第4章 比值控制系统

K 1 Fh Fs 1 / 3 K 2 Fa Fs 1.4 / 3
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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
比值器参数准统一信号。以下分两种情况。
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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
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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。
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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。
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
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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。
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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
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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:
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又因为在加开方器的情况下，有
F1 max F2 F1 max K K F1 F2 max F2 max
'
动态补偿器的传递函数为：
注意：由于从动流量总要滞后于主动流量，所以动态补偿器一 般应具有超前特性。
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五、流量的温度压力校正
当采用孔板等节流装置测量气体流量时，如果设计计
算时的工况温度和压力与实际运行时的工况温度和压力有 偏差，就会对气体流量测量造成误差。因此，当被测气体 的工况温度较高，变化较大或工况压力较高，变化较大时 应对该气体流量进行温度压力校正。其中，温度应换算到 凯氏温度，压力应换算到绝对压力。下面给出校正公式：
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。
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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
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由公式可知，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Δp1 ,然后按上述公
式换算出设计条件下的Δpn，再求得此时的流量值，即
为校正后的真正流量值。
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4-5 比值控制系统工程参数整定
按照随动控制系统的整定要求，整定的方法步骤为：
a.进行比值系数计算； b.将积分时间置于最大，调整比例度由大到小，找到系统 处于振荡与不振荡的临界过程为止； c.适当放宽比例度，一般放大20％左右，然后把积分时间 慢慢减小，找到系统处于振荡与不振荡的临界过程或微 振荡过程为止; d.将主物料控制器投入运行，并进行整定。
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。
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气体体积流量和节流装置差压的关系为： Q k 令：在设计条件的表达式为：
p n n
p
Qn k
而实际工作条件下的表达式为：
p1 Q1 k 1
对于质量气体，只考虑温度、压力的影响，则有：
Tn p1 Q n Q1 T1 p n
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经推导压力、温度校正公式为：
Tn p1 p n p1 T1 p n
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
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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
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由图可知，干扰F(s)对主动 流量F1(s)的传递函数为：
Gf (s) F1 ( s ) F ( s ) 1 Gc ( s )G01 ( s )G m 1 ( s )
主动流量F1(s)对从动流量F2(s)的传递函数为：
' F2 ( s ) Gm 1 ( s )G z ( s )K Gc 2 ( s )G02 ( s ) F1 ( s ) 1 Gc 2 ( s )G02 ( s )Gm 2 ( s )
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
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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。
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系统。
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4-3 比值系数的计算
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，
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2、非线性补偿 为了克服这一不利影响，通常用开方器进行补偿，即在差压 变送器后串接一个开方器，使流量与测量信号之间呈现线性 关系。 差压变送器的输出电流信号与开方器的输出电流信号之间的
关系为：
' I2 4 I2 4
测量变送环节和开方器串接后总的静态放大系数为：
' I ' K2 2 q2
q 2q 20
4 q2max
常量，它已不再受负荷变化的影响
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四、比值控制系统中的动态补偿
在某些特殊的生产工艺中，对比值控制的要求非常高，
即不仅在静态工况下要求两种物料流量的比值一定，而且在 动态情况下也要求两种物料流量的比值一定。
为实现动态比值一定，必须满足
F2 K (K为 常 数 ） F1
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
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，
其比值系数与负荷的大小无关，均保持其为常数。但是， 当流量与测量信号呈非线性关系时对过程的动态特性却 是有影响的。
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其输入－输出关系有：
2 p 2 kq2
采用DDZ－Ⅲ型仪表将差压
信号线性地转换为电流信号：
p 2 max
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。
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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。
2 kq2 max
p 2 I2 ( 20 4 ) 4 p2 max
32 q
2 2 max
测量变送环节是非线性的，其静态放大系数为：
K2
I 2 q 2

q 2 q 20
q 20
问题：当负荷增大时，调节器的整定参数如果不能随之改 变，则系统的运行质量就会下降 。
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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。