比值控制系統(tǒng)

1、 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 一、比值控制系統(tǒng)概述 在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，有的系統(tǒng)要求兩種或幾種原料按一定比例進(jìn)料。 例如： 1、氨合成生產(chǎn)過(guò)程：3H2+1N2=2NH3 要求H2和N2完全按照3：1進(jìn)料。 2、造紙過(guò)程中，對(duì)紙漿濃度有要求，進(jìn)料濃紙漿和水的進(jìn)料就要滿足一定比例。 如果有三個(gè)進(jìn)料，對(duì)三個(gè)進(jìn)料之間需要滿足一定比例關(guān)系。比值控制系統(tǒng): : 實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定的比例關(guān)系的控制系統(tǒng)。 氨合成爐：物料A與物料B比值為K兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)分為主動(dòng)量和從動(dòng)量。主動(dòng)量：主動(dòng)量：需要保持比值關(guān)系的兩種物料中，處于主導(dǎo)地位物料控制量，稱之為主動(dòng)量。從動(dòng)量：從動(dòng)量：按主物量進(jìn)行配比變化的物料，在

2、控制過(guò)程中隨主物料而變化，稱之為從動(dòng)量。主動(dòng)量:物料B從動(dòng)量:物料A，跟隨物料B的流量而變化 比值控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)從動(dòng)量與主動(dòng)量成一定的比值關(guān)系: K = F2為從動(dòng)量A ， F1為主動(dòng)量BF2F1二、比值控制系統(tǒng)的類型1) 開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)2) 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)3) 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)4) 變比值控制系統(tǒng)1） 開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)F2隨著F1的變化，F(xiàn)2將跟著變化，滿足F2=KF1的要求。原理圖方框圖KF1F2比值比值器K對(duì)象控制閥變送器F1干擾 開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的比值控制系統(tǒng)， 同時(shí)也是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 特點(diǎn)：由于系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)的，對(duì)從動(dòng)量F2有干擾無(wú)法克服，無(wú)法保持比值關(guān)系。 適用

3、場(chǎng)合：適用于從動(dòng)量較平穩(wěn)且比值關(guān)系要求不高的場(chǎng)合，實(shí)際生產(chǎn)上很少用。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(kāi)環(huán)比值系統(tǒng)存在的不足，在開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)從動(dòng)量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 即實(shí)現(xiàn)從動(dòng)量跟隨主動(dòng)量變化而變化，又可克服從動(dòng)量本身干擾對(duì)比值的影響。FCF1F2KF2變送器F1變送器控制器FC控制閥對(duì)象K干擾SpSp3） 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為保證主動(dòng)量穩(wěn)定在給定值，使得總量穩(wěn)定。 結(jié)構(gòu)上，在單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)主動(dòng)量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 即實(shí)現(xiàn)從動(dòng)量跟隨主動(dòng)量變化而變化，又克服干擾，保證輸出總量穩(wěn)定。SpF2KF1CF2CF1F1變送

4、器控制器控制閥主對(duì)象KF2變送器控制器控制閥從對(duì)象-F1CF2CSp1、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(chǎn)負(fù)荷在較大范圍內(nèi)波動(dòng)的不足。2、在單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)了主流量控制回路，克服了主流量干擾的影響。3、實(shí)現(xiàn)精確的流量比值關(guān)系（動(dòng)態(tài)比值），確保兩物料總量基本不變。4、提降負(fù)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(dòng)跟蹤提降，并保持比值不變。存在問(wèn)題：需要防止共振的產(chǎn)生。4） 變比值控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng) 有的系統(tǒng)要求比值不是定值，而是在一定條件或隨著某一個(gè)參數(shù)而變化的。 這種以第三參數(shù)為主參數(shù)（質(zhì)量指標(biāo)）和以主從動(dòng)量之比為副參數(shù)

5、所組成的串級(jí)控制系統(tǒng)稱為變比值控制系統(tǒng)。 含義：按照一定的工藝指標(biāo)，自行修正比值系數(shù)的比值控制系統(tǒng)。 即：主動(dòng)量與從動(dòng)量的比值按照第三參數(shù)的需要而變化。 注意：第三參數(shù)必須可連續(xù)的測(cè)量變送，否則系統(tǒng)將無(wú)法實(shí)施。 舉例：氧化爐溫度對(duì)氨氣空氣串級(jí)比值控制系統(tǒng)氨氣+空氣生產(chǎn)硝酸氧化爐溫度對(duì)氨氣氧化爐溫度對(duì)氨氣/ /空氣串級(jí)比值控制系統(tǒng)空氣串級(jí)比值控制系統(tǒng)工作原理： 氨氣+空氣按照一定比值進(jìn)入氧化爐，在鉑觸媒作用，840度溫度下，放熱反應(yīng)產(chǎn)生硝酸和一氧化氮。 氨氣濃度對(duì)溫度又有影響，濃度每下降1%，溫度下降64度。所以比值不是定值，要補(bǔ)償溫度的變化。 FCTC空氣F1氨氣F2混 合氧化爐 預(yù)熱FTFT

6、空氣/氨氣溫度氧化爐溫度對(duì)氨氣/空氣串級(jí)比值控制系統(tǒng)方框圖空氣F1主控制器除法器氨氣F2副控制器-控制閥主對(duì)象測(cè)量變送測(cè)量變送流量對(duì)象主測(cè)量變送三、 比值系數(shù)的計(jì)算比值控制通過(guò)比值器比值實(shí)現(xiàn)。比值器: 輸入、輸出為電量，系統(tǒng)的實(shí)際被控參數(shù)要通過(guò)測(cè)量變送轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏俊?比值器設(shè)置的是測(cè)量值的比值。F2變送器F1變送器控制器FC控制閥對(duì)象比值器F1:主動(dòng)量F2:從動(dòng)量例如：流量單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)要求：K = 流量F2/流量F1比值器比值設(shè)置值 KK = F2流量測(cè)量值 / F1流量測(cè)量值F2變送器F1變送器控制器FC控制閥對(duì)象比值器K1.儀表比值系數(shù) K與比值 K 是兩個(gè)不同的概念，不能混淆。K 比

7、值控制系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)的比值;K 為儀表的測(cè)量信號(hào)比值，稱為儀表的比值系數(shù);控制系統(tǒng)比值器計(jì)算設(shè)置的是儀表的比值系數(shù)。2.儀表比值系數(shù) K大小與比值 K 和測(cè)量變送器的特性、量程有關(guān)。 K的計(jì)算: 存在兩種情況： 1)當(dāng)用與被測(cè)量是線性關(guān)系的儀表測(cè)量時(shí) 2)當(dāng)用與被測(cè)量是非線性關(guān)系的儀表測(cè)量時(shí) (實(shí)際被控量比值測(cè)量值比值顯示值比值) K K K顯3.當(dāng)主、從動(dòng)量與測(cè)量值成線性 設(shè)主、從動(dòng)量測(cè)量?jī)x表量程為Q1MAX 和 Q2MAX。 若測(cè)量信號(hào)輸出都為 020mA, 儀表比值系數(shù) K： 儀表比值系數(shù)：2max1max1max12max2122max221max11QQ/QQ20/QQ20QQ20QQ

8、20KKKIIKII顯；IQ200Qmax0I1Q10%100%當(dāng)測(cè)量信號(hào)為420mA時(shí)，有：max2max1max11max221212max222max111161644:416416QQKKQQQQIIKIIKQQIQQI顯顯則顯示比值測(cè)量信號(hào)比值：IQ204Qmax0I1Q10%100%4. 測(cè)量信號(hào)與被測(cè)量之間成平方關(guān)系時(shí)：222顯2max12max2顯2max112max22212222max22max22max2max2max1maxQQ儀表顯示比值：164164416；1644204流量：例如：用壓差表來(lái)測(cè)量KKQQKQIQIQQKQQIQIQQQIpppCQK 為實(shí)際儀表的比

9、值系數(shù)，比值器設(shè)置值。小結(jié)：1）儀表比值系數(shù) K一般不等于比值 K；2）當(dāng)用與被測(cè)量線性關(guān)系且從0輸出儀表測(cè)量時(shí)；3）當(dāng)用與被測(cè)量有平方關(guān)系的儀表測(cè)量時(shí)；KKKK,QQQQ2max1max2max1max有時(shí)。僅當(dāng)2222max1maxQQ KK顯(實(shí)際被控量比值儀表測(cè)量值比值顯示值比值) K K K顯四、比值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)a、在生產(chǎn)中起主導(dǎo)作用的物料或關(guān)鍵物料選為主動(dòng)量，其余的物料以它為基準(zhǔn)，為從動(dòng)量；b、供應(yīng)不足或較為昂貴的物料選為主動(dòng)量，供應(yīng)充足的物料作為從動(dòng)量；c、在可能的情況下，選擇流量較小的物料量為從動(dòng)量，可使調(diào)節(jié)閥選的口徑小一些，控制較為靈活；e、當(dāng)生產(chǎn)工藝有特殊要求時(shí)，主、從動(dòng)

10、量的選擇服從工藝需要；f、從生產(chǎn)安全角度考慮，確定主、從動(dòng)量。1、主動(dòng)量、從動(dòng)量的選擇2、控制方案的選擇a、系統(tǒng)工藝上要求兩種物料流量的比值一定，系統(tǒng)負(fù)荷變化不大，而對(duì)總流量變化無(wú)要求，可選擇單閉環(huán)比值控制；b、若生產(chǎn)工程中，主、從流量的擾動(dòng)頻繁，負(fù)荷變化較大，同時(shí)要保證主、從物料流量恒定，可選擇雙閉環(huán)比值控制；c、當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程要求兩種物料流量的比值能靈活地隨第三個(gè)參數(shù)的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，則選擇變比值控制。3、調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇a、對(duì)于單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，比值器僅接收主動(dòng)量的測(cè)量信號(hào)，僅僅起比值計(jì)算作用，故選比例控制P；調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)比值作用和使從動(dòng)量相對(duì)穩(wěn)定，應(yīng)選擇PI控制規(guī)律。b、對(duì)于雙閉環(huán)比值

11、控制系統(tǒng)，兩物料流量不僅要保持恒定的比值，而且主動(dòng)量要實(shí)現(xiàn)定值控制，其輸出為從動(dòng)量的設(shè)定值也是定值。所以，兩個(gè)調(diào)節(jié)器均選擇為PI控制規(guī)律。c、變比值控制系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)上看它為串級(jí)控制系統(tǒng)，具有串級(jí)控制系統(tǒng)的一些特點(diǎn)，主調(diào)節(jié)器選擇PI或PID控制規(guī)律，比值調(diào)節(jié)器選用P控制規(guī)律。4、調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定1）根據(jù)計(jì)算的比值系數(shù)K在滿足工藝生產(chǎn)流量比的情況下，將比值控制系統(tǒng)投入運(yùn)行。2）將積分時(shí)間常數(shù)置于最大，由大到小改變調(diào)節(jié)器的比例度，使系統(tǒng)響應(yīng)迅速，并處于振蕩與不振蕩的臨界過(guò)程。3）若有積分作用，則適當(dāng)?shù)募哟蟊壤?，投入積分作用，并減小積分時(shí)間，直到系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩與不振蕩的臨界過(guò)程。1、開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)、

12、開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)已知：開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)的的數(shù)學(xué)模型如下，要求以4倍比值實(shí)現(xiàn)控制3.4.12、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)已知：?jiǎn)伍]環(huán)比值控制系統(tǒng)的的數(shù)學(xué)模型如下: 根據(jù)單閉環(huán)控制系統(tǒng)要求，我們選擇PI控制，從動(dòng)量通過(guò)臨界比例度法整定并修正Kp=0.82，Ki=0.05，因此，建立如下Simulink框圖：主從動(dòng)量均無(wú)噪聲干擾框圖從動(dòng)量加單位階躍擾動(dòng)時(shí)的框圖主從動(dòng)量不同時(shí)刻加單位階躍干擾框圖3、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)假設(shè)雙閉環(huán)比值系統(tǒng)其主動(dòng)量數(shù)學(xué)模型和從動(dòng)量數(shù)學(xué)模型分別如下： 根據(jù)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)要求，我們選擇PI控制，主從動(dòng)量通過(guò)臨界比例度法整定并修正，主從動(dòng)量Kp=0.82，Ki=0.05，因此，建立如下Simulink框圖：未加干擾時(shí)的系統(tǒng)曲線 主動(dòng)量在2000s以后加單位階躍擾動(dòng)，從動(dòng)量在1000s以后加單位階躍擾動(dòng)，下面我們觀察所得到的曲線圖 綜上分析，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)在控制過(guò)程中，若主動(dòng)量受到干擾發(fā)生波動(dòng)，則主動(dòng)量回路對(duì)其進(jìn)行定值控制，使主動(dòng)量始終穩(wěn)定在給定值附近，同時(shí)從動(dòng)量控制回路也會(huì)隨主動(dòng)量的波動(dòng)進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)從動(dòng)量受到擾動(dòng)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，從動(dòng)量控制回路對(duì)其進(jìn)行定值控制，