第4章比值均匀前馈过程控制课件.ppt

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1、下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统.两个两个独立独立甲塔甲塔乙塔乙塔运行的单回路液位控制系统运行的单回路液位控制系统和流量控制系统工作时是相和流量控制系统工作时是相互矛盾的互矛盾的.为解决矛盾为解决矛盾,可可在两塔之间增设中间缓冲容在两塔之间增设中间缓冲容器来克服器来克服,但这增加了投资但这增加了投资且对于某些生产连续性很强且对于某些生产连续性很强的过程又不允许中间储存的时间过长的过程又不允许中间储存的时间过长,因因此还需从自动化方案的设计上寻求解决的此还需从自动化方案的设计上寻求解决的方法方法.均匀控制就是一种解决方案均匀控制就是一种解决方案.均

2、匀均匀控制系统把液位控制系统把液位 流量统一在一个控制系流量统一在一个控制系甲塔甲塔统中统中,如左图所示如左图所示.所谓所谓均匀控制系统是均匀控制系统是指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地 均匀地变化均匀地变化,使前后设备在物料供求使前后设备在物料供求上相互兼顾上相互兼顾 均匀协调的系统均匀协调的系统.均匀控制的特点是表征前后供求矛盾的两个参数各自允均匀控制的特点是表征前后供求矛盾的两个参数各自允许在规定范围内缓慢地变化许在规定范围内缓慢地变化.二二均匀控制系统的结构方案均匀控制系统的结构方案 (一一)简单均匀方案简单均匀方案 下图即为液位和流量的简单均匀控制系

3、统的例子下图即为液位和流量的简单均匀控制系统的例子.甲塔甲塔从系统结构形式上看从系统结构形式上看,它与单回路液位定它与单回路液位定值控制系统一样值控制系统一样,但两者控制目的不同但两者控制目的不同,所以在控制器的参数整定上也不同所以在控制器的参数整定上也不同.下面下面分三种情况说明分三种情况说明.第一种情况第一种情况,控制器的控制器的较大较大,即控制作用较强即控制作用较强,在干扰作用下在干扰作用下液位偏离给定值时液位偏离给定值时,控制器给出强有力控制器给出强有力的控制作用的控制作用,使液位迅速回到给定值使液位迅速回到给定值,且余差很小且余差很小,但流量发生但流量发生较大的波动较大的波动.如右图

4、所示如右图所示.第二种情况第二种情况,控制器的控制器的很小很小,即控制作用很弱即控制作用很弱,当干当干扰使液位大幅波动时扰使液位大幅波动时,阀门开度基本不变阀门开度基本不变,则流量的波则流量的波动就很小动就很小.如下左图所示如下左图所示.第三种情况第三种情况,控制器的控制器的取值适当取值适当,使使控制作用较为控制作用较为温和温和,在干扰在干扰作用下作用下,液位和流量均在各自允许的范围内缓慢变化液位和流量均在各自允许的范围内缓慢变化,如上右图所示如上右图所示.通常通常,简单均匀方案中的控制器采用纯简单均匀方案中的控制器采用纯比例控制比例控制,且比例度较大且比例度较大,一般大于一般大于100%,当

5、需采用当需采用PI控制时控制时,应使积分弱些应使积分弱些,即积分时间常数整定的大些即积分时间常数整定的大些.简单均匀控制系统的最大优点是结构简单简单均匀控制系统的最大优点是结构简单,投运方投运方便便,成本低廉成本低廉.但当前后设备的压力变化较大时但当前后设备的压力变化较大时,尽管尽管控制阀的开度不变控制阀的开度不变,输出流量也会发生变化输出流量也会发生变化,所以它适所以它适用于干扰不大用于干扰不大,要求不高的场合要求不高的场合.此外此外,在液位对象的在液位对象的自衡能力较强时自衡能力较强时,均匀控制的效果也较差均匀控制的效果也较差.(二二)串级均匀方案串级均匀方案 当前后设备的压力变化较大当前

6、后设备的压力变化较大,或液位对象的自衡能或液位对象的自衡能力较强而不宜采用简单均匀方案时力较强而不宜采用简单均匀方案时,可考虑串级均匀方可考虑串级均匀方案案.下图是精馏塔的塔釜液位与采出流量的串级均匀控下图是精馏塔的塔釜液位与采出流量的串级均匀控制方案制方案.甲塔甲塔乙塔乙塔从结构上看从结构上看,它与一般的液位和流量串级控制它与一般的液位和流量串级控制系统是一致的系统是一致的.但在此引入一流量副回路与液但在此引入一流量副回路与液位回路组成串级控制位回路组成串级控制的目的不是为了提高的目的不是为了提高主变量液位的控制质主变量液位的控制质量量,而主要是克服控而主要是克服控制阀前后压力的波动制阀前后

7、压力的波动及自衡作用对流量的及自衡作用对流量的影响影响,使液位和采出流量变化平缓使液位和采出流量变化平缓.设干扰使甲塔液位上升设干扰使甲塔液位上升,液位控制器液位控制器的输出信号随之增大的输出信号随之增大,流量控制器流量控制器使控制阀缓慢开大使控制阀缓慢开大,则液位不是立即快速下降则液位不是立即快速下降,而是继而是继续缓慢上升续缓慢上升,同时乙塔的进料量也缓慢增加同时乙塔的进料量也缓慢增加,当液位上当液位上升到某一数值时升到某一数值时,甲塔采出量等于在干扰作用下的入料甲塔采出量等于在干扰作用下的入料量量,液位不再上升而暂处某一高度液位不再上升而暂处某一高度.从而使液位和流量从而使液位和流量都处

8、于缓慢变化中都处于缓慢变化中,达到均匀协调的控制目的达到均匀协调的控制目的.如干扰来自乙塔塔压变化而使其入料量发生变化如干扰来自乙塔塔压变化而使其入料量发生变化,则先由流量副回路控制则先由流量副回路控制,当这一控制作用使甲塔液位受当这一控制作用使甲塔液位受到影响时到影响时,再由液位控制器改变流量控制器的设定值再由液位控制器改变流量控制器的设定值,让流量控制器作进一步的调整让流量控制器作进一步的调整,缓慢改变控制阀的开度缓慢改变控制阀的开度两控制器互相配合两控制器互相配合,使液位和流量都在允许的范围内缓使液位和流量都在允许的范围内缓慢地均匀变化慢地均匀变化.串级均匀控制系统中两控制器一般采用串级

9、均匀控制系统中两控制器一般采用P或或PI控制控制,而不加微分作用而不加微分作用.(三三)双冲量均匀方案双冲量均匀方案 “冲量冲量”的原义是短暂作用的信号或参数的原义是短暂作用的信号或参数,在此引申在此引申为连续的信号或参数为连续的信号或参数.双冲量均匀控制系统的结构见下双冲量均匀控制系统的结构见下图图.甲塔甲塔与串级均匀控制相比与串级均匀控制相比,前者用一个加法器取代主控前者用一个加法器取代主控制器制器,是以液位和流量的测量信号经加法器后是以液位和流量的测量信号经加法器后作为系统的被控变量作为系统的被控变量.现假定采现假定采用电动仪表构成系统用电动仪表构成系统,阀门为气阀门为气开式开式,流量控

10、制器选正作用流量控制器选正作用.加加法器在稳定状态下的输出为法器在稳定状态下的输出为:上式中上式中,是加法器输出是加法器输出;分别为液位变送器和流量分别为液位变送器和流量变送器的输出变送器的输出;为恒流源输出为恒流源输出.在工况稳定的情况下在工况稳定的情况下,通过调整通过调整值值,使加法器的输出等于流量控制器的给定值使加法器的输出等于流量控制器的给定值阀门处于某一开度阀门处于某一开度.若受到干扰使液位上升若受到干扰使液位上升,则则增加增加由于流量控制器为正作用由于流量控制器为正作用,也增加也增加,阀开度增大阀开度增大,流量也开始增加流量也开始增加.同时同时,液位从某一瞬间开始逐渐下降液位从某一

11、瞬间开始逐渐下降即即阀门开度阀门开度,当液位和当液位和流量变送器的输出逐渐接近到某一数值时流量变送器的输出逐渐接近到某一数值时,加法器的输加法器的输出重新恢复到流量控制器的给定值出重新恢复到流量控制器的给定值,系统又逐渐趋于稳系统又逐渐趋于稳定定,控制阀停留在新的开度上控制阀停留在新的开度上,液位和流量在允许范围液位和流量在允许范围内重新稳定下来内重新稳定下来.双双冲量均匀控制系统在结构上相当于两个变量信号冲量均匀控制系统在结构上相当于两个变量信号之差作为被控量的单回路控制系统之差作为被控量的单回路控制系统,其一般方框图如下其一般方框图如下液位对象液位对象控制阀控制阀流量对象流量对象H设定值设

12、定值控制器控制器流量变送器流量变送器加法器加法器液位变送器液位变送器 三三控制器的参数整定控制器的参数整定 三种均匀方案中的控制器可选三种均匀方案中的控制器可选P或或PI控制作用控制作用,一般一般不选用微分作用不选用微分作用.控制器的比例度要大控制器的比例度要大,积分时间要长积分时间要长,即控制力度要小些即控制力度要小些,以突出一个以突出一个“慢慢”字字.简单均匀控制系简单均匀控制系统和双统和双冲量均匀控制系统在结构上与单回路控制系统相冲量均匀控制系统在结构上与单回路控制系统相同同,因此它们的控制器参数整定的方法与单回路控制系因此它们的控制器参数整定的方法与单回路控制系统一样统一样.下面讨论串

13、级均匀控制系统控制器参数整定的下面讨论串级均匀控制系统控制器参数整定的两种方法两种方法.(一一)经验逼近法经验逼近法 (二二)定量计算法定量计算法(补充补充)以串级均匀以串级均匀方案中的前后精馏塔的塔釜液位与采出方案中的前后精馏塔的塔釜液位与采出流量的串级均匀控制为例加以说明流量的串级均匀控制为例加以说明.4-7 比值控制系统比值控制系统 一一基本概念基本概念 在化工在化工炼油及其它工业生产过程中炼油及其它工业生产过程中,工艺上常需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要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系,比例一比例一旦失调旦失调,将影响生产或造成事故将影响生产或造成事故.例如

14、例如,在造纸生产过在造纸生产过程中程中,浓纸浆和水按一定的比例混合浓纸浆和水按一定的比例混合,才能制造出一定才能制造出一定浓度的纸浆浓度的纸浆,显然这个流量比和产品质量有密切的关系显然这个流量比和产品质量有密切的关系.在重油气化的造气过程中在重油气化的造气过程中,进入气化炉的氧气和重油流进入气化炉的氧气和重油流量应保持一定的比例量应保持一定的比例,若氧油比过高若氧油比过高,会因炉温过高而会因炉温过高而使喷嘴和耐火砖烧坏使喷嘴和耐火砖烧坏,严重时会引起炉体爆炸严重时会引起炉体爆炸;如果氧如果氧量过低量过低,则因生成的碳黑增多则因生成的碳黑增多,发生堵塞现象发生堵塞现象.实现两个或两个以上参数符合

15、一定比例关系的控制实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统系统,称为比值控制系统称为比值控制系统.通常以保持两种或几种物料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的流量为一定比例关系的系统,称之流量比值系统称之流量比值系统.在需要保持比值关系的两种物料中在需要保持比值关系的两种物料中,必有一种物料必有一种物料处于主导地位处于主导地位,这种物料称之为主物料这种物料称之为主物料,表征这种物料表征这种物料的参数叫主动量的参数叫主动量.由于在生产过程控制中主要是流量比由于在生产过程控制中主要是流量比值控制系统值控制系统,所以主动量也称为主流量所以主动量也称为主流量,用用表示表示;而另

16、一种物料按主物料进行配比而另一种物料按主物料进行配比,在控制过程中随主物在控制过程中随主物料而变化料而变化,因此称为从物料因此称为从物料,表征其特性的参数叫从动表征其特性的参数叫从动量或副流量量或副流量,用用表示表示.一般情况下一般情况下,总把生产中主要总把生产中主要物料定为主物料物料定为主物料.但在有些场合但在有些场合,以不可控物料定为主以不可控物料定为主物料物料,用改变可控物料即从物料来实现它们之间的比值用改变可控物料即从物料来实现它们之间的比值关系关系.工艺上要求的比值定义为工艺上要求的比值定义为:在比值控制系统中在比值控制系统中,从动量随主动量按一定比例变从动量随主动量按一定比例变化化

17、,故比值控制系统实际上是一种随动系统故比值控制系统实际上是一种随动系统.二二比值控制系统的类型比值控制系统的类型 (一一)开环比值控制系统开环比值控制系统 开环比值控制系统是最简单的比值控制系统开环比值控制系统是最简单的比值控制系统,其系其系统组成如下图所示统组成如下图所示.设定值设定值稳态时稳态时,当主物料当主物料在某在某一时刻因干扰作用发生变化时一时刻因干扰作用发生变化时,比比值器按值器按对设定值的偏差而动作对设定值的偏差而动作,按比例发按比例发出信号去改变控制阀的开度出信号去改变控制阀的开度,使从物料使从物料重新与变化后的重新与变化后的保持原有的比例关系保持原有的比例关系.其其实质是满足

18、控制阀的阀门开度与实质是满足控制阀的阀门开度与之间成之间成一定的比例关系一定的比例关系.但是但是,当当因其管线两端压力波动而因其管线两端压力波动而发生变化时发生变化时,系统不起控制作用系统不起控制作用,控制阀开度不变控制阀开度不变,难以难以保证保证与与的比值关系的比值关系.开环比值控制系统结构简单开环比值控制系统结构简单,只只能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合.开环比值控制系统的方框图如下所示开环比值控制系统的方框图如下所示.(二二)单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统 下图是一单闭环比值控制系统的实例下图是一单闭环比值控制系统的实例.控制阀控制阀

19、设定值设定值比值器比值器流量变送器流量变送器洗洗涤涤塔塔含乙腈的含乙腈的丁稀馏分丁稀馏分含乙腈的洗涤水含乙腈的洗涤水洗涤水洗涤水丁稀丁稀丁稀洗涤塔的作用是用水除去丁稀馏丁稀洗涤塔的作用是用水除去丁稀馏分所夹带的微量乙腈分所夹带的微量乙腈,为保为保证洗涤质量证洗涤质量,要求根据进料要求根据进料流量配以一定比例的洗涤水流量流量配以一定比例的洗涤水流量.单闭环比值控制系统方框图如下单闭环比值控制系统方框图如下.比值器比值器流量变送器流量变送器对象对象控制器控制器控制阀控制阀流量变送器流量变送器在稳定工况下在稳定工况下,主主副流量满足工艺要求的比值副流量满足工艺要求的比值当主流量变化时当主流量变化时,

20、经流量变送器送到比值器经流量变送器送到比值器,比值器按比值器按预先设置好的比值经计算使输出成比例地变化预先设置好的比值经计算使输出成比例地变化,即成比例即成比例地改变副流量控制器的给定值地改变副流量控制器的给定值,此时副流量闭环系统为一此时副流量闭环系统为一随动控制系统随动控制系统,使使跟随跟随变化变化,在新的在新的工况下工况下,流量比流量比值保持不变值保持不变.当副流量由于干扰而变化时当副流量由于干扰而变化时,副流量闭环系副流量闭环系统相当于一个定值控制系统统相当于一个定值控制系统,自行调节自行调节,使工艺要求的流使工艺要求的流量比仍保持不变量比仍保持不变.单闭环比值控制系统的优点是不但能实

21、现副流量跟随单闭环比值控制系统的优点是不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化主流量的变化而变化,而且能克服副流量本身干扰对比值而且能克服副流量本身干扰对比值的影响的影响,因此主副流量的比值较为精确因此主副流量的比值较为精确,结构新形式较为结构新形式较为简单简单,实施方便实施方便,应用较为广泛应用较为广泛,尤其适用于主物料在工尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合艺上不允许进行控制的场合.其缺点是其缺点是,由于主流量不受控制由于主流量不受控制,当主流量因干扰或当主流量因干扰或负荷的变化而出现大幅度变化时负荷的变化而出现大幅度变化时,副流量在控制过程中副流量在控制过程中,相对于控制器的设定值

22、会出现较大的偏差相对于控制器的设定值会出现较大的偏差,主主 副流量的副流量的比值会较大地偏离工艺要求的流量比比值会较大地偏离工艺要求的流量比,即不能保证动态即不能保证动态比值比值.(三三)双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统 在单闭环比值控制系统的基础上在单闭环比值控制系统的基础上,增设对主流量的增设对主流量的控制回路即构成双闭环比值控制系统控制回路即构成双闭环比值控制系统,下图所示为溶剂下图所示为溶剂厂生产中采用的二氧化碳与氧气流量的双闭环比值控制厂生产中采用的二氧化碳与氧气流量的双闭环比值控制系统系统.混混合合反反应应器器二二氧氧化化碳碳氧氧气气下右图是双闭环比值控制系统的方框图下右图是双

23、闭环比值控制系统的方框图.主对象主对象主控器主控器控制阀控制阀主流量变送器主流量变送器控制阀控制阀副对象副对象副控器副控器副流量变送器副流量变送器比值器比值器双闭环比值控制系统的主控回路是一定值系统双闭环比值控制系统的主控回路是一定值系统,使主流使主流量的变化较为平稳量的变化较为平稳,从而副流量的变化也较平稳从而副流量的变化也较平稳,提高提高了流量比值的精确度了流量比值的精确度,另一优点是另一优点是,提降负荷比较方便提降负荷比较方便只要缓慢地改变主控器的给定值只要缓慢地改变主控器的给定值,就可提降主流量就可提降主流量,而而副流量也可自动跟踪提降副流量也可自动跟踪提降.双闭环比值控制系统的缺点除

24、结构稍复杂双闭环比值控制系统的缺点除结构稍复杂,投资稍投资稍多外多外,由于两个闭环通过比值器互相联系由于两个闭环通过比值器互相联系,当主当主副控副控制器参数整定不当时制器参数整定不当时,会引起会引起“共振共振”,为防为防“共振共振”,应应通过对主控制器的参数整定通过对主控制器的参数整定,尽量使主回路的输出为非尽量使主回路的输出为非周期变化周期变化.主主副控制器一般选副控制器一般选PI控制控制.(四四)变比值控制系统变比值控制系统 上述各种比值控制都是定比值方案上述各种比值控制都是定比值方案.但生产上维持但生产上维持流量比恒定往往不是控制的最终目的流量比恒定往往不是控制的最终目的,仅仅是保证产品

25、仅仅是保证产品质量的一种手段质量的一种手段.当系统中存在除流量干扰外的其它干当系统中存在除流量干扰外的其它干扰扰,如温度如温度压力压力成分及反应器中触媒活性变化等干成分及反应器中触媒活性变化等干扰时扰时,为保证产品质量为保证产品质量,必须修正两物料的比值必须修正两物料的比值.但上但上述干扰一般是随机的述干扰一般是随机的,干扰幅值又各不相同干扰幅值又各不相同,因此无法因此无法用人工经常去修正比值系数用人工经常去修正比值系数.变比值控制系统可自动修变比值控制系统可自动修正比值系数正比值系数.下面举例说明下面举例说明.空气空气氧氧化化炉炉预预热热氨气氨气混混合合氧化炉是硝酸生产中的关氧化炉是硝酸生产

26、中的关键设备键设备,原料氨气原料氨气和空气在混合器内和空气在混合器内混合后经预热器进混合后经预热器进入氧化炉入氧化炉,氨氧化氨氧化生成一氧化碳气体生成一氧化碳气体,同时放出大量热量同时放出大量热量稳定氧化炉操作的稳定氧化炉操作的关键条件是反应温度关键条件是反应温度.因此氧化炉温度是表征氧化生产因此氧化炉温度是表征氧化生产质量指标的间接参数质量指标的间接参数,选其为主被控量选其为主被控量.若能保证进入混合器的氨气和空气的一定比值若能保证进入混合器的氨气和空气的一定比值,可基本可基本上控制反应放出的热量上控制反应放出的热量,也控制了氧化炉的温度也控制了氧化炉的温度.空气空气氧氧化化炉炉预预热热氨气

27、氨气混混合合但影但影响氧化炉温度变化响氧化炉温度变化的干扰很多的干扰很多,如进如进入氧化炉的氨气入氧化炉的氨气 空气的初始温度空气的初始温度,意味着物料带入的意味着物料带入的能量的变化能量的变化,直接直接影响炉温影响炉温;负荷的负荷的变化关系到单位时间内参加化学反应的物料量变化关系到单位时间内参加化学反应的物料量,由改变由改变释放反应热的多少而影响炉温释放反应热的多少而影响炉温;氧化炉内触媒的活性变氧化炉内触媒的活性变化化,大气温度大气温度 压力变化也对炉内温度有不同程度的影压力变化也对炉内温度有不同程度的影响响;进混合器的氨气进混合器的氨气 空气的温度空气的温度 压力的变化压力的变化,会影会

28、影响流量测量的精度响流量测量的精度,若不进行补偿若不进行补偿,则要影响它们的真则要影响它们的真实比值实比值,经计算得知经计算得知,当氨气在混合器内含量增加当氨气在混合器内含量增加1%时时,炉温将上升炉温将上升由图可见由图可见,当出现直接引起氨当出现直接引起氨/空气流量比值变化的干扰空气流量比值变化的干扰空气空气氧氧化化炉炉预预热热氨气氨气混混合合时时,通过比值控制通过比值控制系统得到及时克服系统得到及时克服而保持炉温不变而保持炉温不变,对于其它干扰引起对于其它干扰引起炉温变化时炉温变化时,则通则通过温度控制系统对过温度控制系统对氨氨/空气比值进行修空气比值进行修正正,使氧化炉温度恒定使氧化炉温

29、度恒定.可见可见,此方案是一单闭环变比值此方案是一单闭环变比值控制系统控制系统,不过此处的单闭环是以某种质量指标为主参数不过此处的单闭环是以某种质量指标为主参数两物料比值为副参数的串级控制系统两物料比值为副参数的串级控制系统,故称其为串级变比故称其为串级变比值控制系统值控制系统.由于串级控制系统具有一定的自适应能力由于串级控制系统具有一定的自适应能力,这种变比值控制系统中存在温度这种变比值控制系统中存在温度 压力压力 成分成分 触媒活性触媒活性等随机干扰时等随机干扰时,能自动调整比值能自动调整比值 保证质量指标在规定范保证质量指标在规定范围内的自适应能力围内的自适应能力,所以此种系统也曾叫自整

30、配比控制系所以此种系统也曾叫自整配比控制系统统.其一般方框图如下其一般方框图如下.三三比值控制系统的实施比值控制系统的实施 (一一)比值系数的折算比值系数的折算 比值控制解决物料量之间的比例关系比值控制解决物料量之间的比例关系,工艺上规定工艺上规定处对象处对象控制阀控制阀流量对象流量对象主控器主控器流量变送器流量变送器比值器比值器流量变送器流量变送器除法器除法器主参数测量变送器主参数测量变送器的比值的比值是指两物料的体积流量或重量流量之比是指两物料的体积流量或重量流量之比,而目而目前仪表使用统一标准信号前仪表使用统一标准信号,如电动仪表是如电动仪表是0-10mA或或4-20mA直流电流直流电流

31、,气动仪表是气动仪表是0.02-0.1MPa气压信号气压信号.因此必因此必须把工艺规定的比值须把工艺规定的比值换算成仪表信号之间的比值系数换算成仪表信号之间的比值系数才能进行比值设定才能进行比值设定.(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 当使用转子流量计当使用转子流量计涡轮流量计涡轮流量计椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计或带开方器的差压变送器测量流量时或带开方器的差压变送器测量流量时,流量信号与测量流量信号与测量信号成线性关系信号成线性关系.设测量仪表输入流量下限为设测量仪表输入流量下限为,输入流量上限为输入流量上限为,则测量仪表输入流量的量程为则测量仪表输入流量

32、的量程为,量程中的量程中的任一中间值用任一中间值用表示表示.电动仪表输出信号的下限为电动仪表输出信号的下限为输出信号的上限为输出信号的上限为,则电动仪表输出信号的量程为则电动仪表输出信号的量程为,输出量程中的任一中间值用输出量程中的任一中间值用 表示表示.气动仪表输气动仪表输出信号的下限为出信号的下限为,输出信号的上限为输出信号的上限为,则气动仪表则气动仪表输出信号的量程为输出信号的量程为,输出量程中的任一中间值用输出量程中的任一中间值用表示表示.对于电动仪表对于电动仪表比值系数的折算公式推导如下比值系数的折算公式推导如下:因被测流因被测流量在输入量程中的任一中间值所对应的输出电流值为量在输入

33、量程中的任一中间值所对应的输出电流值为:,设测副流量电动设测副流量电动仪表的输出电流为仪表的输出电流为,测主流量电动仪表的输出电流为测主流量电动仪表的输出电流为仪表信号之间的比值系数仪表信号之间的比值系数则由上式可得则由上式可得:如测主如测主 副流量的电动仪表输出量程相同副流量的电动仪表输出量程相同(0-10mA或或4-20mA),则上式为则上式为:对于气动仪表对于气动仪表,也同理可得上面也同理可得上面折算公式折算公式.可见可见,对于对于输出信号范围相同的仪表输出信号范围相同的仪表,比值系数的折算公式是一致比值系数的折算公式是一致的的.(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

34、线性关系时的折算 在使用节流装置测量流量而未经开方处理时在使用节流装置测量流量而未经开方处理时,流量流量与差压的非线性关系为与差压的非线性关系为:,左式中左式中c为比例系数为比例系数设测量仪表可测差压的下限为设测量仪表可测差压的下限为,对应的流量下限为对应的流量下限为,测量仪表可测差压的上限为测量仪表可测差压的上限为,对应的流量对应的流量上限为上限为,在差压上在差压上 下限中间的任一中间值用下限中间的任一中间值用表示表示,则对应的中间流量值为则对应的中间流量值为,对于电动仪表有对于电动仪表有:当当时有时有对于气动仪表也可得到与上式一样的结论对于气动仪表也可得到与上式一样的结论.从上面的推导结果

35、可见从上面的推导结果可见,比值系数的折算与仪表的型号无比值系数的折算与仪表的型号无关关,但与流量是否和测量信号成线性关系有关但与流量是否和测量信号成线性关系有关.请注意以下几点请注意以下几点:(a)工艺上的流量比值工艺上的流量比值与仪表信号间比值系数与仪表信号间比值系数是两个是两个不同的概念不同的概念,不能混淆不能混淆;(b)比值系数比值系数的大小与流量比的大小与流量比的值有关的值有关,也与测量变也与测量变送器的输入送器的输入 输出量程有关输出量程有关,但与负荷的大小无关但与负荷的大小无关;(c)流量与测量信号之间有无非线性关系对折算式有直接流量与测量信号之间有无非线性关系对折算式有直接影响影

36、响,线性关系时线性关系时,平方根的非线性平方根的非线性关系时关系时.但仪表的输入信号范围但仪表的输入信号范围不一致及起始点是否为零不一致及起始点是否为零,均对折算式无影响均对折算式无影响.(二二)比值控制的实施方案比值控制的实施方案 (1)相乘方案相乘方案由由,可对可对的测量值乘上某一系数的测量值乘上某一系数,作为作为流量控制器的给定值流量控制器的给定值,称为相乘方案称为相乘方案,如下图如下图.例例:有一用乘法器有一用乘法器实施的单闭环比值控制实施的单闭环比值控制 系统的信号关系如下图系统的信号关系如下图.乘法器乘法器流量变送器流量变送器对象对象控制器控制器控制阀控制阀流量变送器流量变送器图中

37、乘法器选用图中乘法器选用DDZ-的电动的电动乘法器乘法器,其输入其输入 输出输出信号范围为信号范围为4-20mADC,则有则有:根据比值控制要求根据比值控制要求,乘法器的乘法器的和和应有如下关系式应有如下关系式:,与前式相比与前式相比,可得可得:因此因此,只要外设定电流只要外设定电流,就能实现预定就能实现预定的比值控制要求的比值控制要求.用乘法器用乘法器实现比值控制时实现比值控制时,比值设置调整的步骤为比值设置调整的步骤为:先由工艺规定两物料的流量比值先由工艺规定两物料的流量比值,视测量变送器的仪视测量变送器的仪表特性表特性,正确计算出比值系数正确计算出比值系数,然后根据所使用的然后根据所使用

38、的乘乘法器运算式法器运算式,由由值计算出值计算出乘法器的外设定信号乘法器的外设定信号需注意的是需注意的是,由于外设信号受仪表统一信号范围的限制由于外设信号受仪表统一信号范围的限制的变化范围仅在的变化范围仅在01之间之间,而不能大于而不能大于1.(2)相除方案相除方案 由两流量比值由两流量比值,也可将也可将和和的测量值的测量值相除相除,作为比值控制器的测量值作为比值控制器的测量值,此称为相除方案此称为相除方案.下左图即为相除方案下左图即为相除方案.其方框图及信号关系见下右图其方框图及信号关系见下右图.比值比值给定给定控制阀控制阀流量对象流量对象比值器比值器除法器除法器流量变送器流量变送器流量变送

39、器流量变送器图中除法器选用图中除法器选用DDZ-的电动的电动除法器除法器,其输入其输入 输出信号范围为输出信号范围为4-20mADC,则有则有:当系统处于稳定时当系统处于稳定时,比值控制器的比值控制器的,满足规定的满足规定的比值比值,此时比值控制器的给定值为此时比值控制器的给定值为:由式由式可见可见,用除法器计算比值系数时用除法器计算比值系数时,不能使用在不能使用在1附近附近,因比值系数等于因比值系数等于1,则比值设定和则比值设定和除法器输出均达最大值除法器输出均达最大值.如出现干扰使如出现干扰使或或因除法器输出已饱和因除法器输出已饱和,虽增加虽增加,输出却不变化输出却不变化,相相当于系统的反

40、馈信号不变当于系统的反馈信号不变,故比值只好任其增加故比值只好任其增加.基于上基于上述考虑述考虑,对于主对于主 副流量有可能出现相等或相接近的场副流量有可能出现相等或相接近的场合合,除法器输出趋于饱和时除法器输出趋于饱和时,可在副流量回路中串入一可在副流量回路中串入一个比例系数为个比例系数为0.5的比值器的比值器,比值应在量程的中间值附近比值应在量程的中间值附近使控制留有余地使控制留有余地.(三三)比值控制系统中非线性环节对动态品质的影响比值控制系统中非线性环节对动态品质的影响 (1)测量环节的非线性影响测量环节的非线性影响 当比值控制系统中流量测量采用节流装置且不接开当比值控制系统中流量测量

41、采用节流装置且不接开方器时方器时,流量与压力之间的非线性关系会对比值控制系流量与压力之间的非线性关系会对比值控制系统有一些影响统有一些影响.4-3 前馈控制系统前馈控制系统 一一基本概念基本概念 以前讨论的控制系统都是按偏差大小进行控制的反以前讨论的控制系统都是按偏差大小进行控制的反馈控制系统馈控制系统,其共同特点是对象受到干扰作用后其共同特点是对象受到干扰作用后,必须必须在被控量出现偏差后在被控量出现偏差后,控制器才产生控制作用以补偿控制器才产生控制作用以补偿干扰对被控量的影响干扰对被控量的影响,即要想无偏差得首先有偏差即要想无偏差得首先有偏差.但但被控对象总存在一定的纯滞后和容量滞后被控对

42、象总存在一定的纯滞后和容量滞后,因此因此,从干从干扰产生到被控量发生变化需一定的时间扰产生到被控量发生变化需一定的时间,从偏差产生到从偏差产生到控制器产生控制作用控制器产生控制作用,以及操纵量改变到被控量发生变以及操纵量改变到被控量发生变化又要一定的时间化又要一定的时间.所以反馈控制方案本身决定了无法所以反馈控制方案本身决定了无法将干扰克服在被控量偏离设定值之前将干扰克服在被控量偏离设定值之前,限制了控制质量限制了控制质量的进一步提高的进一步提高.随生产过程的不断发展随生产过程的不断发展,对生产过程的自动控制提对生产过程的自动控制提出了更高的要求出了更高的要求,以致在有些场合以致在有些场合,采

43、用常规的采用常规的PID控制系统难以满足工艺上的要求控制系统难以满足工艺上的要求,前馈控制就是在这种前馈控制就是在这种情况下发展起来的一种特殊控制手段情况下发展起来的一种特殊控制手段.从自动控制发展史来看从自动控制发展史来看,在反馈控制问世之前在反馈控制问世之前,就就有试图按干扰量的变化来补偿其对被控量的影响有试图按干扰量的变化来补偿其对被控量的影响,从而从而达到被控量完全不受干扰影响的控制方式达到被控量完全不受干扰影响的控制方式.西汉时期发西汉时期发明的指南车及古代风磨的转速调节明的指南车及古代风磨的转速调节,就是早期的应用例就是早期的应用例子子.这种按干扰进行控制的开环控制方式这种按干扰进

44、行控制的开环控制方式,称为前馈控称为前馈控制制,简称简称FFC.下图是换热器前馈控制的例子下图是换热器前馈控制的例子.换热器的进料量换热器的进料量加热蒸汽量加热蒸汽量冷凝水冷凝水进料量进料量,其其温度为温度为,经加热蒸汽经加热蒸汽加热后加热后,使出料温度使出料温度达要求的达要求的,当有进料量波动干扰当有进料量波动干扰时时,将使出料温度偏离给将使出料温度偏离给定值定值,一种消除干扰影响一种消除干扰影响的手段是的手段是,测量出进料量测量出进料量器器FC的输入的输入,前馈控制器前馈控制器FC的输出去改的输出去改变阀门的开度变阀门的开度,使出料量回复到给定值使出料量回复到给定值.的变化量的变化量,作为

45、前馈控制作为前馈控制前馈控制与反前馈控制与反馈控制的主要差别在于馈控制的主要差别在于:(1)产生控制的依据不同产生控制的依据不同.前者按干扰的大小和方向产生前者按干扰的大小和方向产生相应的控制作用相应的控制作用,后者按偏差的大小和方向产生相应的后者按偏差的大小和方向产生相应的控制作用控制作用;(2)控制的效果不同控制的效果不同.前者一出现干扰就进行控制前者一出现干扰就进行控制,其作其作用及时用及时,理论上可实现对干扰的完全补偿理论上可实现对干扰的完全补偿.后者以被控后者以被控量的偏差为代价来补偿干扰的影响量的偏差为代价来补偿干扰的影响,即要无偏差即要无偏差,首先首先得有偏差得有偏差;(3)前者

46、控制是开环控制前者控制是开环控制,无需考虑稳定性问题无需考虑稳定性问题,后者是后者是闭环控制闭环控制,必须考虑稳定性问题必须考虑稳定性问题,而稳定性与控制精度而稳定性与控制精度是有矛盾的是有矛盾的;(4)反馈控制只用一个回路可克服多个干扰反馈控制只用一个回路可克服多个干扰,而前馈控制而前馈控制必须对每个干扰单独构成一条控制通道必须对每个干扰单独构成一条控制通道,当干扰众多时当干扰众多时,后者不经济也不可能后者不经济也不可能.应用不变性原理应用不变性原理,可导出能对干扰实现完全补偿的可导出能对干扰实现完全补偿的前馈控制器的传递函数前馈控制器的传递函数,但在工程上尚受到种种限制但在工程上尚受到种种

47、限制,而无法得到完全补偿而无法得到完全补偿,其其原因为原因为:(1)当对象较复杂时当对象较复杂时,其干扰通道和控制通道的特性也复其干扰通道和控制通道的特性也复杂杂,无法用解析方法获取无法用解析方法获取 只能用实验方只能用实验方法获取法获取,必有误差必有误差,以致不能完全补偿以致不能完全补偿;(2)即使即使能精确获得能精确获得,在实现时也存在差异在实现时也存在差异;(3)如果如果干扰通道的时间常数干扰通道的时间常数要小的多要小的多,则干扰对被则干扰对被控量的影响十分迅速控量的影响十分迅速,(4)一般来讲一般来讲,干扰通道和控制通道总有纯滞后性干扰通道和控制通道总有纯滞后性,(5)系统中干扰一般较

48、多系统中干扰一般较多,不可能对所有干扰进行前馈控制不可能对所有干扰进行前馈控制既使可能也不经济既使可能也不经济.尤其当干扰不可测时更无法采用前馈尤其当干扰不可测时更无法采用前馈控制控制.二二 前馈控制系统的结构形式前馈控制系统的结构形式 (一一)静态前馈控制系统静态前馈控制系统 在有些实际生产过程中在有些实际生产过程中,只需在稳定工况下实现对干只需在稳定工况下实现对干扰量的补偿扰量的补偿,或者被控过程的干扰通道与控制通道的动态或者被控过程的干扰通道与控制通道的动态静态前馈控制静态前馈控制.为在工程上便于实现为在工程上便于实现,又将上式近似表为又将上式近似表为线性关系线性关系.前馈控制器就仅考虑

49、其静态放大系数作为校正前馈控制器就仅考虑其静态放大系数作为校正仅仅是其输入量的仅仅是其输入量的特性相接近特性相接近,此时前馈控制器的输出此时前馈控制器的输出函数函数,与时间因子与时间因子t无关无关,则前馈控制就成为则前馈控制就成为的依据的依据 (二二)动态前馈控制系统动态前馈控制系统 静态前馈控制静态前馈控制,只能保证在主干扰的影响下只能保证在主干扰的影响下,被控被控量的静态偏差接近或等于零量的静态偏差接近或等于零.如工艺要求在任何时刻均实如工艺要求在任何时刻均实现对干扰的补偿现对干扰的补偿,就得采用动态前馈控制器以达到动态就得采用动态前馈控制器以达到动态补偿的目的补偿的目的,此时前馈控制器的

50、输出既是干扰幅值的函此时前馈控制器的输出既是干扰幅值的函数又是时间数又是时间t的函数的函数,则通过合适的前馈则通过合适的前馈控制规律的选择控制规律的选择,使干扰经过前馈控制器至被控变量这使干扰经过前馈控制器至被控变量这一通道的动态特性与对象干扰通道的动态特性完全一致一通道的动态特性与对象干扰通道的动态特性完全一致并使它们的符号相反并使它们的符号相反,便可达到控制作用完全补偿干扰便可达到控制作用完全补偿干扰对被控变量的影响对被控变量的影响.此时前馈控制器的传递函数就是以此时前馈控制器的传递函数就是以前按不变性原理导出的式子前按不变性原理导出的式子,有时可按需要有时可按需要,将动态前馈控制和静态前