流量比值控制系统的设计
过程控制课程设计流量比值控制
一．设计任务分析设计任务的描述在了解、熟悉和掌握双闭环流量比值控制系统的工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础之上,根据生产过程对控制系统所提出的安全性、经济性和稳定性要求,应用控制理论对控制系统进行分析和综合,最后采用计算机控制技术予以实现;设计的目的通过对一个完整的生产过程控制系统的课程设计,使我们进一步加深对过程控制系统课程中所学内容的理解和掌握,提高我们将过程检测与控制仪表、自动控制原理、微机控制技术和过程工程基础等课程中所学到知识综合应用的能力;锻炼学生的综合知识应用能力,让学生了解一般工程系统的设计方法、步骤,系统的集成和投运;从而培养学生分析问题和解决问题的能力;设计的要求1.从组成、工作原理上对工业型流量传感器、执行机构有一深刻的了解和认识;2.分析控制系统各个环节的动态特性,从实验中获得各环节的特性曲线,建立被控对象的数学模型;3.根据其数学模型,选择被控规律和整定调节器参数;4.在Matlab上进行仿真,调节控制器参数,获得最佳控制效果;5.了解和掌握自动控制系统设计与实现方法,并在THJ-2型高级过程控制系统平台上完成本控制系统线路连接和参数调试,得到最佳控制效果;6.分析仿真结果与实际系统调试结果的差异,巩固所学的知识;本次设计的具体要求1.控制电磁阀的开度实现流量的单闭环的PI调节;2.通过变频器控制电磁阀运行实现流量的单闭环的PI调节3.用比例控制系统使副回路的流量跟踪主回路的流量,满足一定的工艺生产要求二．总体设计方案方案论证根据实际生产情况,比值控制系统可以选择不同的控制方案,比值控制系统的控制方案主要有开环比值控制系统,单闭环比值控制系统,双闭环比值控制系统几种;方案一：单闭环控制系统原理设计的系统框图如图所示;图单闭环流量比值控制系统原理图单闭环流量比值控制系统与串级控制系统相似,但功能不同;可见,系统中没有主对象和主调节器,这是单闭环比值控制系统在结构上与串级控制不同的地方,串级控制中的副变量是调节变量到被控变量之间总对象的一个中间变量,而在比值控制中,副流量不会影响主流量,这是两者本质上的区别;方案二：在单闭环控制系统基础上,增加一个主流量闭环控制系统,单闭环比值控制系统就成为双闭环比值控制系统,其方框图如图所示;双闭环较之于单闭环而言更加复杂,选用的设备也更多,但对于实际生产,生产效率和质量十分重要,因此对系统的稳定性和精确度要求较高;双闭环比值控制系统能实现主动量的抗扰动、定植控制,使主、从动量均比较稳定,从而使总物料也比较平稳,这样,系统总负荷也将是稳定;经过分析,当系统处于稳态时,比值关系是比较精确的；在动态过程中,比值关系相对而言不够精确;另外,如果主流量处于不变的状态,副流量控制系统又相当于一个定值控制系统;方案二的双闭环流量比值控制系统,是在主流量也需要控制的情况下,增加一个主流量闭环控制系统构成的,由于增加了主流量闭环控制系统,主流量得以稳定,从而使得总流量能保持稳定;双闭环比值控制系统主要应用于总流量需要经常调整的场合;如果没有这个要求,两个单独的闭环控制系统也能使两个流量保持比例关系,仅仅在动态过程中,比例关系不能保证;方案选择通过方案的论证可知,单闭环流量比值控制系统适用于负荷变化不大,主流量不可控制,两种物料间的比值要求较精确的生产过程;而双闭环流量比值控制系统适用于主副流量扰动频繁,负荷变化较大,同时保证主、副物料总量恒定的生产过程;该设计针对控制对象,主流量选择为氯化钾液体,而副流量则选择是硫酸液体,实际生产中,由于这两种化学成分并不十分稳定,因而可能造成扰动频繁,并且属于负荷变化较大;经过分析,选择方案二的双闭环流量比值控制系统来设计该生产控制系统更为合适;双闭环比值控制系统的结构在现代工业生产过程中,经常遇到生产工艺要求两种或多种物料流量成一定比例关系的问题,一旦比例失调,就会影响生产的正常进行,影响产品质量,浪费原料,消耗动力,造成环境污染,甚至产生生产事故;如硝酸生产中的氨氧化炉,其进料是氨气和空气,两者的流量必须具有一个合适的比例,因为氨在空气中的含量,低温时在15～28％之间,高温时在14～30％之间都有可能产生爆炸的危险,严格控制其比例,使其不进入爆炸范围,对于安全生产来说十分重要;这种用来实现两个或两个以上参数之间保持一定比值关系的过程控制系统,均称为比值控制系统;本设计被控对象为电动阀支路的流量和变频器－磁力泵支路的流量,每个支路上分别装有流量传感器对支路的流量进行测量,电动阀支路的流量是系统的主动量Q1,变频器—磁力泵支路的流量是系统的从动量Q2;要求从动量Q2能跟随主动量Q1的变化而变化,而且两者间保持一个定值的比例关系,即Q2／Q1＝K,同时要求保证主动量与从动量保持总量恒定;双闭环比值控制系统的结构图,如图,若除去比值器,则为两个独立的单回路系统;事实上,若采用两个独立的单回路系统同样能实现它们之间的比值关系,但只能保证静态比值关系;当需要实现动态壁纸关系时,比值器就不能省;双闭环比值控制所用设备较多、投资较高,而且运行投入比较麻烦,只有在工业特定要求如严格控制两种物料比例的情况下使用;三．实验装置说明及使用系统简介“THJ-2型高级过程控制系统实验装置”是基于工业过程的物理模拟对象,它集自动化仪表技术,计算机技术,通讯技术,自动控制技术为一体的多功能实验装置;该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数,可实现系统参数辨识,单回路控制,串级控制,前馈—反馈控制,比值控制,解耦控制等多种控制形式;系统组成本实验装置由被控对象和控制仪表两部分组成;系统动力支路分两路：一路由三380V交流磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵220V变频、涡轮流量计及手动调节阀组成;压力传感器、变送器：采用工业用的扩散硅压力变送器,含不锈钢隔离膜片,同时采用信号隔离技术,对传感器温度漂移跟随补偿;压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测,其精度为级,因为为二线制,故工作时需串接24V直流电源;温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器,分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温;经过调节器的温度变送器,可将温度信号转换成4～ 20mADC电流信号;Pt100传感器精度高,热补偿性较好;流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对电动调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量;涡轮流量计型号：LWGY-10,流量范围：0～1.2m3/h,精度：%;输出：4～20mA标准信号;本装置用了三套涡轮流量传感器、变送器;电动调节阀：采用智能型电动调节阀,用来进行控制回路流量的调节;电动调节阀型号为：QSVP-16K;具有精度高、控制单元与电动执行机构一体化、操作方便等优点,控制信号为4～20mA DC或1～5V DC,输出4～20mA DC 的阀位信号,使用和校正非常方便;变频器：本装置采用日本三菱变频器,控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC,～220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵;水泵：本装置采用磁力驱动泵,型号为16CQ-8P,流量为32升/分,扬程为8米,功率为180W;本装置采用两只磁力驱动泵;一只为三相380V恒压驱动,另一只为三相变频220V输出驱动;可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置,输入控制信号为4～20mA标准电流信号;输出电压用来控制加热器加热,从而控制锅炉的温度;电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路,起到阶跃干扰的作用;电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/㎝2,最大压力为7Kg/㎝2 ；工作温度：－5～80℃;图装置总貌图操作前准备实验前,要对被控对象及其控制系统所涉及的仪器仪表有清楚的认识;先将储水箱中贮足水量,电动调节阀可以通过阀F1-1、磁力泵、F1-2、F1-8流至下水箱;变频器—磁力泵支路可以通过阀F2-1、变频器控制的磁力泵、阀F2-5流至下水箱;两个支路的流量传感器分别为FT1与FT2;具体管道开关及器件位置如图所示：图管道开关及器件位置图AI智能调节仪1设置参考：;Sn=33;CF=0;ADDR=1;SV=15；diH=100;dil=0; 调节仪2：Sn=32;CF=8;ADDR=2; diH=100;dil=0;电动调节阀使用：电动阀上电后切不可用手来旋转黑色手轮,断开控制信号后,阀位有保持功能,也不可旋转手轮,只有在断开AC220V后,才可使用手动,在一般情况下无须手动;控制面板接线说明控制面板如图所示图控制面板图①强电部分：三相电源输出u、v、w 接到380v磁力泵的输入u、v、w端；变频器输出端A、B、C接到220v磁力泵输入A、B、C端；单相Ⅰ的L、N 并联接到调节仪1和调节仪2的L、N端；单相Ⅱ的L、N端接到电动调节阀电源的L、N端；单相Ⅲ的L、N端接到比值器电源的L、N端；②弱电部分：电动阀支路流量FT1信号并联接到调节仪1的1、2输入端和比值模块电压输入1的+、-端,比值模块的电压输出+、-端对应接到调节仪2的1、2端,FT2信号+、-端对应接到调节仪2的3、2输入端；调节仪1的输出7、5端对应接到电动调节阀控制信号+、-端,调节仪2的输出7、5端对应接到变频器4～20mA控制信号输入+、-端,变频器STF端、SD端和RH 端短接；24v电源输出+、-端接到流量计电源输入+、-端;变频器使用：开启变频器后,其指示灯会自动工作在“EXT”外部控制状态下,当我们设置好参数P30=1,P53=1,P62=4选择正转将STF和SD短接再将DC4~20mA控制信号给到变频器信号输入端子去,就可以自动控制了,其中0~5V电压输入不可用;手动控制频率时,可在控制信号线和正反转短接线都拔下的情况下,按下“PU/EXT”按钮,就可将变频器的工作状态从EXT切到PU状态下,将频率调到某一值,按下“SET”键,这时会有F和设定值交替闪烁3秒的状态,表示设定成功,按下“RUN”键,变频器会自动运行到设定频率,在运行状态下,可通过旋转频率设定器来调整当前运行频率;注意切不可在变频器带电机运行时,拔下任一根强电输入输出线,造成变频器在运行状态下突然断电或电机缺相,先将变频器停止按下“STOP”键,再在断开变频器输入电源的情况下接线; 磁力驱动泵1为380V磁力驱动泵,磁力驱动泵2为220V磁力驱动泵;本实验采用变频器控制泵打水,所以用到的泵为220V磁力驱动泵,开启实验设备前谨记保证F2-1阀门处于打开的状态;AI智能调节仪部分设置参数解释：Sn输入规格Sn=32：—1V100mV-500mVSn=33：1-5V电压输入dip小数点位dil输入下限显示值dih输入上限显示值oPL调节器输出下限值oPH调节器输出上限值CF系统功能选择CF=0为反作用调节方式CF=8为有分段功能限制功能的反作用调节方式Addr通讯地址run运行状态及上电信号处理run=0手动调节状态run=1自动调节状态四．单回路参数整定由于电动阀跟变频器控制下的磁力泵的过程传递函数是未知的,因此我们必须对这测出这两个被控对象特性;被控对象特性的测试方法通过分析建模可知,其数学模型为：1()W s()H sQ s（）＝=1KTS+若令Q1s作为阶跃扰动,即Q1s=X0S,则HS=/1K TST+×0XS=K0XS-0X1KST+对上式取拉氏反变换得ht=KX01-tT e-式中T=RC位时间常数,K为放大系数;当t→∞时,h∞=KX0,因而有K=h∞/X0.当t=T时,则有：hT=KX01-e-1==∞由上可知一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数,如图7所示;当由实验求得图所示的阶跃响应曲线后,该曲线上升到稳态值的63%;所对应的时间,就是时间常数T;图阶跃响应曲线电动阀传递函数测试图为电动阀输入与输出特性的方框图：图电动阀输入与输出特性方框图在t 0时给电动阀的输入量,得出相应的曲线;如图所示图 电动阀的输入量特性曲线图当t —>∞时,h ∞=K 0x ,因而有K=h ∞/0x =输出稳态值/阶跃输入;故K==为了方便计算y *t1=, y *t2=,则可得可求得0T = 而HS= 1sKe Ts τ-+故HS= 6.4449.411 1.572se s -+4．3 变频器——磁力泵传递函数测试图为变频器——磁力泵输入与输出特性的方框图：图磁力泵输入与输出特性图与电动阀传递函数相同,得出其相应曲线如图所示：图 磁力泵输入与输出特性曲线图同理,当t —>∞时,h ∞=K 0x ,因而有K=h ∞/0x =输出稳态值/阶跃输入;故K==为了方便计算y *t1=, y *t2=,则可得可求得1T =而HS= 1sKe Ts τ-+故HS= 7.42815.8071 2.88se s -+4．4用MATLAB 进行仿真如图所示为电动阀、变频器——磁力泵两个回路在MATLAB 的仿真：图 MATLAB 仿真原理图其中两个回路的比例度&分别为40%和50%,I 值都为,仿真的响应曲线如图和图所示：图主变量流量曲线图 图副变量流量曲线图说明：左图为电动阀回路相应曲线,右图为变频器——磁力泵响应曲线,图中对Y 轴上进行了放大,以更好地显示波形在1附近的变化情况,由观察可得,这种PI 设置基本能够使响应曲线稳定在1左右;五． 比值控制系统参数调节比值系数的计算设流量变送器的输出电流与输入流量间成线性关系,当流量Q 由0→Q max 变化时,相应变送器的输出电流为4→20mA;由此可知,任一瞬间主动流量Q 1和从动流量Q 2所对应变送器的输出电流分别为I 1=416max11+⨯Q Q I 2=416max 22+⨯Q Q 式中Q 1max 和Q 2max 分别为Q 1和Q 2最大流量值;设工艺要求Q 2/Q 1=K,则式1可改写为Q 1=16)4(1-I Q 1max同理式2也可改写为Q 2=16)4(2-I Q 2max 于是求得12Q Q =4412--I I max 1max 2Q Q 折算成仪表的比值系数K ′为：K ′ = K max2max 1Q Q 比值控制系统参数的整定按单回路的镇定方法分别镇定调节器1、2的PID 参数,但在具体操作中先整定调节器1的参数,待主回路系统稳定后,在整定从动回路中的调节器2CF=8,即外给定的参数;在主回路运用上面提到的PI 值,输出流量调剂时间稍长,系统在长时间运行以后有一点偏差,因此稍为减小P 的作用,适当加大I 的值;根据工艺要求,从余差、衰减率、最大偏差、过渡时间考虑设置,主从回路的PI 现场整定如下表所示：六． 结果分析给定阶跃响应曲线图给定阶跃响应曲线图图为主回路曲线,红线表示给定值的变化,从给定流量20上升到30作为输入,绿线表示输出值的变化,由图可以看出输出值在输入值变化一段时间后能自动跟踪输入值,而且偏差不大,基本符合要求;图从动回路曲线图图为从动回路曲线,红线是自动跟踪主回路输出值作为从动回路的输出值,实现自动控制;在比例控制系统中,采用了K=1的比值控制,因此主回路的输出值与从动回路的输出值比值为1：1;紫色线是从动回路的输出量,由图能清楚地看到输出流量基本与输入值重合,从动回路的快速性很好;改变K的大小,能改变系统两种流量的比值;加入扰动时的响应曲线图加入扰动时的响应曲线图加入扰动以后,系统电动阀在流量信号反馈前保持原来的开度,因此图形出现一定的波动,在输入量不变的情况下,系统能很快地进行自动调节,最后达到平衡状态;图在主回路输出Q1出现波动的情况下,影响了从动回路的输入量,导致输出量跟随输入量Q1变化,当Q1稳定是,Q2也很快地趋于稳定;双闭环比值控制系统实际操作调试结果图3-4-3 双闭环比值控制系统实际操作调试结果双闭环比值控制系统实际操作输出曲线图3-4-3 双闭环比值控制系统实际操作输出曲线七．心得体会本次课程设计,经过老师的悉心指导和同学们的相互配合跟相互帮助,顺利完成了此次设计,这次课程设计,收获了很多,在查阅相关资料的时候,学到了许多书本以外的应用性的知识;在整个课程设计的过程中,接触到了以前从来都没有接触过的设备;学习了新设备的运用;经过2个星期的学习与调试,基本完成双闭环流量比值控制;这两星期中出现过很多很多问题,如特性曲线显示不平稳,锅炉加热管烧坏,两条回路比例无法调节等问题,经过逐一的检查,排除障碍,最后得到实验结果;经过这次课程设计,使我对THJ-2型高级过程控制系统实验装置有了基本的了解,对过程控制技术的原理及应用有了个进一步的理解,对单回路控制,比值控制,双闭环回路控制有了进一步的深入研究;加强了我对过程控制技术的认识,明白了过程控制系统技术在实际应用的重要性;八．参考文献1 王再英,刘淮霞,陈毅静.过程控制系统与仪表M.北京：机械工业出版社,20062 卲裕深,戴先中 .过程控制工程. 北京：机械工业出版社,3 孙炳达.自动控制原理.北京：机械工业出版社,。
基于MCGS的单闭环流量比值控制系统的设计
２所示 。
通 讯 作 者 ： 恒 娟 ， ｍ ｉ ５８ ２ ５ ＠ ｑ ．Ｏ ． 刘 Ｅ ａｌ ７ ７ ７ ８ ｑ Ｃｒ ： ｎ
第 ４期
刘恒娟 ： 于 ＭＣ Ｓ的单 闭环流量 比值控制系统的设计 基 Ｇ
・ ５・ ７
图 ２ 系统 方 框 图
本设 计在传 统 的过 程 控制 需 要 人 工监 测 和人 工调 节 的基础上 ， 加入 了 ＭＣ Ｓ组态 软件 进行 辅 助 Ｇ
Ｑ ／ １ 系统 原理 图如 图 １所示 。 ２Ｑ ＝ 在稳 定状 态 时 ， 副 流 量 满足 工 艺 要求 的 比 主、
２ ＭＣ Ｓ组态 设 计 Ｇ
ＭＣ Ｓ Ｍｏｉ ｒａ ｄ Ｃ ｎ ｏ Ｇ ｎ ｒｔ ｙｔ Ｇ （ ｎｔ ｎ ｏ ｔ ｌ ｅ ｅａ ｄ Ｓｓ ｍ） ｏ ｒ ｅ ｅ
量和质 量 ， 浪费原材 料 ， 环境 污染 ， 造成 甚至 发生生 产 事故 。所 以说 流量 比值控 制 在 现 代工 业 中发挥 着非 常关键 的作用 。
为 了克服 开环 比值系统 存在 的不 足 ， 本设 计在
图 １ 系统 原 理 图
先 设置 好 的 比值使 输 出成 比值 成 比例地变 化 ， 即成
第２ ７卷 第 ４期 ２１ ０ ０年 ８ 月
贵州大学学报（自然科学版 ）
Ｊｕｎｌ ｆ ｕｚｏ ｎｖｒｉ Ｎ ｔｒｌ ｃ ｎｅ） ｏｒａ ｏ ｉ ｕＵ ｉｅ ｔ Ｇ ｈ ｓｙ（ ａ ａ Ｓｉ ｃｓ ｕ ｅ
(工业过程控制)7.比值控制
为防止异常情况对系统造成损害，需 设计安全保护措施，如联锁、紧急停 车等。
控制参数的整定
确定控制参数
根据控制目标和工艺要求，确定合适的控制参数，如比例系 数、积分时间等。
整定控制参数
通过实验或仿真，调整控制参数，以达到最佳的控制效果。
05
比值控制系统的调试与优化
系统调试
硬件设备检查
确保所有硬件设备如传感器、执行器、控制 器等都已正确安装并正常工作。
03
程的稳定和排放达标。
比值控制的重要性和优势
提高产品质量和产量
通过精确控制物料比例，可以 稳定生产过程，提高产品质量
和产量。
节能降耗
合理地控制物料比例可以降低 能耗和物耗，提高生产效率和 经济性。
减少环境污染
通过精确控制反应过程，可以 减少副反应和废弃物的产生， 降低对环境的污染。
提高生产安全
比值控制可以减少人工操作和 人为误差，降低生产事故的风
参数整定
根据实际工艺需求，对控制器参数进行整定， 以获得最佳的控制效果。
软件配置
根据比值控制需求，对控制软件进行配置， 包括输入输出信号、控制算法等。
模拟测试
在调试过程中，通过模拟测试来验证比值控 制系统的功能和性能。
系统优化
01
控制策略优化
对比值控制算法进行优化，以提高 系统的响应速度和稳定性。
求进行。
调节阀的安装位置和方式应合理 选择，以保证调节的准确性和可
靠性。
03
比值控制策略
固定比值控制
总结词
固定比值控制是一种简单的比值控制策略，通过设定固定的比例来控制两个或多 个输入流之间的输出比例。
详细描述
固定比值控制通常用于工业过程中需要保持恒定比例的场合，例如气体混合、液 体配料等。通过设定固定的比例系数，可以确保输入流之间的输出比例保持不变 。这种控制方法简单易行，但缺乏灵活性，无法应对输入流变化的情况。
比值控制系统
一、基本概念：
比值控制系统（流量比值控制系统）：实现两个或两个以
上参数符合一定比例关系的控制系统。
主物料或主动量：在保持比例关系的两种物料中处于主导 地位的物料，称为主物料；表征主物料的参数，称为主动 量（主流量），用F1表示。 从物料或从动量：按照主物料进行配比，在控制过程中跟 随主物料变化而变化的物料，称为从物料；表征从物料特 性的参数，称为从动量（副流量），用F2表示。 有些场合，用不可控物料为主物料，用改变可控物料即从 物料来实现比值关系。 K= F2/ F1
2、单闭环比值控制
增加一个副流量闭环控制系统
2、单闭环比值控制
单闭环比值控制特点
不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且可以 克服副流量本身干扰对比值的影响，主副流量的比值较
为精确。
总物料量不固定，对于负荷变化幅度大，物料又直接去 化学反应器的场合是不适合的。 当主流量出现大幅度波动时，副流量给定值大幅度波动， 在调节的一段时间里，比值会偏离工艺要求的流量比， 不适用于要求严格动态比的场合。 适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合
原理：F1的测量值乘以某一系 数K’作为控制器FC的设定值， 可以用比值器，乘法器实现。
原理：两种流量的比值作为副流 量控制器的测量值，可以用除法 器实现。
用比值器组成的方案
比值器的作用是实现一 个输入信号乘上一个常 数的运算
K
比值器 I入
I出 控制器 控制阀 测量变送器2 测量变送器1 F1 流量对象
F I (20 4) 4 Fmax
I 2 I 20 从动流量的测量信号 I 2max I 20 K I1 I10 主动流量的测量信号 I1max I10
F2 F2 (20 4) 4 4 (20 4) Fmax I 2 4 F2max K F1 F1 I1 4 (20 4) 4 4 (20 4) F1max Fmax F1max F2 F1max K F1 F2max F2max
比值控制
比值控制内容
比值控制问题的由来； 常用的比值控制方案与系统结构； 流量比值与比值器参数的关系； 变比值控制系统的特点与应用场合； 仿真举例
溶液配制问题
30% NaoH
H2O
QB
QA
混 合 器
6~8% NaoH
问题：当NaoH用量QB变化时， 调整稀释水量QA 以使稀释液 NaoH的浓度为6~8%左右。 解决方案：
×
RVsp
RV
FC
RF
凝液
TC
蒸汽
T2sp
T2
系统功能： （1）变比值串级？ （2）变增益串级？
工艺
（3）前馈反馈串级
介质
控制 ？
换热器变比值串级控制仿真
(参见模型…/FFControl/ExHeaterRatio_PID.mdl)
结论
讨论了流量比值控制问题； 介绍了常用的比值控制方案； 分析了流量比值与比值器参数的关系； 详细列举了燃烧控制中常用的逻辑提降量
QB QB max
,
K AB
QA QB
K2
1 K AB
QAmax QB max
1 K1
比值控制系统方案3
QB
IB
÷
IA
IA / IB
K3
RC
QA
稳态条件: K3 = IA / IB
K3
QA QB
QB max QAmax
K AB
QB max QAmax
存在问题：物料A的流量回路存在非线性，当物料B的流量减少时， 回路增益增大，有可能使系统不稳定，并可能出现“除零”运算。
（1）出口浓度控制； （2）入口流量的比值控制（流 量比值 ？）。
流量双闭环比值控制pid参数增定
流量双闭环比值控制pid参数增定在化工、炼油或其他工业生产过程中。
工艺中常需要两中或两中以上的物料保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。
实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。
常以保持两种或两种以上物料流量为一定比例关系的系统，称之为流量比值控制系统［1]。
在需要保持比值关系的两种物料中，必有一种物料处于主导地位，这种物料称之为主物料，表征这种物料的的参数称之为主动量，由于在生产过程控制中主要是流量比值控制系统。
所以主动量也称为主流量，用F1表示；而另一种物料按主物料进行配比，在控制过程中随主物料而变化，因此称为从物料，表征其特性的参数称为从动量或副流量，用F2表示。
比值控制系统就是要实现副流量：F2与主流量F1成一定比例关系，满足关系： K =F2/F1，式中 K 为副流量与主流量的流量比值。
1.控制系统设计分析1.1控制要求(1）在化工、炼油及其它工业生产工程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。
在本实践中，将仿真比值控制系统，保持两个支路的流量Q1与Q2成一定比例关系，即： K =Q2?MQ1。
(2）当存在扰动时，两个流量仍能保持一定的比例，因此要求系统具有较好的抗干扰能力。
2.控制对象特征(1）本系统采用双闭环比值控制，其中支路1的流量Q1为主流量，支路2的流量Q2为副流量。
整个系统使用两个水泵，一个电磁流量计，一个涡轮流量计，一个电动调节阀以及一个变频器。
(2）在本次设计中，对象包括调节阀，及其所连接的管路。
(3）系统扰动大，工况不是很稳定。
(4）广义对象传函符合高阶特性，但 PID 控制不要求对象模型精度很高，故可以用一阶传递函数来模拟。
(5)系统仿真分析该控制系统具备两个闭合回路，主回路和副回路，两个回路通过比值器相连，主回路的输出量是副回路的输入量，两个回路相辅相成，但是又相互独立。
比值 控制
K2
1 K AB
QAmax QB max
1 K1
比值控制方案 #3
QB
FT 12 QB, m
QA, m
FT 11
× K1
QA, sp FC 11
QA
对于以%为单位的数字仪表， 乘法器输出为
QA,sp K1 QB,m
稳态条件： QA, sp = QA, m
K1
QA QBmax QB QAmax
RF, m
FT 23
FC23.SP
FC 23
HS
FC24.SP
FC 24
FC24.PV
KFA ×
RA, m FT 24
带有O2调节的 双交叉控制
燃料
VF
VA
空气
小结
比值控制的概念 几种常用的比值控制方案 比值控制系统中比值系数的确定 详见讨论了锅炉空燃比双交叉比值控制
的应用背景与工作原理
下一讲
空气/燃料比值稳态 时基本不变，动态时 空气富裕
锅炉空燃比控制方案 #1
RF, m
FT 23
蒸汽
RF, SP
PT 22
Pm
PC
PSP
22
×
烟气
至炉膛火嘴 KAF
RA, SP
FC
FC
RA, m
23
24
FT 24
方案特点：
并行控制（即设 定值比值），手 动调节空燃比值
适用条件？
存在哪些问题？
燃料
VF
VA
K AB
QB max QAmax
讨论：与方案#1的异同
比值控制方案 #4
QB
QA, m
FT 11
FT 12
比值控制系统
比值算法的实施方案为了获得两流量的比值关系算法，可以采用不同的仪表实现。
一般来说，可以将实施方案分为相乘方案和相除方案两种。
1．相乘方案在相乘方案中，将主流量的测量值乘上某一系数，作为副流量控制器的给定值。
能够实现相乘功能的常用仪器有比值器、比例控制器、配比器、乘法器等。
如果比值1q 2q K 为常数，上述仪表均可应用；如比值K 为变数（变比值控制系统），则只能用乘法器，需要将比值设定信号换接成第三参数的测量。
采用乘法器的单闭环比值控制方案如图1所示。
图1 比值控制的乘法器方案按工艺要求的流量比K 来确定乘法器的设定信号。
以电动III 型以乘法器仪表为例，其运算式为：s I 416)4)(4(10+−−=s I I I （1）式中，为乘法器设定信号，为乘法器的输出信号作为副流量设定值信号，为主流量测量变送得到的电流信号作为乘法器的输入信号。
当系统稳定时，，可得s I 0I 1I 02I I =4164412+×−−=I I I s （2）即对于电动III 型仪表，乘法器的乘法设定值为416+×=αs I （3）从上式可以看出，只有比值系数α不大于1时，才能够用乘法器实现。
1max 2max 1min 1min 2≤=−−=q q K I I I I α或者12max22max 12min 1min 2≤=−−=q q K I I I I α 即为了使主、副流量的比值在可变范围内，要求在选择仪表量程时应满足max 1max max 2q K q ≥也就是说，应按照工艺要求的最大比值来选择仪表的量程。
max K 假定由于仪表量程选择的限制和工艺比值K 的条件造成1max2max 1>q q K ，为了使乘法器的设定电流在标准信号范围内，可将乘法器由主流量一侧改接在副流量一侧，如图2所示。
不失原来的比值控制作用。
此时，根据乘法器的信号关系有s I 416)4)(4(20+−−=s I I I （4）图2 乘法器接副流量侧系统稳态时01I I =，并带入式（4）得4164421+×−−=I I I s （5）从而解决了设定值电流的设置问题。
比值控制系统
F F0
可见：随着工作点的移 动，放大系数发生变化 。
结论
采用差压法测量流量时，随着负荷的增 加，静态放大系数增大。 由于静态放大系数的变化，将导致控制 质量下降，甚至不稳定。
主动量控制回路克服主动量扰动，实现定
值控制；从动量控制回路克服从动量扰动，
实现随动控制；当扰动消除后，主、从动
量都回到原设定值上，其比值不变。
双闭环比值控制系统优点
流量比值精确，物料总量基本不变。 只要缓慢改变主流量控制器给定值，可以 提降主流量，副流量会自动跟踪变化，两 种比值不变。
适用于主流量干扰频繁及工艺上不允许负 荷有较大波动或工艺上经常需要提降符合 的场合。
F1
XC
R
X
变比值控制系统： 按照工艺指标自 行修正比值系数 的变化值。
F2
FfC
以某种质量指标X （第三参数）为主 变量，以两个流量 比为副变量的串级 控制系统。
由第三参数修正比值，属于变比值控制。
F2
主控制器 比值控制器 控制阀 流量对象 主对象
X
-
测量变送2
除法器
测量变送1
F1
测量变送
工作原理
触媒的活性变化、大气温度、压力变化。 因此，需要根据温度的变化，适当修正氨气和 空气的流量比值，保证氧化炉温度恒定。
系统工作原理
当出现氨气空气比值变化干扰时，通过比值控 制系统及时克服保持氧化炉温度不变。 当其它干扰引起炉温变化时，主控制器输出变 化，相当于比值控制器给定值变化，改变比值 大小，从而改变温度。 假设控制器均为反作用形式，控制阀为气开式
基本概念
从物料或从动量：按照主物料进行配比， 在控制过程中跟随主物料变化而变化的物 料，称为从物料；表征从物料特性的参数， 称为从动量（副流量），用F2表示。
单闭环流量比值控制系统的设计及仿真分析
而 引起 支 路 １流 量 的 变动 ； 他还 有 支 路 ２水 泵对 流量 其
Ｑ ２的 影 响 。
图 １ 比值 控 制 系 统 原 理 图
控 制方框 图如 图 ２所示 。
・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ｝・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ｝ ・ ・ ・ ・ ＋ 串 夺 夺 ÷ ÷ 夺 ‘ 寺 辛 ÷ ÷ 夺 ÷ 夺 ● ｔ
｝ ・ 一 ｝ － ： ・ － ・ ・ ・ ・ ・ －｛ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ÷ ，ｔ ）・ 々 ． ｔ 々 々 々 ｔ 々
新 达到 流超 比一定 。
２ 设 计难 点
（） １ 实现 当支 路 １流量 Ｑｌ 生 扰 动 时 ， 发 支路 ２流 量
Ｑ 能够快速地跟踪 Ｑ 的变化 ， ２ １ 保持动态比值；
（） ２ 对象 的滞 后 比较大 ； （） ３ 系统扰 动大 ， 况 不是很稳 定 。
３ 系统 扰动
实 际 、工程 先进 行仿 真 ， 整 ＰＤ参数 ， 系统 能 够 实 Ｉ 调 １ 使 现“ 、 、 ” 稳 快 准 的控 制 目标 。即实 现 副流量 Ｑ ２能 够快 速 、
准 确地 跟踪 主流量 Ｑ １的值 ， 且在 系统有一 定 的扰 动下 ， 并 副流量 Ｑ ２仍 能具有 较好 的抗干扰 性能 ， 能较 好 、 较快地 重
收 稿 日期 ：０ ２—０ （ ２１ 】一） ７
作 者 简 介 ： 高奇 （ ９ 】一）， ， 南 商丘 人 ， 丘 职 业技 术 学 院助 教 ， 能 达 到 最优 ， 实际 生 产 投 运提 供 一 定 的理 论 依 据 。 为
过程控制系统—比值控制系统(工业仪表自动化)
小结
比值控 制系统
比值控制系统的定义。 开环比值控制系统。 单闭环比值控制系统。 双闭环比值控制系统。
ห้องสมุดไป่ตู้
思考
什么是比值控制系统？
比值控制系统
比值控制系统
实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统， 称为比值控制系统。通常为流量比值控制系统。
几个概念
主物料、主动量（Q1 、主流量） 从物料、从动量（Q2 、副流量）
副流量Q2与主流量Q1的比值关系为 K Q2 Q1
比值控制系统
开环比值控制系统
图1 开环比值控制
图2 开环比值控制方块图
比值控制系统
图3 单闭环比值控制
图4 单闭环比值控制系统方块图
比值控制系统
它能实现副流量随主流量的变化而变化，还可以克服副流量本 身干扰对比值的影响。
结构简单，实施方便，尤其适用于主物料在工艺上不允许进 行控制的场合。
虽然能保持两物料量比值一定，但由于主流量是不受控制的， 当主流量变化时，总的物料量就会跟着变化。
比值控制系统
双闭环比值控制系统 它是在单闭环比值控制的基础上，增加了主流量控制回路而构成的。
图5 双闭环比值控制
图6 双闭环比值控制系统方块图
比值控制系统
实现了比较精确的流量比值，也确保了两物料总量基本不变。 提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器的给定值，就可以
提降主流量，同时副流量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不变。 结构较复杂，使用的仪表较多，投资较大，系统调整较麻烦。 主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上
比值控制系统
结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值 要求来设定。
流量比值控制系统课程设计报告
目录1 引言……...…...………………...………………………………………………………......2 系统分析……......………………………………………………………………………....2.1工艺流程分析……...…………………………………………………………………..2.2对象特性分析……...…………………………………………………………………..2.3控制需求分析……...…………………………………………………………………..3 控制系统设计与实现……...…………...……………………………………………….3.1变量选择..........................................................................................................................3.2 控制方式设计...................................................................................................................3.3 回路模型建立...................................................................................................................4 系统仿真研究与实时监控平台设计……...…………………………………………4.1通信连接...........................................................................................................................4.2监控画面...........................................................................................................................4.3数据字典...........................................................................................................................4.4实时仿真...........................................................................................................................5控制系统投运、参数整定与性能分析……...………………………………………5.1 参数整定.........................................................................................................................5.2系统投运.........................................................................................................................5.2 性能分析.........................................................................................................................6控制系统设备选型与电气控制图绘制……...……………………………………...6.1 设备选型..........................................................................................................................6.2 电气控制图......................................................................................................................7 实验总结..............................................................................................................8 参考文献..............................................................................................................引言随着科学技术的快速发展，人们对过程控制提出了更高的要求，在许多生产过程中，要求两种或两种以上的物料流量成一定的比例关系混合进行反应，对物料比例的要求甚为严格，如果不能满足要求，或是比例失调，将导致产品的质量达不到要求，以致造成损失，严重时会导致事故的发生。
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流量比值控制系统的设计
1引言
在生产过程中，凡是将两种或两种以上的物料量自动地保持一定比例关系的控制系统，就称为比值控制系统。
在化工行业中，流量控制是非常重要的。
本文主要介绍了一种流量比值控制系统，经实验和实践运行，证明该系统具有结构简单、稳态误差小、控制精度高等优点。
2工作原理
比值控制有开环比值控制、单闭环比值控制和双闭环比值控制三种类型。
开环比值控制是最简单的控制方案。
单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的缺点而设计的，这种方案的不足之处是主流量没有构成闭环控制。
本系统采样双闭环比值控制方案。
图1kcl-h2so4双闭环流量比值控制系统原理图
由图1所示，第一个闭环控制系统是主流量氯化钾本身构成的流量闭环控制系统，当设置确定后，通过闭环调节作用，消除扰动的影响，使氯化钾的流量稳定在设定值上，主流量闭环控制系统属于恒值控制系统。
第二个闭环控制系统是副流量硫酸闭环控制系统，其输入量是经过检测与变送后的氯化钾流量信号q1与比值系数k1的乘积。
硫酸副流量闭环控制系统由副控制器1、硫酸泵变频器、硫酸泵以及检测点2/变送器2等组成。
副流量闭环控制系统属于跟随系统。
3流量比值控制系统设计
3.1 流量比值控制系统构成
氯化钾与硫酸流量比值控制系统是由三菱fx2nc系列plc、耐腐蚀泵、西门子mm440变频器、计量螺旋、电磁流量计等组成。
流量比值控制系统方框图如图2所示。
图2流量比值控制系统方框图
（1）三菱fx2nc系列plc。
fx2nc系列plc具有很高的性能体积比和通信功能，可以安装到比标准的plc小很多的空间内。
i/o型连接器可以降低接线成本，节约接线时间。
i/o 点数可以扩展到256点，最多可以连接4个特殊功能模块。
（2）耐腐蚀泵。
硫酸属于腐蚀性介质，输送泵必须采用耐腐蚀泵。
本系统采用ihf 6550-160型氟塑料离心泵，泵进口直径65mm；出口直径50mm；叶轮名义直径160mm；转速2900r/nin，流量25m3/h；扬程32m；电机功率5.5kw。
硫酸泵采用变频调速。
对于泵类设备，应选用水泵类专用变频器。
ihf6550-160型氟塑料离心泵的驱动电机功率为5.5kw,选用西门子公司mm430型水泵专用变频器，该变频器带内置a级滤波器。
（3）西门子mm440变频器。
粉体在螺旋内的流动速度是由电机编码器输出脉冲来间接计算的,如果电机转速稳定性不好,将影响计量螺旋的正常工作。
为此,采用德国西门子公司mm440型矢量控制变频器，电源电压380vac，额定输出功率5.5kw，额定输出电流13.2a。
为了稳定螺旋轴的转速并计算粉体流速，采用带速度编码器的矢量控制方式。
变频器需要增加脉冲编码器脉冲处理模板(简称编码器模板)和编码器。
（4）计量螺旋。
氯化钾是粉粒状物料(简称粉体)。
计量螺旋是对粉体进行输送、动态计量和流量控制的设备。
本设计采用万息得公司的lsc型计量螺旋(螺旋电子称)。
氯化钾粉体进入料仓后，在振动器的作用下进入螺旋输送机，氯化钾粉体沿螺旋槽向出料口方向前进。
在出料口下方的称量装置传感器将检测到的重量信号传送到plc的模拟量输入单元。
同时，安装在电机非负载轴端的编码器检测螺旋轴旋转的周数和速度，编码器输出脉冲传送到plc的高速计数单元。
经cpu单元运算处理后，得到氯化钾粉体的流量值和累积重量值，由模拟量输出单元输出控制信号，控制变频器和变频电机，从而控制氯化钾粉体的流量。
氯化钾流量是流量比值控制系统的主动量。
粉体流量(给料量)表达式为：
q=kqv
式中，q―计量螺旋输出流量(给料量)，kg/s；k―称重系数；q―螺旋内粉体的线负荷，kg/m；v―螺旋内粉体流动速度，m/s 。
粉体在计量螺旋内沿螺旋形轨迹运动，不便于直接检测流动速度v，通常是使用编码器检测电机的转速，再换算出流速v。
如图3所示计量螺旋示意图。
图3计量螺旋示意图
（5）电磁流量计。
电磁流量计广泛用于测量导电的液体和液固两相流体[工业电器网-cnelc]的体积流量，测量结果与流体的温度、粘度、密度、压力及液固成分比无关，电导率在较大范围内变化时也不会影响测量结果。
因此，只需经普通水标定后，就可以用来测量其他导电性液体或液固二相流体介质的流量，而不需附加任何修正，所以电磁流量计是一种真正的体积流量计。
本设计采用的是广东万山自动化仪表有限公司wsdq型电磁流量计。
3.2 plc控制系统设计
氯化钾称重装置、硫酸电磁流量计的输出均为4～20ma信号，分别送到模拟量输入单元fx2n-4ad的电流输入1、电流输入2。
模拟量输入单元fx2n-4ad有4个12位模拟量输入通道，输入量程可以是电流信号（4～20ma）或电压信号（-10～10v）。
转换速率为15ms/通道或者6ms/通道（高速）。
计量罗旋和硫酸泵都采用变频调速系统，两台变频器的控制信号来自plc系统的模拟量输出单元fx2n-4da。
fx2n-4da有12位4通道，输出量程可以是电流信号（4～20ma）或这电压信号（-10～+10v）。
转换速度为4通道2.1ms在程序中占用8个i/o点。
（1）设定参数数据存储器地址
计量螺旋给料量即氯化钾流量设定值：d1 d0，2个字，8位bcd码。
氯化钾/硫酸流量比值系数：d3 d2/d9 d8。
氯化钾实际流量值存储器地址：m500，16位二进制码。
硫酸实际流量值存储器地址：m501，16位二进制码。
16级增益数据存储器地址：第1级～第10级：d100～d109,d130～d139。
16级积分时间常数数据存储器地址：第1级～第10级：d110～d119,d140～d149。
（2）变频器调节
使用mm430变频器控制泵类负载时，需要注意起始频率，防止闭环控制系统在突加给定时，流量出现过大的超调和震荡。
在管道和泵的规格确定之后，相应的流量起始频率也就确定了。
在本系统中，频率大于19hz之后才有流量输出。
针对变频调速泵的这种特性，在系统调试时应首先进行开环试验，测出泵的频率-流量特性曲线。
根据测出的起始频率来制定控制算法。
在起始频率以下，采用开环控制模式，变频器的输入信号为斜坡函数，即线形渐增电压信号。
待达到起始频率建立起流量之后，再转入闭环控制模式。
对于闭环控制模式，又分为比例（p）控制和比例积分（pi）控制两种模式。
首先运行比例控制，当实际流量接近设定流量时，再转入比例积分控制模式。
采用多模态控制后，消除了流量的大幅度波动，改善了流量的跟随性能并消除了稳态误差。
（3）pid控制
fx2nc系列plc具有pid控制指令，
pidd200设定值sv，参数起始字，二进制数据
d201输入字，流量反馈数据，二进制数据
d500控制参数
d500 采样周期t1～32767ms
d501动作方向（act）
d502 输入滤波常数a0～99%
d503 比例增益kp1～32767%
d504 积分时间ti（0～32767-
ms）*100d505 微分增益kd0～100%
d506 微分时间td（0～32767）*10ms
d503（比例增益kp）：8000（bcd码）左右，p小则超调大，震荡次数多。
d504（积分时间ti）：根据‘误差数据’（d50），将积分ti分为10级，在运行过程中自动地调用相应的积分ti，达到既响应快又抑制超调的目的。
在突加给定的情况下，最大超调量小于5%。
d506(微分时间td)：4000（bcd码）左右。
4结束语
在本系统中，根据流量闭环控制系统的误差大小，将比例系数和积分时间常数各分为10级，在运行过程中能够自动地调用合适的比例系数和积分时间常数，这种控制能够兼顾跟随性和抗扰性，实现了既响应快又抑制超调的目标，达到了很好的效果。