過程控制 第四章 復(fù)雜過程控制系統(tǒng)-比值控制4

§4-4比值控制§4-4-1比值控制原理§4-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計§4-4-4比值控制系統(tǒng)整定§4-4-5應(yīng)用舉例第四章復(fù)雜過程控制系統(tǒng)2023/12/171H一、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比例關(guān)系；一旦比例失調(diào)，會影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，影響產(chǎn)品質(zhì)量，浪費(fèi)動力，造成環(huán)境污染，甚至產(chǎn)生生產(chǎn)事故。如：燃燒過程中，往往要求燃料量與空氣量需按一定比例混合后送入爐膛。制藥生產(chǎn)中要求藥物和注入劑按比例混合。造紙過程中為保證紙漿濃度，要求自動控制紙漿量和水量比例。水泥配料系統(tǒng)……§4-4-1比值控制原理2023/12/172H二、比值控制的含義凡是兩個或多個變量自動維持一定比值關(guān)系的過程控制系統(tǒng)，統(tǒng)稱為比值控制系統(tǒng)。三、變量及關(guān)系主動量---起主導(dǎo)作用而又不可控的物料流量；從動量---跟隨主動量而變化的物料流量；比例系數(shù):K=Q2/Q1§4-4-1比值控制原理2023/12/173H§4-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型一、開環(huán)比值控制1、系統(tǒng)組成：如下圖所示2023/12/174H2、特點簡單、成本低；只有當(dāng)Q1變化時才起控制作用；

Q2變化時，Q1不會響應(yīng)，比例關(guān)系被破壞。3、適用場合

從動量沒有干擾的情況。

§4-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型二、單閉環(huán)比值控制1、特點:能克服開環(huán)比值方案的不足。2、系統(tǒng)組成：如下圖所示2023/12/175H§4-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型2023/12/176H3、工作過程穩(wěn)定狀態(tài)下……

主動量變化時……

從動量由于干擾而變化時……4、優(yōu)缺點優(yōu)點：不但能實現(xiàn)從動量跟隨主動量變化，而且能克服從動量本身干擾對比值的影響等。缺點：主動量不受控。5、適用場合在負(fù)荷變化不太大的場合得到廣泛應(yīng)用?！?-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型2023/12/177H三、雙閉環(huán)比值控制1、特點：能克服單閉環(huán)主動量不受控的不足。2、系統(tǒng)組成：如下圖所示§4-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型2023/12/178H§4-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型3、優(yōu)點

※對主動量實行定值控制，克服了干擾對主、從動量的影響。

※升降負(fù)荷比較方便。4、適用場合常用在主動量干擾頻繁或工藝上不允許負(fù)荷有較大的波動，或工藝上經(jīng)常需要升降負(fù)荷的場合。5、使用中的注意事項

?

防止從動量回路產(chǎn)生“共振”。

?

主、從控制器都不宜采用微分作用。2023/12/179H四、變比值控制系統(tǒng)1、方法的產(chǎn)生

在有些生產(chǎn)過程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個變量的變化而變化。

為了滿足上述生產(chǎn)工藝要求，開發(fā)并應(yīng)用變比值控制。2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：如下圖所示3、變比值控制的含義變比值控制系統(tǒng)是一個以第三個變量為主變量(質(zhì)量指標(biāo))、以兩個流量比為副變量的串級控制系統(tǒng)?！?-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型2023/12/1710H§4-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型2023/12/1711H§4-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型4、工作過程

系統(tǒng)穩(wěn)定時……

當(dāng)Q1、Q2出現(xiàn)擾動時……

當(dāng)出現(xiàn)其他擾動(如溫度、壓力、成分等變化)時……5、特點比值只是一種手段，不是最終目的，而第三變量y(t)往往是產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)。2023/12/1712H6、應(yīng)用實例§4-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型2023/12/1713H一、主、從動量的選擇1、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主、從動量的選擇（一個流量可控，另一個流量不可控）不可控的流量作為主動量，可控的流量作為從動量。2、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主、從動量的選擇（兩個流量都可控）可以掌握以下原則：①分析兩種物料的供應(yīng)情況，將有可能供應(yīng)不足的物料流量作為主動量，供應(yīng)充足的物料流量作為從動量。§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計2023/12/1714H§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計②將對生產(chǎn)負(fù)荷起關(guān)鍵作用的物料流量作為主動量。③從安全角度出發(fā)，分析兩種物料流量分別在失控情況下，看哪一種情況必須保持比值一定，就將這種情況下的那種物料流量作為主動量較為合適。2023/12/1715H二、比值系數(shù)的換算要實現(xiàn)流量比值控制，首先就必須將工藝上的流量比值K換算成儀表上的信號比值K’。換算方法隨流量與測量信號間是否成線性關(guān)系而不同。1、流量與測量信號成線性關(guān)系流量檢測信號經(jīng)過開方器后與流量信號成線性關(guān)系。對DDZ－Ⅲ型儀表，當(dāng)流量由零變至最大值Qmax時，儀表對應(yīng)的輸出信號為4～20mA（DC），則流量的任一中間值Q所對應(yīng)的輸出電流為：§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計2023/12/1716H§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計（1）則：（2）根據(jù)式（2）（3）所以儀表比值K’為：（4）2023/12/1717H

對于氣動單元組合儀表，當(dāng)流量由零變至最大值Qmax時，儀表對應(yīng)的輸出信號為0.02～0.1Mpa，則流量的任一中間值Q所對應(yīng)的輸出信號為：（5）所以儀表比值K’為：（6）§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計2023/12/1718H2、流量與測量信號成非線性關(guān)系流量與壓差的關(guān)系為：（7）

當(dāng)壓差信號是由零變到最大值△pmax時，DDZ－Ⅲ型儀表對應(yīng)的輸出信號為4～20mA（DC），氣動儀表對應(yīng)的輸出信號為0.02～0.1Mpa。對于電動儀表則：（8）§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計2023/12/1719H§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計所以（9）則有（10）得（11）2023/12/1720H三、實施方案的選擇1、應(yīng)用比值器方案DDZ-Ⅲ電動比值器（12）（13）

在流量比值穩(wěn)定操作時，控制器的測量值應(yīng)等于設(shè)定值，即

式中的K’由式（4）和（11）的換算公式求得。

比值器的輸入/輸出信號關(guān)系式為：§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計2023/12/1721H2、應(yīng)用乘法器方案乘法器的輸入/輸出信號關(guān)系式為：（14）

由于系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時，控制器的測量值I2應(yīng)等于設(shè)定值I0，將I0=I2代入式（14）得：（15）§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計2023/12/1722H

如果采用開方器，流量為線性變送時，（16）

如果沒有采用開方器，流量為非線性變送時，（17）

由于DDZ-Ⅲ電動單元組合儀表采用的標(biāo)準(zhǔn)信號為4—20mA，要保證IS在標(biāo)準(zhǔn)信號范圍內(nèi)，則要求（18）§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計2023/12/1723H§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計

所以在選擇流量檢測儀表的量程時，應(yīng)滿足（18）

假定由于儀表量程選擇的限制和工藝K的條件造成K’＞1，為了使IS在標(biāo)準(zhǔn)信號范圍內(nèi)，可將乘法器由主流量一側(cè)改接在從流量一側(cè)，不失原來的比值控制作用，如圖所示。2023/12/1724H此時，乘法器的輸入、輸出信號關(guān)系式為：（19）

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，，代入（15）得：

（21）

利用此方法解決了設(shè)定值電流的設(shè)置問題?！?-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計2023/12/1725H3、應(yīng)用除法器方案利用乘法器實現(xiàn)的單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)如圖所示。由于乘法器的輸出是兩流量的比值，可直接顯示。使用時注意事項：乘法器總是用小信號除以大信號對于從動量控制回路而言，乘法器被包括在回路當(dāng)中，乘法器的非線性對控制系統(tǒng)品質(zhì)將會造成影響?！?-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計2023/12/1726H四、開方器的選擇在用差壓法測量流量時，測量信號與流量的關(guān)系為：（22）它的靜態(tài)放大系數(shù)為：（23）

由式（23）可知，k正比于流量，即隨著負(fù)荷的增大而增大。從而影響系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。

采用開方器后，靜態(tài)放大系數(shù)與負(fù)荷大小無關(guān)，系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)將不受其影響?！?-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計2023/12/1727H五、從動量對主動量的動態(tài)跟蹤當(dāng)系統(tǒng)除了要求靜態(tài)比值恒定外，還要求動態(tài)比值一定。為此，在單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中，于比值器的后面引入一個動態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)GZ，如圖所示。§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計2023/12/1728H

要做到從動量Q2對主動量Q1的動態(tài)跟蹤，即保持二者的比值關(guān)系不變，則（24）

對于比值器，其傳遞函數(shù)為Gk（s）則（25）式（25）即為嚴(yán)格的動態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)?！?-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計2023/12/1729H一、變比值控制系統(tǒng)其主控制器的參數(shù)整定可按串級控制系統(tǒng)進(jìn)行。二、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)1、由K到K′，按照K′進(jìn)行投運(yùn)；2、將TI=∞，由大到小逐漸改變比例度δ，直到在階躍干擾下過渡過程處于振蕩與不振蕩的臨界過程（非周期臨界情況）為止。3、如果TI≠∞，在適當(dāng)放寬比例度（一般為20%）的情況下，緩慢地減小積分時間，直到出現(xiàn)非周期臨界情況或稍有一點過調(diào)為止?！?-4-4比值控制系統(tǒng)整定2023/12/1730H§4-4-4比值控制系統(tǒng)整定三、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中的主動量回路控制器是定值控制系統(tǒng)，可按單回路定值控制系統(tǒng)進(jìn)行整定（為非周期過程）。2023/12/1731H例1：如圖所示為單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，試問：（1）系統(tǒng)中為什么要加開方器？（2）為什么說該系統(tǒng)對主物料來說是開環(huán)的，而對從物料來說是一個隨動控制系統(tǒng)？（3）如果其后續(xù)設(shè)備對從物料來說是不允許斷料的，試選擇調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)型式；（4）確定FC的正、反作用。KFCQ1Q2因為節(jié)流裝置的輸出差壓信號是與流量的平方成比例的，加開方器后，使其輸出信號與流量成線性關(guān)系因為主物料只測量，不控制，故是開環(huán)的。從物料FC的給定值是隨主物料的流量變化而變化，要求從物料流量亦隨主物料流量變化而變化，故為隨動控制系統(tǒng)。氣關(guān)型正作用§4-4-5應(yīng)用舉例2023/12/1732H例2：某化學(xué)反應(yīng)器要求參與反應(yīng)的A、B兩種物料保持一定的比值，其中A物料供應(yīng)充足，而B物料受生產(chǎn)