比值控制系统

《过程控制系统仿真》电子工业出版社出版2009.3作者：郭阳宽王正林联系邮箱：[e-mail]第7章比值控制系统过程控制系统仿真本章内容与目录7.1比值控制系统基础知识7.1.1比值控制系统特点7.1.2比值控制系统的类型7.1.3比值系数计算7.2比值控制系统设计7.3综合仿真实例本章小结本章描述了比值控制的基本概念，介绍了比值控制的基本特点、比值控制系统的设计及其控制器参数整定等基础知识，并通过实例仿真进行了各类比值控制系统设计及整定。通过本章，读者对比值控制的基本概念、特点和设计方法有较为全面的认识，并通过仿真深化对比值控制的理解。第7章比值控制系统过程控制系统仿真7.1比值控制系统基础知识7.1.1比值控制系统特点21QKQ比值控制系统的特征:是实现两个或两个以上物料保持一定比例关系。1.主物料，也称为主动量:在要保持一定比例关系的物料中，把起主导作用的物料。2.从物料，也称为从动量:另一种随主物料的变化而成比例地变化的物料3.在过程控制中经常保持比例的参量是流量，故常用下式表示第7章比值控制系统过程控制系统仿真7.1比值控制系统基础知识7.1.2比值控制系统的类型根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等要求不同，实际采用的比值控制方案也不同。比值控制系统分为：1.开环比值控制系统；2.单闭环比值控制系统；3.双闭环比值控制系统；4.变比值控制系统等。第7章比值控制系统过程控制系统仿真7.1比值控制系统基础知识7.1.2比值控制系统的类型1．开环比值控制系统（1）工艺流程图；（2）原理方框图图7.2开环比值控制系统工艺流程图和原理方框图如图7.2所示。第7章比值控制系统过程控制系统仿真7.1比值控制系统基础知识7.1.2比值控制系统的类型1．开环比值控制系统1）当系统处于稳定工作状态时，两物料的流量满足比值关系。2）当主动量受到干扰而发生变化时，系统通过比值器及设定值按比例去改变控制阀的开度，调节从动量使之与主动量仍保持原有的比例关系。3）当从动量受到外界干扰（如温度、压力扰动）波动时，由于是开环控制，没有调节从动量自身波动的环节，也没有调整主动量的环节，故两种物料的比值关系很难保持不变，系统对此无能为力。开环比值控制是理解比例控制工作机理的基础，在实际工程上很少应用。第7章比值控制系统过程控制系统仿真7.1比值控制系统基础知识7.1.2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在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变。工艺流程图及原理框图如图7.3所示。第7章比值控制系统过程控制系统仿真7.1比值控制系统基础知识7.1.2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的四种工作情况：（1）当在系统处于稳定工作状态时，主、副物料流量的比值恒定。（2）当主物料流量不变，副物料流量受到扰动变化时，可通过副流量的闭合回路调整副物料流量使之恢复到原设定值，保证主、副物料流量比值一定。（3）当主物料流量受到扰动变化，而副物料不变时，则按预先设置好的比值使比值器输出成比例变化，即改变给定值，根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调节阀的开度，使副流量跟随主流量而变化，从而保证原设定的比值不变。（4）当主、副物料流量同时受到扰动变化时，调节器在调整副物料流量使之维持原设定值的同时，系统又根据主物料流量产生新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副物料流量在新的流量数值的基础上，保持原设定值的比值关系不变。总之,单闭环比值控制系统虽然能保持主、副物料流量比值不变，但是无法控制主物料的流量不变，因此，对生产过程的生产能力没有进行控制。该控制系统能保证主、副物料的流量比值不变，同时，系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应用较广。第7章比值控制系统过程控制系统仿真7.1比值控制系统基础知识7.1.2比值控制系统的类型2．单闭环比值控制系统【例7-1】利用单闭环比值随动控制实现水泥生产中萤石自动配料。水泥生产中，为了降低水泥中fCaO（游离氧化钙，又称游离钙）含量，提高水泥熟料质量，要求在石灰石中按一定比例自动连续地掺加萤石。利用如图7.4所示的单闭环比值控制的方式可以实现萤石与石灰石比例的恒定，达到了提高水泥质量的目的。石灰石库萤石库悬浮皮带秤全荷式皮带秤给料皮带机料斗计量上料料斗比值计算萤石调整后供料量去生料磨头仓图7.4萤石单闭环比值控制自动配料系统框图。图中粗线代表物料运送，细线代表控制线路。其中，控制中以石灰石为主动量，萤石为从动量。比值系数为两物料重量之比。(具体内容请参阅教材)第7章比值控制系统过程控制系统仿真7.1比值控制系统基础知识7.1.2比值控制系统的类型3．双闭环比值控制系统在双闭环比值控制系统工作时，若主动量受到干扰发生波动，则主动量回路对其进行定值控制，使主动量始终稳定在给定值附近，同时从动量控制回路也会随主动量的波动进行调整；当从动量受到扰动发生波动时，从动量控制回路对其进行定值控制，使从动量始终稳定在定值附近，而主动控制回路不受从动量波动的影响。因此，因扰动而发生的主动量和从动量波动利用各自控制回路分别实现实际值与给定值吻合，从而保证主、副物料流量的比值恒定。当调节主动量给定值时，主动量控制回路调节主动量实际值和给定值吻合；同时，根据主动量与从动量的比值及新的主动量给定值，系统给出从动量控制回路的输入值。通过从动控制回路的调节控制使从动量的实际值与该输入值吻合，即从动控制量的实际值与主动量变动后的数值相对应，保持主动量和从动量的比值不变。第7章比值控制系统过程控制系统仿真7.1比值控制系统基础知识7.1.2比值控制系统的类型3．双闭环比值控制系统可见主动量控制回路是一定值控制系统，而从动量控制回路是一个随动控制系统。和单闭环比值控制系统相比，双闭环比值控制系统的突出优点如下：（1）控制系统更为稳定对主动量的定值控制克服了干扰对主动量的影响，因此主动量变化平稳，从动量也将平稳，进而系统的总物料流量稳定，更好地满足了生产工艺要求。（2）系统更易于调节当需要改变主动量的设定值时，主动量控制回路通过调节控制使主动量的输出值改变为新设定值，同时从动量也将随主动量按给定比值变化。因此，当需要调整负荷时，只要改变主动量回路控制器的给定值，就可同步调整主动量和从动量，并保持主动量和从动量的比值不变。第7章比值控制系统过程控制系统仿真7.1比值控制系统基础知识7.1.2比值控制系统的类型【例7-2】双闭环比值控制在磷酸二铵生产中的运用3．双闭环比值控制系统(具体内容请参阅教材)第7章比值控制系统过程控制系统仿真7.1比值控制系统基础知识7.1.2比值控制系统的类型4．变比值控制系统FTFC从流量Q2主物料从物料主对象主流量Q1图5.4变比值控制系统（1）工艺图；（2）控制方框图给定值Q1（1）FT变送器流量检测+-YC主控制器比值控制器除法器÷主对象副流量对象+-副流量控制阀变送器流量检测变送器检测干扰（2）干扰FTFC从流量Q2主物料从物料主对象主流量Q1图5.4变比值控制系统（1）工艺图；（2）控制方框图给定值Q1（1）FT变送器流量检测+-YC主控制器比值控制器除法器÷主对象副流量对象+-副流量控制阀变送器流量检测变送器检测干扰（2）干扰Q2单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统有一个共同的特点：通过控制系统维持物料的供应比值恒定，保证生产过程的正常进行。实际生产过程中，物料按比例输入并不是最终目的，一般最终目的是生产过程的结果，如发电系统产生的电能，自来水氯气消毒系统输出水的质量与流量等。因此，在生产过程中，往往要对除了输入物料以外的第三参量进行控制。当第三参量随输入物料的配比不同变化时，对第三参量的控制问题，变成了调节物料配比问题，这就是变比值控制，其控制的工艺图和控制方框图如图7.7所示。第7章比值控制系统过程控制系统仿真7.1比值控制系统基础知识7.1.2比值控制系统的类型氨气放空造粒喷头硝酸溶液溶液槽中和反应器分离器蒸发器蒸发后分离器高位槽Q2可见，变比值控制是一种内外环嵌套的复合控制，内环控制从物料的变化，外环控制第三参量的变化。通过第三参量的变化实现系统的变比值控制。主动量和从动量经检测、变送后送入除法器相除，除法器的输出即为它们的比值，同时又是比值控制器的测量值。系统在稳定工作状态下，主被控变量（即第三参量）稳定，主控制器的输出也稳定不变并和比值控制器信号相等，从物料量控制阀门稳定于某一开度，控制器的比值恒定。当主物料量受到干扰发生波动时，除法器输出要发生改变，从物料控制系统调节从物料控制阀门开度，使从动量也发生变化，保证主物料量和从物料量比值不变。当从物料量受到干扰发生波动时，和单闭环比值控制系统及双闭环比值控制系统一样，调节从物料流量，保证主物料量和从物料量比值不变。当主被控对象（即第三参量）受到干扰引起被控发生变化时，主控制器的输出将发生变化，也就是改变了比值控制器的设定值，即改变了主、从物料的比值。【例7-3】变比值控制系统在硝酸铵中和反应中的应用。利用氨和硝酸中和反应生产硝酸铵的流程如图7.8所示。4．变比值控制系统(具体内容请参阅教材)第7章比值控制系统过程控制系统仿真7.1比值控制系统基础知识7.1.3比值系数计算比值控制系统的控制过程是通过对主、从动量以及第三参量的检测与控制实现的。一个物理量通常多种检测方式，不同检测方式的比值系数计算方法也有相应的差别。常见的流量检测有：差压式流量计通过测量流动过程中两点的压力差，然后根据压力差与流量关系实现流量检测；靶式流量计通过测量流动过程中某一点的靶面压力，然后根据靶面压力与流量关系实现流量检测；浮子流量计通过将流动过程中某一点处流体引入浮子流量计，测量浮子悬浮的高度，然后根据悬浮高度与流量关系实现流量检测；椭圆齿轮式容积流量计、涡轮流量计、涡计流量计是将该流量计引入流动过程中某一点，测量旋转体的转速，然后根据转速与流量关系实现流量检测；电磁流量计则用于测量导电液体，根据电磁感应原理，利用感应电动势测量流量。第7章比值控制系统过程控制系统仿真7.1比值控制系统基础知识7.1.3比值系数计算QcW2211WQKWQ1max0~Q2max0~Q1max1max2max2maxWQkKKWQ综合分析各种检测方式，可把检测方法分为线性检测和非线性检测两种：1．线性检测法的比值系数计算流量的线性检测一次仪表有浮子流量计、椭圆齿轮式容积流量计、涡轮流量计、涡计流量计等。该类仪表的流量测量原理可概括为：按比值系数公式得若对应变送器的测量范围（或称比值控制器输入端的主、从物料信号范围）分别为和则折算成比值控制器的比值系数为第7章比值控制系统过程控制系统仿真7.1比值控制系统基础知识7.1.3比值系数计算【例7-4】计算“例7-1利用单闭环比值随动控制实现水泥生产中萤石自动配料”的比值系数。工艺所要求的石灰石、萤石两物料的比值是重量之比，实际两物料经称重传感器测出的是相应的重量流量，而控制系统中所体现的参数与参数之间的关系是相应的电信号。因此，比值系数的计算就是把工艺上要求的流量比折算成在控制系统对应的电信号之比。(具体内容请参阅教材)第7章比值控制系统过程控制系统仿真7.1比值控制系统基础知识7.2比值控制系统设计7.2.1系统选用原则7.2.2主从物料的选择7.2.3比值控制系统工程整定7.3综合仿真实例本章小结7.2比值控制系统设计本节主要讲述比值控制系统中的比值控制方式选择原则、主从物料的选择原则及比值控制的工程整定方法。第7章比值控制系统过程控制系统仿真7.2比值控制系统设计比值控制有多种控制方案，具体选用适应分析各种方案的特点，根据不同的工艺情况、负荷变化、扰动性质、控制要求等进行合理选择。（1）单闭环比值控制的选用当要求两种物料比值精确、恒定；外干扰引起的主流量波动变化可以容忍；只有一种物料可控，其它物料不可控制；对由主流量波动引起的副流量波动和总生产能力变化没有限制时，可选用此方案。该方案实现起来方便，仅用一只比值器或比例调