过程控制第四章复杂过程控制系统-比值控制.ppt

2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,1,4-4 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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,2,一、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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,3,二、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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,4,4-4-2 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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,5,2、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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,6,4-4-2 比值控制系统的结构类型,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,7,3、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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,8,三、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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,9,4-4-2 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 防止从动量回路产生“共振”。主、从控制器都不宜采用微分作用。,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,10,四、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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,11,4-4-2 比值控制系统的结构类型,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,12,4-4-2 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。,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,13,6、应用实例,4-4-2 比值控制系统的结构类型,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,14,一、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：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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,15,4-4-3 比值控制系统设计,将对生产负荷起关键作用的物料流量作为主动量。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。,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,16,二、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420mA（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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,17,4-4-3 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）,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,18,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0.020.1Mpa，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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,19,2、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型仪表对应的输出信号为420mA（DC），气动仪表对应的输出信号为0.020.1Mpa。,对于电动仪表则：,（8）,4-4-3 比值控制系统设计,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,20,4-4-3 比值控制系统设计,所以,（9）,则有,（10）,得,（11）,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,21,三、实施方案的选择1、应用比值器方案,DDZ-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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,22,2、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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,23,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-电动单元组合仪表采用的标准信号为420mA，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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,24,4-4-3 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K1，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。,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,25,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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,26,3、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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,27,四、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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,28,五、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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,29,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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,30,一、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，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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,31,4-4-4 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）。,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,32,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。,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,2023/10/5,西南科技大学信息工程学院,33,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物料受生产负荷制约有可能供应不足。通过观察发现A、B两物料因管线压力波动而经常变化。该化学反应器的A、B物料的比值要求严格，否则易发生事故。根据上述情况，要求：1、主物料和从物料分别指什么？2、设计一个比较合理的比值控制系统，画出原理图与方块图3、说明对于物料A、B来说，是定值系统还是随动系统？4、确定调节阀的气开、气关型式5、确定调节器的正、反作用；6、如果A、B物料流量同时增加，试说明系统的控制过程。,4-4-5 应用举例,