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比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(已修改)

2024-09-12 09:39 本頁面
 

【正文】 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書 比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 引 言 配料系統(tǒng)是許多工業(yè)生產(chǎn)過程的重要組成部分,其配料過程是否按照規(guī)定的配比 進(jìn)行是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。工業(yè)生產(chǎn)中,常用比值控制策略來實(shí)現(xiàn)各種物料的配比 控制。 在水泥、冶金、醫(yī)藥、玻璃、建材、化工等流程工業(yè)中,配料是生產(chǎn)過程的重要組成部分,其配料過程是否按照規(guī)定的配比 (組成產(chǎn)品的各種原料的比例 )進(jìn)行是衡量企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵,如果配料的質(zhì)量達(dá)不到要求,輕則造成原料、能源的浪費(fèi),重則影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)率,有些重要生產(chǎn)崗位的配料失誤甚至?xí)o整個(gè)生產(chǎn)釀成事故。配 料在工業(yè)過程中廣泛存在,如水泥配料、煤氣混合、油品調(diào)合、配煤、燒結(jié)法煉鋼及氧化鋁、自來水加氯消毒等。 石油煉制生產(chǎn)過程中,把兩種或兩種以上基礎(chǔ)組分油與各種添加劑按一定比例均 勻混合,從而成為一種新產(chǎn)品的過程稱為調(diào)合。油品調(diào)合主要是指汽油、柴油、潤(rùn)滑 以及原油等的調(diào)合。汽油調(diào)合是煉廠利用生產(chǎn)的各種汽油組分,按某種比例配方和添 劑均勻混合,得到符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的汽油產(chǎn)品的過程。它是汽油成品出廠的最后一道工 和煉廠生產(chǎn)成品油的最后一個(gè)環(huán)節(jié),也是保證汽油質(zhì)量指標(biāo)滿足環(huán)保和質(zhì)量規(guī)格要求 重要手段,調(diào)合效益在生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì) 效益中占有舉足輕重的地位。 通過以上分析可見,在配料過程中對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)品的各種原料的比值進(jìn)行控制顯得尤為重要,常用比值控制來解決此類問題。比值控制的目的就是為了實(shí)現(xiàn)使幾種物料混合符合一定比例關(guān)系,使生產(chǎn)能安全正常進(jìn)行。配料精度的高低制約著整個(gè)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量,所以應(yīng)對(duì)配料過程的控制給予足夠重視。 下面我們就具體介紹比值控制系統(tǒng)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 第一章 比值控制系統(tǒng)概述 在各種生產(chǎn)過程中,經(jīng)常遇到生產(chǎn)工藝要求兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)成一定的比例關(guān)系,一旦比例失調(diào),就會(huì)影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。例如在鍋爐的燃燒系統(tǒng)中,要保持送進(jìn)爐膛的風(fēng)量和燃料成一定的比例,以保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性。為此,我們引入比值控制系統(tǒng)。本章主要介紹單閉環(huán)比值、雙閉環(huán)比值、串級(jí)比值及變比值的比值控制系統(tǒng)。 比值控制系統(tǒng)定義 工業(yè)中存在著大量按原料配比進(jìn)行生產(chǎn)的過程,要求將原料配比進(jìn)行控制,然而配比的變化往往意味著產(chǎn)品產(chǎn)量下降、質(zhì)量下降、能量浪費(fèi)、物料浪費(fèi)、成本提高、環(huán)境污染、甚至安全事故。 在化工、煉油及其他工業(yè)生產(chǎn)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(guān)系,比例一旦失調(diào),將影響生產(chǎn)或造成事故。 例如,在煤氣燃燒過程中,要求煤氣與 助燃空氣按一定配比(最佳為 1: )供入燃燒室。若助燃空氣輸入不足,煤氣得不到充分燃燒,降低了燃燒效率,造成能源浪費(fèi),環(huán)境污染,還有可能導(dǎo)致環(huán)境中大量煤氣積存而成為事故隱患;若阻燃空氣過量,過??諝庥謱⒋罅繜崃恳詮U氣形式排放,造成熱能的大量浪費(fèi)。 為此,我們引入比值控制系統(tǒng)。在過程控制中, 實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)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的流量為一定比例關(guān)系的系統(tǒng),稱之 流量比值控制系統(tǒng) 。 這種控制方式在化工、制藥領(lǐng)域中大量存在。 比值控制原理 在煉油、化 工、制藥等許多生產(chǎn)過程中,經(jīng)常需要兩種物料或兩種以上的物料保持一定的比例關(guān)系。最常見的是燃燒過程,燃料與空氣要保持一定的比例關(guān)系,才能滿足生產(chǎn)和環(huán)保的要求;造紙過程中,濃紙漿與水要以一定的比例混合,才能制造出合格的紙漿,許多化學(xué)反應(yīng)的諸個(gè)進(jìn)料要保持一定的比例。 通常,在兩個(gè)需要保持一定比例關(guān)系的物料中,一個(gè)是主動(dòng)量或關(guān)鍵量,另一個(gè)是從動(dòng)量或輔助量。由于物料通常是液體,因此稱主動(dòng)量為主流量 Q1 從動(dòng)量為副流內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 量 Q2。 Q1與 Q2之間的關(guān)系為 Q2= KQ1 ( 11) 式中, K 為比值系數(shù)。 因此,只要主副流量的給定值保持比值關(guān)系,或者副流量給定值隨主流量按一定比例關(guān)系而變化即可實(shí)現(xiàn)比值控制。 比值控制系統(tǒng)特點(diǎn) 比值控制系統(tǒng)的特征 : 是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上物料保持一定比例關(guān)系。 ,也稱為主動(dòng)量 : 在要保持一定比例關(guān)系的物料中,把起主導(dǎo)作用的物料,稱為主物料(主動(dòng)量),因?yàn)樵谶^程控制中經(jīng)常保持比例的參數(shù)是流量,故常用 Q1表示。 ,也稱為從動(dòng)量 : 另一種隨主物料的變化而成比例地變化 的物料稱為從物料(從動(dòng)量),常用 Q2表示。 : 若兩物料的比值系數(shù)設(shè)定為 K,則有: ( 12) 比值控制系統(tǒng)的類型 根據(jù)生產(chǎn)過程中工藝容許的負(fù)荷、干擾、產(chǎn)品質(zhì)量等要求不同,實(shí)際采用的比值控制方案也不同。比值控制系統(tǒng)按比值的特點(diǎn)可分為定比值和變比值控制系統(tǒng)。兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)之間的比值是通過改變比值器的比值系數(shù)來實(shí)現(xiàn)的,一旦比值系數(shù)確定,系統(tǒng)投入運(yùn)行后,此比值系數(shù)將保持不變(為常數(shù)),具有這種特點(diǎn)的系統(tǒng)稱為定比值控制系統(tǒng)。如果生產(chǎn)上因某種需要對(duì)參數(shù)間的比值進(jìn)行修正時(shí),需要人工重新設(shè)置新 的比值系數(shù),這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般比較簡(jiǎn)單。兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)之間的比值不是一個(gè)常數(shù),而是根據(jù)另一個(gè)參數(shù)的變化而不斷的修正,具有這種特點(diǎn)的系統(tǒng)稱為變比值控制系統(tǒng),這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜。 比值控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為簡(jiǎn)單比值和復(fù)雜比值控制系統(tǒng)。凡構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)以下的比值控制系統(tǒng)稱為簡(jiǎn)單比值控制系統(tǒng);凡構(gòu)成兩個(gè)閉環(huán)以上的比值控制系統(tǒng)稱為復(fù)雜比值控制系統(tǒng)。比值控制系統(tǒng)可籠統(tǒng)分為:開環(huán)比值控制系統(tǒng)、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、 串級(jí)比值及 變比值控制系統(tǒng)等。下面我們一一簡(jiǎn)單介紹這五種控制系統(tǒng)。 21QK Q?內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 開環(huán)比值控制系統(tǒng) 開環(huán)比值控制系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的比值控制系統(tǒng),其工藝流程圖和原理方塊圖如圖 11 所示。其中 FT 為檢測(cè)變送器, FC 為比值控制器。 ( 1)工藝流程圖 ( 2)原理方框圖 圖 11 開環(huán)比值控制系統(tǒng) 由原理方塊圖我們可以總結(jié)開環(huán)比值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)如下: 1)當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí),兩物料的流量滿足比值關(guān)系。 2)當(dāng)主動(dòng)量受到干擾而發(fā)生變化時(shí),系統(tǒng)通過比值器及設(shè)定值按比例去改變控制閥的開度,調(diào)節(jié)從動(dòng)量使之與主動(dòng)量仍保持原有的比例關(guān)系。 3)當(dāng)從動(dòng) 量受到外界干擾(如溫度、壓力擾動(dòng))波動(dòng)時(shí),由于是開環(huán)控制,沒有調(diào)節(jié)從動(dòng)量自身波動(dòng)的環(huán)節(jié),也沒有調(diào)整主動(dòng)量的環(huán)節(jié),故兩種物料的比值關(guān)系很難保持不變,系統(tǒng)對(duì)此無能為力。 開環(huán)比值控制是理解比例控制工作機(jī)理的基礎(chǔ),在實(shí)際工程上很少應(yīng)用。 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是在開環(huán)比值控制系統(tǒng)上增加對(duì)副物料的閉環(huán)控制回路,用以實(shí)現(xiàn)主、副物料的比值保持不變。工藝流程圖及原理框圖如圖 12 所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 ( 1)工藝流程圖 ( 2)原理方框圖 圖 12 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 1. 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)原理 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是由兩個(gè)信號(hào)即主流量 1Q 、副流量 2Q ,兩個(gè)變送器 、 調(diào)節(jié)器 、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)和一個(gè)以 2Q 作為反饋信號(hào)的閉環(huán)回路組成。在穩(wěn)定時(shí),能實(shí)現(xiàn)主、副流量的工藝比值的要求,即 2/ 1Q Q K? (K 為常數(shù) )。系統(tǒng)原理框圖如圖 13 所示。當(dāng)主流量 1Q 不變、而副流量 2Q 受到擾動(dòng)時(shí),則可通過副流量的閉合回路進(jìn)行定值控制。主流量調(diào)節(jié)器 1()TWs的輸出作為副流量的給定值。當(dāng)主流量 1Q 受到擾動(dòng)時(shí), 1()TWs則按預(yù)先設(shè)置好的比值使其輸出成比例變化,即改變 2Q 的給定值。 1()TWs根據(jù)給定值的變化,發(fā)出控制命令以改變調(diào)節(jié)閥的開度,使副流量 2Q 跟隨主流量 1Q 而變化,從而保證原設(shè)定的比值不變。當(dāng)主副流量同時(shí)受到擾動(dòng)時(shí),調(diào)節(jié)器 1()TWs在克服副流量擾動(dòng)的同時(shí),又根據(jù)新的給定值,改變調(diào)節(jié)閥的開度,使主、副流量在新的流量數(shù)值的基礎(chǔ)上,保持其原設(shè)定值的比值關(guān)系。它不但可以實(shí)現(xiàn)副流量跟隨主流量的變化而變化,而且還可以克服副流量本身干擾對(duì)比值的影響??梢?, 該系統(tǒng)能確保主、副兩個(gè)流量的比值不變,同時(shí),系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)又較簡(jiǎn)單,方案實(shí)現(xiàn)起來方便 ,僅用一臺(tái)比值器或比例調(diào)節(jié)器即可,因而在工業(yè)過程自動(dòng)化中廣泛應(yīng)用。 : ( 1)當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí),主、副物料流量的比值恒定。 如圖 13單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的原理框圖,由圖可知: 穩(wěn)態(tài)時(shí): 1 1 1 2 2()m T mW W Q W Q? 圖 13 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的原理框圖 當(dāng) 1Q 不變, 2Q 受到擾動(dòng)時(shí),閉合回路進(jìn)行定值控制。當(dāng) 1Q 受到擾動(dòng)時(shí), 1()TWs輸出變化, 2Q 跟隨 1Q 變化,保證原設(shè)定的比值不變。 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)適用于負(fù)荷變化不大,主流量不可控制,兩種物料間的比值要求較精確的生產(chǎn)過程 。 ( 2)當(dāng)主物料流量不變,副物料 流量受到擾動(dòng)變化時(shí),可通過副流量的閉合回路調(diào)整副物料流量使之恢復(fù)到原設(shè)定值,保證主、副物料流量比值一定。 KW WW m Tm ???? 2 1112內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 ( 3)當(dāng)主物料流量受到擾動(dòng)變化,而副物料不變時(shí),則按預(yù)先設(shè)置好的比值使比值器輸出成比例變化,即改變給定值,根據(jù)給定值的變化,發(fā)出控制命令,以改變調(diào)節(jié)閥的開度,使副流量跟隨主流量而變化,從而保證原設(shè)定的比值不變。 ( 4)當(dāng)主、副物料流量同時(shí)受到擾動(dòng)變化時(shí),調(diào)節(jié)器在調(diào)整副物料流量使之維持原設(shè)定值的同時(shí),系統(tǒng)又根據(jù)主物料流量產(chǎn)生新的給定值,改變調(diào)節(jié)閥的開度,使主、副物料流量在新的流量數(shù)值的基礎(chǔ)上,保持原設(shè)定值 的比值關(guān)系不變。 總之 , 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雖然能保持主、副物料流量比值不變,但是無法控制主物料的流量不變,因此,對(duì)生產(chǎn)過程的生產(chǎn)能力沒有進(jìn)行控制。該控制系統(tǒng)能保證主、副物料的流量比值不變,同時(shí),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,因此在工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化中應(yīng)用較廣。 【例 11】利用單閉環(huán)比值隨動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)中螢石自動(dòng)配料。 水泥生產(chǎn)中,為了降低水泥中 fCaO(游離氧化鈣,又稱游離鈣)含量,提高水泥熟料質(zhì)量,要求在石灰石中按一定比例自動(dòng)連續(xù)地?fù)郊游炇?。利用如圖 14所示的單閉環(huán)比值控制的方式可以實(shí)現(xiàn)螢石與石灰石比例的恒定, 達(dá)到了提高水泥質(zhì)量的目的。 圖 14 螢石單閉環(huán)比值控制自動(dòng)配料系統(tǒng)框圖 圖中粗線代表物料運(yùn)送,細(xì)線代表控制線路。其中,控制中以石灰石為主動(dòng)量,螢石為從動(dòng)量。比值系數(shù)為兩物料重量之比。 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 為了克服單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中主動(dòng)量不受控制而產(chǎn)生的系統(tǒng)生產(chǎn)能力“失控”狀況,在單閉環(huán)比值控制的基礎(chǔ)上,對(duì)主動(dòng)量也設(shè)置了一個(gè)閉環(huán)回路,構(gòu)成對(duì)主、副物料流量都進(jìn)行控制的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。其工藝流程圖和原理方框圖如圖 15所示。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是由一個(gè)定值控制的主流量回路和 一個(gè)跟隨主流量變化的副流量控制回路組成的。主流量控制回路能克服主流量擾動(dòng),實(shí)現(xiàn)定值控制;副流量?jī)?nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 控制回路能抑制作用于副回路中的擾動(dòng),使副流量與主流量成比值關(guān)系。當(dāng)擾動(dòng)消除后,主、副流量都恢復(fù)到原設(shè)定值上,其比值不變,并且主、副流量變化平穩(wěn)。當(dāng)系統(tǒng)需要升降負(fù)荷時(shí),只要改變主流量的設(shè)定值,主、副流量就會(huì)按比例同時(shí)增加或減小,從而克服上述單閉環(huán)比值系統(tǒng)的缺點(diǎn)。 ( 1)工藝流程圖 ( 2)原理方框圖 圖 15 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 在雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)工作時(shí) ,若主動(dòng)量受到干擾發(fā)生波動(dòng),則主動(dòng)量回路對(duì)其進(jìn)行定值控制,使主動(dòng)量始終穩(wěn)定在給定值附近,同時(shí)從動(dòng)量控制回路也會(huì)隨主動(dòng)量的波動(dòng)進(jìn)行調(diào)整;當(dāng)從動(dòng)量受到擾動(dòng)發(fā)生波動(dòng)時(shí),從動(dòng)量控制回路對(duì)其進(jìn)行定值控制,使從動(dòng)量始終穩(wěn)定在定值附近,而主動(dòng)控制回路不受從動(dòng)量波動(dòng)的影響。 因此,因擾動(dòng)而發(fā)生的主動(dòng)量和從動(dòng)量波動(dòng)利用各自控制回路分別實(shí)現(xiàn)實(shí)際值與給定值吻合,從而保證主、副物料流量的比值恒定。 當(dāng)調(diào)節(jié)主動(dòng)量給定值時(shí),主動(dòng)量控制回路調(diào)節(jié)主動(dòng)量實(shí)際值和給定值吻合;同時(shí),根據(jù)主動(dòng)量與從動(dòng)量的比值及新的主動(dòng)量給定值,系統(tǒng)給出從動(dòng)量控制 回路的輸入值。 通過從動(dòng)控制回路的調(diào)節(jié)控制使從動(dòng)量的實(shí)際值與該輸入值吻合,即從動(dòng)控制量的實(shí)際值與主動(dòng)量變動(dòng)后的數(shù)值相對(duì)應(yīng),保持主動(dòng)量和從動(dòng)量的比值不變。 如圖 16所示雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 原理框圖。其中, 主流量回路:克服主流量擾動(dòng),實(shí) 現(xiàn)其定值控制。副流量回路:抑制副回 路中的擾動(dòng),使副流量與主流量成比值 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 關(guān)系。 擾動(dòng)消除后, 1Q =R, 2Q = 1Q KW 升降負(fù)荷時(shí),可改變 R(s) 圖 16 雙閉環(huán)比值控制系
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