)加法器，將液位與流量?jī)蓚€(gè)測(cè)量信號(hào)，通過相加運(yùn)算后作為控制器的測(cè)量值。圖7-12展示了其結(jié)構(gòu)情況，圖 7-13 表示其控制系統(tǒng)方框圖。 圖 7-12 精餾塔液位與流出雙沖量均勻控制結(jié)構(gòu)圖圖 7-13 雙沖量均勻控制系統(tǒng)方框圖 如果采用氣動(dòng)單元組合儀表（QDZ）來(lái)組成系統(tǒng)

29、，則加法器穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出為OHQSPPPPC其中， 為液位檢測(cè)器輸出， 為流量檢測(cè)器輸出， 為定值器輸出，C 為加法器彈簧系數(shù)。這里的負(fù)號(hào)表示液位增高與流量增大（排出）互為相反變化方向。HPQPSP 調(diào)節(jié) C 和 值，使 ，調(diào)節(jié)閥處于適當(dāng)開度。當(dāng)液位受擾上升時(shí)(流量正常)， 增大，由于設(shè)定控制器為正作用方式，所以控制器輸出增大，驅(qū)動(dòng)流量增大，使液位恢復(fù)正常；當(dāng)流量受擾增大時(shí)（液位正常）， 減小，所以控制器輸出減小，從而使閥門關(guān)小，流量減小而恢復(fù)正常。SPO0.06MPaP OPOP 如果采用 DDZ- 型儀表，可不用定值器，則加法器的輸出為OHQIII其中， 和 分別為液位檢測(cè)器輸出電流和流量檢測(cè)器輸出電流。 HIQI 雙沖量（即雙變量）均勻控制系統(tǒng)雖然具有串級(jí)控制系統(tǒng)的一些特點(diǎn)，但參數(shù)整定大體上按簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)的整定方法進(jìn)行，同時(shí)兼顧液位與流量的協(xié)調(diào)變化。7.2.3 均勻控制器參數(shù)整定均勻控制器參數(shù)整定 關(guān)于串級(jí)比值控制系統(tǒng)控制器的控制規(guī)律選擇，上面已經(jīng)