第五章8-比值控制系統(tǒng)

5.8比值控制系統(tǒng)5.8.1概述5.8.2比值控制系統(tǒng)的類型5.8.3比值系數(shù)的計算5.8.4比值控制方案的實施5.8.5比值控制系統(tǒng)的投運和整定5.8.6比值控制系統(tǒng)的其它問題5.8.1概述（1）比值控制問題的由來在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中。經(jīng)常需要兩種或兩種以上的物料按一定比例混合或進行化學(xué)反應(yīng)，一旦比例失調(diào)，輕則會造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格，重則會造成生產(chǎn)事故或發(fā)生危險。例如1：溶液的濃度配制問題。

當(dāng)NaoH用量QB變化時，調(diào)整稀釋水量QA以使稀釋液NaoH的濃度為6~8%左右。解決方案：

A、出口濃度控制；

B、入口流量的比值控制（流量比值？）例如2：稀硝酸生產(chǎn)稀硝酸生產(chǎn)中的氧化爐，氨和空氣應(yīng)保持一定的比例，否則將使反應(yīng)不能正常進行，而氨和空氣氣比超過一定極限將會引起爆炸（低溫：15~28%，高溫：14~0.3%）。因此，提出比值控制系統(tǒng)。（2）定義

比值控制系統(tǒng)：實現(xiàn)兩個或兩個以上參數(shù)符合一定的比例關(guān)系的控制系統(tǒng)。流量比值控制系統(tǒng)：通常要保持兩種或兩種以上物料的流量為一定比例關(guān)系的系統(tǒng)，稱為流量比值控制系統(tǒng)。主動量（主流量）：需要保持比值關(guān)系的兩種物料中，處于主導(dǎo)地位而又不可控的物料流量，稱之為主動量或主流量。

從動量（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，稱之為從動量或副流量。(3)比值

比值控制系統(tǒng)就是要實現(xiàn)副流量Q2與主流量Q1成一定的比值關(guān)系:R=

Q2—為副流量，Q1—為主流量Q2Q15.8.2比值控制系統(tǒng)的類型1開環(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其它類型的比值控制系統(tǒng)1開環(huán)比值控制系統(tǒng)Q2控制器對象控制閥變送器Q1原理圖方框圖

對于左圖的生產(chǎn)過程，為保證混合后的濃度，設(shè)計如下圖所示控制系統(tǒng)，當(dāng)流量Q1隨高位槽液面變化時，通過測量變送器使控制器RC的輸出按比例變化，控制閥的流量特性若選線性，則Q2也就隨Q1按比例變化，以滿足最終質(zhì)量要求。在上述保持流量間比例關(guān)系的兩物料中，Q1處于主導(dǎo)地位，選擇為主流量，Q2隨Q1變化，選擇為副流量。該系統(tǒng)中的控制器只起比例作用，可以比值器代替，改變控制器的比例度或比值器的比值系數(shù)，就可以改變兩流量的比值Kc。1開環(huán)比值控制系統(tǒng)FCSp.Q1Q2

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Q1的變化，Q2將跟著變化，滿足Q2=R*Q1的要求。

特點：

由于系統(tǒng)是開環(huán)的，對副流量Q2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(guān)系要求不高的場合，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)是為了克服開環(huán)比值系統(tǒng)存在的不足，在開環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一個副流量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。即實現(xiàn)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。Q2變送器Q1變送器控制器控制閥對象RFCSp.Q1Q2RQ2變送器Q1變送器控制器控制閥對象R

如圖可知，當(dāng)主流量Q1變化時，其流量信號經(jīng)測量變送器送到比值計算器R，比值計算器按預(yù)先設(shè)置好的比值系數(shù)使輸出成比例變化，并作為副流量控制器的設(shè)定值，此時副流量控制是一個隨動系統(tǒng)，Q2經(jīng)控制作用自動跟隨Q1變化，使其在新的工況下保持兩流量比值R不變，當(dāng)副流量由于自身的擾動而變化時，因為它是一個定值系統(tǒng)，經(jīng)控制后可以克服自身的擾動。且一般流量控制器都采用PI作用，能消除余差，使工藝要求的流量比R保持不變。從方塊圖可以看出，系統(tǒng)只包含一個閉合回路，故成為單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。

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(dāng)于串級控制系統(tǒng)的主參數(shù)，而主流量沒有構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，Q2的變化并不影響到Q1。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。舉例：圖丁烯洗滌塔進料與洗滌水比值控制RFC洗滌塔丁烯含乙腈的洗滌水洗滌水含乙腈的丁烯餾分FCSp.Q1Q2RQ1Q23雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)Sp.Q2RF1CF2CQ1Q1變送器控制器控制閥主對象KQ2變送器控制器控制閥副對象--

為了既能實現(xiàn)兩流量的比值恒定，又能使進入系統(tǒng)的總負荷平穩(wěn)，在單閉環(huán)比值控制的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了雙閉環(huán)比值控制。

例如:以石腦油為原料的合成氨

要求：轉(zhuǎn)化爐中的石腦油與水蒸氣比值一定，各自的流量比較穩(wěn)定。下圖與單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的差別在于：主流量也構(gòu)成了閉合回路，故稱為雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。由于有兩個流量閉合回路，可以克服各自的外界擾動，使主、副流量都比較平穩(wěn)，流量間的比值可通過比值計算器實現(xiàn)。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的特點：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(chǎn)負荷在較大范圍內(nèi)波動的不足，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。2、實現(xiàn)精確的流量比值關(guān)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，只需緩慢地改變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。4其它類型的比值控制系統(tǒng)（1）變比值控制系統(tǒng)

流量之間實現(xiàn)—定比例的目的僅僅是保證產(chǎn)品質(zhì)量的一種手段，定比控制只考慮了如何來實現(xiàn)這種比值關(guān)系，沒有考慮成比例的兩種物科混合或反應(yīng)后最終質(zhì)量是否符合工藝要求。因此．從最終質(zhì)量看這種定比值方案．系統(tǒng)是開環(huán)的。當(dāng)系統(tǒng)中存在著除流量擾動以外的其他擾動(如濕度、壓力、成分以及反應(yīng)器中催化劑衰老等的擾動)時，原來設(shè)定的比值計算器參數(shù)就不能保證產(chǎn)品的最終質(zhì)量，需進行重新設(shè)置。但是，這種擾動往往是隨機的，且擾動幅度又各不相同，無法用人工經(jīng)常去修正比值系數(shù)。因此提出采用變比值的控制系統(tǒng)實現(xiàn)。定義：按照一定的工藝指標(biāo)自行修正比值系數(shù)的變比值控制系統(tǒng)，也稱串級比值控制系統(tǒng)。

Q2÷

TCF2CQ1Q1主控制器除法器Q2流量控制器-控制閥主對象測量變送測量變送流量對象主測量變送-舉例：圖3-7氧化爐溫度對氨氣—空氣串級比值控制系統(tǒng)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(yù)熱(2)串級和比值控制組合的系統(tǒng)Sp.Q2RF1CF2CQ1LC(a)常見方案常見方案：圖3-8（a）兩物料組成一雙閉環(huán)比值控制，而反應(yīng)器的液面又需恒定，于是組成一以液面為主參數(shù)，主流量為副參數(shù)的串級控制系統(tǒng)。當(dāng)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(diào)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3—8（b）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(yīng)基本一致。Q2RF1CF2CQ1LC(b)修改方案Sp.Q2RF1CF2CQ1LC(a)常見方案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(shù)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(shù)的需要而改變，兩流量的比值關(guān)系保持不變，整個系統(tǒng)屬于定比值控制。5.8.3比值系數(shù)的計算(1)流量與測量信號成線性關(guān)系時的計算(2)流量與測量信號成非線性關(guān)系時的計算

流量比值和設(shè)置于儀表的比值系數(shù)二者不同。雖然它們同屬無量綱系數(shù)、但除了特定場合外，兩者的數(shù)值是不相等。流量比值R：是流量Q1與Q2的比值。Q1與Q2同為質(zhì)量流量、體積流量或折算成標(biāo)準情況下的流量。比值系數(shù)K:

是設(shè)置于比值函數(shù)模塊或比值控制器(RC)的參數(shù)。(1)流量與測量信號成線性關(guān)系時的計算將工藝R（比值）如何折算成儀表比值系數(shù)K

對于DDZ-Ⅲ型儀表(4~20mADC)，任一流量Q輸出的信號為：

I=×16+4(1)

K=(2)

I1—副流量測量信號值

I2—主流量測量信號值將（1）代入（2），得：QQmaxI2-4I1-4

Q1max

—主流量變送器量程上限

Q2max

—副流量變送器量程上限可以證明：對于不同信號范圍的儀表，比值系數(shù)的計算式是一樣的。(2)流量與測量信號成非線性關(guān)系時的計算流量與差壓的非線關(guān)系：節(jié)流裝置的比值系數(shù)。針對不同信號范圍的儀表，測量信號與流量的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：0~10mADC的電動儀表：4~20mADC的電動儀表：20~100kPa的氣動儀表：

以信號范圍為4~20mADC的電動儀表為例，此時的比值系數(shù)計算方法：2特別說明：1.流量比值R與儀表比值系數(shù)K是兩個不同的概念，不能混淆。2.比值系數(shù)K大小與流量比R和變送器的量程有關(guān)，與負荷的大小無關(guān)。3.流量與測量信號之間有無線性關(guān)系對計算式有直接影響：線性時:

非線性:

4.線性測量與非線性測量情況下K間的關(guān)系為：

K非=（K線）2

。5.8.4比值控制方案的實施(1)兩類實施方案(2)比值控制方案實施舉例(3)比值控制方案中非線性環(huán)節(jié)的影響(4)比值控制方案中的信號匹配問題(1)兩類實施方案1)相乘方案

定義：主流量Q1的測量值乘上某一系數(shù)。作為Q2流量控制器的給定?！癤”表示比值器：采用四種儀表實現(xiàn)：比值器、配比器、分流器或乘法器。注意：若K為變數(shù)時，必須用乘法器，此時只需將比值設(shè)定信號換成第三參數(shù)就行了。FCSp.Q1Q2×

K2)相除方案定義：將Q2與Q1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(shè)定，操作方便。若將比值給定信號做為第三參數(shù)，便可實現(xiàn)變比值控制。Q2÷

F2CQ1K（2）比值控制方案實施舉例FCSp.Q1Q2×

K(1)用乘法器的方案Q2變送器Q1變送器控制器控制閥對象×

I1a）對于4~20mA的電動乘法器：穩(wěn)態(tài)時，I0=I2代入上式，有

根據(jù)儀表統(tǒng)一信號范圍為4~20mA，所以K的變化范圍僅在0~1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。FCSp.Q1Q2×

IkI1輸出信號：I2I0若采用開方器，流量為線性，則有若不采用開方器，流量為非線性，則有若K>1時，可采用乘法器放置在副流量回路中，這時:Q2變送器Q1變送器控制器控制閥對象×I2-b）對于使用比率給定器的方案Q2變送器Q1變送器控制器控制閥對象比率器

I1比率給定范圍：線性K′0.3~3.0

開方K′0.6~1.7乘法器與比率器的區(qū)別：

乘法器的比值系數(shù)不象比率器那樣可以直接在儀表上設(shè)置，而是通過外部恒流給定器來設(shè)定的。比值設(shè)置的步驟：先由工藝規(guī)定的兩物料的流量比值R，結(jié)合測量變送器的測量上限，正確的計算出儀表比值系數(shù)K。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(diào)整到上述計算值。2）用除法器組成的方案Q2÷

F2CQ1KQ2變送器Q1變送器控制器控制閥對象除法器

I1I2I0IrDDZ-Ⅲ

儀表（4~20mA）的除法運算式：穩(wěn)態(tài)時：I0Ir除法器的增益：Q2/Q1(I2/I1)

，增益為“正”

Q1/Q2(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(zhì)量的影響。比值設(shè)定的步驟：

先由工藝規(guī)定的流量比R，測量變送儀表的特性，計算比值系數(shù)K。按給定值計算公式，算出給定值后再把比值器的給定值設(shè)置成上面的計算值。

特點：

可直接讀出比值，使用方便。把比值器的給定值改成第三參數(shù)，即能組成變比值系統(tǒng)。3、比值控制方案中非線性環(huán)節(jié)的影響

產(chǎn)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，若用DDZ-Ⅲ型變送器，則測量信號與流量之間的關(guān)系如下式：式中：K—靜態(tài)放大系數(shù)

Q0—Q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(shù)是：K∝Q0，隨著負荷的增加而增大(1).測量環(huán)節(jié)的非線性產(chǎn)生問題：靜態(tài)放大系數(shù)k正比于流量，即隨負荷的增大，穩(wěn)定性下降。解決方法：

1）經(jīng)過開方運算，輸出信號與流量成線性關(guān)系，靜態(tài)放大系數(shù)與負荷大小無關(guān)，系統(tǒng)的動態(tài)性能不再受負荷變化影響。

2）可以選取不同流量特性的控制閥來補償。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(jīng)開方都成為線性。(2).除法器的非線性

當(dāng)然也有例外，如過程特性本身具有非線性（放大倍數(shù)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(zhì)量無害，反而能起到對過程非線性的補償作用。由于除法器在閉環(huán)回路中K=I2/I1，其放大倍數(shù)為：I1是Q1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(jīng)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。

上面采用K=I2/I1，若采用K=I1/I2，其非線性情況也一樣：因為，保持一定，所以負荷越小，放大倍數(shù)越大。由于除法器在閉環(huán)回路中K=I2/I1，其放大倍數(shù)為：可見采用K=I2/I1時，放大倍數(shù)為“正”而采用K=I1/I2時，放大倍數(shù)為“負”

在合成氨生產(chǎn)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4比值控制方案中的信號匹配問題比值系數(shù)K的計算是比值控制系統(tǒng)信號匹配的主要內(nèi)容。K的大小除了與工藝規(guī)定的流量比R以外，還與儀表的量程上限有關(guān)。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(guān)鍵的。儀表量程選得過大，以致儀表得靈敏度較低。對于相乘方案，比值系數(shù)K在接近于1時最為靈敏，精度最高。因為當(dāng)K=1時，KQ1max=Q2max，即在保持工藝要求的比值R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R=Q2/Q1=1/2，若選儀表測量上限，Q1max/Q2max=2/1，則K=1/2*2/1=1。

對于相除方案，K值應(yīng)取為0.5~0.8左右，這樣控制器的測量值處于整個量程的中間偏上數(shù)值，既能保證精確度，又有一定的調(diào)整余地。例題：

在甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)中，為了保證甲烷的轉(zhuǎn)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(chǎn)中最大負荷為：天然氣流量的最大值Qsmax=311100m3/h；空氣流量的最大值Qamax=14000m3/h；水蒸氣流量的最大值Qnmax=14000m3/h。轉(zhuǎn)化爐F3C空氣F1C水蒸氣R1F2C天然氣R2

現(xiàn)采用差壓法測量流量，未經(jīng)開方運算，系統(tǒng)組成如右圖示：已知：Qmax（m3/h）流量比水蒸氣：311003

天然氣：110001

空氣：140001.4解：天然氣對水蒸氣的比值系數(shù)：空氣對水蒸氣的比值系數(shù)：轉(zhuǎn)化爐F3C空氣F1C水蒸氣R1F2C天然氣R25.8.5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(shù)K的設(shè)置：根椐工藝規(guī)定的流量比R，根據(jù)實際組成的控制方案計算比值系數(shù)K。比值系數(shù)K不一定要精確設(shè)置，可在投運中逐漸校正，直至工藝認為合格為止。整定步驟：一、變比值控制系統(tǒng)：主控器的參數(shù)按串級控制系統(tǒng)進行。二、單閉環(huán)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)副流量回路和變比值回路整定：

1.進行比值系數(shù)的計算及現(xiàn)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(dāng)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。

非周期的臨界振蕩狀態(tài)tQ0cba5.8.6比值控制系統(tǒng)的其它問題1流量測量中的壓力、溫度的校正2主、副流量的動態(tài)比值問題3具有邏輯規(guī)律的比值控制4副流量供料不足時的自動配比5主動量與從動量的選擇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(shù)與設(shè)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(zhì)量要求又較高時，應(yīng)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(dǎo)：氣體體積流量和節(jié)流裝置之間的關(guān)系在設(shè)計條件可表示為：式中Qn、Δpn、ρn為設(shè)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、Δp1、ρ1為實際條件下的流量、壓差和密度。（3-24）（3-25）Tn_—設(shè)計條件下被測介質(zhì)的溫度，K；

pn—設(shè)計條件下被測介質(zhì)的壓力（絕壓），Pa；

T1—工作條件下被測介質(zhì)的溫度，K；

p1—工作條件下被測介質(zhì)的壓力（絕壓），Pa；將式（3—34）和式（3—35）代入式（3—36），整理得：對于定質(zhì)量氣體，考慮溫度、壓力的影響，則有：（3-26）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(dāng)時的差壓，然后按式（3—38）換算成設(shè)計條件下Δpn，再求得此時的流量值即校正后的真正流量測量值。（3-28）2主、副流量的動態(tài)比值問題

隨著生產(chǎn)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)

由于要求副流量跟隨主流量變化，無相位差，以實現(xiàn)動態(tài)比值。3具有邏輯規(guī)律的比值控制邏輯規(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。PCF1CKF2CHSLS蒸汽燃料空氣“反”氣開氣開1