比值-均匀-分成调节

特殊的工艺要求：1）要求两种或多种物料流量成一定比例关系。

—比值控制2）两个或两个以上的设备串联时，要求前后设备在物料供求上相互均匀、协调、统筹兼顾。

—均与控制3）将调节器的输出信号分段，分别控制两个或两个以上的调节阀，使每个调节阀在调节器输出的某段信号范围内做全行程动作。

—分段控制比值控制在现代工业生产过程中，常常要求两种或多种物料流量成一定比例关系。如果比例失调，就会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原材料，造成环境污染，甚至产生生产事故。在工业锅炉燃烧过程中，需要自动保持燃料量与空气量按一定比例混合后送入炉膛；又如，在制药生产过程中．要求将药物和注入剂按规定比例混合；再如，在硝酸生产过程中，进入氧化炉的氨气和空代的流量要有合适的比例，如此等等。比值控制系统可以实现上述种种特殊的要求比值控制系统，简单地说，就是使一种物料随另一种物料按一定比例变化的控制系统。在比值控制系统中，需要保持比值的两种物料必有一种处于主导地位，这种物料作为主动物料或主流量，用Q1表示。一般情况下，总的生产中的主要物料的流量作为主流量，或者以不可控物料的流量作为主流量。另一种物料随主流量的变化而变化，称之为从动流量或别流量，用Q2表示。比值控制系统就是要实现副流量和主流量成一定的比例关系，即满足Q2/Q1＝A，A为副流量和主流量的比值。比值调节系统的组成原理：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左图所示为开环比值控制系统示意图。在稳定工况下，两种物料的流量应满足Q2=kQ1的要求。该系统对副流量无抗于扰能力，当副流管线压力改变时，就满足不了所要求的比值。所以这种开环比值控制系统只适用于从动物料管线压力比较稳定，对比值精度要求不高的场合，其优点是结构简单，投资省。为了克服开环比值控制系统的缺点，在开环比值控制的基础上，增加一个副流量的闭环控制，组成单闭环比值控制系统。当主流量受扰动而变化时，其流量信号经变送器送到比值运算器Gcl(s)，比值运算器则按预先设置的比值系数使输出成比例地变化，即成比例地改变副调节器Gc2(s)的给定值，使副流量Q2跟随主流量Q1而变化，从面保证原设定的比值不变。当主、副流量同时受到扰动时，调节器Gc2(s)在克服副流量扰动的同时，又根据新的给定值，改变调节阎的开度，使主、副流量在新的流量数值的基础上，保持其原设定值的比值关系。单闭环比值控制该系统能确保主、副两个流量的比值不变，而系统的结构又较简单，所以在工业生产过程自动化中应用较广。缺点：是主流量Q1是可变的，因而其总流量是不固定的，这对于负荷变化较大、又直接参与化学反应的场合是不适宜的，这是因为总流量的改变会给化学反应过程带来一定影响。为此，在A,B管路上都装了节流元件。差压PA经变送器A后为信号yA送到调节器A，与调节阀、管道且构成一闭环系统。差压PB先经过变送器B转换成统一信号YB，再经调节器B按比例变为YB'，然后送到调节器A作为调节器A的给定值。物料流量QB是不可控的，当它改变时，就由调节器A控制物料A的调节阀，使物料A的流量随之改变，并保持比值QA／QB不变。双闭环比值控制系统为了克服单闭环比值控制系统对主流量不受控制所引起的不足，在单闭环控制的基础又提出了双闭环比值控制系统。

双闭环比值控制系统是由一个定值控制的主流量控制回路和一个跟随主流量变化的副流量控制回路组成。主流量控制回路能克服主流量扰动，实现其定值控制；副流量控制回路能抑制作用于副回路的干．从而使主、副流量均比较稳定，使总物料量也比较乎稳。在工业生产过程中，当要求负荷变化比较平稳时，可以采用这种控制方案。不过，该方案所用仪表较多，投资较高。要求：安一定的比值，且两种流量各自比较平稳。这种比值调节系统，虽然主、副参数都形成回路，但是主、副调节回路是两个单回路系统，主参数通过比值器为副回路给定设定值。由于是两个闭坏系统统，副回路的过渡过不影响主回路，所以，主、副调节器都可选用PI型的调节器，并按单回路来整定。

4．变比值控制系统在硝酸生产过程中，氨气和空气混合后进入氧化炉，在铂触媒作用下进行氧化反应，该反应为放热反应，反应温度必须严格控制在(84±5)c，而影响温度的主要因素是氨气和空气的比值。因此，当温度受到干扰而变化时，均以改变氨流量来补偿，即改变氨气与空气的比值来补偿．所以设计了以氧化炉反应温度为主参数，氨气与空气之比为副参数的串级一比值控制系统，即变比值控制系统。在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个工艺参数的需要而变化，为满足这种工艺的要求，开发并设计了变比值控制系统。

由图可见，变比值控制系统是一个以第三参数或称以主参数和两个流量比一为副参数所组成的比值——串级组合控制系统。当系统处于稳态时，Gc1(s)输出不变，主、副流量恒定，其比值也一定，主参数符合工艺要求，产品质量合格：当系统受到干扰时，虽然通过比值控制回路，保证了比值一定，但由于真实流量与原流量不同，所以使主参数偏离了设定值，此时Gc1(s)的输出X2(s)产生变化，从而修正了Gc2(s)的设定值，相当于修正了两个变流量的比值(即变化值)．使系统在新的比值上重新稳定。比值控制系统设计中的特殊问题由于比值控制系统不是很复杂，这里只讨论几个比值控制系统设计中的特殊问题。

1．比值系数的计算在工业生产中，比值控制是解决物料流量之间的比例关系问题。工艺上的比值K，是指两流量的体积流量或重量流量之比，比值系数K‘则是仪表的读数，它是流量比值K的函数，一般情况并不相等。因此，在设计和运用比值控制系统时，必须把工艺上的比值K折算成仪表的读数K’。当使用单元组合仪表时，参数均以相应的统一标准信号互相联系，所以，比值系数的计算也就是将流量比值K折算成相应仪表的标准统一信号。流量与测量信号成非线性关系流量与测量信号成线性关系

比值系统中的非线性特性与开方器的应用比值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。要实现比值控制，对此必须加以注意。通过上述比值系数的计算可以看到，在流量与测量信号成线性关系或非线性关系时，其静态比值系数与负荷大小无关，与是否引入开方器也无关所谓系统的非线性特性又表现在何处？式中，Q20是流量Q2的静态工作点，也即负荷，可见静态放大倍数K2与负荷成正比，它随负荷的变化而变化，也是一个非线性特性。由于这个非线性特性是包含在系统中，假如其他环节都是线性的话，则系统总的放大系数就会呈非线性特性。因此，当系统处于小负荷时，调节器参数整定得好，系统运行正常，但是当负荷增大时，调节器参数如果不变，则系统运行就不好了，控制质量因此而变坏，这就是流量测量环节非线性特性对系统的影响。

3．比值控制系统中主、副流量的动态比值问题在某些特殊的生产工艺中，对比值控制的要求非常高，即不仅在静态工况下，要求两种物料流量的比值一定，而且在动态情况下，也要求两种物料流量的比值一定。为此，必须引入动态补偿环节，图中，Gz(S)即为动态补偿环节。

4．比值控制系统的实施方案为了实现对Q2/Q1=K的比值控制，其具体实施方案也有两种。一是把两个流量Q1与Q2都测量出来，并将两个流量信号相除，其商作为副调节器的测量输入值，则称之为相除控制方案．二是把流量Q1测量出来，把测量信号乘以比值系数K，其积作为副调节器的给定值，控制流量Q2，则称之为相乘控制方案

5．比值控制系统的参数整定在比值控制系统中，双闭环比值控制系统的主流量回路可按单回路控制系统进行整定；变比值控制系统因结构上属串级控制系统，所以主调节器可按串级控制的整定方法进行。这样，比值控制系统的参数整定，主要是讨论单闭环、双闭环的副流量回路、变比值控制的变比回路的整定问题。由于这些回路本质上都是随动系统，因此要求其快速、正确跟随主流量变化，而且不宜有超调，最好整定在振荡与不振荡的边界为宜。具体整定步骤可归纳如下：

(1)在满足工艺生产流量比的条件下，计算比值系数K'，将比值控制系统投入自动运行。

(2)将积分时间置于最大，并由大到小逐渐调节比例度，使系统响应迅速，并处于振荡与不振荡的临界过程。

(3)若欲投入积分作用，则先适当放宽比例度，再投入积分作用，逐步减小积分时间，直到系统出现振荡与不振荡或稍有超调过程为止。一、均匀控制问题的提出及特点在连续生产过程中，前一设备的出料往往是后一设备的进料。随着生产的不断强化，前后生产过程的联系也越来越紧密，这就迫使我们在设计控制系统时应从全局出发。例如，用精馏方法分离多组分的混合物时，总是有几个塔串联在一起运行；又如，在石油裂解气深冷分离的乙烯装置中，前后共串联了八个塔进行连续生产。为了保证这些相互串联的塔能正常地连续生产，每个塔都要求进入塔的流量保持在一定的范围内，同时也要求塔底液位不能过高或过低；均匀调节系统图两个串联的精馏塔孤立设置的两个控制系统。图中，A塔的出料直接作为B塔的进料。为了保证A塔液位稳定在一定范围内，故而设有液位控制系统；根据B增进料稳定的要求，又设置了流量控制系统。显然，这两个控制系统工作起来是相互矛盾的。为了解决这两个塔供求之间的矛盾，可以在两个塔之间增加中间缓冲容器。但这样做势必增加了投资，而且对于某些生产连续性很强的过程又不允许中间储存的时间过长。因此，还需从自动控制系统的方案设计上寻求解决的方法，即设计一个均匀控制系统。均匀控制系统是把液位、流量的控制统一在一个系统中，从系统内部解决工艺参数之间的矛盾。具体地说，就是让A塔的液位在允许的范围内波动，与此同时，也让流量平稳缓慢地变化。假如把图中的流量控制系统删去，只设置一个液位控制系统，其结果可能出现三种情况。图a的液体控制系统具有较强的控制作用，所以在扰动作用后，液位变化不大，而流量则发生较大的波动。团b的液位控制系统的控制作用相对减弱，在扰动作用后，液位发生了一些变化，与此同时，流量的波动也相对减弱了，结果导致液位、流量两者都在一定范围内产生了缓慢变化。图c的液位控制系统其控制作用最弱(基本上被消除)，这样，在扰动作用后，液位大幅度波动，流量则基本不变。由此可见，三种情况中，只有图b才符合均匀控制的要求。

均匀控制系统的名称来自系统所能完成的特殊控制任务，它使前后设备在物料供求上相互均匀、协调、统筹兼顾，有如下三个特点：

1．结构上无特殊性可以看出，同样一个单回路液位控制系统，由于控制作用强弱不一，既可以是单回路定值控制系统，如图a。以也可以是简单的均匀控制系统，如图b。因此，均匀控制是指控制目的而言，而不是由控制系统的结构决定的，在结构上，它没有任何特殊性。它可以是一个单回路控制系统，也可以是一个串级控制系统的结构形式，或者是其他结构形式。所以，—个普通结构形式的控制系统，能否实现均匀控制的目的，主要在于其控制器的参数整定如何。均匀控制是靠降低控制回路的灵敏度而不是靠结构变化获得的。

2．参数应变化，而且应缓慢地变化因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀，所以表征两个物料的参数都不应是某一固定值。图a和c均不符合均匀控制的要求，只有像b那样两个参数都变化且变化比较缓慢时才是均匀控制。那种试图把两个参数都稳定不变的想法绝非均匀控制的目的。此外，还需注意的是，均匀控制在有些场合无需将两个参数平均分配，而是视前后设备的特性及重要性等因素来确定其主次，有时以液位参数为主，有时则以流量参数为主。3．参数应限定在允许范围内变化在均匀控制系统中，被控变量是非单一、非定值的，允许它们在一定的范围内变化，如在图所示两个串联的塔中，前塔的液位变化有一个规定的上、下限，过高或过低可能造成冲塔现象或抽干的危险。同样，后塔的进料流量也不能超过它所能承受的最大负荷和最低处理量，否则不能保证精馏过程的正常进行。

二、均匀控制方案

1．简单均匀控制简单均匀控制采用单回路控制系统的结构形式，如图所示。从系统结构形式上看，它与单回路液位定值控制系统没有什么不同。但由于它们的控制目的不同，因此在调节器的参数整定上有所不同。通常，均匀控制系统的调节器整定在较大的比例度和积分时间上，以较弱的控制作用达到均匀控制的目的。

简单均匀控制系统的最大优点是结构简单、投运方便、成本低，但是其控制效果差。它只能适用于扰动较小，对流量的均匀程度要求较低的场合。当调节器两端的压力差变化较大或被控过程的自平衡能力较强时，流量变化除调节器的开度外，还将受到压力波动的影响。此时，就不能采用简单的均匀控制方案。

2．串级均匀控制

为了克服调节阀前后压力波动和被控过程的自平衡持性对流量的影响，设计了以流量为副参数、以液位为主参数的串级均匀控制系统，从结构上看，它与一般的夜位和流量串级控制系统是一致的。但这里采用串级形式的目的并不是为了提高主参数液位的控制精度，而流量副回路的引入也主要是为了克服阀前压力波动及自平衡特性对流量的影响，使流量变化平缓c串级均匀控制的主控制器即液位调节器与简单均匀的处理相同，以达到均匀控制的目的。三、控制规律的选择简单均匀控制系统的调节器及串级均匀控制系统的主调节器一般采用纯比例作用、有时也可·采用比例积分控制规律，串级均匀控制的副调节器一般采用纯比例作用。如果为了照顾流量副参数，使其变化更稳定，也可选用比例积分控制规律。在所有的均匀控制系统中，都不需要也不应该加微分控制作用。因为微分是加快控制作用的，刚好与均匀控制的要求相反。四、调节器参数整定均匀控制系统调节器的参数整定与定值控制系统基本相同。但由于均匀控制系统所要完成的控制功能与一般定值控制系统不同，因此，其调节器参数整定也有所不同。分程控制系统一、概述在一般的反馈控制系统中，通常是一台调节器的输出只控制一个调节闽。但在某些工业生产中，根据工艺要求，需将调节器的输出信号分段，去分别控制两个或两个以上的调节阀，以便使每个调节阀在调节器输出的某段信号范围内作全行程动作．这种控制系统通常称为分程控制系统。

例如，图所示的间歇式化学反应器，每次加料完毕后，为引发化学反应．必须先进行加热。待反应开始后，由于会产生大量的反应热，又必须用冷却剂冷却，以取走反应热，保证反应在规定的温度下进行。为此，设计了如图所示以反应器内温度为被控参数、以蒸汽量和冷却水量力调节参数的分程控制系统。为保证安全，蒸汽阀采用气开式，冷水阀采用气关式，温度调节器为反作用，蒸汽阀和冷水阀的分程关系见图。当投料完毕后，控制系统投入运行。因这时反内温度低于给定值，调节器输出大于0.06MPa，蒸汽阀处于“开”的位置，反应物料温度上升。待化学反应开始以后，反应物料温度高于给定值，调节器输出下降，关闭蒸汽阎，打开冷水阀，以带走反应热，使反应物料下降，并保持在给定值附近。根据调节阀的气开、气关形式和分程信号区段不同，分程控制系统可分为以下两种类型：1．调节阀同向动作的分程控制系统图所示为调节阀同向分程动作的示意图。图a表示两个调节阀均为气开型。当调气器输出信号从0.02MPa增大时，阀A打开；当信号增大到0.06MPa时，A阀全开；同时阀B开始打开；当信号达到0.1MPa时，阀B全开。因b表示两个调节阀均为气关型。当调节器输出信号从0.02MPa增大时，阀A由全开状态开始关闭；当信号达到0.06MPa时，阀A全关；而阀B则由全开状态开始关闭；当信号达到0．1MPa时，阀B也全关。

2．调节阀异向动作的分程控制系统图所示为调节阀异向分程动作的示意图。图a为调节阀A选用气开型，调节阀B选用气关型。当调节器输出信号大于0。02MPa时，阀A全开，问时阀B启动；当信号达到0.1MPa时，阀B全关。图b为调节阀A选用气关型，调节阀B选用气开型的情况其调节阀动作与图a相反。

二、分程控制系统的设计与分程控制的实现分程控制系统本质上是属于单回路控制系统，它与单回路控制系统的主要区别是调节器输出信号需要分程且调节阀多，在系统设计上有一些不同之处，现介绍如下。控制信号的分段在分程控制中，调节器输出信号需要分成几个区段，哪一区段信号控制哪一个调节阀工作，完全取决于工艺要求。例如在图所示的化学反应器温度分程控制中，在化学反应初期，由于是吸热反应，釜温低于给定值，此时应使调节器输出信号去控制蒸汽阀门B(为安全起见，阀B选用气开式)，加入适量蒸汽，以满足吸热反府的温度要求；在化学反应中后期．由于是放热反应，釜温高于给定值，此时应使调节器输出信号去控制冷却水阀门A阀A为气关式)．加入适量的冷却水，以达到降低釜温的目的。总之，具体问题应具体分析。三、分程控制系统的工业应用分程控制系统的工业应用很广泛，通常用得比较多的有以下几个方面：(1)用于节能控制，即通过分程控制手段减少能量消耗，提高经济效益。

例如，在某生产过程中，冷物料通过热交换器用热水(工业废水)对其进行加热，当用热水加热不能满足出口温度的要求时，则同时使用蒸汽加热。为达此目的，可设计图所示的温度分程控制系统。在本系统中，在正常情况下，热水阀全开仍不能满足出口温度要求时，调节器输出信号同时使蒸汽阀打开，以