过程控制-第十讲：比值系统设计(lyz).ppt
第十讲：比值控制系统设计Process Control System,主讲老师：廉迎战 副教授,2023/11/17,过程控制与仪表,2,重点内容,比值控制系统=特殊对象（q1/q2=const）反馈控制系统内容：系统分析控制方案系统整定系统投运,2023/11/17,过程控制与仪表,3,一、比值控制概述,在实际生产过程中需要自动保持两个或多个参数之间的比例关系，这类控制系统就是比值控制系统。图8-44为一开环比值控制系统，图中，Q1为主物料流量，Q2为副物料流量。Q2以一定的比例随Q1的变化而变化。在稳定状态下，Q1/Q2=K为工艺指标要求的体积或重量流量的比值。,2023/11/17,过程控制与仪表,4,二、控制方案,常用比值控制系统以下几种类型：1、单闭环比值控制系统 系统特点：主、副物料流量间的实际比值不变，增加一个副物料流量闭环控制回路。,2023/11/17,过程控制与仪表,5,二、控制方案,1、单闭环比值控制系统 控制形式：稳态时，能满足主、副流量的工艺比值要求，即Q2/Q1=K，动态时，当主流量Q1不变，而副流量Q2受到扰动时，则可通过副流量的闭合回路进行定值控制。当主流量Q1受到扰动时，W1(s)则按预先设置好的比值使其输出成比例变化，即改变Q2的给定值，W2(s)根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调节阀Wv(s)的开度，使副流量Q2跟随主流量Q1而变化，从而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W2(s)在克服副流量扰动的同时，又根据新的给定值，改变调节阀的开度，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。存在问题：主流量Q1受到扰动时克服存在不足,2023/11/17,过程控制与仪表,6,二、控制方案,1、单闭环比值控制系统,2023/11/17,过程控制与仪表,7,二、控制方案,2、双闭环比值控制系统 系统特点：双闭环比值控制系统是由一个定值控制的主流量回路和一个跟随主流量变化的副流量控制回路组成。,2023/11/17,过程控制与仪表,8,二、控制方案,2、双闭环比值控制系统 控制方式：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中的扰动。当扰动消除后，主、副流量都回复到原设定值上，其比值不变。双闭环比值控制系统能实现主流量Q1的定值控制，使主、副流量均比较稳定，从而使总物料量也比较平稳。因此，在工业生产过程自动化中，当要求负荷变化较平稳时，可以采用这种控制方案。,2023/11/17,过程控制与仪表,9,二、控制方案,3、变比值控制系统（串级比值控制系统）系统特点：要求两种物料流量的比值，随第三个参数的需要而变化，为了满足上述生产工艺要求，开发并应用变比值控制系统。,2023/11/17,过程控制与仪表,10,二、控制方案,3、变比值控制系统（串级比值控制系统）控制方式：该变比值控制系统是一个以第三参数或称主参数（质量指标）和以两个流量比为副参数所组成的串级控制系统。系统在稳态时，主、副流量恒定，分别经测量变送器后送至除法器，其输出即为比值，作为W2(s)的测量信号，此时主参数Y(s)也恒定。W1(s)输出信号X2(s)稳定，且X2(s)=Z2(s)，W2(s)输出稳定，调节阀开度一定，所以主参数Y(s)符合工艺要求，产品质量合格。当Q1、Q2出现扰动时，通过比值控制回路，保证比值一定，从而不影响（扰动幅值不大时）主参数，或大大减小扰动对主参数Y(s)的影响。对于某些物料流量（如气体等），当出现除流量扰动外如温度、压力、成分等变化时，虽然它们的流量比值不变，由于真实流量与原来流量值不同，所以使Y(s)偏离了设定值，W1(s)的输出X2(s)产生变化，从而修正了W2(s)的给定值；即修正了两流量的比值，使系统在新的比值上稳定。注意：在变比值控制系统中，流量比值只是一种控制手段，不是最终目的，而第三参数Y(s)往往是产品质量指标。,2023/11/17,过程控制与仪表,11,三、系统设计,比值控制系统的设计包括：控制方案选择主物料流量和副物料流量确定控制规律确定选择正确的变送器和测量元件计算比值系数,2023/11/17,过程控制与仪表,12,三、系统设计,1、控制方案选择：控制方案：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变比值控制系统选择因素：生产工艺负荷变化扰动性质控制要求。,2023/11/17,过程控制与仪表,13,三、系统设计,1、控制方案选择：选择因素：（1）单闭环比值控制能使两种物料间的比值较精确、方案实现起来方便，仅用一只比值或比例调节器即可。但是主流量变化会导致副物料流量的变化。如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定，负荷变化不大，而对总流量变化无要求，则可选用此控制方案。（2）在生产过程中，主、副流量的扰动频繁，负荷变化较大，同时要保证主、副物料总量恒定，则可选用双闭环比值控制方案。（3）当生产要求两种物料流量的比值能灵活地随第三参数的需要进行调节时，则可选用变比值控制方案。总之，控制方案选择应根据不同的生产要求进行具体分析而定，同时还需考虑经济性原则。,2023/11/17,过程控制与仪表,14,三、系统设计,2、主物料流量和副物料流量确定比值控制系统按比值性质可分为定比值控制和变比值控制两种。在设计比值控制系统时，需要先确定主、副物料流量，选择原则：（1）在生产中起主导作用的物料流量，一般选为主流量，其余的物料流量以它为准，跟随其变化而变化，称为副流量。（2）在生产过程中不可控的物料流量，一般选为主流量，而可控物料量作为副流量。（3）在可能的情况下，选择流量较小的物料作为副流量，这样，调节阀可以选得小一些，控制较灵活。（4）在生产中较昂贵的物料流量可选为主流量，或者工艺上不允许控制的物料流量作为主流量，这样不仅不会造成浪费而且可以提高产量。（5）当生产工艺有特殊要求时，主、副物料流量的确定应服从工艺需要。,2023/11/17,过程控制与仪表,15,三、系统设计,3、控制规律确定比值控制系统调节器控制规律是由不同的控制方案和控制要求而定。（1）单闭环比值控制系统中，W1(s)仅接收主流量的测量信号，仅起比值计算作用，故选P控制规律或用一个比值器；W2(s)起比值控制作用和使副流量相对稳定，故应选PI控制规律。（2）双闭环比值控制系统，两流量不仅要保持恒定的比值，而且主流量要实现定值控制，其结果副流量的设定值也是恒定的，所以两个调节器均应选PI控制规律。（3）变比值控制系统，又可称为串级比值控制系统，它具有串级控制系统的一些特点，仿效串级控制系统调节器控制规律的选择原则，主调节器选PI或PID控制规律，副调节器选用P控制规律。,2023/11/17,过程控制与仪表,16,三、系统设计,4、选择正确的变送器和测量元件流量测量是比值控制的基础，各种流量计都有一定的适用范围（一般正常流量选在满量程的70%左右），必须正确选择和使用。变送器的零点及量程的调整都是十分重要的。,2023/11/17,过程控制与仪表,17,三、系统设计,5、计算比值系数在工业生产中，比值控制是解决物料流量之间的比例关系问题，工艺物料流量的比值K，是指两流量的体积流量或重量流量之比。比值系统K 是流量比值K 的函数，一般情况下两者并不相等。当控制方案确定后，必须把工艺上的比值K 折算成仪表上的比值系数K，并正确设定在相应的控制仪表上，这是保证系统正常运行的前提。比值控制系统由过程和检测变送、控制仪表组成。当使用DDZ-仪表时，仪表输出420mA.DC或15V.DC标准统一信号。比值系数计算就是将流量比值K 折算成相应仪表的标准统一信号。,2023/11/17,过程控制与仪表,18,三、系统设计,5、计算比值系数（1）流量与测量信号成线性关系 设：工艺要求Q1/Q2=K，Q1测量流量和Q2的变送器的测量范围分别为0Q1max和0 Q2max，则折算成仪表的比值系统为K=K*(Q1max/q2max)注意：若采用比值器来实现比值控制时，计算出的仪表比值系数K，即为比值器的比值系数。,2023/11/17,过程控制与仪表,19,三、系统设计,5、计算比值系数（2）流量与测量信号成非线性关系 设：差压式流量计时，流量与压差的关系为：由于流量变送器的输出为420mA.DC，正比于差压，即输出电流与Q平方成正比。工艺要求Q1/Q2=K，Q1测量流量和Q2的变送器的测量范围分别为0Q1max和0 Q2max，则折算成仪表的比值系统为：式中，Q1max为测量主流量Q1所用流量变送器的满刻度值；Q2max为测量副流量Q2所用流量变送器的满刻度值；K=Q1/Q2为工艺要求的流量比值。,2023/11/17,过程控制与仪表,20,三、系统设计,5、计算比值系数例：合成氨时，氮、氢按一定比例进行反应。采用DDZ仪表组成了以氮气为主流量，以氢气为副流量构成比值控制系统。用差压式流量计测量氢和氮的流量，未经开方处理。已知：氢流量变送器为：Q1max6.5m3/h 氮流量变送器为：Q2max10m3/h工艺要求：Q2/Q1=K=3，试求采用比值器实现比值控制时仪表的比值系统K。解：采用差压式流量计测量流量时，实际流量与其测量信号成非线性关系，故采用式（8-56）计算仪表的比值系数K，即：K=K*K(3*3)(6.5/10)(6.5/10)=3.8将求出的比值系数K 设置在比值器，比值控制系统就能按工艺要求正常运行。,2023/11/17,过程控制与仪表,21,四、系统实施,比值控制系统能实现对Q2/Q1=K或Q2=K Q1的自动控制。实施方案基本上有两大类。一是把两个流量Q2 与 Q1都测量出来，并将两个测量信号相除，除法器的输出作为比值调节器的测量值，称为相除控制方案，见图8-48 a。二是把流量Q1测量出来，把测量信号乘以某一系数，作为流量Q2调节器的给定值，控制流量Q2，称为相乘方案，见图8-48 b。,2023/11/17,过程控制与仪表,22,四、系统实施,2023/11/17,过程控制与仪表,23,五、系统整定,单回路比值系统的动态整定比较简单，只是要注意，比值控制系统的闭环实际上是一个流量随动系统，即要求被控量按一定比例随主流量作相应的变化。图8-49是物料A的流量按某个比例跟踪物料B的流量变化。显然，要求控制回路跟踪得越快越好，且不希望它在控制过程中流量上下波动。因此，在整定时应把系统的衰减率调整得较大，使调节过程处于临界振荡。此时，调节过程既无波动而又动作迅速，满足生产要求。在整定过程中，一般先把调节器FAC的积分时间TI放在最大，然后从大到小逐渐减小比例带，直到被调流量在主流量阶跃扰动下的过渡过程处于临界振荡，如图8-49中曲线b。图8-49中曲线a代表较大比例带时的过渡过程，显然它的调节过程太慢。在确定好比例带以后，逐步减小TI，直到调节过程中被调量稍有一点超调，见图8-49中曲线c。,2023/11/17,过程控制与仪表,24,五、系统整定,2023/11/17,过程控制与仪表,25,六、注意,1流量测量中的温度、压力补偿用差压式流量计测量可压缩流体的流量时，若流体实际工作压力P和绝对温度T与设计时的压力Po和温度To不同，将会引起较大误差，因此，必须进行压力、温度补偿，其补偿公式为 2比值控制系统的非线性特性比值控制系统的非线性特性是指系统的增益随负荷的变化而变化的特性。主要是由于流量变送器的非线性引起的。若流量变送器的特性是线性的，当负荷变化时，仪表的比值系数K保持常数，否则K是负荷变化的函数。因此，若采用差压式流量变送器，由于，而差压变送器的输出电流Io正比于差压P，为保证系统增益Kp为常数，必须利用开方器对差压变送器的输出进行开平方处理，这样系统增益与主流量的关系为,2023/11/17,过程控制与仪表,26,讨论,设计方案？系统设计思路？整定步骤？,
