1、第7章 比值控制系統(tǒng)1.概述2.比值控制系統(tǒng)的類型3.比值系數的計算4.比值控制方案的實施5.比值控制系統(tǒng)的投運和整定6.比值控制系統(tǒng)的其它問題7.1 概述比值控制系統(tǒng)（比值控制系統(tǒng)（流量比值控制系統(tǒng)流量比值控制系統(tǒng)）：實現兩個或兩個以上參數符合一定的比例關系的控制系統(tǒng)。主動量（主動量（主流量主流量）：）：需要保持比值關系的兩種物料中，處于主導地位物料，稱之為主動量（主流量） 。從動量（從動量（副流量副流量）：）：按主物量進行配比變化的物料，在控制過程中隨主物料而變化，稱之為從動量（副流量） 。 比值控制系統(tǒng)就是要實現副流量F2與主流量F1成一定的比值關系: K= F2為副流量， F1為主流量

2、F2F17.2 比值控制系統(tǒng)的類型7.2.1 開環(huán)比值控制系統(tǒng)7.2.2 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)7.2.3 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)7.2.4 其它類型的比值控制系統(tǒng)7.2.1 開環(huán)比值控制系統(tǒng)FCSp.F1F2F2控制器對象控制閥變送器F1原理圖方框圖 開環(huán)比值控制系統(tǒng)是最簡單的比值控制系統(tǒng)，同時也是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。 隨著F1的變化，F2將跟著變化，滿足F2=K*F1的要求。 特點：由于系統(tǒng)是開環(huán)的，對副流量F2的波動無法克服，比值精度低。 適用場合：適用于副流量較平穩(wěn)且比值關系要求不高的場合，生產上很少用。7.2.2 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為了克服開環(huán)比值系統(tǒng)存在的不足，在開環(huán)比

3、值控制系統(tǒng)的基礎上，增加一個副流量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。即實現副流量跟隨主流量變化而變化，又可克服副流量本身干擾對比值的影響。FCSp.F1F2KF2變送器F1變送器控制器控制閥對象K 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)與串級控制系統(tǒng)的區(qū)別： 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的主流量相當于串級控制系統(tǒng)的主參數，而主流量沒有構成閉環(huán)系統(tǒng)，F2的變化并不影響到F1。該系統(tǒng)存在的問題：1.由于主流量不受控制，所以總物料量不固定，不適合負荷變化幅度大的場合。 2.無法保證動態(tài)比值。n舉例：圖3-3 丁烯洗滌塔進料與洗滌水比值控制KFC洗滌塔丁烯含乙腈的洗滌水洗滌水含乙腈的丁烯餾分FCSp.F1F2K7.2.3 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)Sp.F

4、2KF1CF2CF1F1變送器控制器控制閥主對象KF2變送器控制器控制閥副對象-1、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是克服單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主流量不受控，生產負荷在較大范圍內波動的不足，在單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎上，增設了主流量控制回路，克服了主流量干擾的影響。2、實現精確的流量比值關系（動態(tài)比值），確保兩物料總量基本不變。3、提降負荷比較方便，只需緩慢主流量控制器的給定，就可以提降主流量，副流量自動跟蹤提降，并保持比值不變。存在問題：需要防止共振的產生。7.2.4 其它類型的比值控制系統(tǒng)1.變比值控制系統(tǒng) 定義：按照一定的工藝指標自行修正比值系數的變比值控制系統(tǒng)，也稱串級比值控制系統(tǒng)。 注意：第三參數必須

5、可連續(xù)的測量變送，否則系統(tǒng)將無法實施。舉例：氧化爐溫度對氨氣空氣串級比值控制系統(tǒng)F1主控制器除法器F2比值控制器-控制閥主對象測量變送測量變送流量對象主測量變送-氧化爐溫度對氨氣/空氣串級比值控制系統(tǒng) FCTC空氣氨氣混合氧化爐預熱2.串級和比值控制組合的系統(tǒng).串級和比值控制組合的系統(tǒng)與變比值控制系統(tǒng)的區(qū)別：（1）變比值控制系統(tǒng)是由第三參數來修正比值，屬于變比值控制；（2）串級和比值控制組合是要求主流量隨另一個參數的需要而改變，兩流量的比值關系保持不變，整個系統(tǒng)屬于定比值控制。 串級和比值控制組合的系統(tǒng)Sp.F2KF1CF2CF1LC(a)常見方案常見方案： 兩物料組成一雙閉環(huán)比值控制，而反應

6、器的液面又需恒定，于是組成一以液面為主參數，主流量為副參數的串級控制系統(tǒng)。當液面由于某種干擾而變化時，通過液面控 制器的輸出來改變主流量的給定值，使主流量跟著變化。然后通過比值控制使副流量也隨之變化，保持其流量比不變，由總的負荷變化克服外界干擾，把液面調回給定值。缺點：副流量的變化滯后于主流量的變化。改進方案：如圖 液面控制器的輸出除作主流量控制器給定外，同時送入比值器作為副流量控制器的給定，因此比值控制器的動態(tài)滯后可忽略，保證了主、副控制回路動態(tài)響應基本一致。F2KF1CF2CF1LC(b)修改方案7.3 比值系數的計算7.3.1 流量與測量信號成線性關系時的計算7.3.2 流量與測量信號成

7、非線性關系時的計算7.3.1 流量與測量信號成線性關系時的計算將工藝K（比值）如何折算成儀表比值系數K對于DDZ-型儀表(420mADC) I= 16+4 (32) K= (33) I1副流量測量信號值 I2主流量測量信號值將（32）代入（32），得：FFmaxI2 -4I1 -4 F1max 主流量變送器量程上限 F2max 副流量變送器量程上限max2max1max2max112max11max22124416441644FFKFFFFFFFFIIKn可以證明：對于不同信號范圍的儀表，比值系數的計算式是一樣的。7.3.2 流量與測量信號成非線性關系時的計算流量與差壓的非線關系：:kpkF節(jié)

8、流裝置的比值系數。針對不同信號范圍的儀表，測量信號與流量的轉換關系為：010mADC的電動儀表：420mADC的電動儀表：20100kPa的氣動儀表：208041610102max22max22max2maxFFpFFIFFppI 以信號范圍為420mA DC的電動儀表為例，此時的比值系數計算方法：2max22max121222max1212max222124416441644FFFFFFFFIIK 如上所述，比值控制是解決不同物料流量之間的比例關系問題。當如上所述，比值控制是解決不同物料流量之間的比例關系問題。當使用單元組合儀表時，因輸入輸出參數均為統(tǒng)一標準信號，所以，比使用單元組合儀表時，

9、因輸入輸出參數均為統(tǒng)一標準信號，所以，比值器參數必須由實際物料流量的比值系數折算成儀表的標準統(tǒng)一信號。值器參數必須由實際物料流量的比值系數折算成儀表的標準統(tǒng)一信號。以下分兩種情況。以下分兩種情況。（1 1）流量與檢測信號呈非線性關系）流量與檢測信號呈非線性關系 （2）流量與檢測信號呈線性關系）流量與檢測信號呈線性關系 1 1、比值器參數的計算、比值器參數的計算 21max2max2144qKKqII說明：當物料流量的比值一定、流量與其說明：當物料流量的比值一定、流量與其檢測信號呈平方關系時，比值器的參數與檢測信號呈平方關系時，比值器的參數與物料流量的實際比值和最大值之比的乘積物料流量的實際比值

10、和最大值之比的乘積也呈平方關系。也呈平方關系。 1max22max144qIKKqI說明：當物料流量的比值一定、流量與說明：當物料流量的比值一定、流量與其測量信號呈線性關系時，比值器的參其測量信號呈線性關系時，比值器的參數與物料流量的實際比值和最大值之比數與物料流量的實際比值和最大值之比的乘積也呈線性關系。的乘積也呈線性關系。 （3）實例計算）實例計算 已知某流量比值系統(tǒng)采用差壓式流量計測量主副流量，已知某流量比值系統(tǒng)采用差壓式流量計測量主副流量，其最大量程分別為：其最大量程分別為：hmQhmQ/20/5.123max23max1工藝要求工藝要求4.112QQK試計算不加開方器與加開方器后儀表

11、的比值系數試計算不加開方器與加開方器后儀表的比值系數K。不加開方器時不加開方器時: 766.0205.124.1222max22max212QQKK解解:加開方器后加開方器后:875. 0205 .124 . 1K特別說明： 1.流量比值K與儀表比值系數K是兩個不同的概念，不能混淆。 2.比值系數K大小與流量比K和變送器的量程有關，與負荷的大小無關。 3.流量與測量信號之間有無線性關系對計算式有直接影響： 線性時K線=K*F1max /F2max,， 非線性時K非= K2* F12max/F22max。 4.線性測量與非線性測量情況下K 間的關系為：K非=（K線）2 。7.4 比值控制方案的實

12、施7.4.1 兩類實施方案7.4.2比值控制方案實施舉例7.4.3比值控制方案中非線性環(huán)節(jié)的影響7.4.4比值控制方案中的信號匹配問題7.4.1 兩類實施方案(1)相乘方案 定義：主流量F1的測量值乘上某一系數。作為F2流量控制器的給定。儀器：采用比值器、配比器、乘法器等。注意：若K為變數時，必須用乘法器，此時只需將比值設定信號換成第三參數就行了。FCSp.F1F2 K (2)相除方案 定義：將F2與F1的測量值相除，作為比值控制器的測量值。 儀器：除法器 優(yōu)點：這種方案直觀，比值可直接由控制器設定，操作方便。若將比值給定信號必作第三參數，便可實現變比值控制。F2 F2CF1K 7.4.2比值

13、控制方案實施舉例FCSp.F1F2 Kn(1)用乘法器的方案F2變送器F1變送器控制器控制閥對象 I11IkIa）對于420mA的電動乘除器：根據比值控制要求：416) 4)(4(11kIII416164)4( 411KIIKIKIkk 根據儀表統(tǒng)一信號范圍為420mA，所以K的變化范圍僅在01之間，不能大于1，因此在確定測量儀表量程上限時，要考慮到這一因素。若K 1時，可采用乘法器放置在副流量回路中，這時:1max1max221KFFFFKF2變送器F1變送器控制器控制閥對象I22IkI-b）對于使用比率給定器的方案F2變送器F1變送器控制器控制閥對象比率器 I11I比率給定范圍：線性K 0

14、.33.0 開方K 0.61.7乘法器與比率器的區(qū)別： 乘法器的比值系數不象比率器那樣可以直接在儀表上設置，而是通過外部恒流給定器來設定的。比值設置 的步驟：（1）先由工藝規(guī)定的兩物料的流量比值K，結合測量變送器的測量上限，正確的計算出儀表比值系數K。 （2）根椐所使用的乘法器運算式，由K進一步算出Ik， 然后將恒流定器的輸出值調整到上述計算值。2）用除法器組成的方案F2 F2CF1K F2變送器F1變送器控制器控制閥對象除法器 I1I2I0I rDDZ- 儀表（420mA）的除法運算式：416444164164412012KIIIIIIIro穩(wěn)態(tài)時：除法器的增益：F2/F1 (I2/I1)

15、，增益為“正” F1/F2 (I1/I2) ，增益為“負” 因此，在除法運算方案中，必須注意到除法器包含在副流量回路中，它的存在影響到系統(tǒng)的負反饋，此外除法器的非線性特性對控制質量的影響。比值設定的步驟： （1）先由工藝規(guī)定的流量比，測量變送儀表的特性，計算比值系數K。 （2）按給定值計算公式，算出給定值后再把比值器的給定值設置成上面的計算值。 特點： （1）可直接讀出比值，使用方便。 （2）把比值器的給定值改成第三參數，即能組成變比值系統(tǒng)。7.4.3比值控制方案中非線性環(huán)節(jié)的影響02max2max2164160FFFIKFFIFF 產生原因：流量測量采用節(jié)流裝置配差壓變送器，不使用開方器時。

16、 若用DDZ-型變送器，則測量信號與流量之間的關系如下式：式中：K靜態(tài)放大系數 F0F的靜態(tài)工作點整個測量變送環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數是：KF0，隨著負荷的增加而增大1.測量環(huán)節(jié)的非線性解決方法： （1） 可以選取不同流量特性的控制閥來補償。 （2）根本的方法是在差壓變送器的輸出端加上開方器，使最終信號 與流量之間成線性關系。 注意：對于節(jié)流法測量流量的比值系統(tǒng)，兩流量要么都具有相似的非線性，要么經開方都成為線性。 2.除法器的非線性 當然也有例外，如過程特性本身具有非線性（放大倍數隨負荷的增大而增大），則此時采用除法器組成比值系統(tǒng)，除法器的非線性不僅對系統(tǒng)的控制質量無害，反而能起到對過程非線性的補

17、償作用。由于除法器在閉環(huán)回路中K=I2/I1，其放大倍數為：21211IKIdIdKK I1是F1的測量信號，K隨著I1 (I2)的增大而減小。這與采用差壓法測量流量而不經開方運算時的情況正好相反，在小負荷時，系統(tǒng)不易穩(wěn)定。 在合成氨生產的CO變換爐中，采用除法器組成變換爐溫度對蒸汽/煤氣比值進行校正的變比值控制系統(tǒng)，就是利用除法器的非線性來補償變換爐的非線性，收到了良好的效果。 FCTC煤氣蒸氣變換爐變換氣 上面采用K=I2/I1，若采用K=I1/I2，其非線性情況也一樣：222121IKIIdIdKK因為，保持一定，所以負荷越小，放大倍數越大。21211IKIdIdKK由于除法器在閉環(huán)回路

18、中K=I2/I1，其放大倍數為：可見采用K=I2/I1時，放大倍數為“正” 而采用K=I1/I2時，放大倍數為“負”7.4.4比值控制方案中的信號匹配問題n比值系數K的計算是比值控制系統(tǒng)信號匹配的主要內容。K的大小除了與工藝規(guī)定的流量比以外，還與儀表的量程上限有關。因此要使比值控制系統(tǒng)具有較高的靈敏度和精度，儀表的量程上限的確定是極為關鍵的。儀表量程選得過大，以致儀表得靈敏度較低。n對于相乘方案，比值系數K在接近于1時最為靈敏，精度最高。因為當K =1時，KF1max=F2max，即在保持工藝要求的比值K不變情況下，主副流量都在全量程變化，系統(tǒng)的靈敏度及精度都很高。 如工藝要求K=F2/F1=

19、1/2，若選儀表測量上限，F1max/F2max=2/1，則K=1/2*2/1=1。 n對于相除方案， K值應取為0.50.8左右，這樣控制器的測量值處于整個量程的中間偏上數值，既能保證精確度，又有一定的調整余地。例題：在甲烷轉化反應中，為了保證甲烷的轉化率，就必須保持天然氣、水蒸汽和空氣之間成一定的比值（1：3：1.4）。工藝生產中最大負荷為：天然氣流量的最大值Fsmax=311100 m3/h；空氣流量的最大值Famax=14000 m3/h ；水蒸氣流量的最大值Fnmax=14000 m3/h。轉化爐F3C空氣F1C水蒸氣K1F2C天然氣K2現采用差壓法測量流量，未經開方運算，系統(tǒng)組成如

20、右圖示：已知： Fmax（m3/h） 流量比 水蒸氣： 31000 3 天然氣： 11000 1 空氣： 14000 1.4解：天然氣對水蒸氣的比值系數：空氣對水蒸氣的比值系數：073. 1140003110034 . 1889. 011000311003122maxmax22222maxmax211nansFFKKFFKK7.5 比值控制系統(tǒng)的投運和整定系統(tǒng)的投運：比值系統(tǒng)投運方法與單回路控制系統(tǒng)投運方法相同比值系數K的設置：1、根椐工藝規(guī)定的流量比K，根據實際組成的控制方案計算比值系數K。2、比值系數K不一定要精確設置，可在投運中逐漸校正，直至工藝認為合格為止。整定步驟：1、進行比值系數的

21、計算及現場整定。2、積分時間置最大，比例度由大到小，直找到臨界過程（曲線b)為止。3、適當放寬比例度（一般放大20%），再把積分時間慢慢減小，直找到臨界過程（曲線b)為止。 臨界振蕩狀態(tài)tF0cba7.6 比值控制系統(tǒng)的其它問題7.6.1 流量測量中的壓力、溫度的校正7.6.2 主、副流量的動態(tài)比值問題7.6.3 具有邏輯規(guī)律的比值控制7.6.4 副流量供料不足時的自動配比7.6.5 主動量與從動量的選擇7.6.1 流量測量中的壓力、溫度的校正 原因：對于氣體流量采用差壓法測量時，若工作條件溫度、壓力參數與設計條件不一致，將會影響到測量精度。解決辦法：1、對于溫度、壓力變化較大，控制質量要求又

22、較高時，應增加溫度、壓力補償。2、采用變比值控制。溫度、壓力校正公式的推導： 氣體體積流量和節(jié)流裝置之間的關系在設計條件可表示為：nnnpkQ111pkQ式中Qn、 pn、n 為設計條件下的流量、壓差和密度。 實際工作條件下表達式為：式中Q1、 p1、1 為實際條件下的流量、壓差和密度。（3-24）（3-25） T n_設計條件下被測介質的溫度，K； pn 設計條件下被測介質的壓力（絕壓），Pa； T1工作條件下被測介質的溫度，K； p1工作條件下被測介質的壓力（絕壓），Pa； 將式（334）和式（335）代入式（336），整理得： nnnpTpTQQ111對于定質量氣體，考慮溫度、壓力的影響

23、，則有：（3-26）n上式即為溫度壓力校正公式。只要在實際工作條件下測出節(jié)流裝置上游的溫度和壓力，并測得當時的差壓，然后按式（338）換算成設計條件下 pn，再求得此時的流量值即校正后的真正流量測量值。nnnpTpTpp111（3-28）7.6.2 主、副流量的動態(tài)比值問題 隨著生產發(fā)展對自動化地要求越來越高，對比值控制提出了更高地要求。除了要求靜態(tài)比值外，還要求動態(tài)比值一定。Sp.F2KF1CF2CF1Gz(S)F1Hm1(S)Gc1(S)Gv1(S)Gp1(S)Gk(S)F2Gm2(S)Gc(S)Gv(S)Gp(S)-Gz(S)21121)()(mpvcpvczkmHGGGGGGGGHSFSF 由于要求副流量跟隨主流量變化，無相位差，以實現動態(tài)比值。max11max22max2max1121)()()()(FHGGGFHGGGSGFFKKSGSFKSFmpvcmpvczK7.6.3 具有邏輯規(guī)律的比值控制n邏輯規(guī)律：就是指工藝上對主、副流量提降負荷時的先后要求而言。所以具有邏輯規(guī)律的比值控制也稱為邏輯提量。PCF2CKF2CHSLS蒸汽燃料空氣“反”氣開氣開1.正常情況下：低選器LS以PC的輸出作為輸出信號，高選器H