过程控制 第四章 复杂过程控制系统-比值控制4

（12）
在流量比值稳定操作时，控 制器的测量值应等于设定值，即
DDZ-Ⅲ 电动比值器
I 2 I 0 ( I1 4) K 4
的换算公式求得。
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（13）
式中的K’由式（4）和（11）
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§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
第四章
§4-4
复杂过程控制系统
比值控制原理
比值控制系统的结构类型 比值控制系统设计 比值控制系统整定 应用举例
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比值控制
§4-4-1
§4-4-2 §4-4-3 §4-4-4 §4-4-5
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§4-4-1 比值控制原理
一、方法的产生 在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成 一定比例关系；一旦比例失调，会影响生产的正常进行， 影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚至产生生产 事故。如： 燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定比 例混合后送入炉膛。 制药生产中要求药物和注入剂按比例混合。 造纸过程中为保证纸浆浓度，要求自动控制纸浆量 和水量比例。 水泥配料系统„„
（17）
由于DDZ-Ⅲ电动单元组合仪表采用的标准信号为4— 20mA，要保证IS在标准信号范围内，则要求
2 Q1 max Q 1 max 2 K K 1 或K K 2 1 Q2 max Q 2 max
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（18）
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§4-4-3 比值控制系统设计
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§4-4-1 比值控制原理
二、比值控制的含义 凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控 制系统，统称为比值控制系统。 三、变量及关系 主动量---起主导作用而又不可控的物料流量； 从动量---跟随主动量而变化的物料流量； 比例系数: K=Q2/ Q1
② 将对生产负荷起关键作用的物料流量作为主动量。
③ 从安全角度出发，分析两种物料流量分别在失控情况
下，看哪一种情况必须保持比值一定，就将这种情况下的 那种物料流量作为主动量较为合适。
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§4-4-3 比值控制系统设计
二、比值系数的换算 要实现流量比值控制，首先就必须将工艺上的流量比 值K换算成仪表上的信号比值K’。换算方法随流量与测量 信号间是否成线性关系而不同。 1、流量与测量信号成线性关系
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
四、变比值控制系统 1、方法的产生 在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第 三个变量的变化而变化。 为了满足上述生产工艺要求，开发并应用变比值控制。 2、系统结构：如下图所示 3、变比值控制的含义 变比值控制系统是一个以第三个变量为主变量(质量 指标)、以两个流量比为副变量的串级控制系统。
所以在选择流量检测仪表的量程时，应满足
Q2 max KmaxQ1max
（18）
假定由于仪表量程选择的限制和工艺K的条件造成 K’＞1，为了使IS在标准信号范围内，可将乘法器由主 流量一侧改接在从流量一侧，不失原来的比值控制作用， 如图所示。
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
一、开环比值控制 1、系统组成：如下图所示
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
2、特点 简单、成本低； 只有当Q1变化时才起控制作用； Q2变化时，Q1不会响应，比例关系被破坏。 3、适用场合 从动量没有干扰的情况。 二、单闭环比值控制
则： 根据式（2） （1） （2）
Qma x Q ( I 4) 16
Q 2 ( I 2 4) Q2 max 16 I 2 4 Q2 max K Q1 ( I1 4) Q1 max 16 I1 4 Q1 max
所以仪表比值K’为：
（3）
I2 4 Q1 max K K I1 4 Q2 max
§4-4-3 比值控制系统设计
此时，乘法器的输入、输出信号关系式为：
( I 2 4)( I S 4) I0 4 16
（19）
系统稳态时， I1 得：
I 0 ，代入（15）
I1 4 1 IS 16 4 16 4 （21） I2 4 K
利用此方法解决了设定值电流 的设置问题。
2、应用乘法器方案
乘法器的输入/输出信号关系式为：
( I1 4)( I S 4) I0 4 16
（14）
由于系统在稳态时，控制器的 测量值I2应等于设定值I0，将I0=I2 代入式（14）得：
IS I2 4 16 4 K 16 4 （15） I1 4
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§4-4-3 比值控制系统设计
3、应用除法器方案 利用乘法器实现的单闭环比值控 制系统如图所示。由于乘法器的输出 是两流量的比值，可直接显示。 使用时注意事项： • 乘法器总是用小信号除以大信号 • 对于从动量控制回路而言，乘法 器被包括在回路当中，乘法器的非 线性对控制系统品质将会造成影响。
（23）
由式（23）可知，k正比于流量，即随着负荷的增大 而增大。从而影响系统的动态品质。
采用开方器后，静态放大系数与负荷大小无关，系统 的动态品质将不受其影响。
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§4-4-3 比值控制系统设计
五、从动量对主动量的动态跟踪 当系统除了要求静态比值恒定外，还要求动态比值一定。 为此，在单闭环比值控制系统中，于比值器的后面引入一个动 态补偿环节GZ，如图所示。
流量检测信号经过开方器后与流量信号成线性关系。
对DDZ－Ⅲ型仪表，当流量由零变至最大值Qmax时，仪 表对应的输出信号为4～20mA（DC），则流量的任一中间
值Q所对应的输出电流为：
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§4-4-3 比值控制系统设计
Q I 16 4 ( m A) Qmax
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§4-4-3 比值控制系统设计
如果采用开方器，流量为线性变送时，
Q1 max IS K 16 4 Q2 max
2 Q 1 max 2 IS K 2 16 4 Q 2 max
( m A)
（16）
如果没有采用开方器，流量为非线性变送时，
( mA)
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
3、优点 ※ 对主动量实行定值控制，克服了干扰对主、从动 量的影响。 ※ 升降负荷比较方便。 4、适用场合 常用在主动量干扰频繁或工艺上不允许负荷有较大 的波动，或工艺上经常需要升降负荷的场合。 5、使用中的注意事项 † 防止从动量回路产生“共振”。 † 主、从控制器都不宜采用微分作用。
不可控的流量作为主动量，可控的流量作为从动量。 2、双闭环比值控制系统主、从动量的选择（两个流量都 可控） 可以掌握以下原则：
① 分析两种物料的供应情况，将有可能供应不足的物料
流量作为主动量，供应充足的物料流量作为从动量。
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§4-4-3 比值控制系统设计
（24）
Q1 max 对于比值器，其传递函数为 Gk（s） K K
1 Gc ( s )Gv ( s )G02 ( s )Gm2 ( s ) Q2 max 则 Gz ( s ) Gm1 ( s )Gc ( s )Gv ( s )G02 ( s ) Q1 max
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§4-4-3 比值控制系统设计
四、开方器的选择 在用差压法测量流量时，测量信号与流量的关系为：
p( Q 2 ) 0.08 0.02 Qmax
（22）
它的静态放大系数为：
dp k dQ
Q Q0
0.08 2 2Q0 Q max
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（4）
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§4-4-3 比值控制系统设计
对于气动单元组合仪表，当流量由零变至最大值Qmax 时，仪表对应的输出信号为0.02～0.1Mpa，则流量的任 一中间值Q所对应的输出信号为：
Q p 0.08 0.02 ( Mpa) Qmax
2 I 4 p Q 对于电动仪表则： 2 16 pmax Q max
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§4-4-3 比值控制系统设计
所以
2 Q max Q 2 ( I 4) 16
2 2 Q22 I 4 Q Q 2 max 2 max 2 2 K 2 K 2 2 Q1 I1 4 Q 1 max Q 1 max
（9）
（10）
则有
得
Q K K 2 Q 2 max
2
2 1 Leabharlann Baiduax
（11）
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§4-4-3 比值控制系统设计
三、实施方案的选择
1、应用比值器方案
比值器的输入/输出信号关系式为：
I 0 ( I1 4) K 4
(mA)
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§4-4-3 比值控制系统设计
要做到从动量Q2对主动量Q1的动态跟踪，即保持二 者的比值关系不变，则
Q2 Gm1 ( s )Gk ( s )Gz ( s )Gc ( s )Gv ( s )G02 ( s ) K Q1 1 Gc ( s )Gv ( s )G02 ( s )Gm2 ( s )
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
4、工作过程 系统稳定时……
当Q1、Q2出现扰动时…… 当出现其他扰动(如温度、压力、成分等变化)时…… 5、特点 比值只是一种手段，不是最终目的，而第三变量y(t) 往往是产品质量指标。
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
6、应用实例
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§4-4-3 比值控制系统设计
一、主、从动量的选择 1、单闭环比值控制系统主、从动量的选择
（一个流量可控，另一个流量不可控）
4、优缺点 优点：不但能实现从动量跟随主动量变化，而且能 克服从动量本身干扰对比值的影响等。 缺点：主动量不受控。 5、适用场合 在负荷变化不太大的场合得到广泛应用。
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
三、双闭环比值控制
1、特点：能克服单闭环主动量不受控的不足。 2、系统组成：如下图所示
1、特点: 能克服开环比值方案的不足。 2、系统组成：如下图所示
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
3、工作过程 稳定状态下…… 主动量变化时…… 从动量由于干扰而变化时……
所以仪表比值K’为：
（5）
（6）
Q1 max K K Q2 max
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§4-4-3 比值控制系统设计
2、流量与测量信号成非线性关系 流量与压差的关系为： Q C
p
（7）
当压差信号是由零变到最大值△pmax时，DDZ－Ⅲ型 仪表对应的输出信号为4～20mA（DC），气动仪表对应的 输出信号为0.02～0.1Mpa。