培訓(xùn)課件過程控制第四章復(fù)雜過程控制系統(tǒng)比值控制

0.01§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)雜過程控制系統(tǒng)0.02一、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(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(dòng)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0.03二、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0.04§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0.052、特點(diǎn)

簡單、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、適用場合

從動(dòng)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(diǎn):能克服開環(huán)比值方案的不足。2、系統(tǒng)組成：如下圖所示0.06§4-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型0.073、工作過程

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、適用場合在負(fù)荷變化不太大的場合得到廣泛應(yīng)用。§4-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型0.08三、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0.09§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。0.010四、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(gè)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(gè)以第三個(gè)變量為主變量(質(zhì)量指標(biāo))、以兩個(gè)流量比為副變量的串級(jí)控制系統(tǒng)?！?-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型0.011§4-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型0.012§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(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)。0.0136、應(yīng)用實(shí)例§4-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型0.014一、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：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(dòng)量，供應(yīng)充足的物料流量作為從動(dòng)量?！?-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)0.015§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)②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。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(dòng)量較為合適。0.016二、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’。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)過開方器后與流量信號(hào)成線性關(guān)系。對(duì)DDZ－Ⅲ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4～20mA（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)0.017§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）0.018

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0.02～0.1Mpa，則流量的任一中間值Q所對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為：（5）所以儀表比值K’為：（6）§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)0.0192、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－Ⅲ型儀表對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為4～20mA（DC），氣動(dòng)儀表對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為0.02～0.1Mpa。對(duì)于電動(dòng)儀表則：（8）§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)0.020§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)所以（9）則有（10）得（11）0.021三、實(shí)施方案的選擇1、應(yīng)用比值器方案DDZ-Ⅲ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)0.0222、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)0.023

如果采用開方器，流量為線性變送時(shí)，（16）

如果沒有采用開方器，流量為非線性變送時(shí)，（17）

由于DDZ-Ⅲ電動(dòng)單元組合儀表采用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為4—20mA，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)0.024§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K’＞1，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)，不失原來的比值控制作用，如圖所示。0.025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)置問題?！?-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)0.0263、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?！?-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)0.027四、開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(dòng)態(tài)品質(zhì)將不受其影響?！?-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)0.028五、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，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?！?-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)0.029

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)0.030一、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(shí)間，直到出現(xiàn)非周期臨界情況或稍有一點(diǎn)過調(diào)為止?！?-4-4比值控制系統(tǒng)整定0.031§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（為非周期過程）。0.032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(duì)主物料來說是開環(huán)的，而對(duì)從物料來說是一個(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?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0.033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