过程控制复杂过程控制系统-比值控制4

10
自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
11
自动化仪表与过程控制
§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)
和水量比例。
• 水泥配料系统……
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
2
§4-4-1 比值控制原理
自动化仪表与过程控制
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
对于电动仪表则： I 4 p Q2 16 pmax Q2max
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
（8）
19
§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
所以
Q2
(I
4)
Q2 max
16
则有
Q22
Q
2 1
K2
I2 I1
4 4
Q2 2 max
Q2 1max
K
Q2 2 max
Q2 1max
往往是产品质量指标。
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
12
自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
6、应用实例
2020/8/9
西南科技大学信息wenku.baidu.com程学院
13
§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
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） 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。
4)
4
（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 I1 4
K 16
4 （15）
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
自动化仪表与过程控制
22
§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
如果采用开方器，流量为线性变送时，
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
16
自动化仪表与过程控制
§4-4-3 比值控制系统设计
则： 根据式（2）
I Q 16 4 (mA) Qm a x
Q (I 4) Qmax 16
K Q2 (I2 4) Q2 max 16 I2 4 Q2 max Q1 (I1 4) Q1max 16 I1 4 Q1max
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
25
§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。
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
3
自动化仪表与过程控制
§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
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
4
自动化仪表与过程控制
§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。
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
所以仪表比值K’为：
2020/8/9
K I2 4 K Q1max
I1 4
Q2 max
西南科技大学信息工程学院
（1） （2） （3）
（4）
17
§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
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：
如图所示。
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
24
§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
此时，乘法器的输入、输出信号关系式为：
I0
(I2
4)(I S 16
4)
4
（19）
系统稳态时，I1 I0 ，代入（15）
得：
IS
I1 4 16 4 I2 4
1 16 K
4
（21）
利用此方法解决了设定值电流 的设置问题。
15
§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
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
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：
或K
K2
Q2 1max
Q2 2 max
1
西南科技大学信息工程学院
（18）
23
§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
所以在选择流量检测仪表的量程时，应满足
Q2 max Km Q ax 1max
（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，
制器的测量值应等于设定值，即
DDZ-Ⅲ 电动比值器
I2 I0 (I1 4) K 4 （13）
式中的K’由式（4）和（11） 的换算公式求得。
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
21
§4-4-3 比值控制系统设计
2、应用乘法器方案
乘法器的输入/输出信号关系式为：
I0
(I1
4)(IS 16
得
K
K
2
Q2 1max
Q2 2 max
（9） （10） （11）
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
20
§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
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：
I0 (I1 4) K 4 (mA) （12）
在流量比值稳定操作时，控
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。
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
28
§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
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
自动化仪表与过程控制
第四章 复杂过程控制系统
§4-4 比值控制 §4-4-1 比值控制原理 §4-4-2 比值控制系统的结构类型 §4-4-3 比值控制系统设计 §4-4-4 比值控制系统整定 §4-4-5 应用举例
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
1
§4-4-1 比值控制原理
自动化仪表与过程控制
Q1
1 Gc (s)Gv (s)G02 (s)Gm2 (s)
（24）
对于比值器，其传递函数为 Gk（s） K K Q1max Q2 m ax
则
Gz
(s)
1
Gc (s)Gv (s)G02 (s)Gm2 (s) Gm1(s)Gc (s)Gv (s)G02 (s)
Q2 max Q1 m a x
（25）
IS
K
Q1max 16 4 Q2 max
(mA)
（16）
如果没有采用开方器，流量为非线性变送时，
IS
K2
Q2 1max
16
4
Q2 2 max
(mA)
（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
K K Q1max 1 Q2 max
2020/8/9
• 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。
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
2Q0
（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。
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
27
§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
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。
p Q 0.08 0.02 (Mpa) Qm a x
（5）
所以仪表比值K’为： K K Q1max Q2 max
（6）
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
18
§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
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。
3、适用场合 从动量没有干扰的情况。
二、单闭环比值控制 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
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
5
自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
6
自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
14
§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
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。
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
自动化仪表与过程控制
26
自动化仪表与过程控制
§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 Qm a x
它的静态放大系数为：
（22）
k
dp dQ
Q Q0
0.08 Q2max
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。
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
9
自动化仪表与过程控制
§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
式（25）即为严格的动态补偿环节的传递函数。
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
29
§4-4-4 比值控制系统整定
自动化仪表与过程控制
一、变比值控制系统 其主控制器的参数整定可按串级控制系统进行。
二、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统 1、由K到K′，按照K ′进行投运； 2、将TI=∞，由大到小逐渐改变比例度δ，直到在阶跃干 扰下过渡过程处于振荡与不振荡的临界过程（非周期临 界情况）为止。 3、如果TI≠∞，在适当放宽比例度（一般为20%）的情况 下，缓慢地减小积分时间，直到出现非周期临界情况或 稍有一点过调为止。
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……
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。
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
7
自动化仪表与过程控制
§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
2020/8/9
西南科技大学信息工程学院
8
自动化仪表与过程控制
§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。