过程控制 第四章 复杂过程控制系统-比值控制4
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复杂过程控制系统--串级控制
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对于一个控制系统来说，当它在给定信号作用 下，其输出量能复现输入量的变化，即Y1(s)/X1(s) 越接近于1时，则系统的控制性能越好；当它在扰 动作用下，其控制作用能迅速克服扰动的影响，即 Y1(s)/F2(s)越接近于0时，则系统的控制性能越 好，系统的抗干扰能力就越强。 ❖ 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示： Q C 2 ( s )= Y Y 1 1 ( ( s s ) ) / /X F 2 1 ( ( s s ) )= W C W 1 ( s * ) 0 W 2 ( 's 0 2 ) ( s )= W C 1 ( s ) W C 2 ( s ) W V ( s )
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二、串级控制系统的特点与分析
在结构上与电力传动自动控制系统中的双闭 环系统相同(比单回路系统多了一个副回路)，其 系统特点与分析方法亦基本相同。
主回路(外环)：定值控制系统 副回路(内环)：随动控制系统 与单回路系统相比，串级控制系统多用了一 个测量变送器与一个控制器(调节器)，增加的投 资并不多(对计算机控制系统来说，仅增加了一个 测量变送器)，但控制效果却有显著的提高，其原 因在于串级控制系统中增加了一个包含二次扰动 的副回路。
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单回路控制系统的抗干扰能力为
Y(s)/X(s) QD2(s)=Y(s)/F2(s)=W C(s)W V(s)
串级控制系统与单回路控制系统的抗扰动能力
之比:
QC2(s) =WC1(s)WC2(s)
QD2(s)
WC(s)
设串级与单回路系统均采用比例调节器，其比
例放大系数分别为KC1、KC2、KC，则上式变为
第四章 复杂过程控制系统
❖串级控制 ❖前馈控制 ❖大滞后补偿控制 ❖比值控制 ❖分程与选择性控制 ❖多变量解耦控制 ❖模糊控制 ❖预测控制
第4章(比值、均匀、前馈)过程控制课件
Q0
Q
0
t
第二种情况, 第二种情况 控制器的K c 很小 即控制作用很弱 当干 很小, 即控制作用很弱, 扰使液位大幅波动时, 阀门开度基本不变, 则流量的波 扰使液位大幅波动时 阀门开度基本不变 动就很小. 如下左图所示. 第三种情况, 动就很小 如下左图所示 第三种情况 控制器的 K c H Q H Q H 取值适当, 使 取值适当 H H0 H0 控制作用较为 Q0 Q0 Q Q 温和, 温和 在干扰
(三)双冲量均匀方案 三 双冲量均匀方案 “冲量”的原义是短暂作用的信号或参数 在此引 冲量” 冲量 的原义是短暂作用的信号或参数, 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 图. 与串级均匀控制相比 前者用一个加法器取代主控 与串级均匀控制相比, 制器, 制器 是以液位和流量的测量信号经加法器后 甲塔 作为系统的被控变量. IO QS 作为系统的被控变量 现假定采 IH ∑ QC 用电动仪表构成系统 阀门为气 用电动仪表构成系统, I S IQ 开式, 流量控制器选正作用. 开式 流量控制器选正作用 加 h 法器在稳定状态下的输出为: 法器在稳定状态下的输出为
下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统. 两个独立 下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统. 两个独立 运行的单回路液位控制系统 乙塔 甲塔 和流量控制系统工作时是相 QC LC 互矛盾的. 为解决矛盾, 可 互矛盾的 为解决矛盾 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 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 此还需从自动化方案的设计上寻求解决的 甲塔 方法. 均匀控制就是一种解决方案. 方法 均匀控制就是一种解决方案 均匀 LC 控制系统把液位﹑ H 控制系统把液位﹑流量统一在一个控制系 统中, 如左图所示. 所谓均匀控制系统是 统中 如左图所示 所谓均匀控制系统是 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 Q 均匀地变化, 使前后设备在物料供求 上相互兼顾﹑均匀协调的系统. 上相互兼顾﹑均匀协调的系统
Q
0
t
第二种情况, 第二种情况 控制器的K c 很小 即控制作用很弱 当干 很小, 即控制作用很弱, 扰使液位大幅波动时, 阀门开度基本不变, 则流量的波 扰使液位大幅波动时 阀门开度基本不变 动就很小. 如下左图所示. 第三种情况, 动就很小 如下左图所示 第三种情况 控制器的 K c H Q H Q H 取值适当, 使 取值适当 H H0 H0 控制作用较为 Q0 Q0 Q Q 温和, 温和 在干扰
(三)双冲量均匀方案 三 双冲量均匀方案 “冲量”的原义是短暂作用的信号或参数 在此引 冲量” 冲量 的原义是短暂作用的信号或参数, 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 图. 与串级均匀控制相比 前者用一个加法器取代主控 与串级均匀控制相比, 制器, 制器 是以液位和流量的测量信号经加法器后 甲塔 作为系统的被控变量. IO QS 作为系统的被控变量 现假定采 IH ∑ QC 用电动仪表构成系统 阀门为气 用电动仪表构成系统, I S IQ 开式, 流量控制器选正作用. 开式 流量控制器选正作用 加 h 法器在稳定状态下的输出为: 法器在稳定状态下的输出为
下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统. 两个独立 下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统. 两个独立 运行的单回路液位控制系统 乙塔 甲塔 和流量控制系统工作时是相 QC LC 互矛盾的. 为解决矛盾, 可 互矛盾的 为解决矛盾 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 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 此还需从自动化方案的设计上寻求解决的 甲塔 方法. 均匀控制就是一种解决方案. 方法 均匀控制就是一种解决方案 均匀 LC 控制系统把液位﹑ H 控制系统把液位﹑流量统一在一个控制系 统中, 如左图所示. 所谓均匀控制系统是 统中 如左图所示 所谓均匀控制系统是 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 Q 均匀地变化, 使前后设备在物料供求 上相互兼顾﹑均匀协调的系统. 上相互兼顾﹑均匀协调的系统
DCS控制系统基础知识
DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系 统。
DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合 的产物。DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生 产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连 接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络 与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。因此， DCS的主要特点归结为一句话就是：分散控制集中管理。
第四阶段：第四代DCS系统，2000年以后
第四代DCS的体系结构主要分为四层结构:现场仪表层、控制装置单 元层、工厂(车间)层和企业管理层。一般DCS厂商主要提供除企业管理 层之外的三层功能，而企业管理层则通过提供开放的数据库接口，连 接第三方的管理软件平台(ERP, CRM, SCM等)。所以说，当今DCS主要 提供工厂(车间)级的所有控制和管理功能，并集成全企业的信息管理 功能。例如以Honeywell公司最新推出的Experion PKS(过程知识系统)、 Emerson公司的P1antWeb (Emerson ProcessManagement), Foxboro公 司A2、横河公司的R3 (PRM-_-C厂资源管理系统)和ABB公司的 Industrial IT系统。
第三节 CENTUM-CS控制系统的构成字母代号
集散控制系统基本构成图
CENTUM-CS系统外观图
DCS组成结构
DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统，主 要由电源、高性能的中央处理器（CPU）、网络接口 组成。
高性能的中央处理器是现场过程控制的中心， 存放并运行所有的过程控制程序以及现场仪表数据 和控制数据。DCS的控制决策都是由它来执行的。
执行器
接受控制器的输出信号,直接控制能量或物料等调节介质的输 送量,达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。 测量变送器
DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合 的产物。DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生 产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连 接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络 与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。因此， DCS的主要特点归结为一句话就是：分散控制集中管理。
第四阶段：第四代DCS系统，2000年以后
第四代DCS的体系结构主要分为四层结构:现场仪表层、控制装置单 元层、工厂(车间)层和企业管理层。一般DCS厂商主要提供除企业管理 层之外的三层功能，而企业管理层则通过提供开放的数据库接口，连 接第三方的管理软件平台(ERP, CRM, SCM等)。所以说，当今DCS主要 提供工厂(车间)级的所有控制和管理功能，并集成全企业的信息管理 功能。例如以Honeywell公司最新推出的Experion PKS(过程知识系统)、 Emerson公司的P1antWeb (Emerson ProcessManagement), Foxboro公 司A2、横河公司的R3 (PRM-_-C厂资源管理系统)和ABB公司的 Industrial IT系统。
第三节 CENTUM-CS控制系统的构成字母代号
集散控制系统基本构成图
CENTUM-CS系统外观图
DCS组成结构
DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统，主 要由电源、高性能的中央处理器（CPU）、网络接口 组成。
高性能的中央处理器是现场过程控制的中心， 存放并运行所有的过程控制程序以及现场仪表数据 和控制数据。DCS的控制决策都是由它来执行的。
执行器
接受控制器的输出信号,直接控制能量或物料等调节介质的输 送量,达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。 测量变送器
《过程控制》课程教学大纲.doc
《过程控制》课程教学大纲课程中文名称：过程控制课程英文名称：Process Control课程编号：C1050 应开课学期：6学时数：32 学分数：2适用专业：自动化课程类型：专业拓展课/必修先修课程：电子技术基础、自动控制理论、计算机控制技术、传感器与检测技术一、课程性质过程控制主要研究以工业过程模型为被控对象、模拟控制和数字控制为控制手段的工业过程计算机控制系统，主要内容包含过程控制系统的组成、建模、基本控制规律以及整个过程控制系统的设计等，它是自动化专业的一门专业拓展课程。
二、课程目标通过本课程的学习，使学生熟练掌握过程对象的建模方法、过程参数的检测与变送以及常规过程控制系统的基本控制方法、复杂过程控制系统的控制方法等。
通过本课程的理论教学，使学生能够根据生产过程任务要求，采用适宜的技术手段对生产过程加以控制。
三、支撑的毕业要求课程对毕业要求的支撑课程教学目标、达成途径和评价依据等毕业要求3.掌握工程基础知识和本专业的基本理论知识，具有系统的工程实践学习经历；了解本专业的前沿发展现状和趋势；教学目标：理解和掌握过程控制学科的发展概况与发展趋势，学习过程控制的基础理论。
达成途径：通过课堂讲解，仿真验证，课外作业。
评价依据：学习态度；课堂提问；考试成绩。
评价方式：平时成绩；考试成绩。
毕业要求5,掌握基本的创新方法，具有追求创新的态度和意识; 具有综合运用理论和技术手段设计系统和过程的能力，设计过程中能够综合考虑经济、环境、法律、安全、健康、伦理等制约因素；教学目标：使学生能够创造性地运用过程控制的基本理论和基本方法进行过程控制系统的设计。
达成途径：学习各章基础理论，在此基础上培养学生过程控制系统的设计能力，提高学生的创新意识。
评价依据：学习态度；课堂提问；考试成绩。
评价方式：平时成绩；考试成绩。
四、教学内容、学时安排和基本要求第一章绪论（2学时）重点难点：控制系统的组成、控制系统的性能要求（1）了解典型的过程控制问题、过程控制系统的发展概况。
过程控制讲义课件(全套)
前馈—反馈控制系统
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1.4 过程控制系统的分类
6. 按给定信号的特点分类 ： 定值控制系统 程序控制系统 随动控制系统
（1）定值控制系统：就是系统被控量的给定值保持在规定 值不变，或在小范围附近不变。定值控制系统是过程控 制中应用最多的一种控制系统，因为在工业生产过程中 大多要求系统被控量的给定值保持在某一定值，或在某 很小范围内不变。 例如过热蒸汽温度控制系统、转炉供氧量控制系统 均为一个定值控制系统。
30
1.4 过程控制系统的分类
（2）程序控制系统：它是被控量的给定值按预定的时 间程序变化工作的。控制的目的就是使系统被控量按 工艺要求规定的程序自动变化。 例如同期作业的加热设备(机械、冶金工业中的热 处理炉)，一般工艺要求加热升温、保温和逐次降温 等程序，给定值就按此程序自动地变化，控制系统按 此给定程序自动工作，达到程序控制的目的。
4. 按被控制量的多少分类：
单变量控制系统 多变量控制系统
25
1.4 过程控制系统的分类
5. 按系统的结构分类：
反馈控制系统 前馈控制系统 复合控制系统 单回路控制系统 串级控制系统
26
1.4 过程控制系统的分类
（1）反馈控制系统
它是过程控制系统中的一种最基本的控制结构形 式。反馈控制系统是根据系统被控量的偏差进行工作 的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差 的目的。如过热蒸汽温度控制系统就是一个反馈控制 系统。另外，反馈信号也可能有多个，从而可以构成 多个闭合回路，称其为多回路控制系统。
23
1.4 过程控制系统的分类
1. 按被控量分类 ：
温度控制系统 压力控制系统 流量控制系统 液位控制系统等
2. 按完成的功能分类：
29
1.4 过程控制系统的分类
6. 按给定信号的特点分类 ： 定值控制系统 程序控制系统 随动控制系统
（1）定值控制系统：就是系统被控量的给定值保持在规定 值不变，或在小范围附近不变。定值控制系统是过程控 制中应用最多的一种控制系统，因为在工业生产过程中 大多要求系统被控量的给定值保持在某一定值，或在某 很小范围内不变。 例如过热蒸汽温度控制系统、转炉供氧量控制系统 均为一个定值控制系统。
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1.4 过程控制系统的分类
（2）程序控制系统：它是被控量的给定值按预定的时 间程序变化工作的。控制的目的就是使系统被控量按 工艺要求规定的程序自动变化。 例如同期作业的加热设备(机械、冶金工业中的热 处理炉)，一般工艺要求加热升温、保温和逐次降温 等程序，给定值就按此程序自动地变化，控制系统按 此给定程序自动工作，达到程序控制的目的。
4. 按被控制量的多少分类：
单变量控制系统 多变量控制系统
25
1.4 过程控制系统的分类
5. 按系统的结构分类：
反馈控制系统 前馈控制系统 复合控制系统 单回路控制系统 串级控制系统
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1.4 过程控制系统的分类
（1）反馈控制系统
它是过程控制系统中的一种最基本的控制结构形 式。反馈控制系统是根据系统被控量的偏差进行工作 的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差 的目的。如过热蒸汽温度控制系统就是一个反馈控制 系统。另外，反馈信号也可能有多个，从而可以构成 多个闭合回路，称其为多回路控制系统。
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1.4 过程控制系统的分类
1. 按被控量分类 ：
温度控制系统 压力控制系统 流量控制系统 液位控制系统等
2. 按完成的功能分类：
过程控制工程2-4章答案(孙洪程著)
第二章思考题及习题2.1 与单回路系统相比，串级控制系统有些什么特点?答：串级控制方案具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。
因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好。
(1) 串级控制系统具有更高的工作频率；(2) 串级控制系统具有较强的抗干扰能力；(3) 串级控制系统具有一定的自适应能力2.2 为什么说串级控制系统主控制器的正、反作用只取决于主对象放大倍数的符号，而与其他环节无关?答：主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定。
主环内包括有主控制器、副回路、主对象和主变送器。
控制器正、反作用设置正确的副回路可将它视为一放大倍数为“正”的环节来看待。
这样，只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“负”的要求。
即Sign{G 01(s )}Sign{G 02’(s )}Sign{G m1(s )}Sign{G c1(s )}=-1就可以确定主控制器的正、反作用。
实际上主变送器放大倍数符号一般情况下都是“正”的，再考虑副回路视为一放大倍数为“正”的环节，因此主控制器的正、反作用实际上只取决于主对象放大倍数的符号。
当主对象放大倍数符号为“正”时，主控制器应选“负”作用；反之，当主对象放大倍数符号为“负”时，主控制器应选正作用。
2.3 串级控制系统的一步整定法依据是什么?答：一步整定法的依据是：在串级控制系统中一般来说，主变量是工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量，因此对它要求比较严格。
而副变量的设立主要是为了提高主变量的控制质量，对副变量本身没有很高的要求，允许它在一定范围内变化，因此在整定时不必将过多的精力放在副环上，只要主变量达到规定的质量指标要求即可。
此外对于一个具体的串级控制系统来说，在一定范围内主、副控制器的放大倍数是可以互相匹配的，只要主、副控制器的放大倍数K c1与K c1的乘积等于K s (K s 为主变量呈4：1衰减振荡时的控制器比例放大倍数)，系统就能产生4：1衰减过程(下面的分析中可以进一步证明)。
培训课件过程控制 第四章 复杂过程控制系统-比值控制4.ppt
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
0.0
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
3、工作过程 • 稳定状态下…… • 主动量变化时…… • 从动量由于干扰而变化时……
4、优缺点 优点：不但能实现从动量跟随主动量变化，而且能
克服从动量本身干扰对比值的影响等。 缺点：主动量不受控。
• 在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第 三个变量的变化而变化。
•为了满足上述生产工艺要求，开发并应用变比值控制。 2、系统结构：如下图所示 3、变比值控制的含义
变比值控制系统是一个以第三个变量为主变量(质量 指标)、以两个流量比为副变量的串级控制系统。
0.0
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
0.0
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§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
② 将对生产负荷起关键作用的物料流量作为主动量。 ③ 从安全角度出发，分析两种物料流量分别在失控情况 下，看哪一种情况必须保持比值一定，就将这种情况下的 那种物料流量作为主动量较为合适。
0.0
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§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
自动化仪表与过程控制
第四章 复杂过程控制系统
§4-4 比值控制 §4-4-1 比值控制原理 §4-4-2 比值控制系统的结构类型 §4-4-3 比值控制系统设计 §4-4-4 比值控制系统整定 §4-4-5 应用举例
0.0
1
§4-4-1 比值控制原理
自动化仪表与过程控制
一、方法的产生
在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成
《复杂过程控制系统》课件
系统集成与优化
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系统架构优化
研究和发展适用于复杂过程控制系统的架构，如 模块化、层次化和网络化架构，提高系统的可扩 展性和可维护性。
信息集成与共享
通过标准化和开放化的信息接口实现不同设备和 系统间的信息集成与共享，提高系统的协同工作 能力。
系统性能优化
研究和发展系统性能优化技术，如系统辨识、参 数优化和性能评价等，提高系统的整体性能和运 行效率。
06
结论
课程总结
复杂过程控制系统是工业自动化 领域中的重要分支，涉及多种学
科和技术。
通过本课程的学习，学生可以了 解复杂过程控制系统的基本概念
、原理、组成和设计方法。
本课程重点介绍了先进控制算法 、工业网络通信、系统集成等方 面的知识，为学生今后从事相关
领域的工作打下基础。
学习建议
01
深入理解基本概念和原理，掌握复杂过程控制系统 的核心知识点。
智能化与自动化
智能传感器与执行器
自动化决策支持
研发具有自感知、自适应和自决策功 能的智能传感器和执行器，提高系统 的感知和执行能力。
利用人工智能技术实现自动化决策支 持，减轻人工干预，提高系统的自主 决策能力。
智能控制算法
研究和发展适用于复杂过程的智能控 制算法，如模糊控制、神经网络控制 等，实现系统的自主调节和优化。
数据采集与处理
数据采集
通过传感器和变送器实时采集系统 中的各种参数，如温度、压力、流
量等。
数据处理
对采集到的原始数据进行滤波、去 噪、归一化等处理，提取出有用的
信息。
数据存储与备份
将处理后的数据存储在数据库中， 并定期进行备份，确保数据安全。
数据挖掘与分析
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2014-8-11 西南科技大学信息工程学院
（4）
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自动化仪表与过程控制
§4-4-3 比值控制系统设计
对于气动单元组合仪表，当流量由零变至最大值Qmax 时，仪表对应的输出信号为0.02～0.1Mpa，则流量的任 一中间值Q所对应的输出信号为：
Q p 0.08 0.02 ( Mpa) Qmax
2014-8-11 西南科技大学信息工程学院 9
自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
四、变比值控制系统 1、方法的产生 在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第 三个变量的变化而变化。 为了满足上述生产工艺要求，开发并应用变比值控制。 2、系统结构：如下图所示 3、变比值控制的含义 变比值控制系统是一个以第三个变量为主变量(质量 指标)、以两个流量比为副变量的串级控制系统。
则： 根据式（2） （1） （2）
Qma x Q ( I 4) 16
Q 2 ( I 2 4) Q2 max 16 I 2 4 Q2 max K Q1 ( I1 4) Q1 max 16 I1 4 Q1 max
所以仪表比值K’为：
（3）
I2 4 Q1 max K K I1 4 Q2 max
2014-8-11
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3
自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
一、开环比值控制 1、系统组成：如下图所示
2014-8-11
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
2、特点 简单、成本低； 只有当Q1变化时才起控制作用； Q2变化时，Q1不会响应，比例关系被破坏。 3、适用场合 从动量没有干扰的情况。 二、单闭环比值控制
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
6、应用实例
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自动化仪表与过程控制
§4-4-3 比值控制系统设计
一、主、从动量的选择 1、单闭环比值控制系统主、从动量的选择
（一个流量可控，另一个流量不可控）
流量检测信号经过开方器后与流量信号成线性关系。
对DDZ－Ⅲ型仪表，当流量由零变至最大值Qmax时，仪 表对应的输出信号为4～20mA（DC），则流量的任一中间
值Q所对应的输出电流为：
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自动化仪表与过程控制
§4-4-3 比值控制系统设计
Q I 16 4 ( m A) Qmax
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自动化仪表与过程控制
§4-4-3 比值控制系统设计
如果采用开方器，流量为线性变送时，
Q1 max IS K 16 4 Q2 max
2 Q 1 max 2 IS K 2 16 4 Q 2 max
( m A)
（16）
如果没有采用开方器，流量为非线性变送时，
( mA)
所以在选择流量检测仪表的量程时，应满足
Q2 max KmaxQ1max
（18）
假定由于仪表量程选择的限制和工艺K的条件造成 K’＞1，为了使IS在标准信号范围内，可将乘法器由主 流量一侧改接在从流量一侧，不失原来的比值控制作用， 如图所示。
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自动化仪表与过程控制
（24）
Q1 max 对于比值器，其传递函数为 Gk（s） K K
1 Gc ( s )Gv ( s )G02 ( s )Gm2 ( s ) Q2 max 则 Gz ( s ) Gm1 ( s )Gc ( s )Gv ( s )G02 ( s ) Q1 max
2014-8-11 西南科技大学信息工程学院 25
自动化仪表与过程控制
§4-4-3 比值控制系统设计
3、应用除法器方案 利用乘法器实现的单闭环比值控 制系统如图所示。由于乘法器的输出 是两流量的比值，可直接显示。 使用时注意事项： • 乘法器总是用小信号除以大信号 • 对于从动量控制回路而言，乘法 器被包括在回路当中，乘法器的非 线性对控制系统品质将会造成影响。
（12）
在流量比值稳定操作时，控 制器的测量值应等于设定值，即
DDZ-Ⅲ 电动比值器
I 2 I 0 ( I1 4) K 4
的换算公式求得。
2014-8-11
（13）
式中的K’由式（4）和（11）
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自动化仪表与过程控制
§4-4-3 比值控制系统设计
2014-8-11 西南科技大学信息工程学院 2
自动化仪表与过程控制
§4-4-1 比值控制原理
二、比值控制的含义 凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控 制系统，统称为比值控制系统。 三、变量及关系 主动量---起主导作用而又不可控的物料流量； 从动量---跟随主动量而变化的物料流量； 比例系数: K=Q2/ Q1
4、优缺点 优点：不但能实现从动量跟随主动量变化，而且能 克服从动量本身干扰对比值的影响等。 缺点：主动量不受控。 5、适用场合 在负荷变化不太大的场合得到广泛应用。
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
三、双闭环比值控制
1、特点：能克服单闭环主动量不受控的不足。 2、系统组成：如下图所示
2014-8-11
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
3、优点 ※ 对主动量实行定值控制，克服了干扰对主、从动 量的影响。 ※ 升降负荷比较方便。 4、适用场合 常用在主动量干扰频繁或工艺上不允许负荷有较大 的波动，或工艺上经常需要升降负荷的场合。 5、使用中的注意事项 † 防止从动量回路产生“共振”。 † 主、从控制器都不宜采用微分作用。
2014-8-11
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自动化仪表与过程控制
§4-4-3 比值控制系统设计
要做到从动量Q2对主动量Q1的动态跟踪，即保持二 者的比值关系不变，则
Q2 Gm1 ( s )Gk ( s )Gz ( s )Gc ( s )Gv ( s )G02 ( s ) K Q1 1 Gc ( s )Gv ( s )G02 ( s )Gm2 ( s )
1、特点: 能克服开环比值方案的不足。 2、系统组成：如下图所示
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
3、工作过程 稳定状态下…… 主动量变化时…… 从动量由于干扰而变化时……
自动化仪表与过程控制
第四章
§4-4
复杂过程控制系统
比值控制原理
比值控制系统的结构类型 比值控制系统设计 比值控制系统整定 应用举例
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比值控制
§4-4-1
§4-4-2 §4-4-3 §4-4-4 §4-4-5
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§4-4-1 比值控制原理
一、方法的产生 在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成 一定比例关系；一旦比例失调，会影响生产的正常进行， 影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚至产生生产 事故。如： 燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定比 例混合后送入炉膛。 制药生产中要求药物和注入剂按比例混合。 造纸过程中为保证纸浆浓度，要求自动控制纸浆量 和水量比例。 水泥配料系统„„
2、应用乘法器方案
乘法器的输入/输出信号关系式为：
( I1 4)( I S 4) I0 4 16
（14）
由于系统在稳态时，控制器的 测量值I2应等于设定值I0，将I0=I2 代入式（14）得：
IS I2 4 16 4 K 16 4 （15） I1 4
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§4-4-3 比值控制系统设计
此时，乘法器的输入、输出信号关系式为：
( I 2 4)( I S 4) I0 4 16
（19）
系统稳态时， I1 得：
I 0 ，代入（15）
I1 4 1 IS 16 4 16 4 （21） I2 4 K
利用此方法解决了设定值电流 的设置问题。
（17）
由于DDZ-Ⅲ电动单元组合仪表采用的标准信号为4— 20mA，要保证IS在标准信号范围内，则要求
2 Q1 max Q 1 max 2 K K 1 或K K 2 1 Q2 max Q 2 max
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（18）
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§4-4-3 比值控制系统设计
② 将对生产负荷起关键作用的物料流量作为主动量。
③ 从安全角度出发，分析两种物料流量分别在失控情况
下，看哪一种情况必须保持比值一定，就将这种情况下的 那种物料流量作为主动量较为合适。
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自动化仪表与过程控制
§4-4-3 比值控制系统设计
二、比值系数的换算 要实现流量比值控制，首先就必须将工艺上的流量比 值K换算成仪表上的信号比值K’。换算方法随流量与测量 信号间是否成线性关系而不同。 1、流量与测量信号成线性关系
不可控的流量作为主动量，可控的流量作为从动量。 2、双闭环比值控制系统主、从动量的选择（两个流量都 可控） 可以掌握以下原则：
（4）
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§4-4-3 比值控制系统设计
对于气动单元组合仪表，当流量由零变至最大值Qmax 时，仪表对应的输出信号为0.02～0.1Mpa，则流量的任 一中间值Q所对应的输出信号为：
Q p 0.08 0.02 ( Mpa) Qmax
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
四、变比值控制系统 1、方法的产生 在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第 三个变量的变化而变化。 为了满足上述生产工艺要求，开发并应用变比值控制。 2、系统结构：如下图所示 3、变比值控制的含义 变比值控制系统是一个以第三个变量为主变量(质量 指标)、以两个流量比为副变量的串级控制系统。
则： 根据式（2） （1） （2）
Qma x Q ( I 4) 16
Q 2 ( I 2 4) Q2 max 16 I 2 4 Q2 max K Q1 ( I1 4) Q1 max 16 I1 4 Q1 max
所以仪表比值K’为：
（3）
I2 4 Q1 max K K I1 4 Q2 max
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
一、开环比值控制 1、系统组成：如下图所示
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
2、特点 简单、成本低； 只有当Q1变化时才起控制作用； Q2变化时，Q1不会响应，比例关系被破坏。 3、适用场合 从动量没有干扰的情况。 二、单闭环比值控制
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
6、应用实例
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§4-4-3 比值控制系统设计
一、主、从动量的选择 1、单闭环比值控制系统主、从动量的选择
（一个流量可控，另一个流量不可控）
流量检测信号经过开方器后与流量信号成线性关系。
对DDZ－Ⅲ型仪表，当流量由零变至最大值Qmax时，仪 表对应的输出信号为4～20mA（DC），则流量的任一中间
值Q所对应的输出电流为：
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§4-4-3 比值控制系统设计
Q I 16 4 ( m A) Qmax
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§4-4-3 比值控制系统设计
如果采用开方器，流量为线性变送时，
Q1 max IS K 16 4 Q2 max
2 Q 1 max 2 IS K 2 16 4 Q 2 max
( m A)
（16）
如果没有采用开方器，流量为非线性变送时，
( mA)
所以在选择流量检测仪表的量程时，应满足
Q2 max KmaxQ1max
（18）
假定由于仪表量程选择的限制和工艺K的条件造成 K’＞1，为了使IS在标准信号范围内，可将乘法器由主 流量一侧改接在从流量一侧，不失原来的比值控制作用， 如图所示。
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（24）
Q1 max 对于比值器，其传递函数为 Gk（s） K K
1 Gc ( s )Gv ( s )G02 ( s )Gm2 ( s ) Q2 max 则 Gz ( s ) Gm1 ( s )Gc ( s )Gv ( s )G02 ( s ) Q1 max
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自动化仪表与过程控制
§4-4-3 比值控制系统设计
3、应用除法器方案 利用乘法器实现的单闭环比值控 制系统如图所示。由于乘法器的输出 是两流量的比值，可直接显示。 使用时注意事项： • 乘法器总是用小信号除以大信号 • 对于从动量控制回路而言，乘法 器被包括在回路当中，乘法器的非 线性对控制系统品质将会造成影响。
（12）
在流量比值稳定操作时，控 制器的测量值应等于设定值，即
DDZ-Ⅲ 电动比值器
I 2 I 0 ( I1 4) K 4
的换算公式求得。
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（13）
式中的K’由式（4）和（11）
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§4-4-3 比值控制系统设计
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§4-4-1 比值控制原理
二、比值控制的含义 凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控 制系统，统称为比值控制系统。 三、变量及关系 主动量---起主导作用而又不可控的物料流量； 从动量---跟随主动量而变化的物料流量； 比例系数: K=Q2/ Q1
4、优缺点 优点：不但能实现从动量跟随主动量变化，而且能 克服从动量本身干扰对比值的影响等。 缺点：主动量不受控。 5、适用场合 在负荷变化不太大的场合得到广泛应用。
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
三、双闭环比值控制
1、特点：能克服单闭环主动量不受控的不足。 2、系统组成：如下图所示
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
3、优点 ※ 对主动量实行定值控制，克服了干扰对主、从动 量的影响。 ※ 升降负荷比较方便。 4、适用场合 常用在主动量干扰频繁或工艺上不允许负荷有较大 的波动，或工艺上经常需要升降负荷的场合。 5、使用中的注意事项 † 防止从动量回路产生“共振”。 † 主、从控制器都不宜采用微分作用。
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§4-4-3 比值控制系统设计
要做到从动量Q2对主动量Q1的动态跟踪，即保持二 者的比值关系不变，则
Q2 Gm1 ( s )Gk ( s )Gz ( s )Gc ( s )Gv ( s )G02 ( s ) K Q1 1 Gc ( s )Gv ( s )G02 ( s )Gm2 ( s )
1、特点: 能克服开环比值方案的不足。 2、系统组成：如下图所示
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
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§4-4-2 比值控制系统的结构类型
3、工作过程 稳定状态下…… 主动量变化时…… 从动量由于干扰而变化时……
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第四章
§4-4
复杂过程控制系统
比值控制原理
比值控制系统的结构类型 比值控制系统设计 比值控制系统整定 应用举例
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§4-4-1
§4-4-2 §4-4-3 §4-4-4 §4-4-5
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§4-4-1 比值控制原理
一、方法的产生 在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成 一定比例关系；一旦比例失调，会影响生产的正常进行， 影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚至产生生产 事故。如： 燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定比 例混合后送入炉膛。 制药生产中要求药物和注入剂按比例混合。 造纸过程中为保证纸浆浓度，要求自动控制纸浆量 和水量比例。 水泥配料系统„„
2、应用乘法器方案
乘法器的输入/输出信号关系式为：
( I1 4)( I S 4) I0 4 16
（14）
由于系统在稳态时，控制器的 测量值I2应等于设定值I0，将I0=I2 代入式（14）得：
IS I2 4 16 4 K 16 4 （15） I1 4
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§4-4-3 比值控制系统设计
此时，乘法器的输入、输出信号关系式为：
( I 2 4)( I S 4) I0 4 16
（19）
系统稳态时， I1 得：
I 0 ，代入（15）
I1 4 1 IS 16 4 16 4 （21） I2 4 K
利用此方法解决了设定值电流 的设置问题。
（17）
由于DDZ-Ⅲ电动单元组合仪表采用的标准信号为4— 20mA，要保证IS在标准信号范围内，则要求
2 Q1 max Q 1 max 2 K K 1 或K K 2 1 Q2 max Q 2 max
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自动化仪表与过程控制
§4-4-3 比值控制系统设计
② 将对生产负荷起关键作用的物料流量作为主动量。
③ 从安全角度出发，分析两种物料流量分别在失控情况
下，看哪一种情况必须保持比值一定，就将这种情况下的 那种物料流量作为主动量较为合适。
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自动化仪表与过程控制
§4-4-3 比值控制系统设计
二、比值系数的换算 要实现流量比值控制，首先就必须将工艺上的流量比 值K换算成仪表上的信号比值K’。换算方法随流量与测量 信号间是否成线性关系而不同。 1、流量与测量信号成线性关系
不可控的流量作为主动量，可控的流量作为从动量。 2、双闭环比值控制系统主、从动量的选择（两个流量都 可控） 可以掌握以下原则：