比值控制系统设计与仿真

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1、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

2、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

3、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。1.1比值控制系统定义工业中存在着大量按原料配比进行生产的过程，要求将原料配比进行控制， 然而配比的变化往往意味着产品产量下降、质量下降、能量浪费、物料浪费、成 本提高、

4、环境污染、甚至安全事故。在化工、炼油及其他工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料 保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。例如，在煤气燃烧过程中，要求煤气与助燃空气按一定配比(最佳为1：1.05) 供入燃烧室。若助燃空气输入不足，煤气得不到充分燃烧，降低了燃烧效率，造 成能源浪费，环境污染，还有可能导致环境中大量煤气积存而成为事故隐患；若 阻燃空气过量，过剩空气又将大量热量以废气形式排放，造成热能的大量浪费。为此，我们引入比值控制系统。在过程控制中，实现两个或两个以上参数符 合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常以保持两种或几种物料的 流量为一定比例关系的系

5、统，称之流量比值控制系统。这种控制方式在化工、制 药领域中大量存在。1.2比值控制原理在炼油、化工、制药等许多生产过程中，经常需要两种物料或两种以上的物料保 持一定的比例关系。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，许多化学反应的诸个进料要保持一定的比例。通常，在两个需要保持一定比例关系的物料中，一个是主动量或关键量，另一个 是从动量或辅助量。由于物料通常是液体，因此称主动量为主流量Q1从动量为副流 量Q2。Q1与Q2之间的关系为Q2=KQ1(1-1)式中，K为比值系数。因此，只要主副流量

6、的给定值保持比值关系，或者副流量给定值随主流量按一定 比例关系而变化即可实现比值控制。1.3比值控制系统特点比值控制系统的特征：是实现两个或两个以上物料保持一定比例关系。1. 主物料，也称为主动量：在要保持一定比例关系的物料中，把起主导作用的物料，称为主物料（主动量）， 因为在过程控制中经常保持比例的参数是流量，故常用Q1表示。2. 从物料，也称为从动量：另一种随主物料的变化而成比例地变化的物料称为从物料（从动量），常用Q2 表示。3. 比值系数：若两物料的比值系数设定为K，则有：1.4比值控制系统的类型Q（1 2）根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等要求不同，实际采用的比值 控制方

7、案也不同。比值控制系统按比值的特点可分为定比值和变比值控制系统。两个 或两个以上参数之间的比值是通过改变比值器的比值系数来实现的，一旦比值系数确 定，系统投入运行后，此比值系数将保持不变（为常数），具有这种特点的系统称为 定比值控制系统。如果生产上因某种需要对参数间的比值进行修正时，需要人工重新 设置新的比值系数，这种系统的结构一般比较简单。两个或两个以上参数之间的比值 不是一个常数，而是根据另一个参数的变化而不断的修正，具有这种特点的系统称为 变比值控制系统，这种系统的结构一般比较复杂。比值控制系统按结构特点可分为简单比值和复杂比值控制系统。凡构成一个闭环 以下的比值控制系统称为简单比值控制

8、系统；凡构成两个闭环以上的比值控制系统称 为复杂比值控制系统。比值控制系统可笼统分为：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、串级比值及变比值控制系统等。下面我们一一简单 介绍这五种控制系统。1.4.1开环比值控制系统开环比值控制系统是结构最简单的比值控制系统，其工艺流程图和原理方块图如 图1-1所示。其中FT为检测变送器，FC为比值控制器。主物料山主流量户绐定值X从物料从流量0（1）工艺流程图（2）原理方框图图1-1开环比值控制系统由原理方块图我们可以总结开环比值控制系统的特点如下：1）当系统处于稳定工作状态时，两物料的流量满足比值关系。2）当主动量受到干扰而发生变化时，

9、系统通过比值器及设定值按比例去改变控 制阀的开度，调节从动量使之与主动量仍保持原有的比例关系。3）当从动量受到外界干扰（如温度、压力扰动）波动时，由于是开环控制，没 有调节从动量自身波动的环节，也没有调整主动量的环节，故两种物料的比值关系很 难保持不变，系统对此无能为力。开环比值控制是理解比例控制工作机理的基础，在实际工程上很少应用。1.4.2单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用 以实现主、副物料的比值保持不变。工艺流程图及原理框图如图1 -2所示。女物料|主流景（1）工艺流程图（2）原理方框图图1-2单闭环比值控制系统1. 单闭环比值控制系

10、统原理单闭环比值控制系统是由两个信号即主流量Q1、副流量Q 2，两个变送器、调节 器、执行机构和一个以Q2作为反馈信号的闭环回路组成。在稳定时，能实现主、副 流量的工艺比值的要求，即Q2/Q1 = K （K为常数）。系统原理框图如图1-3所示。 当主流量Q1不变、而副流量Q 2受到扰动时，则可通过副流量的闭合回路进行定值控 制。主流量调节器W（s）的输出作为副流量的给定值。当主流量Q1受到扰动时，吧唐） 则按预先设置好的比值使其输出成比例变化，即改变Q2的给定值。W（s）根据给定 值的变化，发出控制命令以改变调节阀的开度，使副流量Q 2跟随主流量Q1而变化， 从而保证原设定的比值不变。当主副流

11、量同时受到扰动时，调节器吧1（s）在克服副流 量扰动的同时，又根据新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副流量在新的流量数 值的基础上，保持其原设定值的比值关系。它不但可以实现副流量跟随主流量的变化 而变化，而且还可以克服副流量本身干扰对比值的影响。可见，该系统能确保主、副 两个流量的比值不变，同时，系统的结构又较简单，方案实现起来方便，仅用一台比 值器或比例调节器即可，因而在工业过程自动化中广泛应用。2. 单闭环比值控制系统的四种工作情况：（1）当系统处于稳定工作状态时，主、副物料流量的比值恒定。如图1-3单闭环比值控制系统的原理框图，由图可知：图1-3单闭环比值控制系统的原理框图稳态时：（吧

12、电）Q1 =吧2Q 2Q _ W - W _Q _当Q1不变，Q2受到扰动时，闭合回路进行定值控制。当Q1受到扰动时，吧1（s） 输出变化，Q2跟随Q1变化，保证原设定的比值不变。单闭环比值控制系统适用于负荷变化不大，主流量不可控制，两种物料间的比值 要求较精确的生产过程。（2）当主物料流量不变，副物料流量受到扰动变化时，可通过副流量的闭合回路 调整副物料流量使之恢复到原设定值，保证主、副物料流量比值一定。（3）当主物料流量受到扰动变化，而副物料不变时，则按预先设置好的比值使比 值器输出成比例变化，即改变给定值，根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调 节阀的开度，使副流量跟随主流量而变化，从

13、而保证原设定的比值不变。(4) 当主、副物料流量同时受到扰动变化时，调节器在调整副物料流量使之维持 原设定值的同时，系统又根据主物料流量产生新的给定值，改变调节阀的开度，使主、 副物料流量在新的流量数值的基础上，保持原设定值的比值关系不变。总之，单闭环比值控制系统虽然能保持主、副物料流量比值不变，但是无法控制 主物料的流量不变，因此，对生产过程的生产能力没有进行控制。该控制系统能保证 主、副物料的流量比值不变，同时，系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应 用较广。【例1-1】利用单闭环比值随动控制实现水泥生产中萤石自动配料。水泥生产中，为了降低水泥中fCaO (游离氧化钙，又称游离钙)含量

14、，提高水 泥熟料质量，要求在石灰石中按一定比例自动连续地掺加萤石。利用如图1-4所示的 单闭环比值控制的方式可以实现萤石与石灰石比例的恒定，达到了提高水泥质量的目 的。图1-4萤石单闭环比值控制自动配料系统框图图中粗线代表物料运送，细线代表控制线路。其中，控制中以石灰石为主动量， 萤石为从动量。比值系数为两物料重量之比。1.4.3双闭环比值控制系统为了克服单闭环比值控制系统中主动量不受控制而产生的系统生产能力“失控” 状况，在单闭环比值控制的基础上，对主动量也设置了一个闭环回路，构成对主、副 物料流量都进行控制的双闭环比值控制系统。其工艺流程图和原理方框图如图1-5 所示。双闭环比值控制系统是

15、由一个定值控制的主流量回路和一个跟随主流量变化的 副流量控制回路组成的。主流量控制回路能克服主流量扰动，实现定值控制；副流量 控制回路能抑制作用于副回路中的扰动，使副流量与主流量成比值关系。当扰动消除 后，主、副流量都恢复到原设定值上，其比值不变，并且主、副流量变化平稳。当系 统需要升降负荷时，只要改变主流量的设定值，主、副流量就会按比例同时增加或减小，从而克服上述单闭环比值系统的缺点。给定值图1-6双闭环比值控制系统原理框图（2）原理方框图（1）工艺流程图图1-5双闭环比值控制系统在双闭环比值控制系统工作时，若主动量受到干扰发生波动，则主动量回路对其 进行定值控制，使主动量始终稳定在给定值附

16、近，同时从动量控制回路也会随主动量 的波动进行调整；当从动量受到扰动发生波动时，从动量控制回路对其进行定值控制， 使从动量始终稳定在定值附近，而主动控制回路不受从动量波动的影响。因此，因扰动而发生的主动量和从动量波动利用各自控制回路分别实现实际值与 给定值吻合，从而保证主、副物料流量的比值恒定。当调节主动量给定值时，主动量控制回路调节主动量实际值和给定值吻合；同时， 根据主动量与从动量的比值及新的主动量给定值，系统给出从动量控制回路的输入 值。通过从动控制回路的调节控制使从动量的实际值与该输入值吻合，即从动控制量 的实际值与主动量变动后的数值相对应，保持主动量和从动量的比值不变。如图1-6所示双闭环比值控制系统 原理框图。其中