比值控制系统

1、过程控制系统 比值控制系统 方法的产生 在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量 成一定的比例关系：一旦比例失调，会影响生产的 正常进行，影响产品的质量，浪费劳动力，造成环 境的污染，甚至产生生产事故。如： 1、燃烧过程：燃料与空气要保持一定的比例，才 能满足生产和环保的要求。 2、造纸过程：浓纸浆与水要以一定比例混合，才 能制造出合格 纸浆。 3、不少化学反应过程，多个进料要保持一定 比例 。 4、制药生产中要求药物和注入剂按比例混合。 5、水泥配料系统 基本概念与原理 比值控制中，需要保持比例的两种物料： 处于主导地位的称为主动量（主流量）， 通常用F1表示，如燃烧中的燃料量。 另一种

2、物料称为从动量（副流量），用F2 表示，如燃烧比值系统中的空气量。 比值系统要实现： F2/F1=k K为从动量与主动量的比值。 比值控制系统：凡是用来实现两个 或两个以上的物料按一定比例关系 控制以达到某种控制目的的控制系 统。 比值系统是按功能来命名的。 主动量 F1 ，从动量 F2 ，比值 F2/F1=k 常用的比值系统有： 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 变化值控制系统 1、开环比值控制系统 两种物料的比值关系很难保证 不变。对流量的波动无法克服 ，比值精度较低，在实际生产 上很少采用。 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 。 2、单闭环比

3、值控制系统 单闭环比值系统是为了克服开环比值系统的 存在的不足，在开环系统的基础上，增加一个副 流量的闭环控制系统。即实现副流量跟随主流量 的变化而变化，又可克服副流量本身干扰对比值 的影响。 两种控制方式 该系统存在的问题： 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。 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。 3、双闭环比值控制系统 主流量回路：克服流量扰动，实现定值控制。 副流量回路：抑制副回路的扰动，使副流量与主流量成比

4、值关系 。 优点：1、克服单闭环比值控制系统主流量不受控，生产负荷在 较大范围内波动不足，故增设了主流量控制回路，克服主流量干 扰的影响。 2、实现精确的流量比值关系，确保两物料总量基本保持不变。 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 担降主流量，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。 4、变比值控制系统 定义：按照一定 的工艺指标自行 修正比值系数的 变化值控制系统 ，比称为串级比 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。 两种方案 氧化炉温度对氨气/空气串级比值 控制系统 串级和比值控制组合的系统 比值系

5、数的计算 1、采用线性流量检测单元情况 )()( max2 max1 max2 max1 1 2 max11 max22 F F k F F F F FF FF K 对于不同信号制的仪表，在非线性测 量情况下比值系数的计算式是一样的 ；比值系数只一要实现的两物料流量 比和所选用的测量仪表量程有关，与 实际流量无关。 应注意下列问题： 1、采用线性流量检测单元情况时，只有在亦 F1max=F2max的场合，k=K。在同样的比值k下， 通过调整F1max,F2max可以改变比值。 2、采用电动和气动仪表时，乘法器输入的比值电流 或气压和相除方案中比值控制器设定电流或气压可 按下列公式计算： 一般标

6、准公式：输入信号=仪表量程范围K + 零点 3、在采用相乘的方案中，采用分流器、加法器等仪 表可直接设置仪表比值系数K。 4、在采用相除的方案中，如果计算所得的仪表比值 系数K大于1，则除法器的输入信号更换，即主动量 信号作为被除数信号，从动量信号作为除数信号。 2 max2 2 max1 2 2 max2 2 max1 2 1 2 2 F F k F F F F K 该比值系数只与变送器的量程和所要 求从动量与主动量的对应比例关系有 关，与变送器的电气点无关。 比值系数计算示例 合成氨一段转化反应中，为保证甲烷的转化率，需保持甲烷 、蒸汽和空气三者的比值为1:3:1.4。流量测量都采用节流装

7、 置和差压变送器，未装开方器，其中，蒸汽最大流量为 31100m3/h；天然气最大流量为11000m3/h；空气最大流量为 14000m3/h；采用相乘和相除方案，确定各差压变送器的量程 ，仪表比值系数K1和K2，乘法器和除法器输入电流I k1和I k2 。 从仪表精确度考虑，流量仪表测量范围分 为十挡：1、1.25、1.6、2、2.5、3.2、4、 5、6.3、810n（n为整数）。根据题意， 各差压变送器的量程应选择为： Fsmax=32000m3/h；Fhmax=12500m3/h； Famax=16000m3/h； 采用蒸汽作为主动量Fs，天然气Fh和空气 Fa为从动量。防止水碳比过低

8、造成析碳。 工艺比值系数为：k1= ； k2= 。 3/1 sh FF 3/4.1 sa FF 因采用非线性检测变送环节，仪表比值系数的计算公式为： 即 ； 假设采用电动III型仪表，则乘法器输入电流（即恒流给定 器输出）和相除方案中比值控制器设定电流应为： mA； mA； 7282. 0 12500 32000 3 1 2 2 22 max 2 max2 11 h s F F kK 比值控制系统设计和工程应用中 的问题 1、主动量和从动量的选择 1、主动量通常选择可测量但不可控制的过程 变量； 2、从安全考虑，如该过程变量供应不足会不安 全时，应选择该过程变量为主动量，例如，水 蒸汽和甲烷进

9、行甲烷转化反应，由于水蒸气不 足会造成析碳，因此，应选择水蒸汽作为主动 量； 3、从动量通常应是既可测量又可控制，并需要 保持一定比值的过程变量。 2、比值控制系统类型的选择 1、主动量不可控时，选用单闭环比值控制系统， 例如，主动量来自上一工序； 2、主动量可控可测，并且变化较大时，宜选双闭 环比值控制系统； 3、当比值根据生产过程的需要由另一个控制器进 行调节时，应选择变比值控制系统； 4、当质量偏离控制指标需要改变流量的比值时， 应采用变比值控制系统； 5、变比值控制系统的第三过程变量通常选择过程 的质量指标，例如，烟道气中的氧含量等。 比值控制系统的实施方案有相乘和相除两类。 1、一般

10、情况下，宜选择相乘控制方案。 2、采用计算机或DCS控制时，应选择相乘控 制方案。 3、需要获得主从动量流量的实际比值时，建 议用除法器作比值运算，但不包含在控制回 路内部 3、比值函数环节的选择 比值函数环节可从乘法器、分流器、加法器等仪表 中选择。 采用乘法器需要配套恒流给定器，但比值系数 设置的精度较高； 分流器比较简单，可直接用电位器实施，但精 度不高； 加法器实施时可直接用控制器的输入乘以比值 系数，同样，设置比值系数的精度也不高。 计算机控制装置或DCS实施比值控制时，仪表比值 系数采用工艺比值系数直接设置，使用系统内部乘 法运算或比值控制功能模块直接完成比值运算（采 用相乘控制方

11、案）。 采用常规仪表实施，如果K大于1，应将比值函数环节 设置在从动量控制回路内。用DCS或计算机实施时，K 可大于1，比值函数环节仍设置在从动量控制回路设定 值通道。 4、变送器量程的选择： 常规仪表实施比值控制系统时，为提高控制精确度， 通常应使KF1的数值位于从动量控制器量程范围的中 间（仪表比值系数小于1），或者使KF2的数值位于 从动量控制器量程范围的中间（仪表比值系数大于1 ）。 采用计算机DCS组成比值控制系统时，为提高控制精 确度，可适当缩小检测变送器的量程范围，并且，不 需计算仪表比值系数。 采用常规仪表时，如果采用线性检测变送环节，主、 从动量的仪表量程范围相等，则工艺比值

12、系数k与仪 表比值系数K相等；如果采用非线性检测变送环节， 主、从动量的仪表量程范围满足： ，则工艺 比值系数k与仪表比值系数K相等。 2 max1 2 max2 F F k 5、流量的温度压力补偿： 当采用孔板等节流装置测量气体流量 时，如果设计计算时的工况温度和压 力与实际运行时的工况温度和压力有 偏差，就会对气体流量测量造成误差 。因此，当被测气体的工况温度较高 ，变化较大或工况压力较高，变化较 大时应对该气体流量进行温度压力补 偿。其中，温度应换算到凯氏温度， 压力应换算到绝对压力。 比值控制系统的参数整定和投运 1、单闭环比值控制系统是随动控制系统，应按 照随动控制系统的整定原则整定

13、从动量控制器 的参数。即整定为非振荡或衰减比10:1的过渡过 程为宜。 2、双闭环比值控制系统中主动量的控制系统是 定值控制系统，以衰减比为4:1整定主控制器参 数，从动量控制系统是随动控制系统为主的控 制系统，以非振荡或衰减比为10:1整定从动量控 制器参数。 3、变比值控制系统中从动量控制系统是串级控 制系统的副环，因此，按串级控制系统副环的 整定方法整定参数，变比值控制器按串级控制 系统主对象整定控制器参数。 整定步骤 1、把控制器的积分时间Ti放在最大，然后从大到小逐渐减小 比例带，直到被调量在主流量阶跃扰动下的过渡过程处于 振荡与不振荡的临界情况，如图曲线中b所示。（接近1 ） 2、在确定好比例带后，逐步减小Ti，直到调节过程中被调量 稍有一点过调，如图曲线中C所示。 的主流量回路 可按单回路控制系统进行整定； 的主调节器可按 串级系统进行整定。 比值控制系统应用实例 一段转化炉的主要功能是将原料转化为合成所 需要的氢，该转化过程是在一定的温度条件下 进行的，所以转化过程中原料量与加热燃料量 有一定的比例关系，为此设计了双闭环比值控 制系统。