5比值控制系统 (2).ppt

1、1,过程控制Process Control,上篇 过程控制系统 第5章 比值控制系统,2,本章要点 比值控制系统的概念 比值控制系统的类型 比值控制系统的设计与整定 比值控制系统的应用 本章学习目标 掌握比值控制系统的基本概念及作用 理解比值控制系统的类型及结构特点 掌握比值控制系统的设计及应用方法 了解比值控制系统的整定要求与方法,3,第5章 比值控制系统,5.1 比值控制系统概述 5.2 比值控制系统的类型 5.3 比值控制系统的设计 5.4 比值控制系统的整定 5.5 比值控制系统应用实例,4,5.1 比值控制系统概述,在现代工业生产过程中，工艺上常需要两种或 两种以上的物料流量保持一定

2、的比例关系，一旦比 例失调，就会影响生产的正常进行，影响产品质量， 浪费原料，消耗动力，造成环境污染，甚至产生生 产事故。,实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的 控制系统，称为比值控制系统。通常以保持两种或 几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之为流 量比值控制系统。,随动控制，有前馈特性,5,主物料处于主导地位的物料。主动量/主流量，用F1表示 从物料按主物料进行配比，在控制过程中随主物料而变化。 从动量/副流量，用F2表示,比值控制系统就是要实现副流量F2与主流量F1成一定的比值 关系，满足如下关系式：,6,5.2.1 开环比值控制系统,5.2 比值控制系统的类型,开环比值控制系统是

3、最简单的比值控制方案.,（a）原理图 （b） 方块图,对副流量F2本身无抗干扰能力，只能适用于副流量较平稳且 比值要求不高的场合。生产上很少采用,7,5.2.2 单闭环比值控制系统,（a）原理图 （b） 方块图,在开环比值控制系统的基础上加一个副流量的闭环控制系统。 在稳定状态下，主、副流量满足工艺要求的比值，F2/F1K。,8,单闭环比值控制系统的特点：,单闭环比值控制系统的优点是它不但能实现副流量跟随 主流量的变化而变化，而且可以克服副流量本身干扰对比值 的影响，因此主副流量的比值较为精确。它结构形式较简单， 实施起来亦较方便，所以得到广泛的应用，尤其适用于主物 料在工艺上不允许进行控制的

4、场合。,单闭环比值控制系统虽然两物料比值一定，但由于主流 量是不受控制的，所以总物料是不固定的，这对于负荷变化 幅度大，物料又直接去化学反应器的场合是不适合的。此外， 这种方案对于严格要求动态比值的场合也是不适应的。,9,单闭环比值控制系统实例：,丁烯洗涤塔的任务是用水 除去丁烯馏分所夹带的微 量乙腈。为了保证洗涤质 量，要求根据进料流量配 以一定比例的洗涤水量。,10,思考题,1、串级控制主副回路控制器的正反作用选择方法 2、串级控制参数整定方法有哪些？ 3、比值控制系统。,11,5.2.3 双闭环比值控制系统,（a）原理图 （b） 方块图,12,双闭环比值控制系统的特点：,（1）不仅实现了

5、比较精确的流量比值，而且也确保了两物料 总量基本不变。,这种方案常适用于主流量干扰频繁及工艺上不允许负荷有较大 波动或工艺上经常需要提降负荷的场合。,（2）提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量调节器的给 定值，就可以提降主流量，同时副流量也就自动跟踪提降，并 保持两者比值不变。,13,双闭环比值控制系统实例：,某溶剂厂生产中采用的二氧化碳与氧气流量的双闭环比值控制系统,采用双闭环比值控制方案时， 为防止共振的产生，对主流量 控制器的参数整定，应尽量保 证其输出为非周期变化。,注意：,14,5.2.4 变比值控制系统,按照一定工艺指标自行修正比值系数。 用除法器组成的变比值控制系统：,它实质上

6、是一个以某种质量指标X为主参数，两物料比值为 副参数的串级控制系统，所以也称串级比值控制系统。,15,变比值控制系统实例：,氧化炉是硝酸生产中的关键 设备，原料氨气和空气在混 和器内混合后经预热进入氧 化炉，氨氧化生成一氧化氮 气体，同时放出大量的热量。 稳定氧化炉操作的关键条件 是反应温度，因此氧化炉温 度可以间接表征氧化生产的 质量指标。,氧化炉温度对氨气/空气串级比值控制系统,16,5.2.5 串级和比值控制组合的系统 (定比值控制）,副流量的变化滞后于主流量， 即动态比值不能得到保证。,主、副流量控制回路对液面调节器的 动态响应基本一致，以保持动态比值。,17,5.2.6 具有逻辑关系

7、的比值控制系统,在生产过程中，有时工艺上不但要求物料量成一定的比例， 而且要求在负荷变化时，它们的提、降量有一定的先后次序。,锅炉燃烧过程带逻辑规律的串级比值控制系统,反作用,18,工作过程:,1.正常工况（稳态）时,HS,LS不起作用,2.当系统提量时（蒸汽压力减小）,3.当系统降量时（蒸汽压力增加）,锅炉燃烧过程带逻辑规律 的串级比值控制系统,19,5.3.1 主、副流量的确定 5.3.2 控制方案的选择 5.3.3 调节器控制规律的确定 5.3.4 流量变送器的选用 5.3.5 比值系数的计算 5.3.6 比值控制系统中的非线性补偿 5.3.7 比值控制系统中的动态补偿 5.3.8 比值

8、控制系统的实现,5.3 比值控制系统的设计,20,5.3.1 主、副流量的确定,原则：,(1)在生产中起主导作用的物料流量，一般选为主流量，其余的 物料流量以它为准，跟随其变化而变化，则为副流量。 (2)在生产过程中不可控的物料流量，一般选为主流量，而可控 物料流量作为副流量。 (3)在可能的情况下，选择流量较小的物料作为副流量，这样， 调节阀可以选得小一些，控制较灵活。 (4)在生产中较昂贵的物料流量可选为主流量，或者工艺上不允 许控制的物料流量作为主流量，这样可以不造成浪费或者可 以提高产量。 (5)当生产工艺有特殊要求时，主、副物料流量的确定应服从工 艺要求。,21,5.3.2 控制方案

9、的选择,控制方案选择应根据不同的生产要求进行具体分析而定， 同时还需考虑经济性原则。,单闭环比值控制：如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定， 负荷变化不大，而对总流量变化无要求，则可选择此控制方案。 双闭环比值控制：如在生产过程中，主、副流量的扰动频繁， 负荷变化较大，同时要保证主、副物料总量恒定，则可选用。 变比值控制方案：当生产要求两种物料流量的比值能灵活地随 第三参数的需要进行调节时，则可选择此方案。,22,5.3.3 调节器控制规律的确定,单闭环比值控制系统：比值器仅起比值计算作用，若用 调节器，应选P控制规律；单闭环中的调节器起比值控制 作用和使副流量相对稳定，故应选PI控制规律。

10、双闭环比值控制系统：两流量不仅要保持恒定的比值，而 且主流量要实现定值控制，其结果是副流量的设定值也是 恒定的，所以两个调节器均应选PI控制规律。 变比值控制系统：又可称为串级比值控制系统，它具有串 级控制系统的一些特点，仿效串级控制系统调节器控制规 律的选择原则，主调节器选PI或PID控制规律，副调节器 选用P控制规律。,23,5.3.4 流量变送器的选用,流量测量是比值控制的基础。各种流量计都有一定的 适用范围（一般正常流量选在满量程的70%左右），必须 正确选择使用。变送器的零点及量程的调整都是十分重要 的，具体选用时可参考有关设计资料手册。,差压式流量计是测量气体、液体和蒸汽的最常用仪

11、表。对于温度、压力变化较大，控制要求又较高的场合，应增加温度压力补偿装置。,温度、压力校正公式,Tn、Pn、Pn设计条件下被测介质的绝对温度、绝对压力和压差； T1、P1、P1工作条件下被测介质的绝对温度、绝对压力和压差。,24,5.3.5 比值系数的计算,比值控制是解决物料量之间的比例关系，工艺上规定的 比值K是指两物料的流量比（体积或重量），而目前通用的 仪表有它使用的统一信号。如电动仪表是0-10mA或4-20mA 直流电流，气动仪表是20-100kPa气压等。因此必须把工艺 规定的流量比K换算成仪表信号之间的比值系数K才能进行 比值设定。,25,思考题,1、双闭环比值控制系统有什么特点

12、？适用于那些场合？ 2、变比值控制系统与串级和比值组合控制系统有什么不同？ 3、在什么情况下需要用到具有逻辑关系的比值控制系统？ 4、比值控制系统中主副流量如何确定？,26,1. 流量与测量信号成线性关系,（a）信号范围为420mADC的电动仪表,而比值系数K为仪表信号之比,即,流量：0Fmax时，变送器输出信号：420mADC。 流量的任一中间值F1或F2所对应的输出电流信号为,生产工艺要求,Ax=(Am-A0)(Nx-N0)/(Nm-N0)+A0 AxI, Am=Im=20, A0=I0=4, Nx=F, Nm=Fmax, N0=F0=0,27,1. 流量与测量信号成线性关系,（b）信号范

13、围为20100kPa的气动仪表,变送器的转换系数为：,比值系数K为:,Ax=(Am-A0)(Nx-N0)/(Nm-N0)+A0 Axp, Am=pm=100, A0=p0=20, Nx=F, Nm=Fmax, N0=F0=0,28,当流量与测量信号成线性关系时,对于不同 信号范围的仪表 ,比值系数的计算式是一致的。,结论,29,2. 流量与测量信号成非线性关系,在使用差压式流量计测量流量而未经开方处理时，,当流量从0Fmax变化时，即压差从0pmax变化，差压 变送器的输出为420mADC，则,以DDZ-III型仪表为例：,30,结论,（1）流量比值K与比值系数K是两个不同的概念，不能混淆。

14、（2）比值系数K的大小与流量比K的值有关，也与变送器的量程 有关，但与负荷的大小无关。 （3）流量与测量信号之间有无非线性关系对计算式有直接影响， 线性关系时,非线性关系（平方根关系）时,( 4 ) 线性测量与非线性测量(平方根关系)情况下K间的关系为：,31,5.3.6 比值控制系统中的非线性补偿,比值控制系统中的非线性特性是指测量、变送器的非线性特性。当比值控制系统中采用节流装置流量测量时，流量与压差之间的非线性关系会使系统的静态放大系数随负荷变化而变化，从而影响比值控制系统的动态特性。如果在小负荷时，调节器的整定参数使系统运行在正常状态，则当负荷增大时，由于对象特性发生变化，将使系统的控

15、制质量下降，甚至不稳定。 为了解决这个问题，可以选用不同流量特性的调节阀来补偿，但根本解决方法是在差压变送器的输出端加上开方器，使最终输出信号与流量之间成线性关系。,32,5.3.7 比值控制系统中的动态补偿,某些特殊的生产工艺，要求在外界干扰作用下，主、副流量接近同步变化。为此，需要采用动态补偿器。,具有动态补偿器的单闭环比值控制系统,为实现动态比值，即副流量跟随主流量变化，无相位差， 必须满足,动态补偿器,补偿器传递函数,33,（a）未加补偿 （b）加补偿,经动态补偿与未加补偿的特性曲线比较,34,1.相乘方案,F2=KF1，作为F2流 量调节器的给定值,5.3.8 比值控制系统的实现,采

16、用乘法器构成比值控制系统，乘法器的比值系数总是小于或等于1，即,或,为了使主、副流量比值在可变范围内比值系数均可设置，在选择流量测量仪表量程时应满足,可采用比值器、分流器、乘法器、计算机等实现,35,2.相除方案,K=F2/F1，作为比值 调节器的测量值,5.3.8 比值控制系统的实现,相除方案采用除法器来实现。如果使用可编程调节器或计算机来实现，只要对两个流量信号进行除法运算即可。 在由除法器构成的比值控制系统中，仪表量程的选择应按工艺要求的最大比值进行，即满足,36,5.4 比值控制系统的整定,比值控制系统在设计、安装好以后，即可进行系统的 投运。投运前的准备工作和投运步骤与单回路控制系统

17、相同。,双闭环比值控制：主流量回路为一般定值系统，可按常规的单 回路系统进行整定。 变比值控制：因结构上是串级控制系统，故主调节器也按串级 控制系统整定。 单闭环比值控制系统、双闭环的副流量回路，变比值回路均为 随动控制系统。对于随动系统，希望从物料能迅速正确地跟随 主物料变化，且不宜有过调，也就是说，要使随动控制系统达 到振荡与不振荡的临界过程，这与一般定值控制系统的整定要 求是不一样的。,37,(1) 进行比值系数计算及现场整定。 (2) 将积分时间置于最大，调整比例度由大到小，直到系统 处于振荡与不振荡的临界过程为止。 (3) 适当放宽比例度，一般放大20左右，然后把积分时间 慢慢减小，

18、直到系统处于振荡与不振荡的临界过程或微 振荡的过程为止。,副流量整定的具体步骤：,38,5.5 比值控制系统应用实例,1.自来水消毒比值控制 2.连续铸钢过程喷水流量控制 3.工业生产废液pH控制 4.配料成分控制,39,1.自来水消毒比值控制,自来水厂将自来水供给用户之前，必须进行消毒处理。氯气是常用的消毒剂，氯气具有很强的杀菌能力，但如果用量太少，则达不到灭菌的作用，而用量太多，则会给人们饮用带来副作用，且造成浪费。为了使氯气注入自来水中的量合适，必须使氯气注入量与自来水量成一定的比值关系。,40,自来水消毒控制,41,2.连续铸钢过程喷水流量控制,在冶金工业中，为了获得一定的金属特性，从结晶器凝固 成型的钢坯需要按照预定的冷却模型进行喷水冷却。通过 对某钢厂喷水模型研究，得到1-4段喷雾水流量与拉速的 关系模型。,工艺要求拉速与流量的关系表：,42,采用四段喷冷却水流量控制，各段喷水量与钢坯拉速构成单闭环比值控制系统，不仅可提高产品