會計學1比值均勻前饋過程控制下圖表示兩個串聯(lián)的精餾塔獨立設置控制系統(tǒng).兩個獨立甲塔乙塔運行的單回路液位控制系統(tǒng)和流量控制系統(tǒng)工作時是相互矛盾的.為解決矛盾,可在兩塔之間增設中間緩沖容器來克服,但這增加了投資且對于某些生產連續(xù)性很強的過程又不允許中間儲存的時間過長,因此還需從自動化方案的設計上尋求解決的方法.均勻控制就是一種解決方案.均勻控制系統(tǒng)把液位﹑流量統(tǒng)一在一個控制系甲塔統(tǒng)中,如左圖所示.所謂均勻控制系統(tǒng)是指兩個工藝參數在規(guī)定范圍內能緩慢地﹑均勻地變化,使前后設備在物料供求上相互兼顧﹑均勻協(xié)調的系統(tǒng).第1頁/共38頁均勻控制的特點是表征前后供求矛盾的兩個參數各自允許在規(guī)定范圍內緩慢地變化.

二﹑均勻控制系統(tǒng)的結構方案

(一)簡單均勻方案下圖即為液位和流量的簡單均勻控制系統(tǒng)的例子.甲塔從系統(tǒng)結構形式上看,它與單回路液位定值控制系統(tǒng)一樣,但兩者控制目的不同,所以在控制器的參數整定上也不同.下面分三種情況說明.第一種情況,控制器的較大,即控制作用較強,在干擾作用下液位偏離給定值時,控制器給出強有力的控制作用,使液位迅速回到給定值,且余差很小,但流量發(fā)生較大的波動.如右圖所示.第2頁/共38頁第二種情況,控制器的很小,即控制作用很弱,當干擾使液位大幅波動時,閥門開度基本不變,則流量的波動就很小.如下左圖所示.第三種情況,控制器的取值適當,使控制作用較為溫和,在干擾作用下,液位和流量均在各自允許的范圍內緩慢變化,如上右圖所示.通常,簡單均勻方案中的控制器采用純比例控制,且比例度較大,一般大于100%,當需采用PI控制時,應使積分弱些,即積分時間常數整定的大些.

簡單均勻控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點是結構簡單,投運方便,成本低廉.但當前后設備的壓力變化較大時,盡管控制閥的開度不變,輸出流量也會發(fā)生變化,所以它適用于干擾不大,要求不高的場合.此外,在液位對象的自衡能力較強時,均勻控制的效果也較差.第3頁/共38頁(二)串級均勻方案

當前后設備的壓力變化較大,或液位對象的自衡能力較強而不宜采用簡單均勻方案時,可考慮串級均勻方案.下圖是精餾塔的塔釜液位與采出流量的串級均勻控制方案.甲塔乙塔從結構上看,它與一般的液位和流量串級控制系統(tǒng)是一致的.但在此引入一流量副回路與液位回路組成串級控制的目的不是為了提高主變量液位的控制質量,而主要是克服控制閥前后壓力的波動及自衡作用對流量的影響,使液位和采出流量變化平緩.

設干擾使甲塔液位上升,液位控制器的輸出信號隨之增大,流量控制器使控制閥緩慢開大,則液位不是立即快速下降,而是繼第4頁/共38頁續(xù)緩慢上升,同時乙塔的進料量也緩慢增加,當液位上升到某一數值時,甲塔采出量等于在干擾作用下的入料量,液位不再上升而暫處某一高度.從而使液位和流量都處于緩慢變化中,達到均勻協(xié)調的控制目的.

如干擾來自乙塔塔壓變化而使其入料量發(fā)生變化,則先由流量副回路控制,當這一控制作用使甲塔液位受到影響時,再由液位控制器改變流量控制器的設定值,讓流量控制器作進一步的調整,緩慢改變控制閥的開度兩控制器互相配合,使液位和流量都在允許的范圍內緩慢地均勻變化.

串級均勻控制系統(tǒng)中兩控制器一般采用P或PI控制,而不加微分作用.第5頁/共38頁(三)雙沖量均勻方案“沖量”的原義是短暫作用的信號或參數,在此引申為連續(xù)的信號或參數.雙沖量均勻控制系統(tǒng)的結構見下圖.甲塔與串級均勻控制相比,前者用一個加法器取代主控制器,是以液位和流量的測量信號經加法器后作為系統(tǒng)的被控變量.現假定采用電動儀表構成系統(tǒng),閥門為氣開式,流量控制器選正作用.加法器在穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出為:上式中,是加法器輸出;分別為液位變送器和流量變送器的輸出;為恒流源輸出.在工況穩(wěn)定的情況下,通過調整值,使加法器的輸出等于流量控制器的給定值閥門處于某一開度.若受到干擾使液位上升,則增加由于流量控制器為正作用,也增加,閥開度增大,第6頁/共38頁流量也開始增加.同時,液位從某一瞬間開始逐漸下降即閥門開度,當液位和流量變送器的輸出逐漸接近到某一數值時,加法器的輸出重新恢復到流量控制器的給定值,系統(tǒng)又逐漸趨于穩(wěn)定,控制閥停留在新的開度上,液位和流量在允許范圍內重新穩(wěn)定下來.

雙沖量均勻控制系統(tǒng)在結構上相當于兩個變量信號之差作為被控量的單回路控制系統(tǒng),其一般方框圖如下液位對象控制閥流量對象H設定值控制器流量變送器加法器液位變送器第7頁/共38頁

三﹑控制器的參數整定

三種均勻方案中的控制器可選P或PI控制作用,一般不選用微分作用.控制器的比例度要大,積分時間要長,即控制力度要小些,以突出一個“慢”字.簡單均勻控制系統(tǒng)和雙沖量均勻控制系統(tǒng)在結構上與單回路控制系統(tǒng)相同,因此它們的控制器參數整定的方法與單回路控制系統(tǒng)一樣.下面討論串級均勻控制系統(tǒng)控制器參數整定的兩種方法.(一)經驗逼近法

(二)定量計算法(補充)

以串級均勻方案中的前后精餾塔的塔釜液位與采出流量的串級均勻控制為例加以說明.第8頁/共38頁4-7比值控制系統(tǒng)

一﹑基本概念在化工﹑煉油及其它工業(yè)生產過程中,工藝上常需要兩種或兩種以上的物料保持一定的比例關系,比例一旦失調,將影響生產或造成事故.例如,在造紙生產過程中,濃紙漿和水按一定的比例混合,才能制造出一定濃度的紙漿,顯然這個流量比和產品質量有密切的關系.在重油氣化的造氣過程中,進入氣化爐的氧氣和重油流量應保持一定的比例,若氧油比過高,會因爐溫過高而使噴嘴和耐火磚燒壞,嚴重時會引起爐體爆炸;如果氧量過低,則因生成的碳黑增多,發(fā)生堵塞現象.

實現兩個或兩個以上參數符合一定比例關系的控制系統(tǒng),稱為比值控制系統(tǒng).

通常以保持兩種或幾種物料第9頁/共38頁的流量為一定比例關系的系統(tǒng),稱之流量比值系統(tǒng).

在需要保持比值關系的兩種物料中,必有一種物料處于主導地位,這種物料稱之為主物料,表征這種物料的參數叫主動量.由于在生產過程控制中主要是流量比值控制系統(tǒng),所以主動量也稱為主流量,用表示;而另一種物料按主物料進行配比,在控制過程中隨主物料而變化,因此稱為從物料,表征其特性的參數叫從動量或副流量,用表示.一般情況下,總把生產中主要物料定為主物料.但在有些場合,以不可控物料定為主物料,用改變可控物料即從物料來實現它們之間的比值關系.工藝上要求的比值定義為:

在比值控制系統(tǒng)中,從動量隨主動量按一定比例變化,故比值控制系統(tǒng)實際上是一種隨動系統(tǒng).第10頁/共38頁

二﹑比值控制系統(tǒng)的類型(一)開環(huán)比值控制系統(tǒng)開環(huán)比值控制系統(tǒng)是最簡單的比值控制系統(tǒng),其系統(tǒng)組成如下圖所示.設定值穩(wěn)態(tài)時,,當主物料在某一時刻因干擾作用發(fā)生變化時,比值器按對設定值的偏差而動作,按比例發(fā)出信號去改變控制閥的開度,使從物料重新與變化后的保持原有的比例關系.其實質是滿足控制閥的閥門開度與之間成一定的比例關系.但是,當因其管線兩端壓力波動而發(fā)生變化時,系統(tǒng)不起控制作用,控制閥開度不變,難以保證與的比值關系.開環(huán)比值控制系統(tǒng)結構簡單,只能適用于副流量較平穩(wěn)且比值要求不高的場合.第11頁/共38頁開環(huán)比值控制系統(tǒng)的方框圖如下所示.(二)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)下圖是一單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的實例.控制閥設定值比值器流量變送器洗滌塔含乙腈的丁稀餾分含乙腈的洗滌水洗滌水丁稀丁稀洗滌塔的作用是用水除去丁稀餾分所夾帶的微量乙腈,為保證洗滌質量,要求根據進料流量配以一定比例的洗滌水流量.單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖如下.比值器流量變送器對象控制器控制閥流量變送器第12頁/共38頁在穩(wěn)定工況下,主﹑副流量滿足工藝要求的比值當主流量變化時,經流量變送器送到比值器,比值器按預先設置好的比值經計算使輸出成比例地變化,即成比例地改變副流量控制器的給定值,此時副流量閉環(huán)系統(tǒng)為一隨動控制系統(tǒng),使跟隨變化,在新的工況下,流量比值保持不變.當副流量由于干擾而變化時,副流量閉環(huán)系統(tǒng)相當于一個定值控制系統(tǒng),自行調節(jié),使工藝要求的流量比仍保持不變.

單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的優(yōu)點是不但能實現副流量跟隨主流量的變化而變化,而且能克服副流量本身干擾對比值的影響,因此主副流量的比值較為精確,結構新形式較為簡單,實施方便,應用較為廣泛,尤其適用于主物料在工藝上不允許進行控制的場合.

其缺點是,由于主流量不受控制,當主流量因干擾或負荷的變化而出現大幅度變化時,副流量在控制過程中,相對于控制器的設定值會出現較大的偏差,主﹑副流量的第13頁/共38頁比值會較大地偏離工藝要求的流量比,即不能保證動態(tài)比值.(三)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)在單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎上,增設對主流量的控制回路即構成雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng),下圖所示為溶劑廠生產中采用的二氧化碳與氧氣流量的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng).混合反應器二氧化碳氧氣下右圖是雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的方框圖.主對象主控器控制閥主流量變送器控制閥副對象副控器副流量變送器比值器第14頁/共38頁雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的主控回路是一定值系統(tǒng),使主流量的變化較為平穩(wěn),從而副流量的變化也較平穩(wěn),提高了流量比值的精確度,另一優(yōu)點是,提降負荷比較方便只要緩慢地改變主控器的給定值,就可提降主流量,而副流量也可自動跟蹤提降.

雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的缺點除結構稍復雜,投資稍多外,由于兩個閉環(huán)通過比值器互相聯(lián)系,當主﹑副控制器參數整定不當時,會引起“共振”,為防“共振”,應通過對主控制器的參數整定,盡量使主回路的輸出為非周期變化.主﹑副控制器一般選PI控制.(四)變比值控制系統(tǒng)上述各種比值控制都是定比值方案.但生產上維持流量比恒定往往不是控制的最終目的,僅僅是保證產品質量的一種手段.當系統(tǒng)中存在除流量干擾外的其它干第15頁/共38頁擾,如溫度﹑壓力﹑成分及反應器中觸媒活性變化等干擾時,為保證產品質量,必須修正兩物料的比值.但上述干擾一般是隨機的,干擾幅值又各不相同,因此無法用人工經常去修正比值系數.變比值控制系統(tǒng)可自動修正比值系數.下面舉例說明.空氣氧化爐預熱氨氣混合氧化爐是硝酸生產中的關鍵設備,原料氨氣和空氣在混合器內混合后經預熱器進入氧化爐,氨氧化生成一氧化碳氣體,同時放出大量熱量穩(wěn)定氧化爐操作的關鍵條件是反應溫度.因此氧化爐溫度是表征氧化生產質量指標的間接參數,選其為主被控量.第16頁/共38頁若能保證進入混合器的氨氣和空氣的一定比值,可基本上控制反應放出的熱量,也控制了氧化爐的溫度.空氣氧化爐預熱氨氣混合但影響氧化爐溫度變化的干擾很多,如進入氧化爐的氨氣﹑空氣的初始溫度,意味著物料帶入的能量的變化,直接影響爐溫;負荷的變化關系到單位時間內參加化學反應的物料量,由改變釋放反應熱的多少而影響爐溫;氧化爐內觸媒的活性變化,大氣溫度﹑壓力變化也對爐內溫度有不同程度的影響;進混合器的氨氣﹑空氣的溫度﹑壓力的變化,會影響流量測量的精度,若不進行補償,則要影響它們的真實比值,經計算得知,當氨氣在混合器內含量增加1%時,爐溫將上升第17頁/共38頁由圖可見,當出現直接引起氨/空氣流量比值變化的干擾空氣氧化爐預熱氨氣混合時,通過比值控制系統(tǒng)得到及時克服而保持爐溫不變,對于其它干擾引起爐溫變化時,則通過溫度控制系統(tǒng)對氨/空氣比值進行修正,使氧化爐溫度恒定.可見,此方案是一單閉環(huán)變比值控制系統(tǒng),不過此處的單閉環(huán)是以某種質量指標為主參數兩物料比值為副參數的串級控制系統(tǒng),故稱其為串級變比值控制系統(tǒng).由于串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應能力,這種變比值控制系統(tǒng)中存在溫度﹑壓力﹑成分﹑觸媒活性等隨機干擾時,能自動調整比值﹑保證質量指標在規(guī)定范圍內的自適應能力,所以此種系統(tǒng)也曾叫自整配比控制系統(tǒng).第18頁/共38頁其一般方框圖如下.

三﹑比值控制系統(tǒng)的實施

(一)比值系數的折算比值控制解決物料量之間的比例關系,工藝上規(guī)定處對象控制閥流量對象主控器流量變送器比值器流量變送器除法器主參數測量變送器的比值是指兩物料的體積流量或重量流量之比,而目前儀表使用統(tǒng)一標準信號,如電動儀表是0-10mA或4-20mA直流電流,氣動儀表是0.02-0.1MPa氣壓信號.因此必須把工藝規(guī)定的比值換算成儀表信號之間的比值系數才能進行比值設定.第19頁/共38頁(1)流量與測量信號成線性關系時的折算

當使用轉子流量計﹑渦輪流量計﹑橢圓齒輪流量計或帶開方器的差壓變送器測量流量時,流量信號與測量信號成線性關系.設測量儀表輸入流量下限為,輸入流量上限為,則測量儀表輸入流量的量程為,量程中的任一中間值用表示.電動儀表輸出信號的下限為輸出信號的上限為,則電動儀表輸出信號的量程為,輸出量程中的任一中間值用表示.氣動儀表輸出信號的下限為,輸出信號的上限為,則氣動儀表輸出信號的量程為,輸出量程中的任一中間值用表示.第20頁/共38頁對于電動儀表比值系數的折算公式推導如下:因被測流量在輸入量程中的任一中間值所對應的輸出電流值為:,設測副流量電動儀表的輸出電流為,測主流量電動儀表的輸出電流為儀表信號之間的比值系數則由上式可得:如測主﹑副流量的電動儀表輸出量程相同(0-10mA或4-20mA),則上式為:對于氣動儀表,也同理可得上面折算公式.可見,對于輸出信號范圍相同的儀表,比值系數的折算公式是一致的.第21頁/共38頁(2)流量與測量信號成非線性關系時的折算

在使用節(jié)流裝置測量流量而未經開方處理時,流量與差壓的非線性關系為:,左式中c為比例系數設測量儀表可測差壓的下限為,對應的流量下限為,測量儀表可測差壓的上限為,對應的流量上限為,在差壓上﹑下限中間的任一中間值用表示,則對應的中間流量值為,對于電動儀表有:第22頁/共38頁當時有對于氣動儀表也可得到與上式一樣的結論.從上面的推導結果可見,比值系數的折算與儀表的型號無關,但與流量是否和測量信號成線性關系有關.

請注意以下幾點:(a)工藝上的流量比值與儀表信號間比值系數是兩個不同的概念,不能混淆;(b)比值系數的大小與流量比的值有關,也與測量變送器的輸入﹑輸出量程有關,但與負荷的大小無關;

(c)流量與測量信號之間有無非線性關系對折算式有直接影響,線性關系時,平方根的非線性關系時.但儀表的輸入信號范圍不一致及起始點是否為零,均對折算式無影響.第23頁/共38頁(二)比值控制的實施方案(1)相乘方案由,可對的測量值乘上某一系數,作為流量控制器的給定值,稱為相乘方案,如下圖.例:有一用乘法器實施的單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的信號關系如下圖.乘法器流量變送器對象控制器控制閥流量變送器圖中乘法器選用DDZ-Ⅲ的電動乘法器,其輸入﹑輸出信號范圍為4-20mADC,則有:第24頁/共38頁根據比值控制要求,乘法器的和應有如下關系式:,與前式相比,可得:因此,只要外設定電流,就能實現預定的比值控制要求.

用乘法器實現比值控制時,比值設置調整的步驟為:先由工藝規(guī)定兩物料的流量比值,視測量變送器的儀表特性,正確計算出比值系數,然后根據所使用的乘法器運算式,由值計算出乘法器的外設定信號需注意的是,由于外設信號受儀表統(tǒng)一信號范圍的限制的變化范圍僅在0~1之間,而不能大于1.(2)相除方案由兩流量比值,也可將和的測量值相除,作為比值控制器的測量值,此稱為相除方案.第25頁/共38頁下左圖即為相除方案.其方框圖及信號關系見下右圖.比值給定控制閥流量對象比值器除法器流量變送器流量變送器圖中除法器選用DDZ-Ⅲ的電動除法器,其輸入﹑輸出信號范圍為4-20mADC,則有:當系統(tǒng)處于穩(wěn)定時,比值控制器的,滿足規(guī)定的比值,此時比值控制器的給定值為:第26頁/共38頁由式可見,用除法器計算比值系數時,不能使用在1附近,因比值系數等于1,則比值設定和除法器輸出均達最大值.如出現干擾使或因除法器輸出已飽和,雖增加,輸出卻不變化,相當于系統(tǒng)的反饋信號不變,故比值只好任其增加.基于上述考慮,對于主﹑副流量有可能出現相等或相接近的場合,除法器輸出趨于飽和時,可在副流量回路中串入一個比例系數為0.5的比值器,比值應在量程的中間值附近使控制留有余地.(三)比值控制系統(tǒng)中非線性環(huán)節(jié)對動態(tài)品質的影響

(1)測量環(huán)節(jié)的非線性影響當比值控制系統(tǒng)中流量測量采用節(jié)流裝置且不接開方器時,流量與壓力之間的非線性關系會對比值控制系統(tǒng)有一些影響.第27頁/共38頁4-3前饋控制系統(tǒng)

一﹑基本概念以前討論的控制系統(tǒng)都是按偏差大小進行控制的反饋控制系統(tǒng),其共同特點是對象受到干擾作用后,必須在被控量出現偏差后,控制器才產生控制作用以補償干擾對被控量的影響,即要想無偏差得首先有偏差.但被控對象總存在一定的純滯后和容量滯后,因此,從干擾產生到被控量發(fā)生變化需一定的時間,從偏差產生到控制器產生控制作用,以及操縱量改變到被控量發(fā)生變化又要一定的時間.所以反饋控制方案本身決定了無法將干擾克服在被控量偏離設定值之前,限制了控制質量的進一步提高.

隨生產過程的不斷發(fā)展,對生產過程的自動控制提第28頁/共38頁出了更高的要求,以致在有些場合,采用常規(guī)的PID控制系統(tǒng)難以滿足工藝上的要求,前饋控制就是在這種情況下發(fā)展起來的一種特殊控制手段.

從自動控制發(fā)展史來看,在反饋控制問世之前,就有試圖按干擾量的變化來補償其對被控量的影響,從而達到被控量完全不受干擾影響的控制方式.西漢時期發(fā)明的指南車及古代風磨的轉速調節(jié),就是早期的應用例子.這種按干擾進行控制的開環(huán)控制方式,稱為前饋控制,簡稱FFC.第29頁/共38頁下圖是換熱器前饋控制的例子.換熱器的進料量加熱蒸汽量冷凝水進料量,其溫度為,經加熱蒸汽加熱后,使出料溫度達要求的,當有進料量波動干擾時,將使出料溫度偏離給定值,一種消除干擾影響的手段是,測量出進料量器FC的輸入,前饋控制器FC的輸出去改變閥門的開度,使出料量回復到給定值.的變化量,作為前饋控制第30頁/共38頁前饋控制與反饋控制的主要差別在于:(1)產生控制的依據不同.前者按干擾的大小和方向產生相應的控制作用,后者按偏差的大小和方向產生相應的控制作用;(2)控制的效果不同.前者一出現干擾就進行控制,其作用及時,理論上可實現對干擾的完全補償.后者以被控量的偏差為代價來補償干擾的影響,即要無偏差,首先得有偏差;(3)前者控制是開環(huán)控制,無需考慮穩(wěn)定性問題,后者是閉環(huán)控制,必須考慮穩(wěn)定性問題,而穩(wěn)定性與控制精度是有矛盾的;第31頁/共38頁(4)反饋控制只用一個回路可克服多個干擾,而前饋控制必須對每個干擾單獨構成一條控制通道,當干擾眾多時,后者不經濟也不可能.

應用不變性原理,可導出能對干擾實現完全補償的前饋控制器的傳遞函數,第32頁/共38頁但在工程上尚受到種種限制,而無法得到完全補償,其原因為:(1)當對象較復雜時,其干擾通道和控制通道的特性也復雜,無法用解析方法獲取

只能用實驗方法獲取,必有誤差,以致不能完全補償;(2)即使能精確獲得,在實現時也存在差異;(3)如果干擾通道的時間常數要小的多