《生产过程自动化》-5

5.1基本原理

在化工、制药等工业生产中需要按照原料配比进行控制的比值控制系统得到了广泛应用。如果配比失调会导致产品质量下降，能量和物料浪费、环境污染，甚至会造成生产设备或入身安全事故发生。例如氨(atntnonia,NH3）氧化生成NO,NO2，须严格控制氨和空气的体积比，否则化学反应不能正常进行，且氨和空气之比超过一定极限时会引起爆炸。对以重油为原料生产合成氨，氧气和重油应保持一定比例，若氧油比过高，温度急剧上升容易烧坏炉子，严重时还会引起爆炸;若氧油比过低，燃烧不完全，使炭黑增多，则易发生堵塞。又如工业上一般采用H2和CO在触媒作用下合成甲醇，其合成反应式为如果采用铜基触媒，合成压力为100~130个大气压，合成温度为220~270，为了降低反应区的温度，V(CO)/V(H2)比值通常为1/3，有时为1/5。两者比值失调，反应不能顺利进行。而且合成甲醇的气体先要除去杂质，其中含硫总量应小于。在原料气中，CO2浓度一也不能太高，否则生成大量水，使粗甲醇浓度降低。下一页返回5.1基本原理

比值控制的日的就是实现几种物料符合一定的比例关系，使生产能安全正常进行。从控制原理看，比值控制系统具有前馈补偿的含义，比如开环比值控制就是根据一个物料的流量变化来调节另一个物料流量的大小。实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制，称比值控制系统(RateControlSystem)。比值控制系统是按功能命名的复杂控制系统。上一页下一页返回5.1基本原理1.比值控制系统术语主物料:在需要保持比值关系的两种物料中，处于主导地位的物料。也称为主动量或主流量。主动量:表征主物料的参数。主流量:在生产过程中主要用的是流量比值控制系统，所以主动量一也称为主流量，用Q2表示。主动量的选择应是主要的或关键的物料流量，它们通常是可测不可控的，物料不足时可能会影响安全生产的物料流量。有些场合，以不可控物料为主物料，通过改变可控制物料来实现它们之间的比值关系。从物料:一种按主物料进行配比的物料，在控制过程中它跟随主物料而变化。一也称为从动量或从流量。从动量:表征从物料特性的参数。副流量:指流量比值控制系统中的从动量，副流量用Y2表示。从动量是可测且可控的，一般是供应有余而且是可供调节的。

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例如，合成氨生产中的烃类造气，石脑油和蒸汽须按一定的比例进入一段转化炉，如果蒸汽过少，水碳比低于某一数值，炉管内的镍催化剂在几分钟的极短时间内就会结碳，造成非常严重的事故;如果蒸汽过多，则又很不经济。故此可以选择石脑油为主物料、蒸汽为从物料组成比值控制系统。主物料与从物料之间的比值关系，用数学式表示为(5-1)式中，K为流量比(有些教材用小写);Q2为副流量;Q1为主流量。上一页下一页返回5.1基本原理

2.基本结构比值控制系统又称为比率控制系统。按系统结构可分为开环比值和闭环比值两大类;按系统的比值分类，可分为定比值和变比值两大类;按实施的方案分为相乘和相除两大类。常见的比值控制系统有开环比值、单闭环比值、双闭环比值、串级比值。上一页下一页返回5.1基本原理

【例1】图5-1是开环比值控制系统工艺流程图。工艺上要求被加热物料出日温度θ保持恒定，该系统通过调节蒸汽流量Q2使其随被加热物料流量的变化而改变。这里主动量是被加热物料流量Q1，从动量是蒸汽流量Q2。当被加热物料流量增大时，控制器应发出相应地开大蒸汽控制阀开度的控制信号，以增大蒸汽流量，使出口温度保持恒定。图5-2是开环比值控制系统原理图与方框图，从方框图可以看出并没有反馈信号去校正出日温度θ。该系统对蒸汽流量无抗干扰能力，控制质量很差。上一页返回5.2比值控制系统的类型

1.开环比值系统开环比值控制系统是最简单的比值控制方案，整个系统是一个开环控制结构。在这个系统中，Q2随着Q1的变化而变化，以满足Q2=KQ1的要求。其实质是满足控制阀的阀门开度与Q1之间成一定的比例关系。但是当Q2因管线两端压力波动而发生变化时，该控制系统不能很好发挥作用，此时难以保证Q2与Q1间的比值关系。这种比值控制方案，副流量Q2本身没有抗干扰能力，只能适用于副流量较为平稳而且比值要求不高的场合。实际生产过程中，Q2的干扰常常是不可避免的，因此生产上很少采用开环比值控制方案。下一页返回5.2比值控制系统的类型

2.单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统是为了克服开环比值方案的不足，在开环比值方案的基础上增加一个副流量的闭环控制系统。它有两种形式:一种是将主动量的测量值经比值器FY(Y表示计算器)乘一比值系数后，作为从动量调节器的设定值，因此从动量能依一定比值关系随主动量而变化，这是随动控制系统，如图5-3(a)所示。另一种是把从动量和主动量经过除法器得出相除的商作为被控变量测量值，设定值为比值系数，这是定值控制系统，如图5-3(b)所示。因为它们都只有一个闭合的控制回路，故称单闭环比值控制系统。FF表示流量比值之意。上一页下一页返回5.2比值控制系统的类型这两种控制方案，当从动量受扰动作用发生变化时，经过闭合回路控制，又重新回到由主动量决定的设定值上，因此两者的流量在原有数值上保持一定比值关系:Q2/Q1=K。当主动量发生变化时，Q1经变送器送到比值计算装置，比值器按预先设置好的比值使输出成比例地变化，即改变副流量控制器的设定值，使从动量一也跟随着Q1变化，两者的流量在新的数值下重新保持原定的比值关系。其中相乘方案中，主动量的测量值乘一比值系数作为从动量调节器的设定值。对副流量闭环控制系统而言是随动控制系统。相除方案中，主动量与从动量相除的商作为调节器测量值，设定值为比值系数。对副流量闭环控制系统而言是定值控制系统。图中FFY表示除法器，FFC表示流量比控制器。可见主流量Q1类似于串级控制的主参数，与串级控制系统的区别是主参数开环控制，从流量Q2的变化不影响主流量Q1。上一页下一页返回5.2比值控制系统的类型

单闭环比值控制系统的优点是结构简单、比值较精确、实施较方便，所以得到广泛应用，尤其适用于主物料不可控的场合。单闭环比值控制系统的缺点是由于主动量不可控，进入的总物料量不固定。单闭环比值控制系统不适用于负荷变化幅度大，且物料直接去化学反应器的场合，因为负荷波动有可能造成反应器的热平衡破坏，引发严重事故，这是单闭环比值控制系统无法克服的弱点。上一页下一页返回5.2比值控制系统的类型

【例2】丁烯洗涤塔的单闭环比值控制系统如图5-4所示。该塔任务是用水洗去丁烯馏分中的微量乙睛。为了保证洗涤质量，需要负荷和水流量成一定比值关系。该控制系统使洗涤水量随丁烯馏分流量按一定比值而变化。主动量是含有微量乙睛的丁烯馏分流量，属于生产负荷，它是不可控的。从动量为洗涤水流量。单闭环比值控制方案不适用于严格要求动态比值的场合。因为主流量本身不是定值，当它出现大幅度波动时(即生产负荷变化时)，副流量相对于调节器的给定值会出现较大的偏差。即在这段时间里，两种物料量比值会较大地偏离工艺要求的流量比，即不能保证动态比值。为此，对于要求主、从动量都是定值的工艺过程是不适用的。为克服单闭环比值的主流量不受控，可以设计双闭环比值控制系统，即在单闭环基础上，增设主流量控制回路。上一页下一页返回5.2比值控制系统的类型

3.双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统是由两个闭合回路组成的，如图5-5所示。它可以实现两个流量比值的恒定，而且能使进入系统的总负荷平稳。双闭环比值控制系统实质上是由一个定值控制系统和一个随动控制系统所组成，它不仅能保持两个流量之间的比值关系，还能保证总流量不变。与采用两个单回路流量控制系统相比，其优越性在于当主动量一旦供应不足时，仍能保持原定比值。当主动量因扰动而发生变化时，在调节过程中，仍能保持原定的比值。主动量测量信号乘比值系数作为从动量调节器的设定值，如图5-5(a)所示，或者采用两个测量信号相除的商为调节器测量值，调节器的设定值为比值系数，如图5-5(b)所示。上一页下一页返回5.2比值控制系统的类型

例如，前面提到过的在合成氨生产中，除要求进一段转化炉的石脑油和水蒸气要有一定比例外，还要求各自的流量比较稳定，就可以采用双闭环比值控制系统。这类控制系统的优点是在主动量变动过程中，一也能保持一定的流量比，在有些场合下(如化学反应器的控制系统，负荷波动有可能造成反应不完全，或反应放出热量不能及时带走，影响生产质量或引发事故)比较安全。但所用仪表多，投资较高。上一页下一页返回5.2比值控制系统的类型

4.变比值控制系统上面介绍的单、双闭环比值控制系统，其流量比是固定不变的，因此也称定比值控制系统。定比值控制的方案缺陷是没有考虑成比例的两种物料混合或反应后最终质量是否符合工艺要求，从最终质量的角度看，定比值系统是开环的。工业生产过程中干扰因素很多，当系统中存在除流量以外的其他干扰时，原设定的比值系数就不能保证产品最终质量，需要重新设置。但此类干扰随机性大，扰动幅度不同，无法入工经常去修正比值器参数，于是设计了按某一具体工艺指标自动修正流量比值的变比值控制系统。如图5-6所示。图中y（某一工艺指标)是主参数的测量值;r是某一工艺指标的给定值;主动量测量信号乘比值系数(即成分控制器AC的输出)作为从动量调节器的设定值，如图5-6(a)所示。两个测量信号相除的商为比值调节器测量值，比值调节器的设定值为比值系数(AC的输出)，如图5-6(b)所示。上一页下一页返回5.2比值控制系统的类型

【例3】图5-7所示是在合成氨变换炉生产过程中实施的串级比值控制系统。该系统通过改变蒸汽流量来控制一段触媒层温度，蒸汽与半水煤气的比值随着一段触媒层温度而变化。几点说明如下。①变换炉主要发生一氧化碳的氧化反应:②该反应是可逆放热反应，根据平衡转移原理，温度降低，平衡将向生成CO2,H2方向移动;温度升高，平衡将向生成CO,H2O方向移动。③采用触媒的日的是加速变换反应。由于半水煤气是不可控因素，所以该系统为单闭环系统。在稳定温度下，假如触媒层温度为e,,蒸汽与半水煤气的比值为K1，在除流量以外扰动的影响下，主参数（触媒层温度）由e、变到e2，通过主反馈回路使主控制器输出变化可把温度调回到设定值，亦将蒸汽和半水煤气的比值由K1变到一个新比值K2。上一页下一页返回5.2比值控制系统的类型

由于半水煤气不可控，因此只能通过改变水蒸气流量来达到变比值的日的。通过比值控制回路的快速随动跟踪，保证了流量比K的变化和主参数的稳定，起到静态前馈作用，对副流量的扰动通过自身闭合回路来克服，相当于中级系统副回路。变比值控制系统控制精度高，虽然系统结构较复杂，但是应用范围比较广泛。上一页下一页返回5.3

比值系数的计算

工艺上规定的流量比值K是指两物料的流量比(体积或质量流量之比)，而通用仪表使用的统一信号是4~20mA或0~10mA直流电流或20一100kPa气压等。因此必须把工艺规定的流量比K换算成仪表信号之间的比值系数K’，才能进行比值设定。下面就测量变送中的不同情况介绍比值系数K’的计算方法。当采用转子流量计、涡轮流量计、椭圆齿轮流量计或带开方的差压变送器测量流量时，流量信号均与测量信号呈线性关系。

1.流量与其测量信号呈线性关系时的计算(用差压变送器时带有开方器)当采用III型电动单元组合仪表测量流量时，若流量由零变至最大值时，变送器对应输出信号4~20mADC，变送器的转换关系即流量的任一中间值Q所对应的变送器输出电流I为下一页返回式中，“·”表示相乘运算，以区别符号“×”与英文字母“X”；为正常工况下流量输出值（量纲为1）。式(5—2)也可以表示成比值系数K‘是仪表输出信号变化量之比，即副流量测量信号值I2与主流量测量信号值I1之比，值得注意的是二者均应减去仪表信号的起始值4mA,即把I1与I2用式(5-2)表示，并分别代入式(5-4)可以得到上一页下一页返回5.3

比值系数K’的计算5.3

比值系数K’的计算式中，Q2max是副流量变送器量程上限;Q1max是主流量变送器量程上限;K是工艺流量比。当采用气动单元组合仪表时，流量Q与变送器输出气压的对应关系是即上一页下一页返回5.3

比值系数K’的计算比值系数K’的表达式为式中，为副流量测量信号值;为主流量测量信号值;K‘同样是仪表输出信号变化量之比，也均要减去仪表信号的起始值。将与各自的式(5-6)代入式(5-7)可得上一页下一页返回5.3

比值系数K’的计算2.流量与其测量信号呈非线性关系的计算当采用节流装置测量流量Q而未经开方器处理时，流量与压差的关系式为式中，K是节流装置比例系数。下面给出针对不同信号范围的仪表，测量信号与流量的转换关系式。对于。0~10mADC的电动仪表有上一页下一页返回5.3

比值系数K’的计算对于4~20mADC的电动仪表有对于20~100kPa的气动仪表有以信号范围为4~20mADC的电动仪表为例，此时的比值系数计算方法为上一页下一页返回5.3

比值系数K’的计算对于以上推导得出几点结论①流量比K与比值系数K’是两个不同概念，不能混淆。②比值系数K‘的大小与流量比K的值有关，也与变送器的量程有关，与负荷大小无关。③流量与测量信号之间有无非线性关系对计算式有直接的影响，线性关系时:K’线=，非线性关系(平方根关系)时:

仪表的信号范围不论起点是否为0，均对计算式无影响。④线性测量和非线性测量(平方根关系)情况下，比值系数K‘与工艺要求流量比K之间的关系是即在比值控制系统由非线性测量转换为线性测量时可以由此方便地计算比值系数。上一页返回5.4比值控制系统的构成方案比值控制系统构成方案很多，基本问题是采用什么方式来实现主、副流量的比值运算。实际生产中运用的是相乘或相除的两类方案。相除方案:K=Q2/Q1，即把Q2与Q1相除的商作为比值调节器的测量值。而相乘方案：Q2=KQ1，即将主动量Q1乘以流量比K作为从动量Q2流量调节器的设定值。

1.相除方案相除方案如图5-8所示，其方框图表示为图5-9。这种方案的优点是直观，能直接读出比值。缺点是除法器包括在控制回路之内，因而它的非线性特性必然会影响过程特性。上一页下一页返回5.4比值控制系统的构成方案在图5-9中，除法器输入变量是I1与I2，输出变量I0=I2/I1，若忽略除法器惯性，除法器的放大系数为以自变量I2对式I0=I2/I1求导即因为除法器包括在控制回路之内，它的非线性特将影响过程特性。I1是I0的测量信号，它表征负荷大小。式(5-14)说明除法器的放大系数随负荷减小而增大。除法器的输出信号I0=I2/I1作为流量控制器的测量信号。当过程特性基本为线性时，比值系统由于除法器的引入，在小负荷时，系统不易稳定。当过程特性本身是非线性的(放大系数随负荷增大增大)，此时除法器的非线性不仅对系统的控制质量无害，反而能起到对过程非线性的补偿作用。在合成氨生产的一氧化碳CO变换炉中，采用除法器组成变换炉温度对水蒸气/煤气比值进行校正的变比值控制系统收到了良好的控制效果。上一页下一页返回5.4比值控制系统的构成方案除法器非线性补偿原理:除法器的非线性补偿一种是采用具有相反特性曲线的对数阀，但是只能得到部分补偿;第二种是当主、副流量均采用差压法测量时，主流量加开方器，副流量不加，利用副流量测量变送的非线性去补偿除法器的非线性。由于测量信号一个线性，一个非线性，造成比值系数K‘随口!变化的现象。为了既补偿除法器的非线性，又保证K’不随口、变化，可采用图5-10所示方法处理，这就是所谓的除法器非线性补偿原理。图5-9用除法器组成的比值控制系统比值系数计算，若电动除法器信号范围是4~20mADC，其输出可表示为上一页下一页返回5.4比值控制系统的构成方案

采用线性流量变送器，主、从动量变送器输出是当系统处于稳态时，比值控制器给定值等于测量值，一也等于除法器输出，系统满足工艺规定的比值。此时给定值为式中，K‘为比值系数。将11,I2代入式(5-16)可得上一页下一页返回5.4比值控制系统的构成方案

式(5-17)与采用线性检测变送环节相乘方案的仪表比值系数计算公式相同。同理，可以推导出采用非线性检测变送环节仪表比值计算公式:除法器组成的比值控制系统，比值设置步骤如下。①先根据工艺规定流量比按测量变送仪表特性，计算比值系数;②按式算出比值控制器给定值;③将比值控制器给定值设置为②所得的Ir值;④用除法器组成比值控制系统。上一页下一页返回5.4比值控制系统的构成方案2.相乘方案相乘方案的结构如图5-11所示，方框图如图5-12所示。由图可见，相乘方案是对Q1的测量值乘某一系数，作为Q2流量控制器的给定值。比值运算是在流量控制回路之外，其特性与系统无关，避免了相除方案中出现的问题，有利于控制系统的稳定。但它不能直接读出比值，如果实际需要，可另设一个运算系统，进行除法运算，得出比值，但不介入控制。如果比值系数K‘是一个常数，实现相乘方案用乘法器、比值器、配比器或分流器都行。如果K’要随时变化(例如串级比值控制系统中K‘为主调节器输出)，则必须用乘法器。此时只需要将调节器给定信号改作第三个参数，比如例3的图5-7中温度控制器输出值作为水蒸气流量控制器的给定值，便可实现变比值控制。图5-12中外设几信号满足:lo=K’x16+4，乘法器输出:又因为乘法器输出应为主动量测量信号乘比值系数，即可得可见K'的变化范围仅在0~1，不会大于1。上一页下一页返回5.4比值控制系统的构成方案在采用计算机控制时，相除和相乘运算都是用程序来实现的。从相除和相乘方案看，在用差压法测流量时一般都采用开方器，这是因为用了开方器后，能使指示标尺有线性刻度，在串级比值控制系统中，当副回路的输入和输出都是流量信号时，副过程一也将不存在非线性问题和扩大流量比K的可调范围。对图5-12中电流信号的计算如下式，乘法器输出:上一页下一页返回5.4比值控制系统的构成方案根据比值控制要求，乘法器输出I’1与主动量测量I1之间应有如下关系:式中，K’为比值系数，把式(5-19)代入式(5-20)可得由式(5-19)可知，只要外设I0符合下面关系，系统就能实现预定的比值控制要求:由于外设I0信号受仪表统一信号范围的限制，K‘的变化范围仅0~1，而不能大于1。在实际使用中确定测量仪表上限时要考虑这一因素。上一页下一页返回5.4比值控制系统的构成方案对于相乘方案中比值系数K’接近于1时，系统最为灵敏，精度最高，因此应在尽可能达到最大量程情况下进行运算。比值系数工艺流量比K=Q2/Q1。当k’=1时，即在保持工艺要求的比值K不变的情况下，主、副流量都可以在全量程变化，系统的灵敏度和精度都较高。这个结论对于使用比值器、分流器、比率设定器、乘法器等不同仪表作相乘方案实施时都是一致的。例如，工艺要求K=Q2/Q1=1/2，假设仪表信号范围是4~20mA，若I1=20mA时,那么希望I2=20mA时，对应根据k’计算公式，所以在进行比值控制系统设计时，节流装置和差压计的选择要合适，才能确保比值控制系统有较高的灵敏度和精度。上一页下一页返回5.5比值控制系统的参数整定和投运比值控制系统在设计、安装好后，即可进行系统投运。投运前的准备和投运步骤同简单控制系统。①根据工艺规定的流量比K，按实际组成的方案进行比值系数K’的计算。②在现场整定时，若是以差压法测量流量将较难精确计量及存在误差，则不可能实现一次精确设置比值系数，必须在投运过程中根据实际的流量比再作精确的调整。③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从动量控制器的参数，即整定为非振荡或衰减比为10:1的过渡过程为宜。下一页返回5.5比值控制系统的参数整定和投运④双闭环比值控制系统中主动量的控制是定值控制系统，以衰减比为4:1整定主控制器参数;从动量控制是随动控制系统，以非振荡或衰减比为10:1整定从动量控制器参数。⑤变比值控制系统中从动量控制是串级控制系统的副环，因此可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。⑥比值控制系统的投运可按单回路控制系统的投运方法分别投运主、从动量控制系统。变比值控制系统按串级控制系统的投运方法进行投运。上一页下一页返回5.5比值控制系统的参数整定和投运按照随动系统的整定要求，整定的方法、步骤为:①进行比值系数K'的计算及现场整定;②将积分时间置于最大，调整比例度由大到小，直到找到系统处于振荡与不振荡的临界过程或微振荡过程为止;③适当放宽比例度，一般放大到20%左右，然后把积分时间慢慢减小，直到找到系统处于振荡与不振荡的临界过程或微振荡过程为止。上一页返回5.6比值控制系统的几种变形

根据实际工艺生产过程的特殊控制要求，介绍几种比值控制系统的变形结构。1.快速跟踪—主、副流量的动态比值问题上述的比值控制系统在稳态时能够使两种物料的流量保持工艺所需的比值，但有些生产过程要求两种物料在动态运行时也能够保持所需比值，或者因从动量的被控对象有较大滞后，使得从动量不能及时跟踪主动量的变化。这就产生了快速跟踪比值控制系统。快速跟踪比值控制系统是在原比值控制系统的比值函数环节(乘法器、除法器、比值器等)上串接一个快速跟踪环节Gd(s)，相当于动态前馈。图5-13所示为快速跟踪单闭环比值控制系统框图。快速跟踪环节的近似式为下一页返回5.6比值控制系统的几种变形2.无限可调比的比值控制系统如果要求K可调范围为0~+∞，则比值控制系统的控制方案如图5-14所示。这是一个串级比值控制系统，主控制器AC的输出X用于表示主动量占总流量F的分率，控制总流量F=F1+F2为定值(由手动遥控器HC输出确定)。FY是乘法器，完成F·X的运算。AY是函数运算器，完成F·(1一X)的运算。F1Y和F2Y是开方器，组成线性检测变送环节。稳态时控制器的设定与测量相等，则主、从动量流量之比为K=F2/F1=（1一X）/X。控制器Ac的输出x可以从n~+∞变化，因此比值K可以从-∞~0变化，实现了无限可调比的功能。图中，主、从动量控制器的设定分别为上一页下一页返回5.6比值控制系统的几种变形稳态时，控制器的设定与测量相等，即主、从动量流量之比为该比值控制系统不仅能够使流量比值无限可调，而且能使两个流量之和保持定值，这在调和作业中很有用。3.均分控制在有些生产过程中，要求把物料流量F分成两路F1和F2，并要求F1与F2之差保持一定，这就称为均分控制。如果两物料流量之差为零，即比值K=F2/F1=1的比值控制。图5-15所示的物料流量F要分成两路分别送往两个再生塔。图中将F1与F2的测量值送入加法器FdY，得出流量差作为差值调节器FdC的测量值，其输出去控制F2。为了使两条管道的阻力比较均衡，使F2的控制更为有效，在F1的管道上也要装一个调节阀，由手操器HC遥控调整管道阻力。均分即F1与F2之差保持一定。上一页下一页返回5.6比值控制系统的几种变形当两物料流量之差，即F1-F2=0，且两个流量检测变送器量程相同时，则比值系数K'按照下式计算:4.具有逻辑规律的比值控制在生产过程中，有时工艺不但要求物料量成一定比例，而且要求在负荷发生变化时，它们的提、降量有一定的先后次序。所谓逻辑规律，就是指工艺上对主、副流量提、降时的先后要求而言，所以对具有逻辑规律的比值控制一也称为逻辑提量。图5-16所示为一个锅炉燃烧过程的串级和比值控制组合的系统。图5-17为其方框图。上一页下一页返回5.6比值控制系统的几种变形

图中描述的是由蒸汽压力与燃料流量构成的串级控制系统和燃料量与空气流量比值控制系统相组合的系统。该系统从安全生产角度考虑将燃气调节阀选为气开阀(+)。燃气流量对象增益为正(+)，因为当阀开大，输入信号燃油流量Q1增加，被调参数F1增加。为保证负反馈，燃油流量调节器选反作用(一)。蒸汽压力对象是正增益(+)，该环节的输入为空气量与燃料量，二者增加说明产生蒸汽量大，输出参数母管压力大，压力调节器选反作用(一)。空气调节阀从安全生产角度出发选气关阀(一)，由于空气对象增益为正(+)，当Q2增加，被调参数F2增加，因此空气调节器选正作用(+)。完成的逻辑提量功能主要依靠系统中设置的选择器实现(高值选择器HS、低值选择器LS)。上一页下一页返回5.6比值控制系统的几种变形

在稳态工况下，工艺要求提量时先加大空气量再加燃油。当蒸汽Qs用量增加，会导致蒸汽母管内压力下降，压力控制器反作用，测量值下降其输出会增加，高选器选择，这时空气调节器偏差e2下降，由于它是正作用，所以其输出下降，空气控制阀是气关阀，此时阀开大，则氧气流量Q2增加，又由于低选器选I2作为燃油控制器给定值，随着空气阀开大，I2增加，燃油控制器偏差变小，其反作用输出增加，燃油阀采用气开式，因此阀开大燃油量Q1增加，从而实现了提量时先加大空气量，再加燃油的目的。上一页下一页返回5.6比值控制系统的几种变形

降量时先减燃油再减空气的实现:当蒸汽Qs用量减少，蒸汽母管内压力ρ增加，压力控制器反作用，测量值升高其输出Iρ会下降，低选器选择Iρ作为燃油调节器设定值，偏差e1增加，其输出下降，燃油阀是气开式将关小，燃油量Q1下降，此刻高选器选I1作为空气控制器给定值，偏差e2增加，正作用控制器输出增加，空气阀气关式阀将关小，空气量Q2下降。在正常工况下(即系统处于稳定状态时)，蒸汽压力控制器的输出Iρ等于燃料流量变送器的输出I1，一也等于空气流量变送器的输出乘上比值K后的值I2。即高、低值选择器的两个输入信号是相等的，整个系统犹如不加选择器时的串级和比值控制组合的系统在进行工作。上一页下一页返回5.6比值控制系统的几种变形

该比值控制系统保证了在增加燃料量前，先加大空气量，以使燃烧完全。整个提量过程经控制系统调整，直至Iρ=I1-I2时，系统又恢复到正常工况时的稳定状态。在系统降量时，蒸汽压力增加，压力控制器的输出Iρ减少，它被低选器选中，作为燃料流量调节器的给定值而使得燃料降量。与此同时，Iρ<I1，经变送器的测量信号为高选器选中，作为空气流量调节器给定值，再使空气降量。降量的过程同样直至Iρ=I1=I2时，系统又恢复稳定状态。这就实现了提量时先提空气量，后提燃料量，降量时先降燃料量，后降空气量的逻辑要求。上一页返回5.7

比值控制系统的设计和工程应用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主动量选择应是可能供应不足的过程变量。③从安全角度考虑，如该过程变量供应不足会导致生产不安全时，应选择该过程变量为主动量。例如，水蒸气和甲烷进行甲烷转化反应，由于水蒸气不足会造成析碳，因此应选择水蒸气作为主动量。④从动量通常应是既可测量又可控制的，并需要保持一定比值的过程变量。⑤从动量通常选择供应有余的过程变量。2.比值控制系统类型的选择比值控制系统类型有单闭环、双闭环和变比值三类，可根据工艺过程控制要求选择。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。下一页返回5.7

比值控制系统的设计和工程应用②主动量可控可测，但变化不大，受到的扰动较小或扰动的影响不大时，宜选择单闭环比值控制系统。③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。④当比值是根据生产过程的需要由另一控制器进行调节时，应选择变比值控制系统。⑤当主动量作为前馈信号，并影响串级控制系统的流量副回路时，应采用变比值控制系统。例如，精馏段或提馏段温度和出料量组成的串级控制系统中，当精馏塔进料波动较大，须作为前馈信号时，可采用变比值控制系统。⑥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。上一页下一页返回5.7

比值控制系统的设计和工程应用⑦变比值控制系统的第三个过程变量通常选择过程的质量指标，如例3中变换炉温度等。比值控制系统的实施方案有相乘和相除两类。一般情况下，宜选择相乘控制方案。采用计算机或DCS控制时，应选择相乘控制方案。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采用常规仪表实施比值控制系统时，需要选择比值函数环节的仪表。根据比值控制系统类型的选择原则，比值控制系统宜采用相乘方案，因此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，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，但是精度不高。上一页下一页返回5.7

比值控制系统的设计和工程应用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一也不高。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内。4.检测变送环节的选择采用线性检测变送环节和非线性检测变送环节时，除了仪表比值系数的计算公式不同外，还有下列区别。①从检测角度看，采用线性检测变送环节(例如采用开方器)，可使显示刻度均匀，小流量时的读数一也较清楚，但不一定能提高检测精确度。因为流量小于全量程的25%后，检测元件测量的准确度不高，此外，引入开方器会使系统总的精确度下降。上一页下一页返回5.7

比值控制系统的设计和工程应用②从可调范围看，由于仪表比值系数在有无开方器时计算公式不同。如果引入开方器，仪表比值系数的可调范围可增大，因此有利于提高可调的比值范围。例如使用开方器时，仪表比值系数的可调范围为0.25~4;不用开方器时，仪表比值系数的可调范围缩小为0.5~2。③从系统角度看，对于变比值控制系统，如果比值函数环节位于副流量控制回路，则未引入开方器，使副环具有非线性特性，造成控制系统的不稳定。④从经济角度看，引入开方器需要增加投资。根据上述讨论，建议在比值控制系统中采用线性检测变送环节。采用DCS或计算机控制时，可方便地在控制组态时引入开方运算，不需要增加费用，就能成为线性检测变送环节。上一页下一页返回5.7

比值控制系统的设计和工程应用5.其他问题比值控制系统应用中还需要注意变送器量程选择、流量的温度及压力补偿等问题。

(1)变送器量程的选择变送器量程的选择影响仪表比值系数的数据。常规仪表实施比值控制系统时，为提高控制精确度，通常应使的数值位于从动量控制器量程范围的中间(仪表比值系数K‘小于1），或者使的数值位于从动量控制器量程范围的中间(仪表比值系数K’大于1)。

(2)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