过程控制 第四章 复杂过程控制系统-比值控制4

§4-4比值控制§4-4-1比值控制原理§4-4-2比值控制系统的结构类型§4-4-3比值控制系统设计§4-4-4比值控制系统整定§4-4-5应用举例第四章复杂过程控制系统2023/12/171H一、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比例关系；一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。如：燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定比例混合后送入炉膛。制药生产中要求药物和注入剂按比例混合。造纸过程中为保证纸浆浓度，要求自动控制纸浆量和水量比例。水泥配料系统……§4-4-1比值控制原理2023/12/172H二、比值控制的含义凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控制系统，统称为比值控制系统。三、变量及关系主动量---起主导作用而又不可控的物料流量；从动量---跟随主动量而变化的物料流量；比例系数:K=Q2/Q1§4-4-1比值控制原理2023/12/173H§4-4-2比值控制系统的结构类型一、开环比值控制1、系统组成：如下图所示2023/12/174H2、特点简单、成本低；只有当Q1变化时才起控制作用；

Q2变化时，Q1不会响应，比例关系被破坏。3、适用场合

从动量没有干扰的情况。

§4-4-2比值控制系统的结构类型二、单闭环比值控制1、特点:能克服开环比值方案的不足。2、系统组成：如下图所示2023/12/175H§4-4-2比值控制系统的结构类型2023/12/176H3、工作过程稳定状态下……

主动量变化时……

从动量由于干扰而变化时……4、优缺点优点：不但能实现从动量跟随主动量变化，而且能克服从动量本身干扰对比值的影响等。缺点：主动量不受控。5、适用场合在负荷变化不太大的场合得到广泛应用。§4-4-2比值控制系统的结构类型2023/12/177H三、双闭环比值控制1、特点：能克服单闭环主动量不受控的不足。2、系统组成：如下图所示§4-4-2比值控制系统的结构类型2023/12/178H§4-4-2比值控制系统的结构类型3、优点

※对主动量实行定值控制，克服了干扰对主、从动量的影响。

※升降负荷比较方便。4、适用场合常用在主动量干扰频繁或工艺上不允许负荷有较大的波动，或工艺上经常需要升降负荷的场合。5、使用中的注意事项

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防止从动量回路产生“共振”。

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主、从控制器都不宜采用微分作用。2023/12/179H四、变比值控制系统1、方法的产生

在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个变量的变化而变化。

为了满足上述生产工艺要求，开发并应用变比值控制。2、系统结构：如下图所示3、变比值控制的含义变比值控制系统是一个以第三个变量为主变量(质量指标)、以两个流量比为副变量的串级控制系统。§4-4-2比值控制系统的结构类型2023/12/1710H§4-4-2比值控制系统的结构类型2023/12/1711H§4-4-2比值控制系统的结构类型4、工作过程

系统稳定时……

当Q1、Q2出现扰动时……

当出现其他扰动(如温度、压力、成分等变化)时……5、特点比值只是一种手段，不是最终目的，而第三变量y(t)往往是产品质量指标。2023/12/1712H6、应用实例§4-4-2比值控制系统的结构类型2023/12/1713H一、主、从动量的选择1、单闭环比值控制系统主、从动量的选择（一个流量可控，另一个流量不可控）不可控的流量作为主动量，可控的流量作为从动量。2、双闭环比值控制系统主、从动量的选择（两个流量都可控）可以掌握以下原则：①分析两种物料的供应情况，将有可能供应不足的物料流量作为主动量，供应充足的物料流量作为从动量。§4-4-3比值控制系统设计2023/12/1714H§4-4-3比值控制系统设计②将对生产负荷起关键作用的物料流量作为主动量。③从安全角度出发，分析两种物料流量分别在失控情况下，看哪一种情况必须保持比值一定，就将这种情况下的那种物料流量作为主动量较为合适。2023/12/1715H二、比值系数的换算要实现流量比值控制，首先就必须将工艺上的流量比值K换算成仪表上的信号比值K’。换算方法随流量与测量信号间是否成线性关系而不同。1、流量与测量信号成线性关系流量检测信号经过开方器后与流量信号成线性关系。对DDZ－Ⅲ型仪表，当流量由零变至最大值Qmax时，仪表对应的输出信号为4～20mA（DC），则流量的任一中间值Q所对应的输出电流为：§4-4-3比值控制系统设计2023/12/1716H§4-4-3比值控制系统设计（1）则：（2）根据式（2）（3）所以仪表比值K’为：（4）2023/12/1717H

对于气动单元组合仪表，当流量由零变至最大值Qmax时，仪表对应的输出信号为0.02～0.1Mpa，则流量的任一中间值Q所对应的输出信号为：（5）所以仪表比值K’为：（6）§4-4-3比值控制系统设计2023/12/1718H2、流量与测量信号成非线性关系流量与压差的关系为：（7）

当压差信号是由零变到最大值△pmax时，DDZ－Ⅲ型仪表对应的输出信号为4～20mA（DC），气动仪表对应的输出信号为0.02～0.1Mpa。对于电动仪表则：（8）§4-4-3比值控制系统设计2023/12/1719H§4-4-3比值控制系统设计所以（9）则有（10）得（11）2023/12/1720H三、实施方案的选择1、应用比值器方案DDZ-Ⅲ电动比值器（12）（13）

在流量比值稳定操作时，控制器的测量值应等于设定值，即

式中的K’由式（4）和（11）的换算公式求得。

比值器的输入/输出信号关系式为：§4-4-3比值控制系统设计2023/12/1721H2、应用乘法器方案乘法器的输入/输出信号关系式为：（14）

由于系统在稳态时，控制器的测量值I2应等于设定值I0，将I0=I2代入式（14）得：（15）§4-4-3比值控制系统设计2023/12/1722H

如果采用开方器，流量为线性变送时，（16）

如果没有采用开方器，流量为非线性变送时，（17）

由于DDZ-Ⅲ电动单元组合仪表采用的标准信号为4—20mA，要保证IS在标准信号范围内，则要求（18）§4-4-3比值控制系统设计2023/12/1723H§4-4-3比值控制系统设计

所以在选择流量检测仪表的量程时，应满足（18）

假定由于仪表量程选择的限制和工艺K的条件造成K’＞1，为了使IS在标准信号范围内，可将乘法器由主流量一侧改接在从流量一侧，不失原来的比值控制作用，如图所示。2023/12/1724H此时，乘法器的输入、输出信号关系式为：（19）

系统稳态时，，代入（15）得：

（21）

利用此方法解决了设定值电流的设置问题。§4-4-3比值控制系统设计2023/12/1725H3、应用除法器方案利用乘法器实现的单闭环比值控制系统如图所示。由于乘法器的输出是两流量的比值，可直接显示。使用时注意事项：乘法器总是用小信号除以大信号对于从动量控制回路而言，乘法器被包括在回路当中，乘法器的非线性对控制系统品质将会造成影响。§4-4-3比值控制系统设计2023/12/1726H四、开方器的选择在用差压法测量流量时，测量信号与流量的关系为：（22）它的静态放大系数为：（23）

由式（23）可知，k正比于流量，即随着负荷的增大而增大。从而影响系统的动态品质。

采用开方器后，静态放大系数与负荷大小无关，系统的动态品质将不受其影响。§4-4-3比值控制系统设计2023/12/1727H五、从动量对主动量的动态跟踪当系统除了要求静态比值恒定外，还要求动态比值一定。为此，在单闭环比值控制系统中，于比值器的后面引入一个动态补偿环节GZ，如图所示。§4-4-3比值控制系统设计2023/12/1728H

要做到从动量Q2对主动量Q1的动态跟踪，即保持二者的比值关系不变，则（24）

对于比值器，其传递函数为Gk（s）则（25）式（25）即为严格的动态补偿环节的传递函数。§4-4-3比值控制系统设计2023/12/1729H一、变比值控制系统其主控制器的参数整定可按串级控制系统进行。二、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统1、由K到K′，按照K′进行投运；2、将TI=∞，由大到小逐渐改变比例度δ，直到在阶跃干扰下过渡过程处于振荡与不振荡的临界过程（非周期临界情况）为止。3、如果TI≠∞，在适当放宽比例度（一般为20%）的情况下，缓慢地减小积分时间，直到出现非周期临界情况或稍有一点过调为止。§4-4-4比值控制系统整定2023/12/1730H§4-4-4比值控制系统整定三、双闭环比值控制系统中的主动量回路控制器是定值控制系统，可按单回路定值控制系统进行整定（为非周期过程）。2023/12/1731H例1：如图所示为单闭环比值控制系统，试问：（1）系统中为什么要加开方器？（2）为什么说该系统对主物料来说是开环的，而对从物料来说是一个随动控制系统？（3）如果其后续设备对从物料来说是不允许断料的，试选择调节阀的气开、气关型式；（4）确定FC的正、反作用。KFCQ1Q2因为节流装置的输出差压信号是与流量的平方成比例的，加开方器后，使其输出信号与流量成线性关系因为主物料只测量，不控制，故是开环的。从物料FC的给定值是随主物料的流量变化而变化，要求从物料流量亦随主物料流量变化而变化，故为随动控制系统。气关型正作用§4-4-5应用举例2023/12/1732H例2：某化学反应器要求参与反应的A、B两种物料保持一定的比值，其中A物料供应充足，而B物料受生产