第4章 比值控制系统.
过程控制系统第4章-选择、均匀、分程
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
Q1 QC1
K
二 氧 化 碳 反 应 器 氧 气
Q1r
主控器 控制阀 主流量变送器 比值器 主对象
Q1
QC2 Q2
混 合
Q2
副控器 控制阀 副流量变送器 副对象
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 量的变化较为平稳, 从而副流量的变化也较平稳, 提高 量的变化较为平稳 从而副流量的变化也较平稳 了流量比值的精确度, 另一优点是, 了流量比值的精确度 另一优点是 提降负荷比较方便 只要缓慢地改变主控器的给定值, 就可提降主流量, 只要缓慢地改变主控器的给定值 就可提降主流量 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 多外, 由于两个闭环通过比值器互相联系, 当主﹑ 多外 由于两个闭环通过比值器互相联系 当主﹑副控 制器参数整定不当时, 会引起“共振” 为防“共振” 制器参数整定不当时 会引起“共振”, 为防“共振”, 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 周期变化. 副控制器一般选PI控制 控制. 周期变化 主﹑副控制器一般选 控制 (四)变比值控制系统 四 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 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 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
【精品】比值控制系统设计与仿真设计说明
毕业设计说明书比值控制系统设计与仿真引言配料系统是许多工业生产过程的重要组成部分，其配料过程是否按照规定的配比进行是衡量产品质量的关键。
工业生产中，常用比值控制策略来实现各种物料的配比控制。
在水泥、冶金、医药、玻璃、建材、化工等流程工业中，配料是生产过程的重要组成部分，其配料过程是否按照规定的配比(组成产品的各种原料的比例)进行是衡量企业产品质量的关键，如果配料的质量达不到要求，轻则造成原料、能源的浪费，重则影响产品的质量和产率，有些重要生产岗位的配料失误甚至会给整个生产酿成事故。
配料在工业过程中广泛存在，如水泥配料、煤气混合、油品调合、配煤、烧结法炼钢及氧化铝、自来水加氯消毒等。
石油炼制生产过程中，把两种或两种以上基础组分油与各种添加剂按一定比例均匀混合，从而成为一种新产品的过程称为调合。
油品调合主要是指汽油、柴油、润滑以及原油等的调合。
汽油调合是炼厂利用生产的各种汽油组分，按某种比例配方和添剂均匀混合，得到符合质量标准的汽油产品的过程。
它是汽油成品出厂的最后一道工和炼厂生产成品油的最后一个环节，也是保证汽油质量指标满足环保和质量规格要求重要手段，调合效益在生产企业的经济效益中占有举足轻重的地位。
通过以上分析可见，在配料过程中对生产产品的各种原料的比值进行控制显得尤为重要，常用比值控制来解决此类问题。
比值控制的目的就是为了实现使几种物料混合符合一定比例关系，使生产能安全正常进行。
配料精度的高低制约着整个生产的产品质量和产量，所以应对配料过程的控制给予足够重视。
下面我们就具体介绍比值控制系统。
第一章比值控制系统概述在各种生产过程中，经常遇到生产工艺要求两个或两个以上参数成一定的比例关系，一旦比例失调，就会影响生产的正常运行。
例如在锅炉的燃烧系统中，要保持送进炉膛的风量和燃料成一定的比例，以保证燃烧的经济性。
为此，我们引入比值控制系统。
本章主要介绍单闭环比值、双闭环比值、串级比值及变比值的比值控制系统。
比值控制系统-PPT课件
2、单闭环比值控制系统
单闭环比值系统是为了克服开环比值系统 的存在的不足，在开环系统的基础上，增加一个 副流量的闭环控制系统。即实现副流量跟随主流 量的变化而变化，又可克服副流量本身干扰对比 值的影响。
两种控制方式
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。
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。
3、双闭环比值控制系统
主流量回路：克服流量扰动，实现定值控制。 副流量回路：抑制副回路的扰动，使副流量与主流量成比值关系。 优点：1、克服单闭环比值控制系统主流量不受控，生产负荷在 较大范围内波动不足，故增设了主流量控制回路，克服主流量干 扰的影响。 2、实现精确的流量比值关系，确保两物料总量基本保持不变。 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 担降主流量，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。
过程控制系统
比值控制系统
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 成一定的比例关系：一旦比例失调，会影响生产的 正常进行，影响产品的质量，浪费劳动力，造成环 境的污染，甚至产生生产事故。如： 1、燃烧过程：燃料与空气要保持一定的比例，才 能满足生产和环保的要求。 2、造纸过程：浓纸浆与水要以一定比例混合，才 能制造出合格 纸浆。 3、不少化学反应过程，多个进料要保持一定 比例。 4、制药生产中要求药物和注入剂按比例混合。 5、水泥配料系统……
4、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 变化值控制系统， 比称为串级比值 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。
比值控制系统课件
二、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 串级和比值混合系统
1、开环比值控制系统
本质： 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。
优点：简单，仪表少 缺点：系统开环，F2波动时比值难以保证 适用于副流量较平稳且比值精度要求不高的场合。
温度升高 测量值升高 主控制器输出减小 比值控制器输出减小
温度下降
氨气流量减小
控制阀开度减小
串级和比值控制混合系统
两物料组成双闭环 比值控制，而反应 器液面需要恒定
要求主流量随 F1
另一参数的需 要而改变，属 于定比值控制。
F1C
LC LT
k
主、副流量控制 回路对液位控制
器的动态响应一 F2
致，保证动态比 值恒定。
P F (10020)20
I2I20
Fmax
K从 主动 动流 流量 量的 的测 测量 量信 信号 号I2Im 1axI1I020
F2 (10020)2020 F2 80I1maxI10
K P2 20 F2max
Fmax
P1 20 F1 (10020)2020 F1 80
F1max
Fmax
F2 F1max K F1max
3、双闭环比值控制系统
增设了系统工作原理 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
流量比值精确，物料总量基本不变。 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。 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。 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”。
计算机控制系统常用的控制规律
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 PID控制 串级控制 前馈控制 史密斯（Smith）预估控制 比值控制 模糊控制
PID控制
4.1 PID调节器的控制作用 4.2 PID控制器的离散化 4.3 数字PID调节中的几个实际问题 4.4 数字PID控制算法的改进 4.5 数字PID控制器参数的整定
4.1 PID调节器的控制作用
1. PID调节器的优点： 为什么要用数字模拟PID
技术成熟 易被人们熟悉和掌握 不需要建立数学模型 控制效果好
4.1.1 比例（P）调节器 1. 比例（P）调节规律 比例（P）调节器的微分方程： y(t) = Kpe(t)
பைடு நூலகம்
(8-1)
其中： y——调节器输出 Kp——比例系数 e(t)——调节器输入，为偏差值，e(t)=r(t)-m(t)。其中，r(t)为给定值， m(t)为被测参数测量值。 2. 比例（P）调节的作用 调节器的输出与输入偏差成正比。因此，只要偏差出现，就能及时地产生 与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点。
第一节 PID控制
PID控制方式：采用比例、积分、微分的控制方式。 P I D 1. 模拟PID控制算法：用于模拟控制系统 模拟系统过程控制：被测参数（模拟量：温度、压力、流量）由传感器 变换成统一的标准信号后输入调节器。在调节器中与给定值进行比较， 再把比较后的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量，以达到自动 调节的目的。 2. 数字PID控制算法：用于数字控制系统 数字系统过程控制：先把过程参数进行采样，并通过模拟量输入通道将 模拟量变成数字量，这些数字量通过计算机按一定控制算法进行运算处 理，运算结果经D/A转换成模拟量后，由模拟量输出通道输出，并通过 执行机构去控制生产，以达到给定值。
过程控制系统及其应用
习题
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第三章 过程通道信号处理及调节仪表
第一节 温度变送器 一、概述 二、放大单元工作原理 三、热电偶温度变送器量程单元 四、变送器的信号调试方法 五、DBW型温度变送器的型号表示 六、DCW型温度变送器
第二节 DDZ-Ⅲ型全刻度指示调节器 一、概述 二、基型调节器的工作原理 三、可编程序数字调节器
器驱动调节阀，改变输入对象的操纵量q，使 被控量受到控制。
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第三节 过程控制的分类
一、各种分类方法
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）按控制系统回路分类：开环控制系统及闭环控制 系统，单回路控制和多回路控制。
3）按控制器的控制算法分类：比例控制系统，比例 积分控制系统，比例积分微分控制系统及位式控制 系统等。
过程控制系统及其应用
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目录
第一章 过程控制的基本概念
第一节 过程控制的发展概况 第二节 过程控制系统的组成
一、被控对象 二、 传感器和变送器 三、 控制器 四、 执行器 五、 控制阀
第三节 过程控制的分类 一、各种分类方法 二、设定值分类
第四节 生产对过控制的要求和指标 一、生产对过程控制的要求 二、过程控制系统的品质指标
第三节 变风量空调系统 一、变风量空调系统概述 二、变风量空调系统的自动控制
参考文献
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第一章 过程控制的基本概念
第一节 过程控制的发展概况 第二节 过程控制系统的组成 第三节 过程控制的分类 第四节 生产对过程控制的要求和指标
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第一节 过程控制的发展概况
自20世纪50年代以来，由于计算机技术的发 展，带来了自动化发展的惊人成就。自动化的发
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)。
过程控制作业答案
第一章 概述1.1 过程控制系统由哪些根本单元构成？画出其根本框图。
控制器、执行机构、被控过程、检测与传动装置、报警，保护，连锁等部件1.2 按设定值的不同情况，自动控制系统有哪三类？ 定值控制系统、随机控制系统、程序控制系统1.3 简述控制系统的过渡过程单项品质指标，它们分别表征过程控制系统的什么性能？a.衰减比和衰减率：稳定性指标；b.最大动态偏差和超调量：动态准确性指标；c.余差：稳态准确性指标；d.调节时间和振荡频率：反响控制快速性指标。
第二章 过程控制系统建模方法习题2.10某水槽如下图。
其中F 为槽的截面积，R1，R2和R3均为线性水阻，Q1为流入量，Q2和Q3为流出量。
要求：（1） 写出以水位H 为输出量，Q1为输入量的对象动态方程；（2） 写出对象的传递函数G(s)，并指出其增益K 和时间常数T 的数值。
〔1〕物料平衡方程为123d ()d HQ Q Q Ft-+= 增量关系式为 123d d HQ Q Q Ft∆∆-∆-∆= 而22h Q R ∆∆=， 33h Q R ∆∆=， 代入增量关系式，那么有23123()d d R R hh F Q t R R +∆∆+=∆ 〔2〕两边拉氏变换有：23123()()()R R FsH s H s Q s R R ++=故传函为：232323123()()()11R R R R H s KG s R R Q s Ts F s R R +===+++K=2323R R R R +, T=2323R R F R R +第三章 过程控制系统设计1. 有一蒸汽加热设备利用蒸汽将物料加热，并用搅拌器不停地搅拌物料，到物料到达所需温度后排出。
试问：（1） 影响物料出口温度的主要因素有哪些？（2） 如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选谁？为什么？（3） 如果物料在温度过低时会凝结，据此情况应如何选择控制阀的开、闭形式及控制器的正反作用？解：〔1〕物料进料量，搅拌器的搅拌速度，蒸汽流量〔2〕被控变量：物料出口温度。
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1、测量变送环节的非线性特性
流量与测量信号无论是呈线性关系还是呈非线性关系，
通过对流量与测量信号的不同关系可以得出以下结论： 1）流量比值K与比值系数K’是两个不同的概念，不能混淆； 2）比值系数K’的大小与流量比K的值有关，也与变送器的量 程有关。
18
4-4 比值控制系统设计和工程应用中的问题
一、主动量和从动量的选择
主动量通常选择可测量但不可控制的过程变量；
从安全考虑，如该过程变量供应不足会不安全时， 应选择该过程变量为主动量，例如，水蒸汽和甲烷 进行甲烷转化反应，由于水蒸气不足会造成析碳， 因此，应选择水蒸汽作为主动量； 从动量通常应是既可测量又可控制，并需要保持一 定比值的过程变量。
比值器参数必须由实际物料流量的比值系数K折
算成仪表的标准统一信号。以下分两种情况。
11
一、流量与测量信号成线性关系
对于Ⅲ型仪表输出4～20mA , 根据变送器的输出关系
I 4 16
'
F Fmax
可得
F2 F2 max F2 F1max F1max I2 4 K ( ) K( ) F1 F1max F1 F2 max F2 max I1 4
为主动量。在生产过程控制中，主要是流量比值控制系 统，所以主动量也称为主流量，用F1表示。另一种配料 称为副流量用F2表示。比值控制系统就是实现副流量F2 与主流量F1的比值关系，即 K=F2/F1
3
4-2 比值控制系统的类型
1、开环比值控制系统
特点： 简单、成本低； 只有当F1变化时才起控制作用； F2变化时F1不会响应，比例关系被破坏。
19
二、 比值控制系统类型的选择
主动量不可控时，选用单闭环比值控制系统，例如，主动量 来自上一工序； 主动量可控可测，并且变化较大时，宜选双闭环比值控制系 统； 当比值根据生产过程的需要由另一个控制器进行调节时，应 选择变比值控制系统； 当质量偏离控制指标需要改变流量的比值时，应采用变比值 控制系统； 变比值控制系统的第三过程变量通常选择过程的质量指标， 例如，烟道气中的氧含量等。
14
15
从仪表精确度考虑，流量仪表测量范围分为十挡：1、1.25、 1.6、2、2.5、3.2、4、5、6.3、8×10n（n为整数）。根据 题意，各差压变送器的量程应选择为： Fsmax=32000m3/h；Fhmax=12500m3/h；Famax=16000m3/h； 采用蒸汽作为主动量Fs，天然气Fh和空气Fa为从动量。防止水 碳比过低造成析碳。 依题意工艺比值系数为:
第4章比值控制系统
比值控制系统基本概念
比值控制系统的基本类型
比值控制系统设计 比值控制系统参数整定
1
4-1、概述
一、定义
实现两个或两种以上 参数符合一定比例关 系的控制系统，称为 比值控制系统。
2
二、关系
在需要保持比值关系的两种物料中，必有一直处于主导
地位，这种物料称为主物料，表征这种物料的参数称之
烷、蒸汽和空气三者的比值为1:3:1.4。流量测量都采用节 流装置和差压变送器，未装开方器，其中，蒸汽最大流量 为31100m3/h；天然气最大流量为11000m3/h；空气最大流 量为14000m3/h；采用相乘和相除方案，确定各差压变送
器的量程，仪表比值系数K1’和K2’，乘法器和除法器输
入电流I k1和I k2。
K 1 Fh Fs 1 / 3 K 2 Fa Fs 1.4 / 3
16
因采用非线性检测变送环节，仪表比值系数的计算公式为：
K' K 2
2 F主 max 2 F从 max
可得
2 K '1 K 1
Fs2max Fh2max
1 320002 3 12500
2 2
0.7282
F k p
F2
2 Fmax
对于4～20mA电动仪表
比值系数计算方法为：
I
16 4
2 2 2 F F I 4 F K' 2 22 12max K 2 12max I 1 4 F1 F2 max F2 max
13
比值系数计算示例
合成氨一段转化反应中，为保证甲烷的转化率，需保持甲
20
比值控制系统的实施方案有相乘和相除两类。 一般情况下，宜选择相乘控制方案。 采用计算机或DCS控制时，应选择相乘控制方案。 需要获得主从动量流量的实际比值时，建议用除法器作比值 运算，但不包含在控制回路内部。
21
三、比值控制系统中的非线性补偿
比值控制系统中的非线性特性是指被控过程的静态放大系数 随负荷变化而变化的特性，在设计比值控制系统时必须要加 以注意。
4
2、单闭环比值控制系统
特点: 能克服开环比值方案的不足。
5
优点：不但能实现流量的副量跟主量变化，而且能克服流量干扰等。 缺点：主流量不受控。
应用场合：在负荷变化不太大的场合得到广泛应用。
6
3、双闭环控制系统
特点: 能克服单闭环主流量不受控的不足。
7
8
4、串级比值控制系统（变比值控制系统）
2 K '2 K 2
Fs2max Fa2max
1.4 2 320002 3
2
16000
2
0.8711
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假设采用电动III型仪表，则乘法器输入电流（即恒流给定器输 出）和相除方案中比值控制器设定电流应为：
I k 1 16 K '1 4 15.65mA I k 2 16 K '2 4 17.94mA
在有些生产过程中，要求两种物料的流量比随第三个工艺参数的 要求而变化，也就是比值系数不是固定的而是随工况而变化的， 这就是变比值控制。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算
如上所述，比值控制是解决不同物料流量之 间的比例关系问题。当使用单元组合仪表时， 因输入－输出参数均为统一标准信号，所以，
I1、I2分别为主、副流量测量信号值。 对于采用线性流量检测单元情况时，只有在F1max=F2max的 场合，K’= K。在同样的比值K下，通过调整F1max,F2max亦
可以改变比值。
12
二、流量与测量信号呈非线性关系（采用差压变送器测量流量） 流量与压差的非线性关系为： k----节流装置的比例系数