第4章 (比值、均勻、前饋)過(guò)程控制課件

第4章其它控制系統(tǒng)4-6均勻控制系統(tǒng)

一﹑均勻控制的目的和要求在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中,前一設(shè)備的出料往往是后一設(shè)備的進(jìn)料,且隨生產(chǎn)的進(jìn)一步強(qiáng)化,前后生產(chǎn)過(guò)程的聯(lián)系更加緊密,.例如,用精餾方法分離多組分的混合物時(shí),總是幾個(gè)塔串聯(lián)運(yùn)行;在石油裂解氣深冷分離的乙稀裝置中,前后串聯(lián)了八個(gè)塔進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn).為保證這些相互串聯(lián)的塔能正常地連續(xù)生產(chǎn),每一個(gè)塔都要求進(jìn)入塔的流量保持在一定的范圍內(nèi),同時(shí)也要求塔底液位不能過(guò)高或過(guò)低.第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制下圖表示兩個(gè)串聯(lián)的精餾塔獨(dú)立設(shè)置控制系統(tǒng).兩個(gè)獨(dú)立甲塔乙塔運(yùn)行的單回路液位控制系統(tǒng)和流量控制系統(tǒng)工作時(shí)是相互矛盾的.為解決矛盾,可在兩塔之間增設(shè)中間緩沖容器來(lái)克服,但這增加了投資且對(duì)于某些生產(chǎn)連續(xù)性很強(qiáng)的過(guò)程又不允許中間儲(chǔ)存的時(shí)間過(guò)長(zhǎng),因此還需從自動(dòng)化方案的設(shè)計(jì)上尋求解決的方法.均勻控制就是一種解決方案.均勻控制系統(tǒng)把液位﹑流量統(tǒng)一在一個(gè)控制系甲塔統(tǒng)中,如左圖所示.所謂均勻控制系統(tǒng)是指兩個(gè)工藝參數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)能緩慢地﹑均勻地變化,使前后設(shè)備在物料供求上相互兼顧﹑均勻協(xié)調(diào)的系統(tǒng).第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制均勻控制的特點(diǎn)是表征前后供求矛盾的兩個(gè)參數(shù)各自允許在規(guī)定范圍內(nèi)緩慢地變化.

二﹑均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案

(一)簡(jiǎn)單均勻方案下圖即為液位和流量的簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)的例子.甲塔從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式上看,它與單回路液位定值控制系統(tǒng)一樣,但兩者控制目的不同,所以在控制器的參數(shù)整定上也不同.下面分三種情況說(shuō)明.第一種情況,控制器的較大,即控制作用較強(qiáng),在干擾作用下液位偏離給定值時(shí),控制器給出強(qiáng)有力的控制作用,使液位迅速回到給定值,且余差很小,但流量發(fā)生較大的波動(dòng).如右圖所示.第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制第二種情況,控制器的很小,即控制作用很弱,當(dāng)干擾使液位大幅波動(dòng)時(shí),閥門開(kāi)度基本不變,則流量的波動(dòng)就很小.如下左圖所示.第三種情況,控制器的取值適當(dāng),使控制作用較為溫和,在干擾作用下,液位和流量均在各自允許的范圍內(nèi)緩慢變化,如上右圖所示.通常,簡(jiǎn)單均勻方案中的控制器采用純比例控制,且比例度較大,一般大于100%,當(dāng)需采用PI控制時(shí),應(yīng)使積分弱些,即積分時(shí)間常數(shù)整定的大些.

簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,投運(yùn)方便,成本低廉.但當(dāng)前后設(shè)備的壓力變化較大時(shí),盡管控制閥的開(kāi)度不變,輸出流量也會(huì)發(fā)生變化,所以它適用于干擾不大,要求不高的場(chǎng)合.此外,在液位對(duì)象的自衡能力較強(qiáng)時(shí),均勻控制的效果也較差.第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制(二)串級(jí)均勻方案

當(dāng)前后設(shè)備的壓力變化較大,或液位對(duì)象的自衡能力較強(qiáng)而不宜采用簡(jiǎn)單均勻方案時(shí),可考慮串級(jí)均勻方案.下圖是精餾塔的塔釜液位與采出流量的串級(jí)均勻控制方案.甲塔乙塔從結(jié)構(gòu)上看,它與一般的液位和流量串級(jí)控制系統(tǒng)是一致的.但在此引入一流量副回路與液位回路組成串級(jí)控制的目的不是為了提高主變量液位的控制質(zhì)量,而主要是克服控制閥前后壓力的波動(dòng)及自衡作用對(duì)流量的影響,使液位和采出流量變化平緩.

設(shè)干擾使甲塔液位上升,液位控制器的輸出信號(hào)隨之增大,流量控制器使控制閥緩慢開(kāi)大,則液位不是立即快速下降,而是繼第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制續(xù)緩慢上升,同時(shí)乙塔的進(jìn)料量也緩慢增加,當(dāng)液位上升到某一數(shù)值時(shí),甲塔采出量等于在干擾作用下的入料量,液位不再上升而暫處某一高度.從而使液位和流量都處于緩慢變化中,達(dá)到均勻協(xié)調(diào)的控制目的.

如干擾來(lái)自乙塔塔壓變化而使其入料量發(fā)生變化,則先由流量副回路控制,當(dāng)這一控制作用使甲塔液位受到影響時(shí),再由液位控制器改變流量控制器的設(shè)定值,讓流量控制器作進(jìn)一步的調(diào)整,緩慢改變控制閥的開(kāi)度兩控制器互相配合,使液位和流量都在允許的范圍內(nèi)緩慢地均勻變化.

串級(jí)均勻控制系統(tǒng)中兩控制器一般采用P或PI控制,而不加微分作用.第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制(三)雙沖量均勻方案“沖量”的原義是短暫作用的信號(hào)或參數(shù),在此引申為連續(xù)的信號(hào)或參數(shù).雙沖量均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖.甲塔與串級(jí)均勻控制相比,前者用一個(gè)加法器取代主控制器,是以液位和流量的測(cè)量信號(hào)經(jīng)加法器后作為系統(tǒng)的被控變量.現(xiàn)假定采用電動(dòng)儀表構(gòu)成系統(tǒng),閥門為氣開(kāi)式,流量控制器選正作用.加法器在穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出為:上式中,是加法器輸出;分別為液位變送器和流量變送器的輸出;為恒流源輸出.在工況穩(wěn)定的情況下,通過(guò)調(diào)整值,使加法器的輸出等于流量控制器的給定值閥門處于某一開(kāi)度.若受到干擾使液位上升,則增加由于流量控制器為正作用,也增加,閥開(kāi)度增大,第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制流量也開(kāi)始增加.同時(shí),液位從某一瞬間開(kāi)始逐漸下降即閥門開(kāi)度,當(dāng)液位和流量變送器的輸出逐漸接近到某一數(shù)值時(shí),加法器的輸出重新恢復(fù)到流量控制器的給定值,系統(tǒng)又逐漸趨于穩(wěn)定,控制閥停留在新的開(kāi)度上,液位和流量在允許范圍內(nèi)重新穩(wěn)定下來(lái).

雙沖量均勻控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于兩個(gè)變量信號(hào)之差作為被控量的單回路控制系統(tǒng),其一般方框圖如下液位對(duì)象控制閥流量對(duì)象H設(shè)定值控制器流量變送器加法器液位變送器第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制

三﹑控制器的參數(shù)整定

三種均勻方案中的控制器可選P或PI控制作用,一般不選用微分作用.控制器的比例度要大,積分時(shí)間要長(zhǎng),即控制力度要小些,以突出一個(gè)“慢”字.簡(jiǎn)單均勻控制系統(tǒng)和雙沖量均勻控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上與單回路控制系統(tǒng)相同,因此它們的控制器參數(shù)整定的方法與單回路控制系統(tǒng)一樣.下面討論串級(jí)均勻控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定的兩種方法.(一)經(jīng)驗(yàn)逼近法

(二)定量計(jì)算法(補(bǔ)充)

以串級(jí)均勻方案中的前后精餾塔的塔釜液位與采出流量的串級(jí)均勻控制為例加以說(shuō)明.第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制4-7比值控制系統(tǒng)

一﹑基本概念在化工﹑煉油及其它工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,工藝上常需要兩種或兩種以上的物料保持一定的比例關(guān)系,比例一旦失調(diào),將影響生產(chǎn)或造成事故.例如,在造紙生產(chǎn)過(guò)程中,濃紙漿和水按一定的比例混合,才能制造出一定濃度的紙漿,顯然這個(gè)流量比和產(chǎn)品質(zhì)量有密切的關(guān)系.在重油氣化的造氣過(guò)程中,進(jìn)入氣化爐的氧氣和重油流量應(yīng)保持一定的比例,若氧油比過(guò)高,會(huì)因爐溫過(guò)高而使噴嘴和耐火磚燒壞,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起爐體爆炸;如果氧量過(guò)低,則因生成的碳黑增多,發(fā)生堵塞現(xiàn)象.

實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng),稱為比值控制系統(tǒng).

通常以保持兩種或幾種物料第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制的流量為一定比例關(guān)系的系統(tǒng),稱之流量比值系統(tǒng).

在需要保持比值關(guān)系的兩種物料中,必有一種物料處于主導(dǎo)地位,這種物料稱之為主物料,表征這種物料的參數(shù)叫主動(dòng)量.由于在生產(chǎn)過(guò)程控制中主要是流量比值控制系統(tǒng),所以主動(dòng)量也稱為主流量,用表示;而另一種物料按主物料進(jìn)行配比,在控制過(guò)程中隨主物料而變化,因此稱為從物料,表征其特性的參數(shù)叫從動(dòng)量或副流量,用表示.一般情況下,總把生產(chǎn)中主要物料定為主物料.但在有些場(chǎng)合,以不可控物料定為主物料,用改變可控物料即從物料來(lái)實(shí)現(xiàn)它們之間的比值關(guān)系.工藝上要求的比值定義為:

在比值控制系統(tǒng)中,從動(dòng)量隨主動(dòng)量按一定比例變化,故比值控制系統(tǒng)實(shí)際上是一種隨動(dòng)系統(tǒng).第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制

二﹑比值控制系統(tǒng)的類型(一)開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的比值控制系統(tǒng),其系統(tǒng)組成如下圖所示.設(shè)定值穩(wěn)態(tài)時(shí),,當(dāng)主物料在某一時(shí)刻因干擾作用發(fā)生變化時(shí),比值器按對(duì)設(shè)定值的偏差而動(dòng)作,按比例發(fā)出信號(hào)去改變控制閥的開(kāi)度,使從物料重新與變化后的保持原有的比例關(guān)系.其實(shí)質(zhì)是滿足控制閥的閥門開(kāi)度與之間成一定的比例關(guān)系.但是,當(dāng)因其管線兩端壓力波動(dòng)而發(fā)生變化時(shí),系統(tǒng)不起控制作用,控制閥開(kāi)度不變,難以保證與的比值關(guān)系.開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,只能適用于副流量較平穩(wěn)且比值要求不高的場(chǎng)合.第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)的方框圖如下所示.(二)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)下圖是一單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的實(shí)例.控制閥設(shè)定值比值器流量變送器洗滌塔含乙腈的丁稀餾分含乙腈的洗滌水洗滌水丁稀丁稀洗滌塔的作用是用水除去丁稀餾分所夾帶的微量乙腈,為保證洗滌質(zhì)量,要求根據(jù)進(jìn)料流量配以一定比例的洗滌水流量.單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖如下.比值器流量變送器對(duì)象控制器控制閥流量變送器第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制在穩(wěn)定工況下,主﹑副流量滿足工藝要求的比值當(dāng)主流量變化時(shí),經(jīng)流量變送器送到比值器,比值器按預(yù)先設(shè)置好的比值經(jīng)計(jì)算使輸出成比例地變化,即成比例地改變副流量控制器的給定值,此時(shí)副流量閉環(huán)系統(tǒng)為一隨動(dòng)控制系統(tǒng),使跟隨變化,在新的工況下,流量比值保持不變.當(dāng)副流量由于干擾而變化時(shí),副流量閉環(huán)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)定值控制系統(tǒng),自行調(diào)節(jié),使工藝要求的流量比仍保持不變.

單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不但能實(shí)現(xiàn)副流量跟隨主流量的變化而變化,而且能克服副流量本身干擾對(duì)比值的影響,因此主副流量的比值較為精確,結(jié)構(gòu)新形式較為簡(jiǎn)單,實(shí)施方便,應(yīng)用較為廣泛,尤其適用于主物料在工藝上不允許進(jìn)行控制的場(chǎng)合.

其缺點(diǎn)是,由于主流量不受控制,當(dāng)主流量因干擾或負(fù)荷的變化而出現(xiàn)大幅度變化時(shí),副流量在控制過(guò)程中,相對(duì)于控制器的設(shè)定值會(huì)出現(xiàn)較大的偏差,主﹑副流量的第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制比值會(huì)較大地偏離工藝要求的流量比,即不能保證動(dòng)態(tài)比值.(三)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)在單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增設(shè)對(duì)主流量的控制回路即構(gòu)成雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng),下圖所示為溶劑廠生產(chǎn)中采用的二氧化碳與氧氣流量的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng).混合反應(yīng)器二氧化碳氧氣下右圖是雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的方框圖.主對(duì)象主控器控制閥主流量變送器控制閥副對(duì)象副控器副流量變送器比值器第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的主控回路是一定值系統(tǒng),使主流量的變化較為平穩(wěn),從而副流量的變化也較平穩(wěn),提高了流量比值的精確度,另一優(yōu)點(diǎn)是,提降負(fù)荷比較方便只要緩慢地改變主控器的給定值,就可提降主流量,而副流量也可自動(dòng)跟蹤提降.

雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)除結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜,投資稍多外,由于兩個(gè)閉環(huán)通過(guò)比值器互相聯(lián)系,當(dāng)主﹑副控制器參數(shù)整定不當(dāng)時(shí),會(huì)引起“共振”,為防“共振”,應(yīng)通過(guò)對(duì)主控制器的參數(shù)整定,盡量使主回路的輸出為非周期變化.主﹑副控制器一般選PI控制.(四)變比值控制系統(tǒng)上述各種比值控制都是定比值方案.但生產(chǎn)上維持流量比恒定往往不是控制的最終目的,僅僅是保證產(chǎn)品質(zhì)量的一種手段.當(dāng)系統(tǒng)中存在除流量干擾外的其它干第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制擾,如溫度﹑壓力﹑成分及反應(yīng)器中觸媒活性變化等干擾時(shí),為保證產(chǎn)品質(zhì)量,必須修正兩物料的比值.但上述干擾一般是隨機(jī)的,干擾幅值又各不相同,因此無(wú)法用人工經(jīng)常去修正比值系數(shù).變比值控制系統(tǒng)可自動(dòng)修正比值系數(shù).下面舉例說(shuō)明.空氣氧化爐預(yù)熱氨氣混合氧化爐是硝酸生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備,原料氨氣和空氣在混合器內(nèi)混合后經(jīng)預(yù)熱器進(jìn)入氧化爐,氨氧化生成一氧化碳?xì)怏w,同時(shí)放出大量熱量穩(wěn)定氧化爐操作的關(guān)鍵條件是反應(yīng)溫度.因此氧化爐溫度是表征氧化生產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)的間接參數(shù),選其為主被控量.第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制若能保證進(jìn)入混合器的氨氣和空氣的一定比值,可基本上控制反應(yīng)放出的熱量,也控制了氧化爐的溫度.空氣氧化爐預(yù)熱氨氣混合但影響氧化爐溫度變化的干擾很多,如進(jìn)入氧化爐的氨氣﹑空氣的初始溫度,意味著物料帶入的能量的變化,直接影響爐溫;負(fù)荷的變化關(guān)系到單位時(shí)間內(nèi)參加化學(xué)反應(yīng)的物料量,由改變釋放反應(yīng)熱的多少而影響爐溫;氧化爐內(nèi)觸媒的活性變化,大氣溫度﹑壓力變化也對(duì)爐內(nèi)溫度有不同程度的影響;進(jìn)混合器的氨氣﹑空氣的溫度﹑壓力的變化,會(huì)影響流量測(cè)量的精度,若不進(jìn)行補(bǔ)償,則要影響它們的真實(shí)比值,經(jīng)計(jì)算得知,當(dāng)氨氣在混合器內(nèi)含量增加1%時(shí),爐溫將上升第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制由圖可見(jiàn),當(dāng)出現(xiàn)直接引起氨/空氣流量比值變化的干擾空氣氧化爐預(yù)熱氨氣混合時(shí),通過(guò)比值控制系統(tǒng)得到及時(shí)克服而保持爐溫不變,對(duì)于其它干擾引起爐溫變化時(shí),則通過(guò)溫度控制系統(tǒng)對(duì)氨/空氣比值進(jìn)行修正,使氧化爐溫度恒定.可見(jiàn),此方案是一單閉環(huán)變比值控制系統(tǒng),不過(guò)此處的單閉環(huán)是以某種質(zhì)量指標(biāo)為主參數(shù)兩物料比值為副參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng),故稱其為串級(jí)變比值控制系統(tǒng).由于串級(jí)控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力,這種變比值控制系統(tǒng)中存在溫度﹑壓力﹑成分﹑觸媒活性等隨機(jī)干擾時(shí),能自動(dòng)調(diào)整比值﹑保證質(zhì)量指標(biāo)在規(guī)定范圍內(nèi)的自適應(yīng)能力,所以此種系統(tǒng)也曾叫自整配比控制系統(tǒng).第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制其一般方框圖如下.

三﹑比值控制系統(tǒng)的實(shí)施

(一)比值系數(shù)的折算比值控制解決物料量之間的比例關(guān)系,工藝上規(guī)定處對(duì)象控制閥流量對(duì)象主控器流量變送器比值器流量變送器除法器主參數(shù)測(cè)量變送器的比值是指兩物料的體積流量或重量流量之比,而目前儀表使用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),如電動(dòng)儀表是0-10mA或4-20mA直流電流,氣動(dòng)儀表是0.02-0.1MPa氣壓信號(hào).因此必須把工藝規(guī)定的比值換算成儀表信號(hào)之間的比值系數(shù)才能進(jìn)行比值設(shè)定.第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制(1)流量與測(cè)量信號(hào)成線性關(guān)系時(shí)的折算

當(dāng)使用轉(zhuǎn)子流量計(jì)﹑渦輪流量計(jì)﹑橢圓齒輪流量計(jì)或帶開(kāi)方器的差壓變送器測(cè)量流量時(shí),流量信號(hào)與測(cè)量信號(hào)成線性關(guān)系.設(shè)測(cè)量?jī)x表輸入流量下限為,輸入流量上限為,則測(cè)量?jī)x表輸入流量的量程為,量程中的任一中間值用表示.電動(dòng)儀表輸出信號(hào)的下限為輸出信號(hào)的上限為,則電動(dòng)儀表輸出信號(hào)的量程為,輸出量程中的任一中間值用表示.氣動(dòng)儀表輸出信號(hào)的下限為,輸出信號(hào)的上限為,則氣動(dòng)儀表輸出信號(hào)的量程為,輸出量程中的任一中間值用表示.第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制對(duì)于電動(dòng)儀表比值系數(shù)的折算公式推導(dǎo)如下:因被測(cè)流量在輸入量程中的任一中間值所對(duì)應(yīng)的輸出電流值為:,設(shè)測(cè)副流量電動(dòng)儀表的輸出電流為,測(cè)主流量電動(dòng)儀表的輸出電流為儀表信號(hào)之間的比值系數(shù)則由上式可得:如測(cè)主﹑副流量的電動(dòng)儀表輸出量程相同(0-10mA或4-20mA),則上式為:對(duì)于氣動(dòng)儀表,也同理可得上面折算公式.可見(jiàn),對(duì)于輸出信號(hào)范圍相同的儀表,比值系數(shù)的折算公式是一致的.第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制(2)流量與測(cè)量信號(hào)成非線性關(guān)系時(shí)的折算

在使用節(jié)流裝置測(cè)量流量而未經(jīng)開(kāi)方處理時(shí),流量與差壓的非線性關(guān)系為:,左式中c為比例系數(shù)設(shè)測(cè)量?jī)x表可測(cè)差壓的下限為,對(duì)應(yīng)的流量下限為,測(cè)量?jī)x表可測(cè)差壓的上限為,對(duì)應(yīng)的流量上限為,在差壓上﹑下限中間的任一中間值用表示,則對(duì)應(yīng)的中間流量值為,對(duì)于電動(dòng)儀表有:第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制當(dāng)時(shí)有對(duì)于氣動(dòng)儀表也可得到與上式一樣的結(jié)論.從上面的推導(dǎo)結(jié)果可見(jiàn),比值系數(shù)的折算與儀表的型號(hào)無(wú)關(guān),但與流量是否和測(cè)量信號(hào)成線性關(guān)系有關(guān).

請(qǐng)注意以下幾點(diǎn):(a)工藝上的流量比值與儀表信號(hào)間比值系數(shù)是兩個(gè)不同的概念,不能混淆;(b)比值系數(shù)的大小與流量比的值有關(guān),也與測(cè)量變送器的輸入﹑輸出量程有關(guān),但與負(fù)荷的大小無(wú)關(guān);

(c)流量與測(cè)量信號(hào)之間有無(wú)非線性關(guān)系對(duì)折算式有直接影響,線性關(guān)系時(shí),平方根的非線性關(guān)系時(shí).但儀表的輸入信號(hào)范圍不一致及起始點(diǎn)是否為零,均對(duì)折算式無(wú)影響.第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制(二)比值控制的實(shí)施方案(1)相乘方案由,可對(duì)的測(cè)量值乘上某一系數(shù),作為流量控制器的給定值,稱為相乘方案,如下圖.例:有一用乘法器實(shí)施的單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的信號(hào)關(guān)系如下圖.乘法器流量變送器對(duì)象控制器控制閥流量變送器圖中乘法器選用DDZ-Ⅲ的電動(dòng)乘法器,其輸入﹑輸出信號(hào)范圍為4-20mADC,則有:第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制根據(jù)比值控制要求,乘法器的和應(yīng)有如下關(guān)系式:,與前式相比,可得:因此,只要外設(shè)定電流,就能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的比值控制要求.

用乘法器實(shí)現(xiàn)比值控制時(shí),比值設(shè)置調(diào)整的步驟為:先由工藝規(guī)定兩物料的流量比值,視測(cè)量變送器的儀表特性,正確計(jì)算出比值系數(shù),然后根據(jù)所使用的乘法器運(yùn)算式,由值計(jì)算出乘法器的外設(shè)定信號(hào)需注意的是,由于外設(shè)信號(hào)受儀表統(tǒng)一信號(hào)范圍的限制的變化范圍僅在0~1之間,而不能大于1.(2)相除方案由兩流量比值,也可將和的測(cè)量值相除,作為比值控制器的測(cè)量值,此稱為相除方案.第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制下左圖即為相除方案.其方框圖及信號(hào)關(guān)系見(jiàn)下右圖.比值給定控制閥流量對(duì)象比值器除法器流量變送器流量變送器圖中除法器選用DDZ-Ⅲ的電動(dòng)除法器,其輸入﹑輸出信號(hào)范圍為4-20mADC,則有:當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定時(shí),比值控制器的,滿足規(guī)定的比值,此時(shí)比值控制器的給定值為:第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制由式可見(jiàn),用除法器計(jì)算比值系數(shù)時(shí),不能使用在1附近,因比值系數(shù)等于1,則比值設(shè)定和除法器輸出均達(dá)最大值.如出現(xiàn)干擾使或因除法器輸出已飽和,雖增加,輸出卻不變化,相當(dāng)于系統(tǒng)的反饋信號(hào)不變,故比值只好任其增加.基于上述考慮,對(duì)于主﹑副流量有可能出現(xiàn)相等或相接近的場(chǎng)合,除法器輸出趨于飽和時(shí),可在副流量回路中串入一個(gè)比例系數(shù)為0.5的比值器,比值應(yīng)在量程的中間值附近使控制留有余地.(三)比值控制系統(tǒng)中非線性環(huán)節(jié)對(duì)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的影響

(1)測(cè)量環(huán)節(jié)的非線性影響當(dāng)比值控制系統(tǒng)中流量測(cè)量采用節(jié)流裝置且不接開(kāi)方器時(shí),流量與壓力之間的非線性關(guān)系會(huì)對(duì)比值控制系統(tǒng)有一些影響.第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制4-3前饋控制系統(tǒng)

一﹑基本概念以前討論的控制系統(tǒng)都是按偏差大小進(jìn)行控制的反饋控制系統(tǒng),其共同特點(diǎn)是對(duì)象受到干擾作用后,必須在被控量出現(xiàn)偏差后,控制器才產(chǎn)生控制作用以補(bǔ)償干擾對(duì)被控量的影響,即要想無(wú)偏差得首先有偏差.但被控對(duì)象總存在一定的純滯后和容量滯后,因此,從干擾產(chǎn)生到被控量發(fā)生變化需一定的時(shí)間,從偏差產(chǎn)生到控制器產(chǎn)生控制作用,以及操縱量改變到被控量發(fā)生變化又要一定的時(shí)間.所以反饋控制方案本身決定了無(wú)法將干擾克服在被控量偏離設(shè)定值之前,限制了控制質(zhì)量的進(jìn)一步提高.

隨生產(chǎn)過(guò)程的不斷發(fā)展,對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制提第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制出了更高的要求,以致在有些場(chǎng)合,采用常規(guī)的PID控制系統(tǒng)難以滿足工藝上的要求,前饋控制就是在這種情況下發(fā)展起來(lái)的一種特殊控制手段.

從自動(dòng)控制發(fā)展史來(lái)看,在反饋控制問(wèn)世之前,就有試圖按干擾量的變化來(lái)補(bǔ)償其對(duì)被控量的影響,從而達(dá)到被控量完全不受干擾影響的控制方式.西漢時(shí)期發(fā)明的指南車及古代風(fēng)磨的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),就是早期的應(yīng)用例子.這種按干擾進(jìn)行控制的開(kāi)環(huán)控制方式,稱為前饋控制,簡(jiǎn)稱FFC.第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制下圖是換熱器前饋控制的例子.換熱器的進(jìn)料量加熱蒸汽量冷凝水進(jìn)料量,其溫度為,經(jīng)加熱蒸汽加熱后,使出料溫度達(dá)要求的,當(dāng)有進(jìn)料量波動(dòng)干擾時(shí),將使出料溫度偏離給定值,一種消除干擾影響的手段是,測(cè)量出進(jìn)料量器FC的輸入,前饋控制器FC的輸出去改變閥門的開(kāi)度,使出料量回復(fù)到給定值.的變化量,作為前饋控制第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制前饋控制與反饋控制的主要差別在于:(1)產(chǎn)生控制的依據(jù)不同.前者按干擾的大小和方向產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用,后者按偏差的大小和方向產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用;(2)控制的效果不同.前者一出現(xiàn)干擾就進(jìn)行控制,其作用及時(shí),理論上可實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的完全補(bǔ)償.后者以被控量的偏差為代價(jià)來(lái)補(bǔ)償干擾的影響,即要無(wú)偏差,首先得有偏差;(3)前者控制是開(kāi)環(huán)控制,無(wú)需考慮穩(wěn)定性問(wèn)題,后者是閉環(huán)控制,必須考慮穩(wěn)定性問(wèn)題,而穩(wěn)定性與控制精度是有矛盾的;第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制(4)反饋控制只用一個(gè)回路可克服多個(gè)干擾,而前饋控制必須對(duì)每個(gè)干擾單獨(dú)構(gòu)成一條控制通道,當(dāng)干擾眾多時(shí),后者不經(jīng)濟(jì)也不可能.

應(yīng)用不變性原理,可導(dǎo)出能對(duì)干擾實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)那梆伩刂破鞯膫鬟f函數(shù),第4章(比值、均勻、前饋)過(guò)程控制但在工程上尚受到種種限制,而無(wú)法得到完全補(bǔ)償,其原因?yàn)?(1)當(dāng)對(duì)象較復(fù)雜時(shí),其干擾通道和控制通道的特性也復(fù)雜,無(wú)法用解析方法獲取

只能用實(shí)驗(yàn)方法獲取,必有誤差,以致不能完全補(bǔ)償;(2)即使能精確獲得,在實(shí)現(xiàn)時(shí)也存在差異;(3)如果干擾通道的時(shí)間常數(shù)要小的多,