比值控制系统

比值控制系统
问题的提出：在工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成一定比例关系 要求严格控制比例。

最常见的是燃烧过程，燃料与空气要保持一定的比例关系，才能满足生产和环保的要求。

造纸过程中，浓纸浆与水要以一定的比例混合，才能制造出合格的纸浆，许多化学反应的诸个进料要保持一定的比例。

例如1、氨合成生产过程3H2+1N2=2NH3，要求H2和N2完全按照3：1进料。

2、造纸过程中，对纸浆浓度有要求，进料浓纸浆和水的进料就要满足一定比例。

如果有三个进料，对三个进料之间需要满足一定比例关系。

而我们之前学习的控制系统的控制达不到这样的控制要求。

因此就要用到一个新的控制————比值控制系统基本概念：
1.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比例关系的控制系统。

2.主物料或主动量：在保持比例关系的两种物料中处于主导地位的物料，称为主物料；表征主物料的参数称为主动量（主流量），用F1表示。

3.从物料或从动量：按照主物料进行配比，在控制过程中跟随主物料变化而变化的物料称为从物料；表征从物料特性的参数称为从动量（副流量），用F2表示。

4.有些场合，用不可控物料为主物料，用改变可控物料即从物料来实现比值关系。

5. 比值控制系统就是要实现从动量与主动量成一定的比值关系:
K= F2/ F1 F2—为从动量A F1—为主动量B （从动量/主动量=K 常数）在比值控制系统中 从动量是跟随主动量变化的物料流量，因此，比值控制系统实际上是一种随动控制系统。

比值控制系统的类型：
开环比值控制系统
单闭环比值控制系统
双闭环比值控制系统
变比值比值控制系统
（串级比值控制系统）
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，同时也是一个开环控制系统。

随着F1的变化，F2跟着变化，满足F2=KF1的要求。

（阀门开度与F1之间成一定的比例关系）。

图P162 图5.1
开环比值控制缺点：
1.当F2因管线两端压力波动而发生变化时，系统不起控制作用，即F2本身无抗干扰能力。

2.适用于副流量较平稳且比值精度要求不高的场合。

特点：由于系统是开环的，对从动量F2有干扰无法克服，无法保持比值关系。

适用场合：适用于从动量较平稳且比值关系要求不高的场合，实际生产上很少用。

单闭环比值控制 图P162 图5.2
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从动量的闭环控制系统。

单闭环比值控制原理：
（1）、当F1不变而F2受到扰动，通过闭环实现定值控制，将F2调回到F1的给定值上。

（2）、当F1受到扰动时，改变了F2的给定值，使F2跟随F1而变化。

（3）、当F1 F2同时变化，在新的流量数值的基础上保持设定值的比值。

单闭环比值控制特点
1.不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且可以克服副流量本身干扰对比值的影响，主副流量的比值较为精确。

2.总物料量不固定，对于负荷变化幅度大，物料又直接去化学反应器的场合是不适合的。

3.当主流量出现大幅度波动时，副流量给定值大幅度波动，在调节的一段时间里，比值
会偏离工艺要求的流量比，不适用于要求严格动态比的场合。

4.适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。

双闭环比值控制系统
双闭环比值控制系统是为保证主动量稳定在给定值，使得总量稳定。

图P163 图5.4 结构上，在单闭环比值控制系统的基础上，增加一个主动量的闭环控制系统，即实现从动量跟随主动量变化而变化，又克服干扰，保证输出总量稳定。

双闭环比值控制系统工作原理
1.主动量控制回路克服主动量扰动，实现定值控制，从动量控制回路克服从动量扰动 实现随动控制，当扰动消除后，主、从动量都回到原设定值上，其比值不变。

双闭环比值控制系统优点：
1.流量比值精确 ，物料总量基本不变。

2.只要缓慢改变主流量控制器给定值，可以提降主流量，副流量会自动跟踪变化，两种比值不变。

3.适用于主流量干扰频繁及工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降符合的场合。

双闭环比值控制系统缺点：
当主动量采用定值控制后，由于调节作用，变化幅值会减小，变化频率会加快，从而使从动量控制器的给定值处于不断变化中，当它的变化频率与从动量控制回路的工作频率接近时，可能引起“共振”。

变比值控制系统图P165 图5.6
1.有的系统要求比值不是定值，而是在一定条件或随着某一个参数而变化的。

2.这种以第三参数为主参数，质量指标和以主从动量之比为副参数所组成的串级控制系
统称为变比值控制系统。

工作原理
1.稳态时，主、副量恒定，分别经变送器送除法器，其输出比值作为比值控制器的测量反馈信号。

此时，主参数恒定，所以主控制器输出信号稳定，且与比值测量值相等，比值控制器输出稳定，控制阀处于某一开度，产品质量合格。

2.当F1、F2出现扰动，通过比值控制回路，保持比值一定，从而不影响或大大减小扰动对产品质量的影响，相当于串级控制系统的副回路调节。

对于某些物料流量，当出现扰动如温度、压力、成分等变化时，虽然它们的流量比值不变，但由于真实流量在新的温度、压力或成分下与原来流量不同，将影响产品质量指标。

输出X偏离设定值，此时主控器起作用，输出变化，修正比值控制器给定值，即修正了比值，使系统在新的比值上重新稳定。

举例：氧化炉温度对氨气/空气串级比值控制系统图P165 图5.7
工作原理：
氨气+空气按照一定比值进入氧化炉，在铂触媒作用840度温度下，放热反应产生硝酸
和一氧化氮。

氨气浓度对温度又有影响，浓度每下降1%，温度下降64度。

所以比值不是定值，要补偿温度的变化。

主要干扰
1.成分变化是在比值不变情况下改变混合器内氨含量的直接干扰
2.进入氧化炉的氨气、空气初始温度
3.进入混合器的氨气、空气的温度、压力变化
4.负荷的变化，比值不变，负荷变化，温度变化
5.触媒的活性变化、大气温度、压力变化。

因此 需要根据温度的变化 适当修正氨气和空气的流量比值 保证氧化炉温度恒定。

系统工作原理
1.当出现氨气空气比值变化干扰时 通过比值控制系统及时克服保持氧化炉温度不变。

当其它干扰引起炉温变化时，主控制器输出变化相当于比值控制器给定值变化，改变比值大小，从而改变温度。

2.要求主流量随另一参数的需要而改变，属于定比值控制
3.主、副流量控制回路对液位控制器的动态响应一致，保证动态比值恒定。

比值系数的计算
比值控制通过比值器比值实现。

比值器: 输入、输出为电量，系统的实际被控参数要通过测量变送转变为电量。

比值器设置的是测量值的比值
流量比k=从动流量/主动流量=F2/F1
比值系数k’=从动流量的测量信号/主动流量的测量信号
=[(I2-I20）/(I2max-I2)]/ [(I1-I10）/(I1max-I1)]
I10、I20为信号零点，I1max、I2max为信号上限
1、流量比k与比值系数k’是二个不同的概念；
2、比值系数与流量比有关，与变送器的量程有关，与负荷大小无关。

比值控制方案的实施
依据采用什么方式实现主、副流量的比值运算进行分类：
1.相乘方案（如果依据F2=KF1，那么就可以对F1的测量值乘以比值的K作为F2的流量控制器的设定值，称为相乘方案）
2.相除方案（如果依据F2/F1=K，那么就可以将F2与F1的测量值相除作为比值控制器的测量值，称为相除方案）
比值控制系统的信号匹配问题
1.仪表的信号匹配：合理调整有关仪表的量程或设置必要的系数。

2.比值系数的计算是比值控制系统信号匹配的主要内容。

比值系数k’的大小除了与工艺规定的流量比k有关，还与仪表的量程上限有关，因此，仪表的上限确定很重要，他影响到灵敏度。

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。

参数整定：
1.变比值控制系统可以按照串级控制系统整定。

2.双闭环(单闭环)比值控制系统：
主动量回路：按照单回路定值控制系统整定，且可以整定得慢一些，保证从动量跟得上。

从动量回路：快速跟上主动量变化，是一个随动控制系统，整定成非周期临界状况。

快速性是从动量回路整定主要指标。

从动量回路的整定是比值控制系统整定的主要内容。

比值控制系统从动量回路整定方法：
根据要求的K计算仪表比值系数K’：
将积分时间常数Ti置最大，由大到小调节比例度δ，直到输出为振荡/不振荡的临界状态；
如需要积分，调大比例度20%，逐步减小积分时间常数，直到振荡/不振荡的临界状态。

小结 比值控制系统
1 比值控制系统概述实现几种物料之间满足比值关系；
2 比值控制系统的类型开环、单闭环、双闭环、变比（串级）；
3 仪表比值系数的计算K’≠K显≠K; 线性、非线性；
4 比值控制系统的投运与设置根据要求比值及仪表量程 计算设置实际控制仪表比值
从动量回路整定；
5 比值控制系统的其它问题，测量校正，主动量、从动量选择。