过程控制：第十三讲 比值控制系统

1、1 基本原理和结构类型2 常见的比值控制系统3 控制方案分析4 比值控制系统设计和工程应用中的问题第十三讲 比值控制系统主要讲解内容 1 基本原理和结构类型 生产过程经常需要两种物料按一定比例进行混合，整个过程要求配比严格，且自动完成。一旦比例失调，就会影响产品的质量，严重的甚至会造成生产事故。 能自动保持两个或多个参数之间的比例关系的控制系统就是比值控制系统。合成炉比值控制系统原理图KvGc(s)Gp(s)KmA物料BKmB物料A _ +R单回路流量随动系统管道重点讨论R的计算比值控制系统示例比值控制系统的基本结构 按结构分类：开环和闭环比值控制系统 按实施方案分类：相乘和相除方案 按比值分

2、类：定比值和变比值控制系统从控制原理: 属于前馈控制系统流量测量/Flow sensors 孔板流量计(orifice meter) ：开方孔板流量变送器中的孔板输出信号流量同孔板前后压差为平方关系，即Q2P.因此，流量测量需作开方运算。孔板P2P1孔板流量计流量测量涡街流量计(Vortex Flowmeter)：不开方其它流量计涡轮(式)流量计其它1.1 比值系数的计算/稳态配比（1）流量与测量信号成非线性关系流量由差压变送器直接测得对于420mA变送器有经比值器R后为比值系数将代入，得到：在调节器为PI作用时，在稳态下有设工艺要求流量比为K，则：*比值系数为常数，与负荷大小无关得到：人为设

3、定(根据K等参数设定的系数)生产过程要求的工艺配比（2）流量与测量信号成线性关系/增加开方器后，开方器的输出“流量”与压差成正比：在PI作用时，在稳态下有*比值系数为常数，与负荷大小无关结论：怎样处理测量信号比值都为常数，数值不同1.2 比值系统中非线性特性（1）直接采用差压变送器的输出电流作为流量信号增益与负荷有关KvGc(s)Gp(s)KmA物料BKmB物料A_+R非线性特性导致系统的动态控制品质随负荷增加而恶化纠正措施：选择具有补偿特性的调节阀,使系统为线性KvGc(s)Gp(s)KmA物料BKmB物料A _+R（2）采用差压变送器的输出开方后作为流量信号增益与负荷无关测量信号的线性处理

4、使系统的线性特性不改变2 常见的比值控制系统2.1 开环比值控制系统 调节器采用比例，作为比值器使用，实际很少使用2.2 单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统不仅能实行主、从动量的精确流量比值还能克服进入从动量控制回路的扰动影响，控制品质提高较多且仪表投资少。开环比值控制系统单闭环比值控制系统2.3 双闭环比值控制系统如锅炉燃烧控制系统中的风、煤控制R定值双闭环比值控制系统RKv2Gc2(s)Gp2(s)煤量风量_+RKv1Gc1(s)Gp1(s)_汽压定值双闭环比值系统与两个单回路控制系统比较： 当主动量供应不足或由于较大扰动使主动量偏离给定值时，两个独立的单回路控制系统不能使两者的流量保

5、持在所需比值 双闭环比值控制系统在主动量供应不足或偏离给定值时，可通过比值函数环节及时改变从动量给定值，使从动量与主动量保持所需比值2.4 变比值控制系统R变比值控制系统 变比值控制系统是比值随另一个调节器输出变化的比值控制系统，是串级控制系统与比值控制系统的组合。能根据所需的主被调量，及时调整比值控制系统的比值，使主被调量保持恒定或跟踪给定值变化。如变换炉触媒层温度控制系统FCFTFTTCTT蒸汽煤气转化气定值3、控制方案分析3.1 相乘方案的实施工艺比值系数k：需保持比值的两个流量之比仪表比值K：实施时比值控制器所设置的给定值相乘方案时，单闭环比值控制系统是随动控制系统双闭环比值控制中一个

6、是定值，一个是随动控制系统，变比值系统是串级比值控制系统（1）采用线性变送器的相乘控制方案 流量检测采用流量变送器、差压变送器加开方、蜗轮或电磁流量计等。 设 F1最大量程是F1max， F2最大量程是F2max则有则仪表比值系数为其中稳态时有即（2）采用差压变送器的相乘控制方案流量检测采用差压变送器且不加开方器设F1最大量程是F1max， F2最大量程是F2max则有则仪表比值系数为其中稳态时有即（3）仪表比值系数大于1时相乘控制方案 如果计算所得的K1,把乘法运算部件设置在从动量回路中， 设F1最大量程是F1max， F2最大量程是F2max则有则仪表比值系数为其中稳态时有线性变送器时，有

7、差压变送器不加开方器时，有例一 已知某反应器的反应物料F1正常流量200m3/h， F2正常流量350m3/h ，要保持流量之比K= F2 /F1 =1.5，计算采用开放其和不采用开方器时的值。 1）加开方器 解：仪表最大流量可取正常流量的2倍，则2）不加开方器例二* 甲烷转化比值控制系统合成氨转化反应中，为保证甲烷转化率，需保持甲烷、蒸汽和空气比例为1:3:1.4，若流量测量都采用节流装置和差压变速器，未装开方器，最大流量分别为若采用相乘方案，确定各差压变速器的量程，仪表比值系数K1和K2，乘法器输入电流Ik1和Ik2 选择各差压变送器的量程为 为防止水碳比过低造成析碳，用蒸汽作为主动量，天

8、然气和空气为从动量，选择工艺比值系数为采用非线性检测变送环节，仪表比值系数计算公式为采用电动型仪表，乘法器输入电流为比值函数环节设置在从动量给定通道比值控制系统相乘方案小结 相乘方案中仪表比值系数K与负荷变化无关 改变仪表量程可改变仪表比值系数K 实施时，仪表输入信号与所选仪表有关 气动单元组合仪表：P=0.08K+0.02（MPa） 电动组合仪表：I=16K+4（mA） 相乘方案无法了解两个流量的实际比值 仪表实施可采用分流器、乘法器、加法器等3.2 相除方案的实施工艺比值系数k：需保持比值的两个流量之比仪表比值K：实施时比值控制器所设置的给定值相除方案时，单闭环比值控制系统是定值控制系统双

9、闭环比值控制中两个都是定值控制系统变比值系统是串级比值控制系统（1）采用线性变送器的相除控制方案 流量检测采用流量变送器、差压变送器加开方、蜗轮或电磁流量计等。设F1最大量程是F1max， F2最大量程是F2max则有则仪表比值系数为其中稳态时有即（2）采用差压变送器的相除控制方案流量检测采用差压变送器且不加开方器设F1最大量程F1max， F2最大量程F2max则有则仪表比值系数为其中稳态时有即（3）仪表比值系数大于1时相除控制方案如果计算所得的K1，除数信号和被除数信号交换位置设F1最大量程是F1max， F2最大量程是F2max，则有差压变送器不加开方器时其中稳态时有线性变送器时，有比值

10、控制系统相除方案小结 相除方案中仪表比值系数K与负荷变化有关 改变仪表量程可改变仪表比值系数K 实施时，仪表输入信号与所选仪表有关 气动单元组合仪表：P=0.08K+0.02（MPa） 电动组合仪表：I=16K+4（mA） 相除方案可直接得到两个流量的实际比值 仪表实施可采用除法器、比值控制器等 由于存在非线性，较少采用相除方案造成控制系统的非线性非线性使得改变比值系数时系统变得不稳定：若则除法器放大系数为负荷F2增大时，K减小时，广义对象的K0也减小，使对象呈现非线性变比值若选用对数调节阀，负荷变化时，比值系数时F2增大， Kv 增大，可补偿，但若Kv =CF2，则有所以如K增加,则KvK也

11、增加,控制系统不稳定改变除法器的分子分母位置,也不能改变其非线性 4.1 主动量和从动量的选择 1.主动量通常不可控，但可测 2.主动量可能有供应不足问题 3.从安全的角度出发选择主动量和从动量 4.从动量通常可控可测 5.从动量通常供应充足4.2 变送器量程的选择 1.对相乘方案，应使K接近1 2.对相除方案，应使K在50%左右 3.计算机控制时，应提高变送器精度 4 比值控制系统设计和工程应用中的问题4.3 检测变送环节的选择1. 计算仪表比值系数的公式不同2. 线性检测变送环节具有均匀刻度3. 线性检测变送环节可提高可调的比值范围4. 变比值控制中，K1时比值函数环节在副控制回路内，采用

12、非线性检测变送环节会引入非线性，使系统不稳定5. 仪表实施时，建议用线性检测变送环节4.4 乘法器和开方器的设置1.当K在0和1之间乘法器应设置在从动量回路外2.当K1时乘法器应设置在从动量回路内3.加入开方器增加仪表投资，但读数线性度好，读数误差小，可调范围大，副回路呈线性4.在负荷变化大及变比值控制系统加入开方器注：在工况下温度和压力与设计值不同时，要进行温度和压力补偿4.5 控制方案选择1.单闭环比值系统 1）主动量不可控但可测 2）主动量可控可测，但变化不大，扰动影响小2.双闭环比值系统：主动量可控可测变化较大的场合3.变比值控制系统 1）比值需由另一调节器调节时 2）主动量作为前馈信

13、号影响串级流量副回路时 3）质量偏离控制指标，需改变流量的比值时 4）第三过程变量选择质量指标4.实施方案一般选择相乘方案4.6 比值函数环节的选择1. 比值控制系统宜采用相乘方案 2. 比值函数环节可从乘法器、分流器、加法器等仪表中选择 乘法器：需配套恒流给定器，比值系数设置精度高 分流器：简单，可直接用电位器实施，精度不高 加法器：可直接用调节器输入乘比值，精度不高3. 仪表实施时，K1需设置在从动量回路内4. DCS实施时，允许K1比值运算在给定值通道 4.7 比值控制系统的参数整定1.单闭环控制系统：按随动控制系统的参数整定方法整定从动量控制器参数 2.双闭环控制系统： 主动量调节器按定值控制系统整定参数 从动量调节器按随动控制系统整定参数3.变比