过程控制系统_齐卫红第五章讲解

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1、第五章 比值控制系统 比值控制系统 内容提要 生产过程中经常要求两种或两种以上的物料 以一定的比例混合以后参加化学反应，以保证反 应安全、充分并节约能量，由此提出了比值控制 。本章将重点讲述比值控制系统的常见结构类型 、比值系数的计算、比值控制系统方案的实施、 实施中的有关问题及比值控制系统的投运与整定 的步骤。 第五章 比值控制系统 5.1 概述 工业生产过程中，经常需要两种或两种以上的物 料按一定比例混合或进行反应。一旦比例失调，就会 影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，消 耗动力，造成环境污染，甚至造成生产事故。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

2、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 多化学反应的多个进料要保持一定的比例。因此，凡 是用来实现两种或两种以上的物料量自动地保持一定 比例关系以达到某种控制目的的控制系统，称为比值 控制系统。 第五章 比值控制系统 比值控制系统是控制两种物料流量比值的控制系统，一种物料 需要跟随另一种物料流量的变化。在需要保持比例关系的两种物料 中，必有一种物料处于主导地位，称此物料为主动量（或主物料） ，用表示；而另一种物料以一定的比例随的变化而变化，称为从动 量（或从物料），用表示。由于主、从物料均为流量参数，故又分 别称为主流量和副流量。例如，在燃烧过程的比

3、值控制系统中，当 燃料量增加或减少时，空气流量也要随之增加或减少，因此，燃料 量应为主动量，而空气量为从动量。比值控制系统就是要实现从动 量与主动量的对应比值关系，即满足关系式 （5-1） 式中，K为从动量与主动量的比值。 由此可见，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。 第五章 比值控制系统 5.2 比值控制系统的类型 按照系统结构，可将比值控制系统分为单闭环、双闭环和变 比值控制系统三种结构类型。 从控制原理看，比值控制系统属于前馈控制系统。开环比值 控制系统是最简单的比值控制系统，其实现方法就是根据一种物 料的流量来调节另一种物

4、料的流量，它的系统组成如图5.1所示。 在这个系统中，当主动量增大时，应相应地开大从动量控制阀的 开度，使从动量F2跟随主动量F1变化，以满足的要求。因此，当 F2因管线两端的压力波动而发生变化时，系统不起控制作用，此 时难以保证F2与F1间的比值关系。也就是说，开环比值控制系统 对来自于从动量所在管线的扰动并无抗干扰能力，只能适用于从 动量较平稳且对比值要求不高的场合。而实际生产过程中，对F2 的扰动常常是不可避免的，因此生产上很少采用开环比值控制系 统。 第五章 比值控制系统 图5.1 开环比值控制系统 通常，工业生产过程中采用闭环比值控制系统。为了调节从 动量，从动量应组成闭环，因此，根

5、据主动量是否组成闭环，可 分为单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统。如果比值K来 自于另一个控制器，即主、副物料的流量比不是一个固定值，则 该比值控制系统就是变比值控制系统。 第五章 比值控制系统 5.2.1 单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的不足， 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 ，如图5.2所示。 图5.2 单闭环比值控制系统 第五章 比值控制系统 从图5.2（a）可看出，单闭环比值控制系统与串级控制系 统具有相类似的结构形式，但两者是不同的。单闭环比值控制 系统的主动量相当于串级控制系统的主变量，但其主动量并没 有构成闭环系统，

6、F2的变化并不影响到F1，这就是两者的根本 区别。 在稳定状态下，主、副流量满足工艺要求的比值，F2/F1 K。当主流量变化时，其主流量信号F1经变送器送到比值计算 装置（通常为乘法器或比值器），比值计算装置则按预先设置 好的比值使输出成比例地变化，也就是成比例地改变副流量控 制器的设定值，此时副流量闭环系统为一个随动控制系统，从 而使F2跟随F1变化，使得在新的工况下，流量比值K保持不变 。当主流量没有变化而副流量由于自身扰动发生变化时，副流 量闭环系统相当于一个定值控制系统，通过自行控制克服扰动 ，使工艺要求的流量比值仍保持不变。 第五章 比值控制系统 如图5.3所示，为单闭环比值控制系统

7、 实例。丁烯洗涤塔的任务是用水除去丁烯馏 分中所夹带的微量乙腈。为了保证洗涤质量 ，要求根据进料流量配以一定比例的洗涤水 量。 总之，单闭环比值控制系统不仅能使从 动量的流量跟随主动量的变化而变化，实现 主、从动量的精确流量比值，还能克服进入 从动量控制回路的扰动影响。因此，其主、 从动量的比值较为精确，而且比开环比值控 制系统的控制质量要好。单闭环比值控制系 统的结构形式较简单。所增加的仪表投资较 少，实施起来亦较方便，而控制品质却有很 大提高，因而被大量应用于生产过程控制， 尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制 的场合。 图5.3 丁烯洗涤塔进料与 洗涤水之比值控制 第五章 比值控制系统

8、 单闭环比值控制系统中，虽然两物料比值一 定，但由于主动量是不受控制的，所以总物料量（ 即生产负荷）是不固定的，这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。因 负荷的波动有可能造成反应不完全，或反应放出的 热量不能及时被带走等，从而给反应带来一定的影 响，甚至造成事故。此外，这种方案对于严格要求 动态比值的场合也是不适应的。因为这种方案的主 动量是不定值的，当主动量出现大幅度波动时，从 动量相对于控制器的设定值会出现较大的偏差，也 就是说，在这段时间里，主、从动量的比值会较大 地偏离工艺要求的流量比，即不能保证动态比值。 第五章 比值控制系统 5.2.2 双闭环比值控制系统

9、双闭环比值控制系统是为了克服单闭环比值控制系统主动量 不受控、生产负荷在较大范围内波动的不足而设计的。在主动量 也需要控制的情况下，增加一个主动量控制回路，单闭环比值控 制系统就成为双闭环比值控制系统，如图5.4所示。 图5.4 双闭环比值控制系统 第五章 比值控制系统 如图5.5所示，为某溶剂厂生产中采用的二氧化碳与氧气流量 的双闭环比值控制系统的实例。双闭环比值控制系统由于主动量 控制回路的存在，实现了对主动量的定值控制，大大克服了主流 量干扰的影响，使主流量变得比较平稳，通过比值控制副流量也 将比较平稳。这样不仅实现了比较精确的流量比值，而且也确保 了两物料的总流量（即生产负荷）能保持稳

10、定，这是双闭环比值 控制的一个主要优点。 图5.5 二氧化碳与氧气流量双闭环比值控制系统 第五章 比值控制系统 双闭环比值控制的另一个优点是升降负荷比较方便，只要缓 慢地改变主动量控制器的设定值，就可以升降主动量，同时从动 量也就自动跟踪升降，并保持两者的比值不变。双闭环比值控制 方案主要应用于主动量扰动频繁且工艺上不允许负荷有较大波动 ，或工艺上经常需要升降负荷的场合。但由于双闭环比值控制方 案使用仪表较多，投资高，而且投运也较麻烦，因此，如果没有 以上控制要求，采用两个单独的单回路定值控制系统来分别稳定 主、副流量，也能使两种物料保持一定的比例关系（仅仅在动态 过程中，比例关系不能保证）。

11、这样在投资上可节省一台比值装 置，而且两个单回路流量控制系统在操作上也较方便。 在采用双闭环比值控制方案时，还需防止共振的产生。因主 、副流量控制回路通过比值器是相互联系的，当主流量进行定值 控制后，它变化的幅值会大大减小，但变化的频率往往会加快， 使副流量控制器的设定值经常处于变化之中，当主流量回路的频 率和副流量回路的工作频率接近时，就有可能引起共振，使副流 量回路失控，以致系统无法正常投入运行。因此，对主流量控制 器进行参数整定时，应尽量保证其输出为非周期变化，以防止产 生共振。 第五章 比值控制系统 5.2.3 变比值控制系统 前面介绍的两种控制系统都属于定比值控制系统，控 制的目的是

12、要保持主、从物料的比值关系为定值。但有些 化学反应过程，要求两种物料的比值能灵活地随第三变量 的需要而加以调整，这样就出现了变比值控制系统。 在生产上维持流量比恒定往往不是控制的最终目的， 而仅仅是保证产品质量的一种手段。定比值控制方案只能 克服来自流量方面的扰动对比值的影响，当系统中存在着 除流量扰动外的其他扰动（如温度、压力、成分及反应器 中触媒活性变化等扰动）时，为了保证产品质量，必须适 当修正两物料的比值，即重新设置比值系数。由于这些扰 动往往是随机的，扰动的幅值也各不相同，显然无法用人 工方法经常去修正比值系数，定比值控制系统也就无能为 力了。因此，出现了按照一定工艺指标自行修正比值

13、系数 的变比值控制系统。如图5.6所示，为一个用除法器组成的 变比值控制系统。 第五章 比值控制系统 图5.6 变比值控制系统 由图可见，变比值控制系统是比值随另一个控制器输出变化 的比值控制系统。其结构是串级控制系统与比值控制系统的结合 。它实质上是一个以某种质量指标为主变量、两物料比值为副变 量的串级控制系统，所以也称为串级比值控制系统。根据串级控 制系统具有一定自适应能力的特点，当系统中存在温度、压力、 成分、触媒活性等随机扰动时，这种变比值系统也具有能自动调 整比值、保证质量指标在规定范围内的自适应能力。因此，在变 比值控制系统中，流量比值只是一种控制手段，其最终目的通常 是保证表征产

14、品质量指标的主被控变量恒定。 第五章 比值控制系统 以图5.7所示硝酸生产中氧化炉的炉温与氨气/空气比值所组成 的串级比值控制方案为例，说明变比值控制系统的应用。 图5.7 氧化炉温度与氨气/空气串级比值控制系统 第五章 比值控制系统 氧化炉是硝酸生产中的关键设备，原料氨气和空气在混合器内混 合后经预热进入氧化炉，氨氧化生成一氧化氮（NO）气体，同时放 出大量的热量。稳定氧化炉操作的关键条件是反应温度，因此氧化炉 的温度可以间接表征氧化生产的质量指标。若设计一套定比值控制系 统来保证进入混合器的氨气和空气的比值一定，就可基本上控制反应 放出的热量，即基本上控制了氧化炉的温度。但影响氧化炉温度变

15、化 的其他扰动很多，经计算得知，当氨气在混合器中的含量每增加1% 时，氧化炉的温度将上升64.9 所以，成分变化是在比值不变的情况 下改变混合器内氨含量的直接扰动。其他扰动（如进入氧化炉的氨气 、空气的初始温度等）的变化，意味s着物料带入的能量变化，直接 影响炉内温度；负荷的变化关系到单位时间内参加化学反应的物料量 ，由改变释放反应热的多少而影响炉内温度。因此，仅仅保持氨气和 空气的流量比值，尚不能最终保证氧化炉温度不变，还需根据氧化炉 温度的变化来适当修正氨气和空气的比例，以保证氧化炉温度的恒定 。图5.7所示的变比值控制系统就是根据这样的意图而设计的。由图 可见，当出现直接引起氨气/空气流

16、量比值变化的扰动时，可通过比 值控制系统得到及时克服而保持炉温不变。而当其他扰动引起炉温变 化时，则通过温度控制器对氨气/空气比值进行修正，使氧化炉温度 恒定。 第五章 比值控制系统 在变比值控制方案中，选取的第三参数主要是衡量质量 的最终指标，而流量间的比值只是参考指标和控制手段。因 此在选用变比值控制时，必须考虑到作为衡量质量指标的第 三参数能否进行连续的测量变送，否则系统将无法实施。由 于具有第三参数自动校正比值的优点，且随着质量检测仪表 的发展，变比值控制可能会越来越多地在生产上得到应用。 需要注意的是，上面提到的变比值控制方案是用除法器 来实施的，实际上还可采用其他运算单元（如乘法器）来实 施。同时从系统的结构看，上例是单闭环变比值控制系统， 如果工艺控制需要，也可构成双闭环变比值控制系统。 第五章 比值控制系统 5.3 比值系数的计算 在此，有必要把流量比值K和设置于仪表的比值 系数 K区别开来，因为工艺上规定的比值是指两物 料的（质量或体积）流量之比，而目前通用的仪表则 使用统一的标准信号（例如，电动仪表使用010 mA或4