過程控制第四章復雜過程控制系統(tǒng)比值控制

過程控制第四章復雜過程控制系統(tǒng)比值控制第一頁，共三十二頁。一、方法的產(chǎn)生在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，要求兩種或多種物料流量成一定比例關(guān)系；一旦比例失調(diào)，會影響生產(chǎn)的正常進行，影響產(chǎn)品質(zhì)量，浪費動力，造成環(huán)境污染，甚至產(chǎn)生生產(chǎn)事故。如：燃燒過程中，往往要求燃料量與空氣量需按一定比例混合后送入爐膛。制藥生產(chǎn)中要求藥物和注入劑按比例混合。造紙過程中為保證紙漿濃度，要求自動控制紙漿量和水量比例。

水泥配料系統(tǒng)……§4-4-1比值控制原理第二頁，共三十二頁。二、比值控制的含義凡是兩個或多個變量自動維持一定比值關(guān)系的過程控制系統(tǒng)，統(tǒng)稱為比值控制系統(tǒng)。三、變量及關(guān)系主動量---起主導作用而又不可控的物料流量；從動量---跟隨主動量而變化的物料流量；比例系數(shù):K=Q2/Q1§4-4-1比值控制原理第三頁，共三十二頁?！?-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型一、開環(huán)比值控制1、系統(tǒng)組成：如下圖所示第四頁，共三十二頁。2、特點簡單、成本低；只有當Q1變化時才起控制作用；Q2變化時，Q1不會響應，比例關(guān)系被破壞。3、適用場合

從動量沒有干擾的情況。

§4-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型二、單閉環(huán)比值控制1、特點:能克服開環(huán)比值方案的不足。2、系統(tǒng)組成：如下圖所示第五頁，共三十二頁。§4-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型第六頁，共三十二頁。3、工作過程穩(wěn)定狀態(tài)下……主動量變化時……從動量由于干擾而變化時……4、優(yōu)缺點優(yōu)點：不但能實現(xiàn)從動量跟隨主動量變化，而且能克服從動量本身干擾對比值的影響等。缺點：主動量不受控。5、適用場合在負荷變化不太大的場合得到廣泛應用?！?-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型第七頁，共三十二頁。三、雙閉環(huán)比值控制1、特點：能克服單閉環(huán)主動量不受控的不足。2、系統(tǒng)組成：如下圖所示§4-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型第八頁，共三十二頁?！?-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型3、優(yōu)點※對主動量實行定值控制，克服了干擾對主、從動量的影響?！地摵杀容^方便。4、適用場合常用在主動量干擾頻繁或工藝上不允許負荷有較大的波動，或工藝上經(jīng)常需要升降負荷的場合。5、使用中的注意事項?防止從動量回路產(chǎn)生“共振”。?主、從控制器都不宜采用微分作用。第九頁，共三十二頁。四、變比值控制系統(tǒng)1、方法的產(chǎn)生在有些生產(chǎn)過程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個變量的變化而變化。為了滿足上述生產(chǎn)工藝要求，開發(fā)并應用變比值控制。2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：如下圖所示3、變比值控制的含義變比值控制系統(tǒng)是一個以第三個變量為主變量(質(zhì)量指標)、以兩個流量比為副變量的串級控制系統(tǒng)?！?-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型第十頁，共三十二頁?！?-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型第十一頁，共三十二頁。§4-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型4、工作過程

系統(tǒng)穩(wěn)定時……當Q1、Q2出現(xiàn)擾動時……當出現(xiàn)其他擾動(如溫度、壓力、成分等變化)時……5、特點比值只是一種手段，不是最終目的，而第三變量y(t)往往是產(chǎn)品質(zhì)量指標。第十二頁，共三十二頁。6、應用實例§4-4-2比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型第十三頁，共三十二頁。一、主、從動量的選擇1、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主、從動量的選擇（一個流量可控，另一個流量不可控）不可控的流量作為主動量，可控的流量作為從動量。2、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主、從動量的選擇（兩個流量都可控）可以掌握以下原則：①分析兩種物料的供應情況，將有可能供應不足的物料流量作為主動量，供應充足的物料流量作為從動量?！?-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計第十四頁，共三十二頁?！?-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計②將對生產(chǎn)負荷起關(guān)鍵作用的物料流量作為主動量。③從安全角度出發(fā)，分析兩種物料流量分別在失控情況下，看哪一種情況必須保持比值一定，就將這種情況下的那種物料流量作為主動量較為合適。第十五頁，共三十二頁。二、比值系數(shù)的換算要實現(xiàn)流量比值控制，首先就必須將工藝上的流量比值K換算成儀表上的信號比值K’。換算方法隨流量與測量信號間是否成線性關(guān)系而不同。1、流量與測量信號成線性關(guān)系流量檢測信號經(jīng)過開方器后與流量信號成線性關(guān)系。對DDZ－Ⅲ型儀表，當流量由零變至最大值Qmax時，儀表對應的輸出信號為4～20mA（DC），則流量的任一中間值Q所對應的輸出電流為：§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計第十六頁，共三十二頁?！?-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計（1）則：（2）根據(jù)式（2）（3）所以儀表比值K’為：（4）第十七頁，共三十二頁。對于氣動單元組合儀表，當流量由零變至最大值Qmax時，儀表對應的輸出信號為0.02～0.1Mpa，則流量的任一中間值Q所對應的輸出信號為：（5）所以儀表比值K’為：（6）§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計第十八頁，共三十二頁。2、流量與測量信號成非線性關(guān)系流量與壓差的關(guān)系為：（7）當壓差信號是由零變到最大值△pmax時，DDZ－Ⅲ型儀表對應的輸出信號為4～20mA（DC），氣動儀表對應的輸出信號為0.02～0.1Mpa。對于電動儀表則：（8）§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計第十九頁，共三十二頁。§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計所以（9）則有（10）得（11）第二十頁，共三十二頁。三、實施方案的選擇1、應用比值器方案DDZ-Ⅲ電動比值器（12）（13）在流量比值穩(wěn)定操作時，控制器的測量值應等于設(shè)定值，即式中的K’由式（4）和（11）的換算公式求得。比值器的輸入/輸出信號關(guān)系式為：§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計第二十一頁，共三十二頁。2、應用乘法器方案乘法器的輸入/輸出信號關(guān)系式為：（14）由于系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時，控制器的測量值I2應等于設(shè)定值I0，將I0=I2代入式（14）得：（15）§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計第二十二頁，共三十二頁。如果采用開方器，流量為線性變送時，（16）如果沒有采用開方器，流量為非線性變送時，（17）由于DDZ-Ⅲ電動單元組合儀表采用的標準信號為4—20mA，要保證IS在標準信號范圍內(nèi)，則要求（18）§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計第二十三頁，共三十二頁。§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計所以在選擇流量檢測儀表的量程時，應滿足（18）假定由于儀表量程選擇的限制和工藝K的條件造成K’＞1，為了使IS在標準信號范圍內(nèi)，可將乘法器由主流量一側(cè)改接在從流量一側(cè)，不失原來的比值控制作用，如圖所示。第二十四頁，共三十二頁。此時，乘法器的輸入、輸出信號關(guān)系式為：（19）系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，，代入（15）得：（21）利用此方法解決了設(shè)定值電流的設(shè)置問題?！?-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計第二十五頁，共三十二頁。3、應用除法器方案利用乘法器實現(xiàn)的單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)如圖所示。由于乘法器的輸出是兩流量的比值，可直接顯示。使用時注意事項：乘法器總是用小信號除以大信號對于從動量控制回路而言，乘法器被包括在回路當中，乘法器的非線性對控制系統(tǒng)品質(zhì)將會造成影響。§4-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計第二十六頁，共三十二頁。四、開方器的選擇在用差壓法測量流量時，測量信號與流量的關(guān)系為：（22）它的靜態(tài)放大系數(shù)為：（23）由式（23）可知，k正比于流量，即隨著負荷的增大而增大。從而影響系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。采用開方器后，靜態(tài)放大系數(shù)與負荷大小無關(guān)，系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)將不受其影響?！?-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計第二十七頁，共三十二頁。五、從動量對主動量的動態(tài)跟蹤當系統(tǒng)除了要求靜態(tài)比值恒定外，還要求動態(tài)比值一定。為此，在單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中，于比值器的后面引入一個動態(tài)補償環(huán)節(jié)GZ，如圖所示?！?-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計第二十八頁，共三十二頁。要做到從動量Q2對主動量Q1的動態(tài)跟蹤，即保持二者的比值關(guān)系不變，則（24）對于比值器，其傳遞函數(shù)為Gk（s）則（25）式（25）即為嚴格的動態(tài)補償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)?！?-4-3比值控制系統(tǒng)設(shè)計第二十九頁，共三十二頁。一、變比值控制系統(tǒng)其主控制器的參數(shù)整定可按串級控制系統(tǒng)進行。二、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)1、由K到K′，按照K′進行投運；2、將TI=∞，由大到小逐漸改變比例度δ，直到在階躍干擾下過渡過程處于振蕩與不振蕩的臨界過程（非周期臨界情況）為止。3、如果TI≠∞，在適當放寬比例度（一般為20%）的情況下，緩慢地減小積分時間，直到出現(xiàn)非周期臨界情況或稍有一點過調(diào)為止?！?-4-4比值控制系統(tǒng)整定第三十頁，共三十二頁。§4-4-4比值控制系統(tǒng)整定三、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中的主動量回路控制器是定值控制系統(tǒng)，可按單回路定值控制系統(tǒng)進行整定（為非周期過程）。第三十一頁，共三十二頁。例1：如圖所示為單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，試問：（1）系統(tǒng)中為什么要加開方器？（2）為什么說該系統(tǒng)對主物料來說是開環(huán)的，而對從物料來說是一個隨動控制系統(tǒng)？