过程控制工程-比值控制

课堂提问,前馈控制的原理是什么？是否可用普通的PID控制器作为前馈控制器，为什么？为什么一般不单独使用前馈控制？前馈控制与反馈控制的区别？前馈-反馈控制与串级控制的区别？,6比值控制RatioControl,比值控制内容,比值控制问题的由来；定比值控制方案与系统结构；变比值控制比值系数的计算比值控制的设计、投运和整定,溶液配制问题,问题：假设NaOH用量QB和稀释水量QA可测并且QA可调。如果QB变化，如何调整以使稀释液NaOH的浓度为68%左右？解决方案：（1）出口浓度控制；（2）入口流量的比值控制（流量比值？）。,流量比值控制问题,要求：QA/QB=KAB（比值系数）而QB为主动流量，QA为可控量，要求设计一控制系统通过调节QA以实现上述比值控制目标。,定比值控制方案,开环比值控制系统单闭环比值控制系统双闭环比值控制系统,开环比值控制系统,开环比值控制系统是最简单的比值控制系统，同时也是一个开环控制系统。随着F1的变化，F2将跟着变化，满足F2=K*F1的要求。,特点分析,特点：由于系统是开环的，对副流量F2的波动无法克服，比值精度低。适用场合：适用于副流量较平稳且比值关系要求不高的场合，生产上很少用。分别与单回路控制系统、前馈控制系统的区别？,单闭环比值控制系统,单闭环比值控制系统方框图及与串级控制系统比较,单闭环比值控制系统无主对象、主控制器。并且从动量不会影响主动量。串级控制系统中，副变量是操纵变量到被控变量之间总对象的一个中间变量，该变量是主对象的输入，通过改变副被控变量来调节主被控变量。串级控制的副环与比值控制系统的从动量控制子系统都是随动控制系统。,特点分析,特点分析,单闭环比值控制系统与串级控制系统的区别：单闭环比值控制系统的主流量相当于串级控制系统的主参数，而主流量没有构成闭环系统，F2的变化并不影响到F1。存在的问题：1.由于主流量不受控制，所以总物料量不固定，不适合负荷变化幅度大的场合。2.无法保证动态比值。,特点分析,单闭环比值控制系统与串级控制系统的区别：单闭环比值控制系统的主流量相当于串级控制系统的主参数，而主流量没有构成闭环系统，F2的变化并不影响到F1。存在的问题：1.由于主流量不受控制，所以总物料量不固定，不适合负荷变化幅度大的场合。2.无法保证动态比值。,双闭环比值控制系统,系统方框图？,特点分析,1、双闭环比值控制系统是克服单闭环比值控制系统主流量不受控，生产负荷在较大范围内波动的不足，在单闭环比值控制系统的基础上，增设了主流量控制回路，克服了主流量干扰的影响。2、实现精确的流量比值关系（动态比值），确保两物料总量基本不变。3、提降负荷比较方便，只需缓慢主流量控制器的给定，就可以提降主流量，副流量自动跟踪提降，并保持比值不变。存在问题：需要防止共振的产生。,定比值控制方案,共性：比值系数固定比值固定不是最终目的，只是手段只能客服流量干扰对比值的影响，当有其它除了流量之外的干扰出现时，为了保证产品质量，必须适当修正物料的比值。,变比值控制系统,系统方框图？,定义：按照一定的工艺指标自行修正比值系数的变比值控制系统，也称串级比值控制系统。注意：第三参数必须可连续的测量变送，否则系统将无法实施。,定义：按照一定的工艺指标自行修正比值系数的变比值控制系统，也称串级比值控制系统。注意：第三参数必须可连续的测量变送，否则系统将无法实施。,举例：氧化炉温度对氨气/空气串级比值控制系统,方案分析,串级和比值控制组合的系统,串级和比值控制组合的系统与变比值控制系统的区别：（1）变比值控制系统是由第三参数来修正比值，属于变比值控制；（2）串级和比值控制组合是要求主流量随另一个参数的需要而改变，两流量的比值关系保持不变，整个系统属于定比值控制。,比值系数的计算,将工艺K（比值）如何折算成仪表比值系数K,比值器的设定1,稳态条件:IA=I0,假设流量测量变送环节为线性对象。,对DDZIII型仪表,比值器的输入输出关系为,令：,稳态条件:,比值器的设定1（续）,比值器的设定2,假设流量测量变送环节为非线性对象。,对DDZIII型仪表,比值器的输入输出关系为,乘法器的设定,稳态条件:IA=I0,对DDZIII型仪表,乘法器的输入输出关系为,例题：在甲烷转化反应中，为了保证甲烷的转化率，就必须保持天然气、水蒸汽和空气之间成一定的比值（1：3：1.4）。工艺生产中最大负荷为：水蒸气流量的最大值Fsmax=31000m3/h；空气流量的最大值Famax=14000m3/h；天然气流量的最大值Fnmax=11000m3/h。,现采用差压法测量流量，未经开方运算，系统组成如右图示：,已知：Fmax（m3/h）流量比水蒸气：310003天然气：110001空气：140001.4,解：天然气对水蒸气的比值系数：,空气对水蒸气的比值系数：,比值控制投运和整定,一、系统的投运：比值系统投运方法与单回路控制系统投运方法相同比值系数K的设置：1、根椐工艺规定的流量比K，根据实际组成的控制方案计算比值系数K。2、比值系数K不一定要精确设置，可在投运中逐渐校正，直至工艺认为合格为止。,整定步骤：,1、进行比值系数的计算及现场整定。2、积分时间置最大，比例度由大到小，直找到临界过程（曲线b)为止。3、适当放宽比例度（一般放大20%），再把积分时间慢慢减小，直找到临界过程（曲线b)为止。,临界振荡状态,比值控制系统的其它问题,具有逻辑规律的比值控制副流量供料不足时的自动配比主动量与从动量的选择气体流量测量中的温度、压力校正比值控制系统中非线性环节的影响,逻辑规律：就是指工艺上对主、副流量提降负荷时的先后要求而言。所以具有逻辑规律的比值控制也称为逻辑提量。,蒸汽,燃料,空气,“反”,气开,气开,具有逻辑规律的比值控制,1.正常情况下：低选器LS以PC的输出作为输出信号，高选器HS以燃料量F1T的信号作为输出。这样空气与燃料就有一定的比值关系。,2.提量时：蒸汽流量的增加，蒸汽压力PTPC，高选器HS选PC的输出，低选器LS的输出选空气量F2T的信号，F2C的给定，空气量F2T，燃料量F1T也随之，实现了先提空气量后提燃料量的原则。,3.减量时：蒸汽流量的减少，蒸汽压力PTPC，低选器LS选PC的输出，高选器HS的输出选燃料量F1T的信号，F1C的给定，燃料量F1T，空气量F2T也随之，实现了先降燃料量后降空气量的原则。,问题的提出：前面所讨论的各类比值控制系统中，当主流量供料不足时，副流量会自动跟随减小，以保持比值不变，而当副流量供料不足时，如果它的阀门全开还不能满足比值要求，控制系统就无能为力了。解决：可以增设阀位控制系统，来实现负荷的自动调整。图示为具有自动调整负荷的单闭环控制系统原理图,副流量供料不足时的自动配比,阀位控制器VC的给定值为FV的95%。,分析：假定控制阀为气开式的，则阀位控制器采用反作用式。所以只要阀位控制器的最高信号低于它的给定值，则阀位控制器VC的输出高于100kPa的值，它不被低选器选中，所以主流量控制阀上风压固定为100kPa，处于全开，这时为通常的单闭环控制。当副流量控制阀快接近全开时，表示物料供应已成问题，此时阀位控制器VC的测量值将大于给定值，阀位控制器VC的输出将降低，并被低选中，由它来控制主流量控制阀，以达到自动调整负荷的。,主动量与从动量的选择,选择原则：1、生产中主要物料为主动量，其他物料为从动量。2、如果两种物料中，一种是可控的，另一种是不可控的，则应先不可控的为主动量，而可控的为从动量。3、如果两种物料中一种供应不成问题，而另一种物料可能供应不足，此时可选用不足的物料为主动量。,气体流量测量中的温度、压力校正,流量测量是比值控制的基础。差压式流量计是测量气体、液体和蒸汽的最常用仪表。当用差压式流量计测量气体流量时，若实际工况的温度，压力参数与设计条件的数值不一致，将会影响测量精度。,气体体积流量和节流装置压差之间的关系式为：,在设计条件下的流量为:,在实际工作条件下的流量为:,根据质量流量相等的关系，可得,对于定质量气体，如果只考虑温度、压力变化的影响，则根据理想气体定律有,用差压法测量气体流量时温度、压力校正的基本公式:,Tn设计条件下被测介质的温度，K；Pn设计条件下被测介质绝对压力，MPa；T1工作条件下被测介质的温度，K；P1工作条件下被测介质的绝对压力，MPa。,比值控制系统中非线性环节的影响,比值控制系统中的非线性特性是指系统的静态放大系数随负荷变化而变化的特性。当比值控制系统中流量测量采用节流装置时，流量与压差之间的非线性关系会对比值控制系统有一些影响。,对系统动态特性的影响:,差压式流量计流量与压差的关系为,如果采用DDZ-型变送器，则测量信号与流量之间的关系为,可见，变送器的输出信号I与输入流量F是非线性的关系。,比值控制系统中非线性环节的影响（续）,整个测量变送环节的静态放大系数为,K静态放大系数；F0F的静态工作点。,采用差压法测量流量时，整个测量变送环节的静态放大系数K正比于静态工作点的流量，即随着负荷的增加而增加。这样一个环节引入控制系统后，将影响系统的动态质量。如果在小负荷时，系统尚稳定，大负荷时，必将使系统的控制质量下降，甚至不稳定。,比值控制系统中非线性环节的影响（续）,解决这个矛盾，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，使最终信号与流量之间成线性关系。差压变送器输出信号电流I与开方器的输出电流I之间的关系为,由,此时测量、变送器和开方器部分的静态放大系数为,K不是负荷F的函数。系统的动态品质不再受负荷变化的影响,比值控制系统中信号匹配问题,比值控制系统中有进行比值设置的运算装置，为了使需要的运算式能在模拟仪表上实现，而各环节的输入、输出信号既能限制在规定的信号范围之内又要尽可能在达到最大量程情况下进行运算，达到较高的精度，因此要合理调整有关仪表的量程，或设置必要的系数，这项工作称为仪表的信号匹配。,比值系数K的计算是比值控制系统信号匹配的一个主要内容。K的大小除了与工艺规定的流量比K有关外，还与仪表的量程上限有关。因此要使比值控制系统具有较高的灵敏度和精度，仪表量程上限的确定是极为关键的。,比值控制系统中信号匹配问题（续）,对于相乘方案的比值控制系统，比值系数K在接近1时最灵敏，精度最高，所以说应在尽可能达到最大量程情况下进行运算。当K=1时，则KF1max=F2max，即在保持工