過(guò)程控制第四章復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)-比值控制4

1、28.03.2021,1,4-4 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(jì) 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(guò)程控制系統(tǒng),28.03.2021,2,一、方法的產(chǎn)生 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(huì)影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，影響產(chǎn)品質(zhì)量，浪費(fèi)動(dòng)力，造成環(huán)境污染，甚至產(chǎn)生生產(chǎn)事故。如： 燃燒過(guò)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(guò)程中為保證紙漿濃度，要求自動(dòng)控制紙漿量和水量比例。 水泥配料系統(tǒng),4-4-1

2、 比值控制原理,28.03.2021,3,二、比值控制的含義 凡是兩個(gè)或多個(gè)變量自動(dòng)維持一定比值關(guān)系的過(guò)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(dòng)量-起主導(dǎo)作用而又不可控的物料流量； 從動(dòng)量-跟隨主動(dòng)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,28.03.2021,4,4-4-2 比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型,一、開(kāi)環(huán)比值控制 1、系統(tǒng)組成：如下圖所示,28.03.2021,5,2、特點(diǎn) 簡(jiǎn)單、成本低； 只有當(dāng)Q1變化時(shí)才起控制作用； Q2變化時(shí)，Q1不會(huì)響應(yīng)，比例關(guān)系被破壞。 3、適用場(chǎng)合 從動(dòng)量沒(méi)有干擾的情況。,4-4-2 比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型,二

3、、單閉環(huán)比值控制 1、特點(diǎn): 能克服開(kāi)環(huán)比值方案的不足。 2、系統(tǒng)組成：如下圖所示,28.03.2021,6,4-4-2 比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型,28.03.2021,7,3、工作過(guò)程 穩(wěn)定狀態(tài)下 主動(dòng)量變化時(shí) 從動(dòng)量由于干擾而變化時(shí) 4、優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：不但能實(shí)現(xiàn)從動(dòng)量跟隨主動(dòng)量變化，而且能克服從動(dòng)量本身干擾對(duì)比值的影響等。 缺點(diǎn)：主動(dòng)量不受控。 5、適用場(chǎng)合 在負(fù)荷變化不太大的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。,4-4-2 比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型,28.03.2021,8,三、雙閉環(huán)比值控制 1、特點(diǎn)：能克服單閉環(huán)主動(dòng)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,28.03

4、.2021,9,4-4-2 比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型,3、優(yōu)點(diǎn) 對(duì)主動(dòng)量實(shí)行定值控制，克服了干擾對(duì)主、從動(dòng)量的影響。 升降負(fù)荷比較方便。 4、適用場(chǎng)合 常用在主動(dòng)量干擾頻繁或工藝上不允許負(fù)荷有較大的波動(dòng)，或工藝上經(jīng)常需要升降負(fù)荷的場(chǎng)合。 5、使用中的注意事項(xiàng) 防止從動(dòng)量回路產(chǎn)生“共振”。 主、從控制器都不宜采用微分作用。,28.03.2021,10,四、變比值控制系統(tǒng) 1、方法的產(chǎn)生 在有些生產(chǎn)過(guò)程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個(gè)變量的變化而變化。 為了滿足上述生產(chǎn)工藝要求，開(kāi)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(gè)以第三個(gè)變量為主變量(質(zhì)量指

5、標(biāo))、以兩個(gè)流量比為副變量的串級(jí)控制系統(tǒng)。,4-4-2 比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型,28.03.2021,11,4-4-2 比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型,28.03.2021,12,4-4-2 比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型,4、工作過(guò)程 系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí) 當(dāng)Q1、Q2出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí) 當(dāng)出現(xiàn)其他擾動(dòng)(如溫度、壓力、成分等變化)時(shí) 5、特點(diǎn) 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)。,28.03.2021,13,6、應(yīng)用實(shí)例,4-4-2 比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型,28.03.2021,14,一、主、從動(dòng)量的選擇 1、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主、從動(dòng)量的選擇 （一個(gè)流量可控，另一個(gè)流量不可控） 不可控的流

6、量作為主動(dòng)量，可控的流量作為從動(dòng)量。 2、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主、從動(dòng)量的選擇（兩個(gè)流量都可控） 可以掌握以下原則： 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(dòng)量，供應(yīng)充足的物料流量作為從動(dòng)量。,4-4-3 比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),28.03.2021,15,4-4-3 比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì), 將對(duì)生產(chǎn)負(fù)荷起關(guān)鍵作用的物料流量作為主動(dòng)量。 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(dòng)量較為合適。,28.03.2021,16,二、比值系數(shù)的換算 要實(shí)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(hào)比值K。

7、換算方法隨流量與測(cè)量信號(hào)間是否成線性關(guān)系而不同。 1、流量與測(cè)量信號(hào)成線性關(guān)系 流量檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)開(kāi)方器后與流量信號(hào)成線性關(guān)系。 對(duì)DDZ型儀表，當(dāng)流量由零變至最大值Qmax時(shí)，儀表對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為420mA（DC），則流量的任一中間值Q所對(duì)應(yīng)的輸出電流為：,4-4-3 比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),28.03.2021,17,4-4-3 比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),（1）,則：,（2）,根據(jù)式（2）,（3）,所以儀表比值K為：,（4）,28.03.2021,18,對(duì)于氣動(dòng)單元組合儀表，當(dāng)流量由零變至最大值Qmax時(shí)，儀表對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為0.020.1Mpa，則流量的任一中間值Q所對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為：,（5）,所以儀表

8、比值K為：,（6）,4-4-3 比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),28.03.2021,19,2、流量與測(cè)量信號(hào)成非線性關(guān)系 流量與壓差的關(guān)系為：,（7）,當(dāng)壓差信號(hào)是由零變到最大值pmax時(shí)，DDZ型儀表對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為420mA（DC），氣動(dòng)儀表對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為0.020.1Mpa。,對(duì)于電動(dòng)儀表則：,（8）,4-4-3 比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),28.03.2021,20,4-4-3 比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),所以,（9）,則有,（10）,得,（11）,28.03.2021,21,三、實(shí)施方案的選擇 1、應(yīng)用比值器方案,DDZ- 電動(dòng)比值器,（12）,（13）,在流量比值穩(wěn)定操作時(shí)，控制器的測(cè)量值應(yīng)等于設(shè)定值，即,式中

9、的K由式（4）和（11）的換算公式求得。,比值器的輸入/輸出信號(hào)關(guān)系式為：,4-4-3 比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),28.03.2021,22,2、應(yīng)用乘法器方案,乘法器的輸入/輸出信號(hào)關(guān)系式為：,（14）,由于系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，控制器的測(cè)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(jì),28.03.2021,23,如果采用開(kāi)方器，流量為線性變送時(shí)，,（16）,如果沒(méi)有采用開(kāi)方器，流量為非線性變送時(shí)，,（17）,由于DDZ-電動(dòng)單元組合儀表采用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為420mA，要保證IS在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)范圍內(nèi)，則要求,（18）,4-4-3 比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),28.03.202

10、1,24,4-4-3 比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),所以在選擇流量檢測(cè)儀表的量程時(shí)，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K1，為了使IS在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(lái)的比值控制作用，如圖所示。,28.03.2021,25,此時(shí)，乘法器的輸入、輸出信號(hào)關(guān)系式為：,（19）,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)， ，代入（15）得：,（21）,利用此方法解決了設(shè)定值電流的設(shè)置問(wèn)題。,4-4-3 比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),28.03.2021,26,3、應(yīng)用除法器方案 利用乘法器實(shí)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(shí)注意事項(xiàng)： 乘法器總

11、是用小信號(hào)除以大信號(hào) 對(duì)于從動(dòng)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(duì)控制系統(tǒng)品質(zhì)將會(huì)造成影響。,4-4-3 比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),28.03.2021,27,四、開(kāi)方器的選擇 在用差壓法測(cè)量流量時(shí)，測(cè)量信號(hào)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(dòng)態(tài)品質(zhì)。,采用開(kāi)方器后，靜態(tài)放大系數(shù)與負(fù)荷大小無(wú)關(guān)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)將不受其影響。,4-4-3 比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),28.03.2021,28,五、從動(dòng)量對(duì)主動(dòng)量的動(dòng)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(dòng)態(tài)比值一定。為此，在單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中

12、，于比值器的后面引入一個(gè)動(dòng)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(jì),28.03.2021,29,要做到從動(dòng)量Q2對(duì)主動(dòng)量Q1的動(dòng)態(tài)跟蹤，即保持二者的比值關(guān)系不變，則,（24）,對(duì)于比值器，其傳遞函數(shù)為 Gk（s）,則,（25）,式（25）即為嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。,4-4-3 比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),28.03.2021,30,一、變比值控制系統(tǒng) 其主控制器的參數(shù)整定可按串級(jí)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，直到在階躍干擾下過(guò)渡過(guò)程處于振蕩與不振蕩的臨界過(guò)程（非周期臨界情況）為止

13、。 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(shí)間，直到出現(xiàn)非周期臨界情況或稍有一點(diǎn)過(guò)調(diào)為止。,4-4-4 比值控制系統(tǒng)整定,28.03.2021,31,4-4-4 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(dòng)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(guò)程）。,28.03.2021,32,例1：如圖所示為單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，試問(wèn)： （1）系統(tǒng)中為什么要加開(kāi)方器？ （2）為什么說(shuō)該系統(tǒng)對(duì)主物料來(lái)說(shuō)是開(kāi)環(huán)的，而對(duì)從物料來(lái)說(shuō)是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)？ （3）如果其后續(xù)設(shè)備對(duì)從物料來(lái)說(shuō)是不允許斷料的，試選擇調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)型式； （4）確定FC的正、反作用。,因?yàn)楣?jié)流裝置的輸出差壓信號(hào)是與流量的平方成比例的，加開(kāi)方器后，使其輸出信號(hào)與流量成線性關(guān)系,因?yàn)橹魑锪现粶y(cè)量，不控制，故是開(kāi)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(dòng)控制系統(tǒng)。,氣關(guān)型,正作用,4-4-5 應(yīng)用舉例,28.03.2021,33,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(niǎo)物料受生產(chǎn)負(fù)