1、第十講：比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Process Control System8/21/20221重點(diǎn)內(nèi)容比值控制系統(tǒng)=特殊對(duì)象（q1/q2=const）反饋控制系統(tǒng)內(nèi)容：系統(tǒng)分析控制方案系統(tǒng)整定系統(tǒng)投運(yùn)8/21/20222一、比值控制概述在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需要自動(dòng)保持兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)之間的比例關(guān)系，這類控制系統(tǒng)就是比值控制系統(tǒng)。 圖8-44為一開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)，圖中，Q1為主物料流量，Q2為副物料流量。Q2以一定的比例隨Q1的變化而變化。在穩(wěn)定狀態(tài)下，Q1/Q2=K為工藝指標(biāo)要求的體積或重量流量的比值。 8/21/20223二、控制方案常用比值控制系統(tǒng)以下幾種類型：1、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 系統(tǒng)特點(diǎn)：主、副

2、物料流量間的實(shí)際比值不變，增加一個(gè)副物料流量閉環(huán)控制回路。8/21/20224二、控制方案1、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 控制形式：穩(wěn)態(tài)時(shí)，能滿足主、副流量的工藝比值要求，即Q2/Q1=K，動(dòng)態(tài)時(shí)，當(dāng)主流量Q1不變，而副流量Q2受到擾動(dòng)時(shí)，則可通過(guò)副流量的閉合回路進(jìn)行定值控制。當(dāng)主流量Q1受到擾動(dòng)時(shí)，W1(s)則按預(yù)先設(shè)置好的比值使其輸出成比例變化，即改變Q2的給定值，W2(s)根據(jù)給定值的變化，發(fā)出控制命令，以改變調(diào)節(jié)閥Wv(s)的開(kāi)度，使副流量Q2跟隨主流量Q1而變化，從而保證原設(shè)定的比值不變。當(dāng)主、副流量同時(shí)受到擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器W2(s)在克服副流量擾動(dòng)的同時(shí)，又根據(jù)新的給定值，改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，

3、使主、副流量在新的流量數(shù)值的基礎(chǔ)上，保持其原設(shè)定值的比值關(guān)系。存在問(wèn)題：主流量Q1受到擾動(dòng)時(shí)克服存在不足8/21/20225二、控制方案1、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 8/21/20226二、控制方案2、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 系統(tǒng)特點(diǎn)：雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是由一個(gè)定值控制的主流量回路和一個(gè)跟隨主流量變化的副流量控制回路組成。8/21/20227二、控制方案2、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 控制方式：主流量控制回路能克服主流量擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其定值控制。副流量控制回路能抑制作用于副回路中的擾動(dòng)。當(dāng)擾動(dòng)消除后，主、副流量都回復(fù)到原設(shè)定值上，其比值不變。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)主流量Q1的定值控制，使主、副流量均比較穩(wěn)定，從而

4、使總物料量也比較平穩(wěn)。因此，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中，當(dāng)要求負(fù)荷變化較平穩(wěn)時(shí)，可以采用這種控制方案。 8/21/20228二、控制方案3、變比值控制系統(tǒng)（串級(jí)比值控制系統(tǒng)）系統(tǒng)特點(diǎn)：要求兩種物料流量的比值，隨第三個(gè)參數(shù)的需要而變化，為了滿足上述生產(chǎn)工藝要求，開(kāi)發(fā)并應(yīng)用變比值控制系統(tǒng)。 8/21/20229二、控制方案3、變比值控制系統(tǒng)（串級(jí)比值控制系統(tǒng)）控制方式：該變比值控制系統(tǒng)是一個(gè)以第三參數(shù)或稱主參數(shù)（質(zhì)量指標(biāo)）和以兩個(gè)流量比為副參數(shù)所組成的串級(jí)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，主、副流量恒定，分別經(jīng)測(cè)量變送器后送至除法器，其輸出即為比值，作為W2(s)的測(cè)量信號(hào)，此時(shí)主參數(shù)Y(s)也恒定。W1(s)

5、輸出信號(hào)X2(s)穩(wěn)定，且X2(s)= Z2(s)，W2(s)輸出穩(wěn)定，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度一定，所以主參數(shù)Y(s)符合工藝要求，產(chǎn)品質(zhì)量合格。當(dāng)Q1、Q2出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，通過(guò)比值控制回路，保證比值一定，從而不影響（擾動(dòng)幅值不大時(shí)）主參數(shù)，或大大減小擾動(dòng)對(duì)主參數(shù)Y(s)的影響。對(duì)于某些物料流量（如氣體等），當(dāng)出現(xiàn)除流量擾動(dòng)外如溫度、壓力、成分等變化時(shí)，雖然它們的流量比值不變，由于真實(shí)流量與原來(lái)流量值不同，所以使Y(s)偏離了設(shè)定值，W1(s)的輸出X2(s)產(chǎn)生變化，從而修正了W2(s)的給定值；即修正了兩流量的比值，使系統(tǒng)在新的比值上穩(wěn)定。注意：在變比值控制系統(tǒng)中，流量比值只是一種控制手段，不是最終目的，

6、而第三參數(shù)Y(s)往往是產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)。8/21/202210三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括：控制方案選擇主物料流量和副物料流量確定控制規(guī)律確定選擇正確的變送器和測(cè)量元件計(jì)算比值系數(shù)8/21/202211三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、控制方案選擇：控制方案：開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng)選擇因素：生產(chǎn)工藝負(fù)荷變化擾動(dòng)性質(zhì)控制要求。8/21/202212三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、控制方案選擇：選擇因素：（1）單閉環(huán)比值控制能使兩種物料間的比值較精確、方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)方便，僅用一只比值或比例調(diào)節(jié)器即可。但是主流量變化會(huì)導(dǎo)致副物料流量的變化。如果工藝上僅要求兩物料流量之比值一定，負(fù)荷變化不

7、大，而對(duì)總流量變化無(wú)要求，則可選用此控制方案。（2）在生產(chǎn)過(guò)程中，主、副流量的擾動(dòng)頻繁，負(fù)荷變化較大，同時(shí)要保證主、副物料總量恒定，則可選用雙閉環(huán)比值控制方案。（3）當(dāng)生產(chǎn)要求兩種物料流量的比值能靈活地隨第三參數(shù)的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，則可選用變比值控制方案。總之，控制方案選擇應(yīng)根據(jù)不同的生產(chǎn)要求進(jìn)行具體分析而定，同時(shí)還需考慮經(jīng)濟(jì)性原則。8/21/202213三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、主物料流量和副物料流量確定比值控制系統(tǒng)按比值性質(zhì)可分為定比值控制和變比值控制兩種。在設(shè)計(jì)比值控制系統(tǒng)時(shí)，需要先確定主、副物料流量，選擇原則：（1）在生產(chǎn)中起主導(dǎo)作用的物料流量，一般選為主流量，其余的物料流量以它為準(zhǔn)，跟隨其變化而

8、變化，稱為副流量。（2）在生產(chǎn)過(guò)程中不可控的物料流量，一般選為主流量，而可控物料量作為副流量。（3）在可能的情況下，選擇流量較小的物料作為副流量，這樣，調(diào)節(jié)閥可以選得小一些，控制較靈活。（4）在生產(chǎn)中較昂貴的物料流量可選為主流量，或者工藝上不允許控制的物料流量作為主流量，這樣不僅不會(huì)造成浪費(fèi)而且可以提高產(chǎn)量。（5）當(dāng)生產(chǎn)工藝有特殊要求時(shí)，主、副物料流量的確定應(yīng)服從工藝需要。8/21/202214三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)3、控制規(guī)律確定比值控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器控制規(guī)律是由不同的控制方案和控制要求而定。（1）單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中，W1(s)僅接收主流量的測(cè)量信號(hào)，僅起比值計(jì)算作用，故選P控制規(guī)律或用一個(gè)比值器；W2

9、(s)起比值控制作用和使副流量相對(duì)穩(wěn)定，故應(yīng)選PI控制規(guī)律。（2）雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，兩流量不僅要保持恒定的比值，而且主流量要實(shí)現(xiàn)定值控制，其結(jié)果副流量的設(shè)定值也是恒定的，所以兩個(gè)調(diào)節(jié)器均應(yīng)選PI控制規(guī)律。（3）變比值控制系統(tǒng)，又可稱為串級(jí)比值控制系統(tǒng)，它具有串級(jí)控制系統(tǒng)的一些特點(diǎn)，仿效串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇原則，主調(diào)節(jié)器選PI或PID控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器選用P控制規(guī)律。8/21/202215三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)4、選擇正確的變送器和測(cè)量元件流量測(cè)量是比值控制的基礎(chǔ)，各種流量計(jì)都有一定的適用范圍（一般正常流量選在滿量程的70%左右），必須正確選擇和使用。變送器的零點(diǎn)及量程的調(diào)整都是十分重要的。

10、8/21/202216三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)5、計(jì)算比值系數(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中，比值控制是解決物料流量之間的比例關(guān)系問(wèn)題，工藝物料流量的比值K，是指兩流量的體積流量或重量流量之比。比值系統(tǒng)K 是流量比值K 的函數(shù)，一般情況下兩者并不相等。當(dāng)控制方案確定后，必須把工藝上的比值K 折算成儀表上的比值系數(shù)K ，并正確設(shè)定在相應(yīng)的控制儀表上，這是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。比值控制系統(tǒng)由過(guò)程和檢測(cè)變送、控制儀表組成。當(dāng)使用DDZ-儀表時(shí)，儀表輸出420mA.DC或15V.DC標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)。比值系數(shù)計(jì)算就是將流量比值K 折算成相應(yīng)儀表的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)。8/21/202217三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)5、計(jì)算比值系數(shù)（1）流量與測(cè)量信號(hào)成線

11、性關(guān)系 設(shè)：工藝要求Q1/Q2=K，Q1測(cè)量流量和Q2的變送器的測(cè)量范圍分別為0Q1max和0 Q2max ，則折算成儀表的比值系統(tǒng)為K=K*(Q1max/q2max)注意：若采用比值器來(lái)實(shí)現(xiàn)比值控制時(shí)，計(jì)算出的儀表比值系數(shù)K ，即為比值器的比值系數(shù)。8/21/202218三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)5、計(jì)算比值系數(shù)（2）流量與測(cè)量信號(hào)成非線性關(guān)系 設(shè)：差壓式流量計(jì)時(shí)，流量與壓差的關(guān)系為：由于流量變送器的輸出為420mA.DC，正比于差壓，即輸出電流與Q平方成正比。工藝要求Q1/Q2=K，Q1測(cè)量流量和Q2的變送器的測(cè)量范圍分別為0Q1max和0 Q2max ，則折算成儀表的比值系統(tǒng)為：式中，Q1max為測(cè)量

12、主流量Q1所用流量變送器的滿刻度值；Q2max為測(cè)量副流量Q2所用流量變送器的滿刻度值；K=Q1/Q2為工藝要求的流量比值。8/21/202219三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)5、計(jì)算比值系數(shù)例：合成氨時(shí)，氮、氫按一定比例進(jìn)行反應(yīng)。采用DDZ儀表組成了以氮?dú)鉃橹髁髁?，以氫氣為副流量?gòu)成比值控制系統(tǒng)。用差壓式流量計(jì)測(cè)量氫和氮的流量，未經(jīng)開(kāi)方處理。已知：氫流量變送器為：Q1max6.5m3/h 氮流量變送器為：Q2max10m3/h工藝要求：Q2 /Q1=K=3，試求采用比值器實(shí)現(xiàn)比值控制時(shí)儀表的比值系統(tǒng)K 。解：采用差壓式流量計(jì)測(cè)量流量時(shí)，實(shí)際流量與其測(cè)量信號(hào)成非線性關(guān)系，故采用式（8-56）計(jì)算儀表的比值系數(shù)K

13、 ，即：K = K*K (3*3)(6.5/10) (6.5/10)=3.8將求出的比值系數(shù)K 設(shè)置在比值器，比值控制系統(tǒng)就能按工藝要求正常運(yùn)行。8/21/202220四、系統(tǒng)實(shí)施比值控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)Q2/ Q1=K或Q2 =K Q1的自動(dòng)控制。實(shí)施方案基本上有兩大類。一是把兩個(gè)流量Q2 與 Q1都測(cè)量出來(lái)，并將兩個(gè)測(cè)量信號(hào)相除，除法器的輸出作為比值調(diào)節(jié)器的測(cè)量值，稱為相除控制方案，見(jiàn)圖8-48 a。二是把流量Q1測(cè)量出來(lái)，把測(cè)量信號(hào)乘以某一系數(shù)，作為流量Q2調(diào)節(jié)器的給定值，控制流量Q2，稱為相乘方案，見(jiàn)圖8-48 b。8/21/202221四、系統(tǒng)實(shí)施8/21/202222五、系統(tǒng)整定單回路

14、比值系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)整定比較簡(jiǎn)單，只是要注意，比值控制系統(tǒng)的閉環(huán)實(shí)際上是一個(gè)流量隨動(dòng)系統(tǒng)，即要求被控量按一定比例隨主流量作相應(yīng)的變化。圖8-49是物料A的流量按某個(gè)比例跟蹤物料B的流量變化。顯然，要求控制回路跟蹤得越快越好，且不希望它在控制過(guò)程中流量上下波動(dòng)。因此，在整定時(shí)應(yīng)把系統(tǒng)的衰減率調(diào)整得較大，使調(diào)節(jié)過(guò)程處于臨界振蕩。此時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程既無(wú)波動(dòng)而又動(dòng)作迅速，滿足生產(chǎn)要求。在整定過(guò)程中，一般先把調(diào)節(jié)器FAC的積分時(shí)間TI放在最大，然后從大到小逐漸減小比例帶，直到被調(diào)流量在主流量階躍擾動(dòng)下的過(guò)渡過(guò)程處于臨界振蕩，如圖8-49中曲線b。圖8-49中曲線a代表較大比例帶時(shí)的過(guò)渡過(guò)程，顯然它的調(diào)節(jié)過(guò)程太慢。在確定好比例帶以后，逐步減小TI，直到調(diào)節(jié)過(guò)程中被調(diào)量稍有一點(diǎn)超調(diào)，見(jiàn)圖8-49中曲線c。8/21/202223五、系統(tǒng)整定 8/21/202224六、注意1流量測(cè)量中的溫度、壓力補(bǔ)償用差壓式流量計(jì)測(cè)量可壓縮流體的流量時(shí)，若流體實(shí)際工作壓力P和絕對(duì)溫度T與設(shè)計(jì)時(shí)的壓力Po和溫度To不同，將會(huì)引起較大誤差，因此，必須進(jìn)行壓力、溫度補(bǔ)償，其補(bǔ)償公式為 2比值控制系統(tǒng)的非線性