双闭环流量比值控制系统设计

I摘要单回路控制系统解决了工艺生产过程自动化中大量的参数定值问题。但是，随着现代工业生产的迅速发展，工艺操作条件的要求更加严格，对安全运行和经济性及对控制质量的要求也更高。单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求，在这样的情况下，双闭环串级控制系统就应运而生。以流量构成实验系统,可灵活地进行组态，实施各种不同的控制方案。流量控制装置也是过程控制最常用的实验装置。双闭环串级控制系统，就其主回路来看是一个定值控制系统，而副回路则是一个随动系统，主调节器的输出能按照负荷和操作条件的变化而变化，从而不断改变副调节器的给定值，使副回路调节器的给定值适应负荷并随操作条件而变化，即具有一定的自适应能力。由被控对象和控制仪表两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三（380V交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）组成。关键词：流量；PID控制；定值控制；双闭环II目录1比值控制系统概述................................................................................................................11.1比值控制系统定义......................................................................................................11.2比值控制原理..............................................................................................................11.3比值控制系统特点......................................................................................................21.4双闭环比值控制系统...................................................................................................22比值控制系统设计................................................................................................................42.1系统选用原则..............................................................................................................42.1.1主从物料的选择................................................................................................42.2系统组成及仪表的选型...............................................................................................53控制系统的工程整定............................................................................................................63.1对控制系统性能的要求..............................................................................................63.2经验法整定参数...........................................................................................................73.3比值系数的计算...........................................................................................................84系统在不同参数下的响应曲线............................................................................................94.1系统在不同参数下的响应曲线...................................................................................95扰动作用时，系统输出响应曲线......................................................................................155.1突增主调节器输出值的大小.....................................................................................156结论......................................................................................................................................177参考文献..............................................................................................................................1811比值控制系统概述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、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。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。21.3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。1.4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。工艺流程图原理方框图3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。图1-1双闭环比值控制系统原理方框图如图1-1所示双闭环比值控制系统原理框图。其中，主流量回路：克服主流量扰动，实现其定值控制。副流量回路：抑制副回路中的扰动，使副流量与主流量成比值关系。扰动消除后，𝑄1=𝑅𝑄2=𝑄1𝑊𝐾，升降负荷时，可改变𝑅(𝑆)在现代工业生产过程中，对自动化的要求较高。就比值控制而言，不仅要求静态比值恒定，在扰动作用下，要求主、副流量接近同步变化，即要求静态与动态时物料量保持一定比值。引入“动态补偿环节”𝑊𝑏(𝑠)的双闭环比值控制，由于副流量滞后于主流量，则动态补偿环节应具有超前特性。从原理上分析，𝑄2(𝑠)/𝑄1(𝑠)=𝐾，就可以实现动态比值一定。42比值控制系统设计2.1系统选用原则比值控制有多种控制方案，具体选用适应分析各种方案的特点，根据不同的工艺情况、负荷变化、扰动性质、控制要求等进行合理选择。2.1.1主从物料的选择在比值控制中，主从物料的选择影响系统的控制方向、产品质量、经济性及安全性。主从物料的确定是控制系统设计的首要一步，主要依循以下原则：（1）贵重原则对有显著贵贱区别的物料，应选择贵重物料为主物料。实现以贵重物料为主进行控制，其他非贵重物料根据控制过程需要增减变化。这样可以充分利用贵重物料以合理成本完成生产过程。（2）不可控原则某物料不可控制时，该物料选为主物料，其它为从物料。不可控物料不能利用物料量调节构成反馈控制闭环，所以不宜选为从物料。（3）主导作用原则在多物料参与生产的过程中，如化工或制药工业中，经常将物料分成主料和辅料，生产围绕主料进行，辅料作为控制过程的调节物料。此类在诸物料中起主导作用的物料应选择为主物料，其它物料选为从物料。（4）流量大小原则选择流量较小的物料作从物料，这样控制过程中控制阀的开度较小，系统控制灵敏，当然系统结构可能也会小些。（5）工艺需要原则生产控制过程必须按相应的工艺过程进行，主从物料的选择也必须符合生产工艺的要求。52.2系统组成及仪表的选型本实验装置由被控对象和控制仪表两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三（380V交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）组成。电动调节阀：采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。电动调节