双闭环流量比值控制系统设计.docx

双闭环流量比值控制系统设计单回路控制系统解决了工艺生产过程自动化中大量的参数定值问题。但是，随着现代工业生产的迅速发展，工艺操作条件的要求更加严格，对安全运行和经济性及对控制质量的要求也更高。但回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求，在这样的情况下，双闭环串级控制系统就应运而生。以流量构成实验系统,可灵活地进行组态，实施各种不同的控制方案。流量控制装置也是过程控制最常用的实验装置。双闭环串级控制系统，就其主回路来看是一个定值控制系统，而副回路则是一个随动系统，主调节器的输出能按照负荷和操作条件的变化而变化，从而不断改变副调节器的给定值，使副回路调节器的给定值适应负荷并随操作条件而变化，即具有一定的自适应能力。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；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）组成。关键词：流量；PID控制；定值控制；双闭环1比值控制系统概述.11.1比值控制系统定义.11.2比值控制原理.11.3比值控制系统特点.21.4双闭环比值控制系统.22比值控制系统设计.42.1系统选用原则.453控制系统的工程整定.63.1对控制系统性能的要求.63.2经验法整定参数.73.3比值系数的计算.84系统在不同参数下的响应曲线.95.1突增主调节器输出值的大小.156结论.177参考文献.181比值控制系统概述1.1比值控制系统定义工业中存在着大量按原料配比进行生产的过程，要求将原料配比进行控制，然而配比的变化往往意味着产品产量下降、质量下降、能量浪费、物料浪费、成本提高、环境污染、甚至安全事故。在化工、炼油及其他工业生产过程中，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。为此，我们引入比值控制系统。在过程控制中，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。通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之流量比值控制系统。这种控制方式在化工、制药领域中大量存在。1.2比值控制原理在炼油、化工、制药等许多生产过程中，经常需要两种物料或两种以上的物料保持一定的比例关系。最常见的是燃烧过程，燃料与空气要保持一定的比例关系，才能满足生产和环保的要求；造纸过程中，浓纸浆与水要以一定的比例混合，才能制造出合格的纸浆，许多化学反应的诸个进料要保持一定的比例。通常，在两个需要保持一定比例关系的物料中，一个是主动量或关键量，另一个是从动量或辅助量。由于物料通常是液体，因此称主动量为主流量Q1从动量为副流量Q2.Q1与Q2之间的关系为Q2=KQ1（1-1）式中，K为比值系数。因此，只要主副流量的给定值保持比值关系，或者副流量给定值随主流量按一定比例关系而变化即可实现比值控制。1.3比值控制系统特点比值控制系统的特征:是实现两个或两个以上物料保持一定比例关系。1.主物料，也称为主动量:在要保持一定比例关系的物料中，把起主导作用的物料，称为主物料（主动量），因为在过程控制中经常保持比例的参数是流量，故常用Q1表示。2.从物料，也称为从动量:另一种随主物料的变化而成比例地变化的物料称为从物料（从动量），常用Q2表示。1.4双闭环比值控制系统为了克服单闭环比值控制系统中主动量不受控制而产生的系统生产能力“失控”状况，在单闭环比值控制的基础上，对主动量也设置了一个闭环回路，构成对主、副物料流量都进行控制的双闭环比值控制系统。其工艺流程图和原理方框图如图1-5所示。双闭环比值控制系统是由一个定值控制的主流量回路和一个跟随主流量变化的副流量控制回路组成的。主流量控制回路能克服主流量扰动，实现定值控制；副流量控制回路能抑制作用于副回路中的扰动，使副流量与主流量成比值关系。当扰动消除后，主、副流量都恢复到原设定值上，其比值不变，并且主、副流量变化平稳。当系统需要升降负荷时，只要改变主流量的设定值，主、副流量就会按比例同时增加或减小，从而克服上述单闭环比值系统的缺点。工艺流程图原理方框图在双闭环比值控制系统工作时，若主动量受到干扰发生波动，则主动量回路对其进行定值控制，使主动量始终稳定在给定值附近，同时从动量控制回路也会随主动量的波动进行调整；当从动量受到扰动发生波动时，从动量控制回路对其进行定值控制，使从动量始终稳定在定值附近，而主动控制回路不受从动量波动的影响。因此，因扰动而发生的主动量和从动量波动利用各自控制回路分别实现实际值与给定值吻合，从而保证主、副物料流量的比值恒定。当调节主动量给定值时，主动量控制回路调节主动量实际值和给定值吻合；同时，根据主动量与从动量的比值及新的主动量给定值，系统给出从动量控制回路的输入值。通过从动控制回路的调节控制使从动量的实际值与该输入值吻合，即从动控制量的实际值与主动量变动后的数值相对应，保持主动量和从动量的比值不变。图1-1双闭环比值控制系统原理方框图如图1-1所示双闭环比值控制系统原理框图。其中，主流量回路：克服主流量扰动，实现其定值控制。副流量回路：抑制副回路中的扰动，使副流量与主流量成比值关系。扰动消除后，Q1=RQ2=Q1WK，升降负荷时，可改变R(S)在现代工业生产过程中，对自动化的要求较高。就比值控制而言，不仅要求静态比值恒定，在扰动作用下，要求主、副流量接近同步变化，即要求静态与动态时物料量保持一定比值。引入“动态补偿环节”Wb(s)的双闭环比值控制，由于副流量滞后于主流量，则动态补偿环节应具有超前特性。从原理上分析，Q2(s)/Q1(s)=K，就可以实现动态比值一定。2比值控制系统设计2.1系统选用原则比值控制有多种控制方案，具体选用适应分析各种方案的特点，根据不同的工艺情况、负荷变化、扰动性质、控制要求等进行合理选择。2.1.1主从物料的选择在比值控制中，主从物料的选择影响系统的控制方向、产品质量、经济性及安全性。主从物料的确定是控制系统设计的首要一步，主要依循以下原则：（1）贵重原则对有显著贵贱区别的物料，应选择贵重物料为主物料。实现以贵重物料为主进行控制，其他非贵重物料根据控制过程需要增减变化。这样可以充分利用贵重物料以合理成本完成生产过程。（2）不可控原则某物料不可控制时，该物料选为主物料，其它为从物料。不可控物料不能利用物料量调节构成反馈控制闭环，所以不宜选为从物料。（3）主导作用原则在多物料参与生产的过程中，如化工或制药工业中，经常将物料分成主料和辅料，生产围绕主料进行，辅料作为控制过程的调节物料。此类在诸物料中起主导作用的物料应选择为主物料，其它物料选为从物料。（4）流量大小原则选择流量较小的物料作从物料，这样控制过程中控制阀的开度较小，系统控制灵敏，当然系统结构可能也会小些。（5）工艺需要原则生产控制过程必须按相应的工艺过程进行，主从物料的选择也必须符合生产工艺的要求。2.2系统组成及仪表的选型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；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）组成。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420mADC或15VDC，输出420mADC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，其型号为FRD720S0.4KCHT水泵：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。其型号为16CQ8P，扬程为8米，流量为30（1/min）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420mA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。3控制系统的工程整定3.1对控制系统性能的要求在控制过程中，一个理想的控制系统，始终应使其被控量(输出)等于给定值(输入)。但是，由于机械部分质量、惯量的存在，电路中储能元件的存在以及能源功率的限制，使得运动部件的加速度受到限制，其速度和位置难以瞬时变化。所以，当给定值变化时，被控量不可能立即等于给定值，而需要经过一个过渡过程，即动态过程。所谓动态过程就是指系统受到外加信号(给定值或扰动)作用后，被控量随时间变化的全过程。由动态过程可以反映系统内在性能的好坏，而常见的评价系统优劣的性能指标也是从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。稳定性是这样来表述的：系统受到外作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。如果系统受外作用力后，经过一段时间，其被控量可以达到某一稳定状态，则称系统是稳定的。显然，不稳定的系统是无法正常工作的。一个能在生产实际中应用的系统，不仅应该是稳定的，而且在动态过程中的振荡也不能太大，否则不能满足生产实际的需要，甚至会导致系统部件的松动和被破坏。快速性是通过动态过程时间长短来表征的，过程时间越短，表明快速性越好，反之亦然。快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度。系统响应越快，说明系统的输出复现输入信号的能力越强。准确性是由输入给定值与输出响应的终值之间的差值来表征的，它反映了系统的稳态精度。若系统的最终误差为零，则称为无差系统,否则称为有差系统。稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试过程中，若过分强调系统的稳定性，则可能会造成系统响应迟缓和控制精度较低的后果；反之，若过分强调系统响应的快速性，则又会使系统的振荡加剧，甚至引起不稳定。3.2经验法整定参数如果调节系统在运行中经常受到扰动影响，那么要得到闭环系统确切的阶跃响应曲线就很困难，因此临界比例带法和衰减曲线法都不能得到满意的结果。经验法整定具体步骤：1）将调节器的积分时间Ti放到最大，微分时间置于最小。根据经验设置比例带值。将系统投入闭环运行，稳定后做阶跃扰动试验，观察调节过程，若过渡过程有希望的衰减率（=0.750.9）则可，否则改变比例带值，重复上述试验。2）将调节器的积分时间Ti由最大调整到某一值，由于积分时间的引入使系统的稳定性下降，这时应将比例带值适当增大，一般为纯比例作用的1.2倍。做阶跃扰动试验，观察调节过程，修改积分时间重复试验，直到满意为止。3）保持积分时间不变，改变比例带，看调节过程有无改善，若有改善则继续修改比例带，如无改善则反方向修改比例带，直到满意为止。保持比例带不变修改积分时间，同样反复试凑直到满意为止。如此反复试凑，直到有一组合适的积分时间和比例带。4）对于采用三参数的调节器，在进行完上述调整试验后，将微分时间Td由小到大地调整，观察每次试验过程，在感到满意时便停止。因此整定如下表3-1所示：表3-13.3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，即当流量Q由0Qmax变化时，相应变送器的输出电流为420mA。由此可知，任一瞬时主流量Q1和副流量Q2所对应变送器的输出电流分别为I1=QQ11max×16+4（3-1）I2=QQ22max×16+4（3-2）式中Q1max和Q2max分别为Q1和Q2的最大流量值，即涡轮流量计测量上限，由于两只涡轮流量计完全相同，所以有Q1max=Q2max设工艺要求Q2/Q1=K，则式（3-1）、（3-2）可改写为Q1=Q2=于是求得Q2Q1(I14)16(I24)16Q1max(3-3)Q2max(3-4)=I24×Q2max=I24(3-5)11max1I4QI4折算成仪表的比值系数K为K=K×Q1max=K(3-6)2maxQ4系统在不同参数下的响应曲线4.1系统在不同参数下的响应曲线如图4-1、4-2、4-3、4-4、4-5所示图4-1主调节器设定值80PI调节比例度2有超调图4-2副调节器设定值80PI调节比例度1有超调图4-3主调节器设定值40PID调节比例度2无超调图4-4副调节器设定值40PI调节比例度1无超调图4-5主调节器设定值60PID调节比例度2无超调图4-6副调节器设定值60PID调节比例度2不稳定图4-7副调节器设定值60PID调节比例度0.5稳定图4-8副调节器设定值60PID调节比例度1增大积分时间不稳定图4-9副调节器设定值60PID调节比例度1.5不稳定图4-10副调节器设定值80PID调节比例度0.5无超调积分时间长反应时间慢图4-11副调节器设定值80PID调节比例度0.5积分时间短反应快5扰动作用时，系统输出响应曲线5.1突增主调节器输出值的大小如图5-1、5-2、5-3、5-4所示图5-1主调节器，设定值为50，比例为0.5图5-2主调节器，设定值为75，比例为0.5图5-3副调节器，设定值为50，比例为0.5图5-4副调节器，设定值为75，比例为0.56结论流量比值控制系统在实际生产中应用十分广泛，它能使系统稳定，精确地输出，更能实现自动化控制，是过程控制系统的一个典型。本设计针对化工生产中利用粉体氯化钾与硫酸混合的化学反应产生硫酸钾生产工业用硫酸钾的控制，对其设计了双闭环流量比值控制系统，将粉体氯化钠作为主流量，硫酸作为副流量进行设计，设计中用到了多个硬件设备，并基于PLC的编程基础实现过程的自动控制。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。经过设计系统，能够证明该系统具有结构简单、稳态误差小、控制精度高等优点。在实际生产中有很强的实用性。