比值控制系统的参数整定优秀PPT.ppt

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1、项目五 比值控制系统比值控制系统比值限制系统 内容提要 生产过程中常常要求两种或两种以上的物料以确定的比例混合以后参与化学反应，以保证反应平安、充分并节约能量，由此提出了比值限制。本章将重点讲解并描述比值限制系统的常见结构类型、比值系数的计算、比值限制系统方案的实施、实施中的有关问题及比值限制系统的投运与整定的步骤。项目五 比值控制系统比值控制系统5.1 概述概述 工业生产过程中，常常须要两种或两种以上的物料按确定比例混合或进行反应。一旦比例失调，就会影响生产的正常进行，影响产品质量，奢侈原料，消耗动力，造成环境污染，甚至造成生产事故。最常见的是燃烧过程，燃料与空气要保持确定的比例关系，才能满

2、足生产和环保的要求；造纸过程中，浓纸浆与水要以确定的比例混合，才能制造出合格的纸浆；很多化学反应的多个进料要保持确定的比例。因此，凡是用来实现两种或两种以上的物料量自动地保持确定比例关系以达到某种限制目的的限制系统，称为比值限制系统。项目五 比值控制系统比值控制系统 比值限制系统是限制两种物料流量比值的限制系统，一种物料须要跟随另一种物料流量的变更。在须要保持比例关系的两种物料中，必有一种物料处于主导地位，称此物料为主动量（或主物料），用表示；而另一种物料以确定的比例随的变更而变更，称为从动量（或从物料），用表示。由于主、从物料均为流量参数，故又分别称为主流量和副流量。例如，在燃烧过程的比值限

3、制系统中，当燃料量增加或削减时，空气流量也要随之增加或削减，因此，燃料量应为主动量，而空气量为从动量。比值限制系统就是要实现从动量与主动量的对应比值关系，即满足关系式 （5-1）式中，K为从动量与主动量的比值。由此可见，在比值限制系统中，从动量是跟随主动量变更的物料流量，因此，比值限制系统事实上是一种随动限制系统。项目五 比值控制系统比值控制系统5.2 比值限制系统的类型比值限制系统的类型 依据系统结构，可将比值限制系统分为单闭环、双闭环和变比值限制系统三种结构类型。从限制原理看，比值限制系统属于前馈限制系统。开环比值限制系统是最简洁的比值限制系统。当F2因管线两端的压力波动而发生变更时，系统

4、不起限制作用，此时难以保证F2与F1间的比值关系。也就是说，开环比值限制系统对来自于从动量所在管线的扰动并无抗干扰实力，只能适用于从动量较平稳且对比值要求不高的场合。而实际生产过程中，对F2的扰动常常是不行避开的，因此生产上很少接受开环比值限制系统。项目五 比值控制系统比值控制系统 通常，工业生产过程中接受闭环比值限制系统。为了调整从动量，从动量应组成闭环，因此，依据主动量是否组成闭环，可分为单闭环比值限制系统和双闭环比值限制系统。假如比值K来自于另一个限制器，即主、副物料的流量比不是一个固定值，则该比值限制系统就是变比值限制系统。项目五 比值控制系统比值控制系统5.2.1 单闭环比值限制系统

5、单闭环比值限制系统 单闭环比值限制系统是为了克服开环比值限制方案的不足，在开环比值限制系统的基础上，增加一个从动量的闭环限制系统，如图5.2所示。图图5.2 单闭环比值限制系统单闭环比值限制系统与串级限制系统的区分？项目五 比值控制系统比值控制系统 在稳定状态下，主、副流量满足工艺要求的比值，F2/F1K。当主流量变更时，其主流量信号F1经变送器送到比值计算装置（通常为乘法器或比值器），比值计算装置则按预先设置好的比值使输出成比例地变更，也就是成比例地变更副流量限制器的设定值，此时副流量闭环系统为一个随动限制系统，从而使F2跟随F1变更，使得在新的工况下，流量比值K保持不变。当主流量没有变更而

6、副流量由于自身扰动发生变更时，副流量闭环系统相当于一个定值限制系统，通过自行限制克服扰动，使工艺要求的流量比值仍保持不变。项目五 比值控制系统比值控制系统 如图5.3所示，为单闭环比值限制系统实例。丁烯洗涤塔的任务是用水除去丁烯馏分中所夹带的微量乙腈。为了保证洗涤质量，要求依据进料流量配以确定比例的洗涤水量。总之，单闭环比值限制系统不仅能使从动量的流量跟随主动量的变更而变更，实现主、从动量的精确流量比值，还能克服进入从动量限制回路的扰动影响。因此，其主、从动量的比值较为精确，而且比开环比值限制系统的限制质量要好。单闭环比值限制系统的结构形式较简洁。所增加的仪表投资较少，实施起来亦较便利，而限制

7、品质却有很大提高，因而被大量应用于生产过程限制，尤其适用于主物料在工艺上不允许进行限制的场合。图图5.3 丁烯洗涤塔进料与丁烯洗涤塔进料与洗涤水之比值限制洗涤水之比值限制项目五 比值控制系统比值控制系统 单闭环比值限制系统中，虽然两物料比值确定，但由于主动量是不受限制的，所以总物料量（即生产负荷）是不固定的，这对于负荷变更幅度大物料又干脆去化学反应器的场合是不适合的。因负荷的波动有可能造成反应不完全，或反应放出的热量不能刚好被带走等，从而给反应带来确定的影响，甚至造成事故。此外，这种方案对于严格要求动态比值的场合也是不适应的。因为这种方案的主动量是不定值的，当主动量出现大幅度波动时，从动量相对

8、于限制器的设定值会出现较大的偏差，也就是说，在这段时间里，主、从动量的比值会较大地偏离工艺要求的流量比，即不能保证动态比值。项目五 比值控制系统比值控制系统5.2.2 双闭环比值限制系统双闭环比值限制系统 双闭环比值限制系统是为了克服单闭环比值限制系统主动量不受控、生产负荷在较大范围内波动的不足而设计的。在主动量也须要限制的状况下，增加一个主动量限制回路，单闭环比值限制系统就成为双闭环比值限制系统，如图5.4所示。图图5.4 双闭环比值限制系统双闭环比值限制系统项目五 比值控制系统比值控制系统 如图5.5所示，为某溶剂厂生产中接受的二氧化碳与氧气流量的双闭环比值限制系统的实例。双闭环比值限制系

9、统由于主动量限制回路的存在，实现了对主动量的定值限制，大大克服了主流量干扰的影响，使主流量变得比较平稳，通过比值限制副流量也将比较平稳。这样不仅实现了比较精确的流量比值，而且也确保了两物料的总流量（即生产负荷）能保持稳定，这是双闭环比值限制的一个主要优点。图图5.5 二氧化碳与氧气流量双闭环比值限制系统二氧化碳与氧气流量双闭环比值限制系统项目五 比值控制系统比值控制系统 双闭环比值限制的另一个优点是升降负荷比较便利，只要缓慢地变更主动量限制器的设定值，就可以升降主动量，同时从动量也就自动跟踪升降，并保持两者的比值不变。但由于双闭环比值限制方案运用仪表较多，投资高，而且投运也较麻烦，因此，假如没

10、有以上限制要求，接受两个单独的单回路定值限制系统来分别稳定主、副流量，也能使两种物料保持确定的比例关系。这样在投资上可节约一台比值装置，而且两个单回路流量限制系统在操作上也较便利。在接受双闭环比值限制方案时，应尽量保证其输出为非周期变更，以防止产生共振。项目五 比值控制系统比值控制系统5.2.3 变比值限制系统变比值限制系统 前面介绍的两种限制系统都属于定比值限制系统，限制的目的是要保持主、从物料的比值关系为定值。但有些化学反应过程，要求两种物料的比值能敏捷地随第三变量的须要而加以调整，这样就出现了变比值限制系统。在生产上维持流量比恒定往往不是限制的最终目的，而仅仅是保证产品质量的一种手段。定

11、比值限制方案只能克服来自流量方面的扰动对比值的影响，当系统中存在着除流量扰动外的其他扰动（如温度、压力、成分及反应器中触媒活性变更等扰动）时，为了保证产品质量，必需适当修正两物料的比值，即重新设置比值系数。由于这些扰动往往是随机的，扰动的幅值也各不相同，明显无法用人工方法常常去修正比值系数，定比值限制系统也就无能为力了。因此，出现了依据确定工艺指标自行修正比值系数的变比值限制系统。如图5.6所示，为一个用除法器组成的变比值限制系统。项目五 比值控制系统比值控制系统图图5.6 变比值限制系统变比值限制系统 由图可见，变比值限制系统是比值随另一个限制器输出变更的比值限制系统。其结构是串级限制系统与

12、比值限制系统的结合。它实质上是一个以某种质量指标为主变量、两物料比值为副变量的串级限制系统，所以也称为串级比值限制系统。因此，在变比值限制系统中，流量比值只是一种限制手段，其最终目的通常是保证表征产品质量指标的主被控变量恒定。项目五 比值控制系统比值控制系统 以图5.7所示硝酸生产中氧化炉的炉温与氨气/空气比值所组成的串级比值限制方案为例，说明变比值限制系统的应用。图图5.7 氧化炉温度与氨气氧化炉温度与氨气/空气串级比值限制系统空气串级比值限制系统项目五 比值控制系统比值控制系统 在变比值限制方案中，选取的第三参数主要是衡量质量的最终指标，而流量间的比值只是参考指标和限制手段。因此在选用变比

13、值限制时，必需考虑到作为衡量质量指标的第三参数能否进行连续的测量变送，否则系统将无法实施。由于具有第三参数自动校正比值的优点，且随着质量检测仪表的发展，变比值限制可能会越来越多地在生产上得到应用。须要留意的是，上面提到的变比值限制方案是用除法器来实施的，事实上还可接受其他运算单元（如乘法器）来实施。同时从系统的结构看，上例是单闭环变比值限制系统，假如工艺限制须要，也可构成双闭环变比值限制系统。项目五 比值控制系统比值控制系统5.3 比值系数的计算比值系数的计算 在此，有必要把流量比值K和设置于仪表的比值系数 K区分开来，因为工艺上规定的比值是指两物料的（质量或体积）流量之比，而目前通用的仪表则

14、运用统一的标准信号（例如，电动仪表运用010 mA或420 mA直流电流信号，气动仪表运用20100 kPa气压信号等）。因此，必需把工艺规定的流量比值K折算成仪表信号的比值系数 K，才能进行比值设定。比值系数的折算方法随流量与测量信号间是否成线性关系而不同。项目五 比值控制系统比值控制系统5.3.1 流量与测量信号成线性关系时的折算流量与测量信号成线性关系时的折算 当运用转子流量计、涡轮番量计、椭圆齿轮番量计或带开方的差压变送器测量流量时，流量信号均与测量信号成线性关系。下面以图5.8所示的单闭环比值限制系统为例，分别探讨当接受DDZ-型、DDZ-型和气动仪表时，比值系数的折算方法。图图5.

15、8 带开方差压变送器的比值限制系统带开方差压变送器的比值限制系统项目五 比值控制系统比值控制系统 1接受信号范围为420 mA DC的DDZ-型仪表 当流量从0变至最大值 时，变送器对应的输出为420 mA DC，则流量的任一中间值F所对应的输出电流为（5-2）故（5-3）由式（5-3）可得工艺要求的流量比值为（5-4）由此可折算成仪表的比值系数 ，为（5-5）项目五 比值控制系统比值控制系统式中，F1max主动量变送器的量程上限；F2max副流量变送器的量程上限；I1主流量的测量信号值；I2副流量的测量信号值。2信号范围为010 mA DC的DDZ-型仪表当流量从0变至最大值Fmax时，变送

16、器对应的输出为010 mA DC，则流量的任一中间值F所对应的输出电流为（5-6）故由式（5-7）可得工艺要求的流量比值，为（5-8）项目五 比值控制系统比值控制系统由此可折算成仪表的比值系数K，为 （5-9）式中，F1max主流量变送器的量程上限；F2max副流量变送器的量程上限；I1主流量的测量信号值；I2副流量的测量信号值。3接受信号范围为20100 kPa的气动仪表当流量从0变至最大值时，变送器对应的输出为20100 kPa，变送器的转换关系为（5-10）仪表的比值系数为（5-11）项目五 比值控制系统比值控制系统将式（5-10）代入（5-11），可得（5-12）式中，F1max主流量

17、变送器的量程上限；F2max副流量变送器的量程上限；p1主流量的测量信号值；p2副流量的测量信号值。可以看出，对于不同信号范围的仪表，比值系数的计算式是一样的，即（5-13）项目五 比值控制系统比值控制系统5.3.2 流量与测量信号成非线性关系时的折算流量与测量信号成非线性关系时的折算 当运用差压式流量计测量流量而未经开方处理时，构成的单闭环比值限制系统如图5.9所示。流量与压差的非线性关系为（5-14）式中，C为差压式流量计的比例系数。图图5.9 不带开方差压变送器的比值限制系统不带开方差压变送器的比值限制系统项目五 比值控制系统比值控制系统此时针对不同信号范围的仪表，测量信号与流量的转换关

18、系如下。010 mA DC的DDZ-型电动仪表：（5-15）420 mA DC的DDZ-型电动仪表：（5-16）20100 kPa的气动仪表:（5-17）项目五 比值控制系统比值控制系统以信号范围为420 mA DC的DDZ-型电动仪表为例，此时的比值系数计算如下：（5-18）当接受QDZ型仪表或DDZ-型仪表时，同样可得到式（5-18）。这说明比值系数的折算方法与仪表的结构型号无关，只和测量的方法有关。通过对流量与测量信号的不同关系及不同信号范围的仪表推导比值系数的计算式，可以得出如下几点结论。项目五 比值控制系统比值控制系统（1）流量比值K与比值系数K是两个不同的概念，不能混淆；（2）比值

19、系数K的大小与流量比值K有关，也与变送器的量程有关，但与负荷的大小无关；（3）流量与测量信号之间有无非线性关系对计算式有干脆影响，线性关系时，非线性关系（平方根关系）时,但仪表的信号范围不同及起始点是否为零，对计算式均无影响；（4）线性测量与非线性测量（平方根关系）状况下，间的关系为 项目五 比值控制系统比值控制系统5.4 比值限制系统的实施比值限制系统的实施比值限制系统具有单闭环、双闭环及变比值等多种类型，每种类型均可接受气动、电动等不同的仪表构成，因而其构成方案很多。但最根本的是接受什么方式来实现主、副流量的比值运算。分析全部的比值限制系统，发觉其运算式有乘法和除法两种，也就是说具体实施分

20、为相乘方案与相除方案两类。项目五 比值控制系统比值控制系统5.4.1 两种实施方案两种实施方案比值限制系统有两种实现的方案。假如对F1的测量值乘以比值K，作为F2流量限制器的设定值，称为相乘方案。而假如将F2与F1的测量值相除，作为比值限制器的测量值，称为相除方案。1相乘方案如图5.10所示，是接受相乘方案来实现单闭环比值限制的方案。图图5.10 相乘方案相乘方案项目五 比值控制系统比值控制系统图中“”（乘号）表示乘法器。比值限制系统的设计任务，是要按工艺要求的流量比值K来正确设置图中仪表的比值系数K。该图所示的相乘方案中，由于在差压变送器后设有开方器，因此流量信号与测量信号成线性关系，仪表的

21、比值系数K应按式（5-13）计算。图5.11 相除方案乘法方案运算装置假如运用气动仪表实施，可接受比值器、配比器及乘法器等；假如接受DDZ-型仪表实施，则有分流器及乘法器；而假如接受DDZ-型仪表实施，则有比值器及乘法器等；至于运用可编程限制器或其他计算机限制来实现的，接受乘法运算即可。假如比值为常数，上述常规仪表均可应用；若K为变数（变比值限制）时，则必需接受乘法器，此时，只需将比值设定信号换接成第三参数就可以了。项目五 比值控制系统比值控制系统2相除方案应用相除的方案如图5.11所示，图中“”（除号）表示除法器。明显它还是一个单回路限制系统，只是限制器的测量值和设定值都是流量信号的比值，而

22、不是流量本身。图图5.11 相除方案相除方案项目五 比值控制系统比值控制系统无论是接受气动仪表还是电动仪表，相除方案均接受除法器来实现。而对于运用可编程限制器或其他计算机限制来实现的，只要对两个流量测量信号进行除法运算即可。由于除法器的（或除法运算结果）输出干脆代表了两流量信号的比值，所以可干脆对它进行比值指示和报警。相除方案的优点是直观，可干脆读出比值，且比值可干脆由限制器进行设定，其可调范围宽，操作便利。若将比值给定信号改作第三参数，便可实现变比值限制。但相除方案也有其弱点。在相除方案中，可将比值K理解为真正的被控变量。由于比值计算包括在限制回路中，而除法器的增益是非线性的，使广义对象的特

23、性也为非线性，所以其放大系数会随负荷变更，比值系数一经调整，系统的稳定裕度就会变动。在负荷较小时，系统的稳定性变差。因此，在比值限制系统中应尽量少用除法器，一般可用相乘形式来代替它。项目五 比值控制系统比值控制系统5.5 比值限制系统的投运与整定比值限制系统的投运与整定比值限制系统在设计、安装好以后，即可进行系统的投运。投运前的准备工作及投运步骤与简洁限制系统相同，不再重复介绍。这里主要介绍比值限制系统的整定。1投运中比值系数 的设置所需留意的问题首先依据工艺规定的流量比值K按实际组成的方案进行比值系数的计算。比值系数计算为系统设计、仪表量程的选择和现场比值系数的设置供应了理论依据。但由于接受

24、差压法测算流量时，要做到精确计量有确定的困难；而且尽管对测量元件进行了精确计算，但在实际运用中尚有不少误差，想通过比值系数一次精确设置来保证流量比值是不行能的。因此，在投运前系统的比值系数不确定要精确设置，可以在投运过程中渐渐校正，直至工艺认为合格为止。项目五 比值控制系统比值控制系统2比值限制系统的参数整定比值限制系统的参数整定，关键是先要明确整定要求。双闭环比值限制系统的主流量回路为一般的定值限制系统，可按常规的简洁限制系统进行整定；变比值限制系统因结构上属于串级限制系统，故主限制器可按串级限制系统进行整定。比值限制系统中的副流量回路是一个随动限制系统，工艺上希望副流量能快速、正确地跟随主

25、流量变更，并且不宜有过调。由此可知，比值限制系统事实上是要达到振荡与不振荡的临界过程，这与一般定值限制系统的整定要求是不一样的。项目五 比值控制系统比值控制系统依据随动限制系统的整定要求，一般的整定步骤如下所述。（1）依据工艺要求的两流量比值K，进行比值系数的计算。若接受相乘形式，则需计算仪表的比值系数K值；若接受相除形式，则需计算比值限制器的设定值。在现场整定时，可依据计算的比值系数K值投运。在投运后，一般还需按实际状况进行适当的调整，以满足工艺要求。（2）限制器一般需接受PI形式。整定时可先将积分时间设置于最大，由大到小地调整比例度，直至系统处于振荡与不振荡的临界过程为止。（3）若有积分作

26、用，则适当地放宽比例度（一般放大20左右），然后渐渐地把积分时间减小，直到系统出现振荡与不振荡的临界过程或微振荡的过程为止。项目五 比值控制系统比值控制系统本本 章章 小小 结结随着石油、化工生产在国民经济中的地位不断提高，比值限制系统的应用也越来越广泛比值限制系统有三种类型：单闭环、双闭环、变比值限制系统。其中单闭环比值限制系统最为常见。依据运算器在闭环中所处位置的不同，可构成两种实施方案：相乘方案和相除方案。在实际运用中，依据测量方法的不同，须要将工艺上的流量比值K折算成仪表上的比值系数K。用仪表构成比值限制系统时还应留意信号匹配问题。应充分理解和驾驭比值限制系统中副流量回路的特点及整定要

27、求。近年来，智能化仪表的发展使比值限制系统在结构上也发生了一些变更。由于智能化仪表的信号为数字信号，所以不用再进行比值系数的换算；在系统中用功能块参与运算，也就不需引入比值器，使限制系统的实现更加快捷、便利。项目五 比值控制系统比值控制系统思索与练习思索与练习3在生产硝酸的过程中，要求氨气量与空气量保持确定的比例关系。在正常状况下，工艺规定氨气流量为2 000 m3/h，空气流量为20 000 m3/h，氨气流量表的量程03 200 m3/h，空气流量表的量程为025 000 m3/h，求仪表的比值系数K。4自来水因含有大量微生物，所以在供应用户之前必需进行消毒。氯气是常用的消毒剂。但假如氯气

28、的用量少则起不到应有的效果，过多又会使自来水气味难闻并会产生猛烈的腐蚀作用。为使注入到自来水中的氯气量合适，必需使氯气注入量与自来水成确定的比值关系。自来水净化工艺流程图如图5.12所示，试设计一个净化水量与氯气量的比值限制系统 项目五 比值控制系统比值控制系统图图5.12 自来水净化工艺流程图自来水净化工艺流程图5在某生产过程中，需使参与反应的甲、乙两种物料流量保持确定的比值，若已知正常操作时，甲流量7 m3/h，接受孔板测量并配用差压变送器，其测量范围为010 m3/h；乙流量250 L/h，相应的测量范围为0300 L/h，依据要求设计保持比值的限制系统。试求在流量与测量信号分别成线性关

29、系和非线性关系时，接受DDZ-型仪表组成系统时的比值系数K。项目五 比值控制系统比值控制系统6某生产工艺要求A、B两物料流量比值维持在0.4。已知 3 200 kg/h，800 kg/h，流量接受孔板配差压变送器进行测量，并在变送器后加了开方器。试分析可否接受乘法器组成的比值限制方案？假如确定要用乘法器，在系统结构上应作何处理？7某化学反应过程要求参与反应的A、B保持 ，两物料的最大流量625 m3/h，290 m3/h。通过视察发觉，A、B两物料流量因管线压力波动而常常变更。依据上述状况，要求：设计一个比较合适的比值限制系统；计算该比值系统的比值系数 ；若接受DDZ-型仪表构成该比值系统，则

30、比值系数 应当是多少？选择该比值限制系统限制阀的开、闭形式及限制器的正、反作用。8比值限制系统有哪几种实施方案，各有何特点？9在比值限制系统实施时应如何留意信号匹配问题？10简述比值限制系统中副流量回路的整定过程。项目五 比值控制系统比值控制系统试验五单闭环比值限制系统的投运和整定试验五单闭环比值限制系统的投运和整定1试验目的（1）相识单闭环比值限制系统的构成。（2）驾驭比率设定器中比值系数的计算。（3）熟悉比值限制系统的整定过程。2试验设备气动薄膜限制阀（带阀门定位器）1台DDZ-型比率设定器 1台空压机 1台信号采集模块 2块DDZ-限制器 1台电磁式流量计 2台离心式水泵 2台微机 1台

31、3试验步骤（1）试验流程图如图5.13所示，按图5.14接线并连接好气路。项目五 比值控制系统比值控制系统图图5.13 试验流程图试验流程图图图5.14 接线原理示意图接线原理示意图项目五 比值控制系统比值控制系统（2）依据所要求的比值和流量计的量程计算比值限制器的系数并设置到比值限制器上。将限制器打到手动，积分时间置于最大，比例度可放置在一较大刻度上。（3）检查接线无误后，先打开气源，将气源压力调至0.14 MPa，再打开电源。（4）变更主物料的手动阀位置使主流量F1等于正常流量，变更限制器输出访副流量F2满足与F1的比值关系，待平稳后将限制器置为自动。（5）变更主流量F1的值（相当于加入干扰），在微机上视察F2的曲线是否出现振荡与不振荡的临界过程，没有则重复步骤（4）和（5），直至出现临界过程。（6）若要加入积分作用，则适当地放宽比例度（一般放大20左右）；投入积分作用，并逐步减小积分时间，直到系统出现振荡与不振荡的临界过程或微振荡的过程为止。（7）记录数据并绘制曲线。4思索题（1）在整定过程中是如何加入扰动的，加入扰动时应留意哪些问题？（2）在试验过程中遇到哪些问题，你是如何解决的？