1、 为此人们开发了一些具有特殊功能的系统。为此人们开发了一些具有特殊功能的系统。串级、前馈控制系统的控制效果串级、前馈控制系统的控制效果:提高了系统响应曲线性能指标提高了系统响应曲线性能指标这两种控制方案可以认为是为提高系统性能指标而开发的控制系统。这两种控制方案可以认为是为提高系统性能指标而开发的控制系统。大型生产过程的特点大型生产过程的特点:过程复杂化过程复杂化 各种生产过程的工艺设备型式、操作方式差异很大各种生产过程的工艺设备型式、操作方式差异很大,又要考又要考虑安全虑安全 要求过程控制人员充分考虑各种工艺过程的特点，设计满足特定要求要求过程控制人员充分考虑各种工艺过程的特点，设计满足特定
2、要求的控制系统，以满足工艺生产的需要。的控制系统，以满足工艺生产的需要。第1页，共23页。2.3 比值控制系统比值控制系统 例1：稀硝酸生产 氨与空气按一定比例混合氧化 氧化炉氨、空气比超出一定极限会引起爆炸，非常危险。控制系统的要求：必须维持氨、空气比恒定 采用反馈控制待氨与空气变化再调节，为时己晚，事故己发生。例2：炼油厂催化裂化装置的再生器 作用：使催化剂再生，烧去催化剂表面的焦碳 进入再生器内催化剂与空气应有一定的比例 空气过低：燃烧不充分，不能保证催化剂的活性，影响下一工艺 空气过剩：降低再生器温度、加大影响主风机的负荷，增加能耗 设计一种特定的控制系统，根据氨的变化调节空气量 根据
3、再生催化剂量去调节主风量 例3：工业废水处理装置 含NaOH废水直接排入河道将污染环境 含量大时采取回收；含量小时采用加酸中和，保证废水的PH=7 根据碱的含量及浓度调整酸流量 怎么样完成上述功能来满足工艺要求呢？根据某一流量的变化调节另一流量比值控制：第2页，共23页。2.3.1 比值控制的基本原理比值控制的基本原理 控制变量：控制两个变量的比值，通常是指两个流量的比值 通过一个量的变化去改变另一量(操纵量)废水处理：FT101酸FC1012Q1Q含碱废水排出水中和池控制器控制器2Q控制阀控制阀对象对象测量变送测量变送1Q2.3.2 比值控制的结构比值控制的结构 由构成比值系统的形式分为不同
4、的结构 1、定比值控制系统 保持两个流量的比值恒定第3页，共23页。(1)开环比值控制 如图所示的中和池FT101酸FC1012Q1Q含碱废水排出水中和池 若阀是线性的，则Q2随Q1按比例变化 Q1变化后改变Q2,Q1占主导地位是主流量，Q2随Q1变化称为副流量。图中Q2随Q1变化，没有对Q2反馈校正，系统本身是开环的称为开环比值控制器控制器2Q控制阀控制阀对象对象测量变送测量变送1Q第4页，共23页。此控制方案适合于副流量平稳且流量比值要求不高的场合 系统本身无抗干扰能力。若副流量（即酸）的压力变化，无法保证两流量的比值。为提高系统的抗干扰能力，给出另一种比值控制方案 (2)单闭环比值控制系
5、统 在开环比值系统中，对副流量设计控制回路FT101酸FC1022Q1Q含碱废水排出水中和池FT102R比值计算器：按预先设置好的比值系数使控制器的输出成比例变化单闭环比值系统结构图-控制器+2Q控制阀对象测量变送1Q测量变送比值计算器副流量控制回路为随动系统特点：Q1变化，经流量变送到比值计算器R，R的输出作为副流量控制器的设定值，Q2经调节自动跟踪Q1的变化，保持在新工况下Q2/Q1不变。第5页，共23页。当Q1不变，Q2可克服自身干扰(如阀前压力扰动)此方案的特点：在Q2受干扰时仍能保持Q2/Q1稳定，但因Q1也有波动，不能使总物料恒定。(3)双闭环比值控制 特点：对主/副流量均设有控制
6、回路，使系统在保证进料比值恒定的条件下，维持总负荷平稳。例：合成氨生产 原料：石脑油(轻柴油)二者按一定的比例在转化炉中反应 水蒸汽,空气 工艺要求：石脑油与水蒸气的比例一定石脑油和水蒸气各自的流量稳定 设计如图所示的系统，采用了两个闭合回路，保持各自流量平稳，克服了单闭环的缺点第6页，共23页。FT101蒸汽FC1022Q1Q石脑油去一段转化炉FT102RFC101-控制器+控制阀对象测量变送1Q比值计算器双闭环比值系统结构图-控制器+2Q控制阀对象测量变送 以上三种方案的特点：保持两种物料的比值恒定比值计算器的参数经计算设置后不再变动属定比值系统 2、变比值控制系统 比值控制的目的：确保工
7、艺平稳操作、保证产品质量定比值只满足了比值一定的关系，并没有考虑成比例的两种物料混合或反应后最终质量是否符合工艺要求。从最终质量看，系统是开环的。第7页，共23页。如工业废水处理：若废水中若废水中NaOH的浓度变化，采用原来的比值关系，当工艺状况（如的浓度变化，采用原来的比值关系，当工艺状况（如温度、压力等）发生变化时，系统本身无法视工艺情况自行调整，原来温度、压力等）发生变化时，系统本身无法视工艺情况自行调整，原来设定的比值器参数就不能保证最终处理结果呈中性，从定比值的最终结设定的比值器参数就不能保证最终处理结果呈中性，从定比值的最终结果看，系统仍是开环的。为保证最终产品质量，需随时对比值器
8、参数进果看，系统仍是开环的。为保证最终产品质量，需随时对比值器参数进行重新设置。但这些干扰通常是随机的，且幅度又各不相同，无法用人行重新设置。但这些干扰通常是随机的，且幅度又各不相同，无法用人工经常修正比值器参数。工经常修正比值器参数。解决方法：按某一工艺指标自动修正流量比值解决方法：按某一工艺指标自动修正流量比值变比值控制系统变比值控制系统。FT101RC1012Q1QFT102AC101AT101第8页，共23页。变比值控制系统结构图变比值控制系统结构图 稳定状态：表征最终质量指标的主参数稳定状态：表征最终质量指标的主参数y恒定，主控输出恒定，主控输出(比值控制器比值控制器的给定的给定)稳
9、定；稳定；Q2/Q1=r=Constant。比值计算器输出比值计算器输出(表征表征r)，作为比值控作为比值控制器的测量值与给定值相等。比值控制器输出稳定，控制阀开度一定，制器的测量值与给定值相等。比值控制器输出稳定，控制阀开度一定，产品质量合格。产品质量合格。主流量干扰发生：由比值控制回路快速控制，使主流量干扰发生：由比值控制回路快速控制，使Q2按按Q2=rQ1变化，以变化，以保持主参数保持主参数y稳定。稳定。除流量干扰外的干扰发生：主参数除流量干扰外的干扰发生：主参数y变化，主控输出变化，修改变化，主控输出变化，修改r，以以保持主参数的稳定。保持主参数的稳定。实质是实质是以比值控制系统为副回
10、路的静态前馈以比值控制系统为副回路的静态前馈串级控制系统串级控制系统。1Q测量变送-比值控制器+控制阀流量对象测量变送2Q比值计算器-+主对象主控制器测量变送干扰y第9页，共23页。例例1 硝酸生产中氧化炉硝酸生产中氧化炉：氨氧化生成一氧化氮：氨氧化生成一氧化氮放热反应，温放热反应，温度度T是反应过程的主要指标，影响温度的主要因素是氨气一空气的比值是反应过程的主要指标，影响温度的主要因素是氨气一空气的比值r，r稳定稳定T稳定。可构成稳定。可构成温度温度T对氨气对氨气/空气空气(r)串级控制系统串级控制系统变比值控变比值控制系统。当制系统。当T受到其它干扰受到其它干扰(如触媒老化如触媒老化)而发
11、生变化时，可通过主控改变而发生变化时，可通过主控改变r来补偿，以满足工艺要求。来补偿，以满足工艺要求。第10页，共23页。-比值控制器比值控制器+控制阀控制阀氨气氨气测量变送测量变送2Q比值计算器比值计算器-+1Q氧化炉氧化炉测量变送测量变送温度控制器温度控制器测量变送测量变送干扰干扰T T第11页，共23页。(2)对双闭环系统 1、主动量和从动量的选择 (1)Q1不可控，Q2可控的情况下，Q1主流量，Q2从动量 如果Q1可能供应不足，Q2供应充足时，Q1主、Q2从，即使Q1失控CQQ12 从安全的角度考虑，当Q1、Q2都失控时,Q1做主动量和Q2做主动量的结果可能不一样，哪种情况下安全(必须
12、保持比值一定)，则选哪一作主流量。如转化炉2243)(HCOOHCH汽 采用双闭环，用蒸汽作主流量 因碳水比高于某一数值在炉管内催化剂积碳，堵塞炉管，造成事故2.3.3 比值控制的实施第12页，共23页。2、应用比值器的方案如右图：若采用DDZ仪表则有4)4(10Kuu4)4(102Kuuu4412uuKu u2：副流量控制器的测量值u u0：比值器的输出，副流量控制器的设定值u u1：主流量的测量值 K K：比值系数K输出信号-零点（输入信号零点）第13页，共23页。比值系数K K与流量比r r的关系:(1)流量与测量信号是线性关系416maxminminmaxmaxQQuuuQQumax2
13、max1max2max112max11max2244164416QQrQQQQQQQQK第14页，共23页。(2)流量与测量信号是非线性关系（如差压法）4164162maxmaxQQPPu2max2max122max2max12122112221616QQrQQQQQQQQKmm 3、应用乘法器的方案FT101FC1022Q1QFT102 su1u2u 按工艺要求的流量比r r，来设置u us 416)4)(4(10suuu02uu 416)4)(4(12suuuu0第15页，共23页。4164412uuus 当流量为线性变送时：1max1max212max2max164164sQQQurQ
14、QQ 非线性时：4164162max2max122max2max1212QQrQQQQus 按工艺要求的流量比r r，来设置u us 2、整定 若采用乘法器，计算乘法器的输入值,(1)根据工艺要求的 ，计算比值系数12QQr 根据计算值进行现场投运。投运后视实际情况进行适当调整，直到满足工艺要求。(2)控制器采用PI形式，整定时先将积分时间置于最大，由大到小调整比例度，直到系统处于振荡的临界过程为止。2.3.4 比值控制的投运及参数整定1.投运比值控制系统投运前的准备工作及投运步骤与单回路控制系统相同第16页，共23页。(3)适当加大比例度，放大20%然后慢慢减小积分时间，直到出现振荡与不振荡
15、的临界过程为止。(4)在变比值控制系统中，因系统在结构上是串级控制系统，主控制器按串级控制系统整定。2.3.5 比值控制系统中的几个问题比值控制系统中的几个问题 1、流量检测是否采用开方器 由比值系数K K的计算可知，K与负荷无关，不管流量变送环节是线性还是非线性，比值控制系统均能保持静态比值恒定。但测量变送环节的非线性对系统的动态特性有影响。差压法测流量时：4162maxQQu 静态放大倍数：02max2160QQdQduKQQQ0：工作点0QK 负荷变化时,QO变化，K变化，影响系统的动态品质，QO小时系统稳定，QO增加，稳定性下降。第17页，共23页。416maxQQumax160Qdt
16、duKQQ若采用开方器：无论QO怎样变化，K不变，系统的动态特性不受负荷的影响。是否引用开方器，根据工艺要求的精度、负荷的变化情况而定 2、比值控制中的动态跟踪问题 有些实际过程不仅要求稳态比值一定，而且要求动态比值一定。动态跟踪：研究两流量的动态特性，使它们受外界干扰时，接近同步变化。FT101FC1022Q1QFT102RFC101Gz(s)动态补偿环节第18页，共23页。补偿关系式实际应用时，可以近似代替，由于副流量滞后于主流量，所以此补偿环节应具有超前特性。)()(1)()()(2221sQsQsKQsQsQrmppzmmax1max2)()()()(1)(1222QQsQsQsQsQ
17、sQmpmpz-+)(1sQ-+)(2sQQP1(s)Qm1(s)Qz(s)KQP2(s)Qm2(s)()(1)()()()()(222112sQsQsKQsQsQsQsQmppzmmax2max1QQrK 比值器的比值系数)()(12srQsQ因要求副流量随主流量变化，故第19页，共23页。主、副流量的逻辑提降问题 在比值控制系统中，有时两个流量的提降先后需满足某种逻在比值控制系统中，有时两个流量的提降先后需满足某种逻辑关系。如锅炉燃烧控制系统中，燃料量和空气量的比值控制系统，辑关系。如锅炉燃烧控制系统中，燃料量和空气量的比值控制系统，为使燃料完全燃烧，在提负荷时先提空气量，后提燃料量；在降
18、负为使燃料完全燃烧，在提负荷时先提空气量，后提燃料量；在降负荷时先降燃料量，后降空气量。荷时先降燃料量，后降空气量。反作用第20页，共23页。PC LSFCFC HSK燃料燃料空气空气给水给水蒸蒸汽汽第21页，共23页。谢谢 谢！谢！第22页，共23页。对初步设置参数的控制器进行参数整定，达到要求为止。系统投运系统投运工作内容:详细了解工艺，对投运中可能遇到的问题应有相应的解决措施；投运前全面细致地检查自控设备的安装、性能，确保安全可靠；对控制系统的设计思想、达到的指标详细掌握；设置控制器的正反作用；设置或初步设置控制器的参数(P、I、D)；按无扰动切换原则将控制器由手动切入自动；由多个回路组成的系统应逐一进行，由次到主，由简单到复杂。第23页，共23页。
