2022年第章比值控制系统 .pdf

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1、28 第三章比值控制系统3.1 概述 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的比例关系的控制系统。主动量（主流量） ：需要保持比值关系的两种物料中，处于主导地位物料，称之为主动量（主流量）。从动量（副流量） ：按主物量进行配比变化的物料，在控制过程中随主物料而变化，称之为从动量（副流量）。比值控制系统就是要实现副流量F2与主流量F1成一定的比值关系:12FFKF2 为副流量，F1为主流量 3.2 比值控制系统的类型3.2.1 开环比值控制系统开环比值控制系统是最简单的比值控制系统，同时也是一个开环控制系统。随着 F1的变化， F2将跟着变化，满足F2=K*F1的要求

2、。特点：由于系统是开环的，对副流量F2的波动无法克服， 比值精度低。适用场合： 适用于副流量较平稳且比值关系要求不高的场合，生产上很少用。3.2.2 单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统是为了克服开环比值系统存在的不足，在开环比值控制系统的基础上，增加一个副流量的闭环控制系统。即实现副流量跟随主流量变化而变化，又可克服副流量本身干扰对比值的影响。该系统存在的问题：1.由于主流量不受控制，所以总物料量不固定，不适合负荷变化幅度大的场合。2.无法保证动态比值。单闭环比值控制系统与串级控制系统的区别：单闭环比值控制系统的主流量相当于串级控制系统的主参数，而主流量没有构成闭环系统， F2 的变化并不影

3、响到F1。举例：图3-3 丁烯洗涤塔进料与洗涤水比值控制FC Sp. F1 F2 F2 控制器对象控制阀变送器F1 FC Sp. F1 F2 K F2 变送器F1 变送器控制器控制阀对象K 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 13 页 - - - - - - - - - 29 3.2.3 双闭环比值控制系统1、 双闭环比值控制系统是克服单闭环比值控制系统主流量不受控，生产负荷在较大范围内波动的不足，在单闭环比值控制系统的基础上，增设了主流量控制回路，克服了主流

4、量干扰的影响。3、 实现精确的流量比值关系（动态比值），确保两物料总量基本不变。3、提降负荷比较方便，只需缓慢主流量控制器的给定，就可以提降主流量，副流量自动跟踪提降，并保持比值不变。存在问题：需要防止共振的产生。3.2.4 其它类型的比值控制系统1.变比值控制系统定义：按照一定的工艺指标自行修正比值系数的变比值控制系统，也称串级比值控制系统。注意：第三参数必须可连续的测量变送，否则系统将无法实施。举例：图3-7 氧化炉温度对氨气空气串级比值控制系统K FC 洗涤塔丁烯含乙腈的洗涤水洗涤水含 乙 腈 的丁烯馏分Sp. F2 K F1C F2C F1 F1 变送器控制器控制阀主对象K F2 变送

5、器控制器控制阀副对象- - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 13 页 - - - - - - - - - 30 举例：氧化炉温度对氨气/空气串级比值控制系统2.串级和比值控制组合的系统串级和比值控制组合的系统与变比值控制系统的区别：（1）变比值控制系统是由第三参数来修正比值，属于变比值控制；（2）串级和比值控制组合是要求主流量随另一个参数的需要而改变，两流量的比值关系保持不变，整个系统属于定比值控制。P68 图 38 (a) (b) 串级和比值控制组合的系

6、统F2 XC F2C F1 F1 主控制器除法器F2 比值控制器- 控制阀主对象测量变送测量变送流量对象主测量变送- FC TC 空气氨气混合氧化炉预热名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 13 页 - - - - - - - - - 31 常见方案：图3-8 （a）两物料组成一双闭环比值控制，而反应器的液面又需恒定，于是组成一以液面为主参数，主流量为副参数的串级控制系统。当液面由于某种干扰而变化时，通过液面控制器的输出来改变主流量的给定值，使主流量跟着变化。然

7、后通过比值控制使副流量也随之变化，保持其流量比不变，由总的负荷变化克服外界干扰，把液面调回给定值。缺点：副流量的变化滞后于主流量的变化。改进方案：如图38（b）液面控制器的输出除作主流量控制器给定外，同时送入比值器作为副流量控制器的给定，因此比值控制器的动态滞后可忽略，保证了主、 副控制回路动态响应基本一致。3.3 比值系数的计算3.3.1 流量与测量信号成线性关系时的计算将工艺K （比值）如何折算成仪表比值系数K，对于DDZ-型仪表 (420mADC) ：416maxFFI4412IIKI1 副流量测量信号值I2 主流量测量信号值Sp. F2 K F1C F2C F1 LC (a) 常见方案

8、F2 K F1C F2C F1 LC (b) 修改方案（3-2）（3-3）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 13 页 - - - - - - - - - 32 将（ 32）代入（ 32） ，得：F1max主流量变送器量程上限F2max副流量变送器量程上限可以证明：对于不同信号范围的仪表，比值系数的计算式是一样的。3.3.2 流量与测量信号成非线性关系时的计算流量与差压的非线关系：针对不同信号范围的仪表，测量信号与流量的转换关系为：010mADC的电动仪表：4

9、20mADC的电动仪表：20100kPa的气动仪表：以信号范围为420mA DC的电动仪表为例，此时的比值系数计算方法：特别说明： 1.流量比值K 与仪表比值系数K是两个不同的概念，不能混淆。2.比值系数K大小与流量比K 和变送器的量程有关，与负荷的大小无关。3.流量与测量信号之间有无线性关系对计算式有直接影响：线性时 K线=K*F1max /F2max,，非线性时 K非= K2* F12max/F22max 。4.线性测量与非线性测量情况下K间的关系为：K非= （K线）2。max2max112max11max22124416441644FFFFFFFFIIK:kpkF节流装置的比值系数。20

10、8041610102max22max22max2maxFFpFFIFFppI2max22max121222max1212max222124416441644FFFFFFFFIIK名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 13 页 - - - - - - - - - 33 3.4 比值控制方案的实施3.4.1 两类实施方案 (1)相乘方案定义：主流量F1 的测量值乘上某一系数。作为F2 流量控制器的给定。仪器：采用比值器、配比器、乘法器等。注意：若K 为变数时，必须用

11、乘法器，此时只需将比值设定信号换成第三参数就行了。(2)相除方案定义：将F2 与 F1 的测量值相除，作为比值控制器的测量值。仪器：除法器优点： 这种方案直观，比值可直接由控制器设定，操作方便。 若将比值给定信号必作第三参数，便可实现变比值控制。3.4.2 比值控制方案实施举例(1) 用乘法器的方案a）对于 420mA 的电动乘除器：根据比值控制要求：根据仪表统一信号范围为420mA ，所以 K的变化范围仅在01 之间，不能大于1，因此在确定测量仪表量程上限时，要考虑到这一因素。若K 1 时，可采用乘法器放置在副流量回路中，这时:FC Sp. F1 F2 KF2 F2C F1 KF2 变送器F

12、1 变送器控制器控制阀对象I1 1IkI416)4)(4(11kIII416164)4(411KIIKIKIkk1max1max221KFFFFK名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 13 页 - - - - - - - - - 34 b）对于使用比率给定器的方案比率给定范围：线性K： 0.33.0 开方 K： 0.61.7 乘法器与比率器的区别：乘法器的比值系数不象比率器那样可以直接在仪表上设置，而是通过外部恒流给定器来设定的。比值设置的步骤：（1）先由工艺规

13、定的两物料的流量比值K，结合测量变送器的测量上限，正确的计算出仪表比值系数K。（2）根椐所使用的乘法器运算式，由K进一步算出Ik，然后将恒流定器的输出值调整到上述计算值。 2）用除法器组成的方案DDZ- 仪表（ 420mA ）的除法运算式：F2 变送器F1 变送器控制器控制阀对象I2 2IkI- F2 变送器F1 变送器控制器控制阀对象比率器I1 1IF2 F2C F1 KF2 变送器F1 变送器控制器控制阀对象除法器I1 I2 I0 I r 416444164164412012KIIIIIIIro名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -

14、 - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 13 页 - - - - - - - - - 35 稳态时：除法器的增益：F2/F1 (I2/I1) ，增益为 “ 正” F1/F2 (I1/I2) ，增益为 “ 负” 因此，在除法运算方案中，必须注意到除法器包含在副流量回路中，它的存在影响到系统的负反馈，此外除法器的非线性特性对控制质量的影响。比值设定的步骤：（ 1）先由工艺规定的流量比，测量变送仪表的特性，计算比值系数K。（ 2）按给定值计算公式，算出给定值后再把比值器的给定值设置成上面的计算值。特点：（ 1）可直接读出比值，使用方便。（ 2）把比值器的给定值改成

15、第三参数，即能组成变比值系统。2.4.3 比值控制方案中非线性环节的影响1.测量环节的非线性产生原因： 流量测量采用节流装置配差压变送器，不使用开方器时。若用 DDZ-型变送器，则测量信号与流量之间的关系如下式：整个测量变送环节的静态放大系数是：式中： K 静态放大系数F0F 的静态工作点KF0，随着负荷的增加而增大解决方法：（1） 可以选取不同流量特性的控制阀来补偿。（2）根本的方法是在差压变送器的输出端加上开方器，使最终信号与流量之间成线性关系。注意： 对于节流法测量流量的比值系统，两流量要么都具有相似的非线性，要么经开方都成为线性。2.除法器的非线性由于除法器在闭环回路中K =I2/I1

16、，其放大倍数为：I1是F1的测量信号，K随着I1 (I2)的增大而减小。这与采用差压法测量流量而不经开方运算时的情况正好相反，在小负荷时，系统不易稳定。当然也有例外，如过程特性本身具有非线性（放大倍数随负荷的增大而增大） ， 则此时采用除法器组成比值系统，除法器的非线性不仅对系统的控制质量无害，反而能起到对过程非线性的补偿作用。在合成氨生产的CO变换炉中，采用除法器组成变换炉温度对蒸汽/煤气比值进行校正的变比值控制系统，就是利用除法器的非线性来补偿变换炉的非线性，收到了良好的效果。02max2max2164160FFFIKFFIFF21211IKIdIdKKFC TC 煤气蒸气变换炉变换气名师

17、资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 13 页 - - - - - - - - - 36 上面采用K=I2/I1，若采用K=I1/I2，其非线性情况也一样：因为，保持一定，所以负荷越小，放大倍数越大。由于除法器在闭环回路中K=I2/I1，其放大倍数为：可见采用K=I2/I1时，放大倍数为“ 正”而采用K=I1/I2时，放大倍数为“ 负” 3.4.4 比值控制方案中的信号匹配问题比值系数K的计算是比值控制系统信号匹配的主要内容。K的大小除了与工艺规定的流量比以外，还与

18、仪表的量程上限有关。因此要使比值控制系统具有较高的灵敏度和精度，仪表的量程上限的确定是极为关键的。仪表量程选得过大，以致仪表得灵敏度较低。对于相乘方案，比值系数K在接近于1 时最为灵敏，精度最高。因为当K =1 时，KF1max=F2max，即在保持工艺要求的比值K 不变情况下，主副流量都在全量程变化，系统 的 灵 敏 度 及 精 度 都 很 高 如 工 艺 要 求K=F2/F1=1/2 ， 若 选 仪 表 测 量 上 限 ，F1max/F2max=2/1 ，则 K=1/2*2/1=1。对于相除方案，K值应取为0.50.8左右，这样控制器的测量值处于整个量程的中间偏上数值，既能保证精确度，又有

19、一定的调整余地。例题：在甲烷转化反应中，为了保证甲烷的转化率，就必须保持天然气、水蒸汽和空气之间成一定的比值（1：3：1.4） 。工艺生产中最大负荷为： 天然气流量的最大值Fsmax=311100 m3/h； 空气流量的最大值Famax=14000 m3/h ；水蒸气流量的最大值Fnmax=14000 m3/h。现采用差压法测量流量，未经开方运算，系统组成如图示：已知：物料Fmax（m3/h）流量比水蒸气：31000 3 天然气：11000 1 空气：14000 1.4 222121IKIIdIdKK21211IKIdIdKK转化炉F3C 空气F1C 水蒸气K1 F2C 天然气K2 名师资料总

20、结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 13 页 - - - - - - - - - 37 解：天然气对水蒸气的比值系数：空气对水蒸气的比值系数：3.5 比值控制系统的投运和整定一、系统的投运：比值系统投运方法与单回路控制系统投运方法相同比值系数K的设置：1、根椐工艺规定的流量比K，根据实际组成的控制方案计算比值系数K。2、比值系数K不一定要精确设置，可在投运中逐渐校正，直至工艺认为合格为止。二、整定步骤：1、进行比值系数的计算及现场整定。2、积分时间置最大，比例度由大到小

21、，直找到临界过程（曲线b)为止。3、适当放宽比例度（一般放大20%） ，再把积分时间慢慢减小，直找到临界过程（曲线b）为止。临界振荡状态3.6 比值控制系统的其它问题3.6.1 流量测量中的压力、温度的校正原因：对于气体流量采用差压法测量时，若工作条件温度、压力参数与设计条件不一致，将会影响到测量精度。解决办法：1、对于温度、压力变化较大，控制质量要求又较高时，应增加温度、压力补偿。2、采用变比值控制。温度、压力校正公式的推导：气体体积流量和节流装置之间的关系在设计条件可表示为：式中 Qn、 pn、n 为设计条件下的流量、压差和密度。实际工作条件下表达式为：式中 Q1、 p1、1 为实际条件下

22、的流量、压差和密度。073.1140003110034.1889.011000311003122maxmax22222maxmax211nansFFKKFFKKt F 0 c b annnpkQ111pkQ（334）（335）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 13 页 - - - - - - - - - 38 对于定质量气体，考虑温度、压力的影响，则有：T n_设计条件下被测介质的温度，K；pn 设计条件下被测介质的压力（绝压），Pa；T1工作条件下被测介

23、质的温度，K；p1工作条件下被测介质的压力（绝压），Pa；将式（ 334）和式（ 335）代入式（ 336） ，整理得：上式即为温度压力校正公式。只要在实际工作条件下测出节流装置上游的温度和压力，并测得当时的差压，然后按式（338）换算成设计条件下 pn，再求得此时的流量值即校正后的真正流量测量值。3.6.2 主、副流量的动态比值问题随着生产发展对自动化地要求越来越高，对比值控制提出了更高地要求。除了要求静态比值外，还要求动态比值一定。由于要求副流量跟随主流量变化，无相位差，以实现动态比值。nnnpTpTQQ111（336）nnnpTpTpp111（336）Sp. F2 K F1C F2C F

24、1 Gz(S) F1 Hm1(S) Gc1(S) Gv1(S) Gp1(S) Gk(S) F2 Gm2(S) Gc(S) Gv(S) Gp(S) - - Gz(S) 21121)()(mpvcpvczkmHGGGGGGGGHSFSFmax11max22max2max1121)()()()(FHGGGFHGGGSGFFKKSGSFKSFmpvcmpvczK名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 13 页 - - - - - - - - - 39 3.6.3 具有逻

25、辑规律的比值控制逻辑规律：就是指工艺上对主、副流量提降负荷时的先后要求而言。所以具有逻辑规律的比值控制也称为逻辑提量。1.正常情况下： 低选器 LS以 PC的输出作为输出信号，高选器 HS 以燃料量F1T 的信号作为输出。这样空气与燃料就有一定的比值关系。2.提量时：蒸汽流量的增加，蒸汽压力PT PC，高选器HS 选 PC 的输出，低选器HS 的输出选空气量F2T 的信号， F2C 的给定 ，空气量 F2T ，燃料量F1T 也随之，实现了先提空气量后提燃料量的原则。3.减量时：蒸汽流量的减少，蒸汽压力PTPC，低选器HS 选 PC 的输出，高选器HS 的输出选燃料量F1T 的信号， F1C 的

26、给定，燃料量 F1T ，空气量F2T 也随之，实现了先降燃料量后降空气量的原则。3.6.4 副流量供料不足时的自动配比问题的提出：前面所讨论的各类比值控制系统中，当主流量供料不足时，副流量会自动跟随减小，以保持比值不变， 而当副流量供料不足时，如果它的阀门全开还不能满足比值要求，控制系统就无能为力了。解决：可以增设阀位控制系统，来实现负荷的自动调整。P80 图 3-22 为具有自动调整负荷的单闭环控制系统原理图阀位控制器VC的给定值为FV的 95% 。分析：假定控制阀为气开式的，则阀位控制器采用反作用式。所以只要阀位控制器的最高信号低于它的给定值，则阀位控制器VC 的输出高于100kPa 的值

27、，它不被低选器选中，所以主流量控制阀上风压固定为100kPa，处于全开，这PC F2C K F2C HS LS Sp. F2 K VC F2C F1 LS 100kPa 外反馈“ 反”气开名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 13 页 - - - - - - - - - 40 时为通常的单闭环控制。当副流量控制阀快接近全开时，表示物料供应已成问题，此时阀位控制器 VC 的测量值将大于给定值，阀位控制器VC 的输出将降低，并被低选中，由它来控制主流量控制阀，以达到自动调整负荷的。3.6.5 主动量与从动量的选择选择原则：1、生产中主要物料为主动量，其他物料为从动量。2、如果两种物料中，一种是可控的，另一种是不可控的，则应先不可控的为主动量，而可控的为从动量。3、如果两种物料中一种供应不成问题，而另一种物料可能供应不足，此时可选用不足的物料为主动量。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 13 页 - - - - - - - - -