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1、第三章 比值控制系统,3.1 概述3.2 比值控制系统的类型3.3 比值系数的计算3.4 比值控制方案的实施3.5 比值控制系统的投运和整定3.6 比值控制系统的其它问题,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:,K=F2为副流量，F1为主流量,F2,F1,3.2 比值控制系统的类型,3
2、.2.1 开环比值控制系统3.2.2 单闭环比值控制系统3.2.3 双闭环比值控制系统3.2.4 其它类型的比值控制系统,3.2.1 开环比值控制系统,原理图,方框图,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。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
3、，又可克服副流量本身干扰对比值的影响。,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的变化并不影响到F1。,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。,举例：图3-3 丁烯洗涤塔进料与洗涤水比值控制,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，克服了主流量干扰的影响。,2、实现精确的流量比值关系（动态比值），确保两物
4、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,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
5、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统,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
6、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3.3.2 流量与测量信号成非线性关系时的计算,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)I=16+4(32)K=(33)I1副流量测量信号值 I2主流量测量信号值将（32）代入（32），得：,F,Fmax,I2-4,I1-4,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
7、 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：,节流装置的比值系数。,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：420mADC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
8、K 间的关系为：K非=（K线）2。,3.4 比值控制方案的实施,3.4.1 两类实施方案3.4.2比值控制方案实施举例2.4.3比值控制方案中非线性环节的影响3.4.4比值控制方案中的信号匹配问题,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
9、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:,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
10、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：,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
11、比值器的给定值改成第三参数，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,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：,式中：K静态放大系数 F0F的静态工作点,整个测量变送环节的静态放大系数是：,KF0，随着负荷的增加而增大,1.测量环节的非线性,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,当然也有例外，
12、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。,由于除法器在闭环回路中K=I2/I1，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。,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。,煤气,蒸气,变换炉,变换气,上面采用K=I2/I1，若采用K=I1/I2，其非线性情况也一
13、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
14、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
15、方运算，系统组成如右图示：,已知：Fmax（m3/h）流量比 水蒸气：31000 3 天然气：11000 1 空气：14000 1.4,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,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。,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，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
16、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3.6.2 主、副流量的动态比值问题3.6.3 具有逻辑规律的比值控制3.6.4 副流量供料不足时的自动配比3.6.5 主动量与从动量的选择,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：,
17、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 为实际条件下的流量、压差和密度。,（3-24）,（3-25）,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：,对于定质量气体，考虑温度、压力的影响，则有：,（3-26）,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
18、的真正流量测量值。,（3-28）,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。,3.6.3 具有逻辑规律的比值控制,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。,蒸汽,燃料,空气,“反”,气开,气开,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
19、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PT PC，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
20、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，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。,本章作业,3.83.93.12,
