毕业论文比值控制系统设计与仿真.docx
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毕业论文比值控制系统设计与仿真
毕业论文-比值控制系统设计与仿真
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、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。
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。
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。
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:
(1-2)
1.4比值控制系统的类型
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。
(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,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。
(1)工艺流程图
(2)原理方框图
图1-2单闭环比值控制系统
单闭环比值控制系统原理
单闭环比值控制系统是由两个信号即主流量、副流量,两个变送器、调节器、执行机构和一个以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K为常数。
系统原理框图如图1-3所示。
当主流量不变、而副流量受到扰动时,则可通过副流量的闭合回路进行定值控制。
主流量调节器的输出作为副流量的给定值。
当主流量受到扰动时,则按预先设置好的比值使其输出成比例变化,即改变的给定值。
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,从而保证原设定的比值不变。
当主副流量同时受到扰动时,调节器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:
稳态时:
图1-3单闭环比值控制系统的原理框图
当不变,受到扰动时,闭合回路进行定值控制。
当受到扰动时,输出变化,跟随变化,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,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。
(1)工艺流程图
(2)原理方框图
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,
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,R,=
升降负荷时,可改变Rs图1-6双闭环比值控制系统原理框图
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。
如图1-7所示为引入“动态补偿环节”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,,就可以实现动态比值一定。
图1-7具有动态补偿环节的双闭环比值控制
由以上分析可见双闭环控制中,主动量控制回路是一定值控制系统,而从动量控制回路是一个随动控制系统。
和单闭环比值控制系统相比,双闭环比值控制系统的突出优点如下:
(1)控制系统更为稳定
对主动量的定值控制克服了干扰对主动量的影响,因此主动量变化平稳,从动量也将平稳,进而系统的总物料流量稳定,更好地满足了生产工艺要求。
(2)系统更易于调节
当需要改变主动量的设定值时,主动量控制回路通过调节控制使主动量的输出值改变为新设定值,同时从动量也将随主动量按给定比值变化。
因此,当需要调整负荷时,只要改变主动量回路控制器的给定值,就可同步调整主动量和从动量,并保持主动量和从动量的比值不变。
双闭环比值控制系统适用于主副流量扰动频繁,负荷变化较大,同时保证主、副物料总量恒定的生产过程。
如果没有这个要求,两个单独的闭环控制系统也能使两个流量保持比例关系,仅仅在动态过程中,比例关系不能保证。
1.4.4串级比值控制系统
单闭环比值控制和双闭环比值控制是实现两种物料流量间的定比值控制,在系统运行过程中其比值系数是不变的。
在有些生产过程中,要求两种物料流量的比值随第三个参数的需要而变化,为此可以设计成串级比值控制系统,串级比值控制系统方块图如图1-8所示。
图1-8串级比值控制
从图1-8可以看出,它的副回路是一个闭环比值系统,其比值由除法器来实现,两个流量比称为副参数。
它的主回路也是一个闭环系统,由的反馈构成,为变比值信号,即单闭环比值系统的给定值。
称为第三个参数或主参数(质量指标)。
这是按一定的工艺指标自动修正比值系数的系统,即变比值控制系统。
串级比值控制系统在稳态时,主、副流量恒定,分别将测量变送器后送至除法器,其输出即为比值,作为的测量信号,此时主参数也恒定。
输出信号稳定,且,输出稳定,调节阀开度一定,所以主参数符合工艺要求,产品质量合格。
当、出现扰动时,副回路可以很快动作,使两者的比例维持常数,即保持比值一定,从而不影响主参数,或大大减小扰动对主参数的影响。
若主参数受某种干扰偏离给定值时,主调节器将会改变副调节器的的输出信号产生变化,修正了的给定值即修正了两个流量的比值,使系统在新的比值上重新稳定。
应当指出,在串级比值控制系统中流量比值是用第三个参数来自动校正的。
流量比值只是一个控制手段,不是最终目的。
主参数往往是衡量质量的最终指标,因此这种系统对比值的要求大为降低,具有按主参数反馈自动校正比值系数的优点。
1.4.5变比值控制系统
单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统有一个共同的特点:
通过控制系统维持物料的供应比值恒定,保证生产过程的正常进行。
实际生产过程中,物料按比例输入并不是最终目的,一般最终目的是生产过程的结果,如发电系统产生的电能,自来水氯气消毒系统输出水的质量与流量等。
因此,在生产过程中,往往要对除了输入物料以外的第三参量进行控制。
当第三参量随输入物料的配比不同变化时,对第三参量的控制问题,变成了调节物料配比问题,这就是变比值控制,其控制的工艺图和控制方框图分别如图1-9,1-10所示。
可见,变比值控制是一种内外环嵌套的复合控制,内环控制从物料的变化,外环控制第三参量的变化。
通过第三参量的变化实现系统的变比值控制。
主动量和从动量经检测、变送后送入除法器相除,除法器的输出即为它们的比值,同时又是比值控制器的测量值。
系统在稳定工作状态下,主被控变量(即第三参量)稳定,主控制器的输出也稳定不变并和比值控制器信号相等,从物料量控制阀门稳定于某一开度,控制器的比值恒定。
(1)当主物料量受到干扰发生波动时,
除法器输出要发生改变,从物料控制系统
调节从物料控制阀门开度,使从动量也发
生变化,保证主物料量和从物料量比值不
变。
(2)当从物料量受到干扰发生波动时,
和单闭环比值控制系统及双闭环比值控制
系统一样,调节从物料流量,保证主物料
量和从物料量比值不变。
图1-9变比值控制系统工艺图
(3)当主被控对象(即第三参量)受到干扰引起被控发生变化时,主控制器的输出将发生变化,也就是改变了比值控制器的设定值,即改变了主、从物料的比值。
图1-10变比值控制系统控制方框图
第二章比值控制系统设计
本章主要介绍比值控制系统中的比值控制方式的选择原则、主从物料的选择原则、比值系数的计算及调节器控制规律的确定。
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。
(1)单闭环比值控制的选用
当要求两种物料比值精确、恒定;外干扰引起的主流量波动变化可以容忍;只有一种物料可控,其它物料不可控制;对由主流量波动引起的副流量波动和总生产能力变化没有限制时,可选用此方案。
该方案实现起来方便,仅用一只比值器或比例调节器即可。
(2)双闭环比值控制选用
当要求两种物料比值精确、恒定;扰动引起的主、副流量变化较大;不适用于只有一种物料可控,其它物料不可控制情况;要求总生产能力或主、副物料总量恒定;经常需要升降负荷时,可选用双闭环比值控制方案。
(3)变比值控制选用
当两种物料流量的比值与主被控制量(主动量和从动量之外的第三参量)有内在关系,需要根据主动量的测得值和主被控制量的给定值调整主从物料流量的比值实现对主被控制量给定值的跟踪控制(或定值控制)时,应选用变比值控制方案。
2.2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。
2.3比值系数计算
比值控制系统的控制过程是通过对主、从动量以及第三参量的检测与控制实现的。
一个物理量通常有多种检测方式,不同检测方式的比值系数计算方法也有相应的差别。
常见的流量检测有:
差压式流量计通过测量流动过程中两点的压力差,然后根据压力差与流量关系实现流量检测;
靶式流量计通过测量流动过程中某一点的靶面压力,然后根据靶面压力与流量关系实现流量检测;
浮子流量计通过将流动过程中某一点处流体引入浮子流量计,测量浮子悬浮的高度,然后根据悬浮高度与流量关系实现流量检测;椭圆齿轮式容积流量计、涡轮流量计、涡计流量计是将该流量计引入流动过程中某一点,测量旋转体的转速,然后根据转速与流量关系实现流量检测;
电磁流量计则用于测量导电液体,根据电磁感应原理,利用感应电动势测量流量。
综合分析各种检测方式,可把检测方法分为线性检测和非线性检测两种:
1.线性检测法的比值系数计算
流量的线性检测一次仪表有浮子流量计、椭圆齿轮式容积流量计、涡轮流量计、涡计流量计等。
该类仪表的流量测量原理可概括为:
(2-1)
式中,Q表示流量;c表示比例系数;W表示直接测量值,如转速、高度等。
按比值系数公式得:
(2-2)
若对应变送器的测量范围(或称比值控制器输入端的主、从物料信号范围)分别为:
0~Q1和0~Q2
则折算成比值控制器的比值系数为:
(2-3)
2.非线性检测法的比值系数计算
非线性检测法的比值系数计算较为复杂,应根据具体情况具体分析。
流量的非线性检测一次仪表有差压式流量计、靶式流量计等。
该类流量计利用压力测量流量。
流量和压力的关系可概括为:
(2-4)
式中,c为差压式流量计的比例系数,为压力或压差。
按比值系数公式得:
(2-5)
若对应变送器的测量范围(或称比值控制器输入端的主、从物料信号范围)分别为:
0~Q1和0~Q2
则折算成比值控制器的比值系数为:
(2-6)
2.4PID控制器参数的调节及其对控制性能的影响
无论哪种过程控制系统设计时都需要选择调节器,下面我们一一介绍几种常用的调节器。
2.4.1比例控制对控制性能的影响
所谓比例调节规律,是指调节器输出的控制作用ut与其偏差输入信号et之间成比例关系,
(2-7)
其中,---比例增益。
比例调节器的传递函数:
(2-8)
工程中,常用比例带来描述其控制作用的强弱,即
(2-9)
其物理意义是在调节机构的位移改变100%时,被调量应有的改变量。
如20%,则表明调节器输出变化100%时,需要其输入信号变化20%。
比例调节器的阶跃响应曲线如下图2-1所示。
由图可以看出,在t时刻前,系统处于稳定状态;t时刻偏差信号et发生阶跃变化,对于定值控制系统,即被调量产生阶跃变化,调节输出控制作用ut将成比例的变化,而且几乎是同时产生的。
控制作用的变化目的是调节进入对象的流入量,消除不平衡流量,是被调量回到原来的值上。
从这一点看,比例调节规律的特点之一就是调节及时、迅速。
图2-1比例调节规律
由上图还可看出,在t时调节过程结束,但偏差信号et仍存在;换言之,调节过程结束被调量的偏差仍未完全消除。
因为采用比例调节规律的调节器,其输出的控制作用大小与偏差大小成比例关系,一定大小的控制作用是抵消扰动的影响、使系统重新稳定下来的保证。
在系统受到扰动后,被调量偏离了其给定值,而出现偏差,调节器的调节使系统再次进入稳定状态,但偏差或大或小还要存在,否则偏差为零,控制作用也随之消失,干扰信号的存在就不可能使系统稳定下来。
调节过程结束,被调量偏差仍存在称为有差调节,这是比例调节规律的又一特点。
2.4.2积分控制对控制性能的影响
比例调节规律的特点是控制及时,控制作用贯穿整个调节过程,因此它是基本的调节作用。
然而比例调节不能保证系统无差,因此对于一些要求较高的控制(定值调节)(2-10)
其传递函数形式:
(2-11)
式中---积分时间。
积分调节器的阶跃响应如图2-2所示。
由图可以看出,当被调量出现偏差并成阶跃形式变化时,积分调节器输出的控制作用并不立即变化,而是由零开始线性增长。
从这一点看,积分调节作用是不及时的。
只要偏差信号存在,调节器输出旨在消除对系统影响的控制作用就一直增加,且其增长的速度始终为初始速度。
由下式可知:
(2-12)
上式表明,控制作用在积分时间TI越小时越强。
从响应曲线看,只要偏差存在,积分控制作用一直增加;换言之,只有偏差为零时,积分作用才停止变化。
这表明系统达到再次稳定状态时,被调量的偏差必然为零。
积分调节规律的另一特点就是消除稳态偏差,实现无差调节,其控制作用体现在调节过程的后期。
不过在现实中,积分调节规律很少单独使用,它总是与比例调节规律结合成为比例积分调节规律,以发扬各自的特长,弥补对方的不足。
描述比例积分调节规律的动态方程是:
(2-13)
式中---比例增益;---积分时间
图2-2积分作用曲线
比例积分调节器的传递函数为:
(2-14)
综上分析,当被调量一旦偏离给定值出现偏差时,调节器立即输出一个与偏差成比例的控制作用,这是比例作用的结果;随着时间的增长,控制作用线性增加,积分作用表现出来;只要偏差存在,控制作用就一直增长下去,直至消除偏差时,控制作用才停止变化。
由此可见,比例积分调节作用具有比例作用及时和积分作用消除偏差的优点,从而克服了单纯比例作用时不能消除偏差的缺点和单纯积分作用控制不及时的缺点。
2.4.3微分控制对控制性能的影响
微分调节规律是是调节器输出的控制作用与其偏差输入信号的变化速度成正比。
对于定值控制系统,偏差信号的变化速度就是被调量的变化速度,即
(2-15)
式中Td---微分时间。
传递函数式为:
(2-16)
由于受控对象总存在一定的容量,调节器也存在一定的不灵敏区,因此使调节器动作的偏差信号在实践上肯定落后于偏差变化速度信号,被调量变化速度(即偏差变化速度)信号又称超前信号。
被调量的变化速度往往反映了对象流入量与流出量之间的不平衡状态,因此对惯性较大的对象,在调节器中加入微
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