2.3-比值控制系統(tǒng)解析

2.3比值控制系統(tǒng)

2.3比值控制系統(tǒng)比值控制問題的由來1.比值控制方案

2.比值控制系統(tǒng)的實施3.比值控制系統(tǒng)的投運及整定4.

2.3比值控制系統(tǒng)

2.3.1比值控制問題的由來

在化工、煉油生產(chǎn)中，經(jīng)常需要兩種或兩種以上的物料按照一定的比例混合或進行化學(xué)反應(yīng)，一旦比例失調(diào)，輕則造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格，重則會造成生產(chǎn)事故或發(fā)生危險。比值控制的目的，就是為了實現(xiàn)幾種物料符合一定比例關(guān)系，以使生產(chǎn)能安全正常進行。

為進一步了解比值控制問題的實質(zhì)，下面以重油為原料的合成氨生產(chǎn)中，汽化爐氧油比調(diào)節(jié)系統(tǒng)（如圖2.3-1所示）來進行分析。

2.3比值控制系統(tǒng)

圖2.3-1比值控制系統(tǒng)圖

2.3比值控制系統(tǒng)2.3比值控制系統(tǒng)2.3比值控制系統(tǒng)

在重油氣化的造氣生產(chǎn)過程中，進入氣化爐的氧氣和重油流量應(yīng)保持一定的比例，若氧油比過高，會因爐溫過高而使噴嘴和耐火磚燒壞，嚴重時甚至?xí)馉t子的爆炸；如果氧量過低，則因生成的炭黑增多，會發(fā)生堵塞現(xiàn)象。實現(xiàn)兩個或兩個以上參數(shù)符合一定的比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。由于過程工業(yè)中大部分物料是以氣態(tài)、液態(tài)或混合的流體狀態(tài)在密閉管道、容器中進行能量傳遞與物質(zhì)2.3比值控制系統(tǒng)

交換，以保持兩種或幾種物料的流量比例關(guān)系，因此比值控制系統(tǒng)一般是指流量比值控制系統(tǒng)。

在需要保持比值關(guān)系的兩種物料中，必須有一種物料處于主導(dǎo)地位，這種物料稱之為主流量（主動物料）記為，（如圖2.3-1中重油為），而另一種跟隨主流量變化的物料成為副流量（從動物料）記為（如圖2.3-1中氧氣為）。一般情況下，總是把生產(chǎn)中主要物料定為主物料。但在有些場合為保證生產(chǎn)安全，以不可控物料為主物料，用改變可控物料即從物料來實現(xiàn)它們之間的2.3比值控制系統(tǒng)

的比值關(guān)系。比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)就是實現(xiàn)工藝要求的副流量與主流量成一定比值關(guān)系：

R=Q2/Q1

（2.3-1）式中R

為工藝要求的流量比值。

2.3.2比值控制方案1．開環(huán)比值控制開環(huán)比值控制系統(tǒng)是最簡單的比值控制方案，例如工業(yè)用30％的NaOH和H2O混合以得到6~8%的NaOH，為保證混合后的濃度，可設(shè)計如圖2.3-2所示控制系統(tǒng)。2.3比值控制系統(tǒng)

圖2.3-2開環(huán)比值控制系統(tǒng)及方框圖2.3比值控制系統(tǒng)

在這個系統(tǒng)中，隨著Q1的變化，Q2將跟著變化，以滿足Q2=RQ1的要求。其實質(zhì)乃是滿足控制閥的閥門開度與Q1發(fā)生變化時，系統(tǒng)不起控制作用，此時難以保證與的比值關(guān)系。之間成一定的比例關(guān)系。因此，當(dāng)Q2因管線兩端壓力波動而發(fā)生變化時，系統(tǒng)不起控制作用，此時難以保證Q2與Q1的比值關(guān)系。由于這種方案的副流量本身無抗干擾能力，只有當(dāng)副流量較平穩(wěn)，且流量比值要求不高場合才能應(yīng)用。因此開環(huán)比值控制系統(tǒng)的適用范圍是：

2.3比值控制系統(tǒng)

1）要求控制閥前后差壓不變；2）要求控制閥為線性流量特性，檢測變送器為線性特性，尤其是當(dāng)采用差壓法測流量時，一定要裝開方器。

2.單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)

單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為了克服開環(huán)比值方案的不足，在開環(huán)比值系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一個副流量的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2.3-3所示。2.3比值控制系統(tǒng)圖2.3-3單閉環(huán)控制系統(tǒng)及方框圖2.3比值控制系統(tǒng)

當(dāng)主流量變化時，其流量信號經(jīng)測量變送送到比值器，比值器按預(yù)先設(shè)置好的比值系數(shù)使輸出呈比例變化，并作為副流量控制器的設(shè)定值。此時，副流量調(diào)節(jié)是一個隨動系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)節(jié)作用自動跟隨主流量變化，使其在新的工況下保持兩流量比值不變。當(dāng)副流量由于自身的干擾而變化時，因為它是一個定值系統(tǒng)，經(jīng)控制后可以克服自身的干擾。且一般流量控制器都采用PI作用，消除流量噪聲影響，使工藝要求的流量比保持不變。系統(tǒng)只包含一個閉合回路，故稱為單閉環(huán)比值控制。2.3比值控制系統(tǒng)

由于單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的主流量不受控，副流量隨主流量成比例變化，同時副流量又能克服本身的干擾。因此單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)特點是：1)隨變，回路為隨動回路

2)組成的副回路能克服本身干擾；3)此控制系統(tǒng)整體來看是開環(huán)的，因變并不影響。

單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)控制器選型：主流量控制器（或用比值器）不能有一點積分作用，

2.3比值控制系統(tǒng)

否則會引起積分飽和。副流量控制器應(yīng)選比例積分。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)優(yōu)點：由于有了副環(huán)，故對副流量要求降低，比值較為精確。

單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)缺點：因主流量不受控，所以總物料流量不固定，因此不適于直接去化學(xué)反應(yīng)器的場合，分析如下：設(shè)在穩(wěn)定工況下Q1+RQ1=Q總；在動態(tài)工況下，設(shè)Q1增大為Q1+△Q1，則：（Q1+△Q1)=R(Q1+△Q1)=Q/總2.3比值控制系統(tǒng)

(Q1+RQ1)+(△Q1+R△Q1)=Q/總Q總+(△Q1+R△Q1)=Q/總即Q總〈Q/總。因此單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)由于主流量是不受控的，這對于負荷變化幅度大，物料又直接去化學(xué)反應(yīng)器的場合是不適合的。因為負荷的波動有可能造成反應(yīng)不完全，或反應(yīng)放出的熱量不能及時被帶走等，從而給化學(xué)反應(yīng)帶來一定的影響，甚至造成事故。

2.3比值控制系統(tǒng)

2.雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)

為了既能使兩流量的比值恒定，又能使進入系統(tǒng)的總負荷平穩(wěn)，因此出現(xiàn)了雙閉環(huán)比值控制。例如，在以石腦油為原料的合成氨生產(chǎn)中，進入一段轉(zhuǎn)化爐的石腦油要求與水蒸氣呈一定比例，不僅如此，還要求各自的流量比較穩(wěn)定，所以設(shè)計了雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)如圖2.3-4所示：（見下頁）2.3比值控制系統(tǒng)2.3比值控制系統(tǒng)

圖2.3-4雙閉環(huán)控制系統(tǒng)及方框圖2.3比值控制系統(tǒng)4．變比值控制系統(tǒng)

雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的特點是：①要求主、副流量均比較穩(wěn)定；②主環(huán)的擾動對副環(huán)有影響，但進入副環(huán)的擾動不能影響主環(huán)；③對于進入主流量對象的擾動可以通過自身克服。穩(wěn)定工況下：Q1R=Q2

動態(tài)情況下：設(shè)主流量變化，由于系統(tǒng)存在閉合回路控制，可使恢復(fù)到給定值，同時通過比值系統(tǒng)使副流量作相應(yīng)的變化，保持兩者的工藝比值不變。

2.3比值控制系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)中存在著除流量干擾以外的其他干擾時，原來設(shè)定的比值計算參數(shù)就不能保證產(chǎn)品的最終質(zhì)量，需要進行重新設(shè)置。但是，這種干擾往往是隨機的，且干擾幅度又各不相同，無法用人工經(jīng)常去修正比值計算參數(shù)。因此出現(xiàn)了按照某一工藝指標(biāo)自動修正流量比值的變比值控制系統(tǒng)。一般結(jié)構(gòu)形式如圖2.3-5所示（見下頁）。2.3比值控制系統(tǒng)2.3比值控制系統(tǒng)圖

2.3-5變比值控制系統(tǒng)及方框圖2.3比值控制系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)除流量干擾外的其他干擾引起主參數(shù)A變化時，通過主反饋回路使主控制器AC輸出變化，修改兩流量的比值，以保持主參數(shù)穩(wěn)定。對于進入系統(tǒng)的主流量Q1干擾，由于比值控制回路的快速隨動跟蹤，使流量按Q2=RQ1關(guān)系變化，以保持主參數(shù)A穩(wěn)定，它起了靜態(tài)前饋作用。由于副流量本身的干擾，同樣可以通過自身的控制回路克服，它相當(dāng)于串級控制系統(tǒng)的副回路。因此這種變比值控制系統(tǒng)實質(zhì)上是一種靜態(tài)前饋加串級控制系統(tǒng)

2.3比值控制系統(tǒng)2.3.3比值控制系統(tǒng)的實施

1.應(yīng)用比值器方案

應(yīng)用比值器實現(xiàn)單閉環(huán)比值控制的方案，如圖2.3-6所示

圖2.3-6應(yīng)用比值器實現(xiàn)單閉環(huán)比值控制2.3比值控制系統(tǒng)

若方案由電動單元組合儀表（Ⅲ型）實施，比值運算單元采用比值器，其信號關(guān)系是:

（2.3-2）當(dāng)系統(tǒng)按要求的流量比值穩(wěn)定操作時，調(diào)節(jié)器的測量值等于設(shè)定值，即（2.3-3）所以， （2.3-4）

式中：ＩC2——副流量調(diào)節(jié)器的測量值

Ｉ0——副流量控制器的設(shè)定值（即比值器的輸出值

2.3比值控制系統(tǒng)Ｉc1——主流量的測量值（即比值器的輸入值）Ｋ——比值器的比值系數(shù)（可內(nèi)部設(shè)定）

k與R有一一對應(yīng)關(guān)系，分兩種情況討論：1）流量與測量信號之間存在線性關(guān)系（或采用差壓法測流量并經(jīng)過開方器運算時）

（2.3-5）當(dāng) =0時，（2.3-5）式可寫成：

（2.3-6）2.3比值控制系統(tǒng)式中：——流量變送器的當(dāng)前測量值——流量變送器的測量上限值——流量變送器的測量起始值——流量變送器輸出信號上限值——流量變送器輸出信號下限值所以： （2.3-7）從（2.3-7）式可看出：2.3比值控制系統(tǒng)

1)Ｋ只與Ｒ、測量儀表的量程有關(guān)，與負荷大小無關(guān)（即系統(tǒng)運行中儀表量程不變，比值系數(shù)Ｋ不用重新設(shè)置）。2)Ｋ值的取值范圍為（0.25～4），當(dāng)超出范圍時，可調(diào)整 來滿足要求。一般Ｋ值在1附近為好（后面將進一步說明）。2）差壓法測量流量（未經(jīng)開方運算）時，測量信號

與測量之間的關(guān)系為非線性,由式（2.3-5）可知:

(2.3-8)2.3比值控制系統(tǒng)

這是因為差壓法測量流量（但未經(jīng)開方運算）時（為檢測的差壓信號），此時的

(2.3-9)從式（2.3-9）看出，K同樣與負荷無關(guān)。2．應(yīng)用乘法器方案應(yīng)用乘法器實現(xiàn)單閉環(huán)比值控制的方案，如圖2.3-7所示。2.3比值控制系統(tǒng)

圖2.3-7應(yīng)用乘法器實現(xiàn)單閉環(huán)比值控制2.3比值控制系統(tǒng)

按工藝要求的流量比R來確定設(shè)置乘法器的信號,電Ⅲ型乘法器（4-20mA)的運算信號為:

(2.3-10)式中、均為乘法器的輸入信號，而是乘法器輸出信號。因為系統(tǒng)穩(wěn)定時，

代入（2.3-10）式，可得 （2.3-11）2.3比值控制系統(tǒng)

1）當(dāng)流量為線性變送時

(2.3-12)2）當(dāng)流量為非線性變送時

(2.3-13)

總之用乘法器實現(xiàn)比值控制方案，就是要按工藝要求的流量比值R來設(shè)置。2.3比值控制系統(tǒng)圖2.3-8應(yīng)用除法器來實現(xiàn)比值控制方案3．用除法器的方案2.3比值控制系統(tǒng)

除法器的運算式為 (線性變送

)

(2.3-14)因為穩(wěn)態(tài)時，調(diào)節(jié)器的測量值等于給定值。所以。即

（2.3-15）用除法器來實現(xiàn)比值控制系統(tǒng)類似單回路形式，調(diào)節(jié)器的測量值和給定值都是流量比值，而不是

2.3比值控制系統(tǒng)

流量本身。這樣好處是：直觀，用顯示儀表可直接讀出比值，使用方便（調(diào)比值系數(shù)，只要改變設(shè)定值就可以了，操作方便，工人喜歡用）。但由于除法器包括在控制回路內(nèi)，它本身的非線性使廣義對象的放大倍數(shù)在不同負荷下變化較大，負荷小時系統(tǒng)不易穩(wěn)定。因此我們提倡使用乘法器方案。2.3比值控制系統(tǒng)由于在圖2.3-9所示的控制回路中，除法器輸入為輸出為。所以（2.3-16）

圖2.3-9應(yīng)用除法器實現(xiàn)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖2.3比值控制系統(tǒng)

從（2.3-16）式可看出，這類方案的對象放大倍數(shù)會隨負荷變化。比較乘法器控制系統(tǒng)如圖（2.3-10）所示。圖2.3-10應(yīng)用乘法器實現(xiàn)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖2.3比值控制系統(tǒng)

從圖2.3-10可看出，盡管乘法器也是非線性元件，但在外回路，不影響回路特性?？傊?，當(dāng)采用比值器控制方案時，比值函數(shù)部件的選擇可分：①如果是定比值系統(tǒng)，選擇比值器、乘法器和除法器都可以。②如果是變比值系統(tǒng)，只能選擇乘法器和除法器。③一般將選擇比值器與乘法器組成比值控制系統(tǒng)稱為相乘方案；而將采用除法器組成比值控制系統(tǒng)稱為相除方案。2.3比值控制系統(tǒng)

④組成比值控制系統(tǒng)，采用比值器調(diào)整最簡單（只改變值）；采用乘法器要設(shè)置用信號來改變比值，可以進行遠距離調(diào)整；采用除法器改變調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，就可改變比值調(diào)整方便，顯示直觀，但要注意非線性的影響。2.3.4比值控制系統(tǒng)的投運及整定比值控制系統(tǒng)投運前的準(zhǔn)備工作及投運步驟與單回路控制系統(tǒng)相同。在比值控制系統(tǒng)中，變比值控制系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)上是串級控制系統(tǒng)，因此主控制器按串級控制系統(tǒng)整定。

2.3比值控制系統(tǒng)

雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的主流量回路可按單回路定值控制系統(tǒng)整定。因為副流量回路為一個隨動系統(tǒng)，要快速跟蹤主流量變化，衰減比應(yīng)為n=10：1（震蕩與不震蕩邊界）。

整定步驟為：1．進行K的計算：1）乘法器：計算乘法器的一個相應(yīng)輸入值

2）除法器：計算調(diào)節(jié)器的設(shè)定值3）比值器：計算比值器系數(shù)K。投運后還得進行適當(dāng)調(diào)整。2.3比值控制系統(tǒng)

2．調(diào)節(jié)器采用PI作用（因流量副回路存有噪聲）。3．調(diào)節(jié)器參數(shù)整定：加大比例度，減小積分時間；使衰減比達到10：1。2.3.5比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)實施的若干問題1.主動物料和從動物料的選擇主動物料和從動物料的選擇，大致可分三種情況：

※

取工藝生產(chǎn)中物料供應(yīng)不足一方為主物料，由于副物料供應(yīng)充足，這樣可以在物2.3比值控制系統(tǒng)

料變化的整個范圍內(nèi)都能滿足工藝比值關(guān)系的要求。

※從安全考慮如何選擇主動物料，例如甲烷化爐中甲烷與蒸汽進料的比值控制系統(tǒng)，若以甲烷流量作為主動物料，而作為從動物料的蒸汽流量一旦因某種的制約失控而減量時，常規(guī)設(shè)計的比值控制系統(tǒng)將不能控制主動量減量，最終使水碳比下降，導(dǎo)致觸媒上析碳而失去活性，造成安全事故?！鶑慕?jīng)濟角度考慮，主動物料應(yīng)選擇價格高的。2.3比值控制系統(tǒng)2.比值函數(shù)部件的選擇（比值器、乘法器、除法器）

＊

明確是用相乘還是相除方案（結(jié)構(gòu)形式不同）

＊明確是人工設(shè)定還是有另一調(diào)節(jié)器遠程設(shè)定（即：定比值還是變比值）3.

比值系數(shù)的選取范圍依據(jù)

1）要保證主流量在全范圍內(nèi)變化，副流量也在全范圍內(nèi)變化2.3比值控制系統(tǒng)

因為根據(jù)工藝要求設(shè)定的儀表比值系數(shù)為：

（2.3-17）（1）當(dāng)(的范圍0.25～4)時，由（2.3-17）式。即從～存在使得

（如圖2.3-11所示）。

2.3比值控制系統(tǒng)圖2.3-11當(dāng)K〉1時主、副流量關(guān)系示意圖

2.3比值控制系統(tǒng)從圖中看出當(dāng)主流量變化到時，付流量已達到，這樣在～之間不存在比值關(guān)系。

（2）當(dāng)時，由（2.3-17）式即從～存在使得（如圖2.3-12所示）。全范圍變化，只變化到不能全范圍變化。這樣顯然是閥選得過大了。

（3）如果要實現(xiàn)主、副流量全范圍滿足工藝要求的比值不變，因此一般使，即

2.3比值控制系統(tǒng)

盡量使接近 。因此在值的調(diào)整中應(yīng)注意：①不能太大，否則無法完成比值作用。

②

也不能太小，這樣副流量變送器量程不能充分使用，影響控制精度。

③除法器值取0.5～0.8為好，這是因為從（2.3-15）式可知：當(dāng)=1時

=1×16+4=20mA

（最大值）

2.3比值控制系統(tǒng)當(dāng)=0.5時，

=0.5×16+4=12mA （中間值）

因此除法器值推薦0.5～0.8，這樣調(diào)節(jié)器給定值處于整個量程的中間偏上數(shù)值，這樣既能保證精度又有一定的調(diào)整余地。4．開方器的使用若用差壓法側(cè)流量，且又未經(jīng)開方器時，流量變送環(huán)節(jié)的非線性對靜態(tài)比值是無影響的，但非線性變送環(huán)節(jié)對系統(tǒng)特性是會有影響的。在控制精度要求不高，且負荷變化不大，可不用開方器

2.3比值控制系統(tǒng)

但在控制精度要求高，且負荷變化大，要用開方器。

5.比值控制中的動態(tài)跟蹤問題動態(tài)跟蹤是研究兩流量的動態(tài)特性受到外界干擾時,能夠接近同步變化,做到尾隨跟蹤。如圖2.3-13所示的控制系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：（2.3-18）

2.3比值控制系統(tǒng)圖2.3-13比值控制中的動態(tài)跟蹤系統(tǒng)與方框圖2.3比值控制系統(tǒng)

比值控制要求，副流量隨主流量同步變化無相位差。這樣可加入一個補償環(huán)節(jié)來實現(xiàn)。設(shè)線性變送 ，

。

則 （2.3-19）化簡得到補償式

（2.3-20）