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流量控制器从非线性控制视角给予的分析设计
作者: 来源: 发布时间:2019-01-28

     在这里,我们上海远东仪表厂使用更广泛的线性定义来表示恒定动力学。线性控制回路具有恒定的总回路死区时间,恒定的主要和次要时间常数以及恒定的开环增益。这一观点回顾了动力学的来源和非线性的原因。

    几乎所有的循环都是非线性的。一个值得注意的例外是流量控制器回路,其中科里奥利流量计操纵变速驱动器(VSD),其中静态磁头,信号输入卡分辨率,驱动设置死区和设定点速率限制都可以忽略不计。 
    开环增益是受控变量增益,过程增益和测量增益的乘积。对于非线性元件,增益是连接曲线上新旧工作点的直线的斜率。对于干扰,新的操作点是暂时的。对于设定值更改,新操作点将成为正常操作点。对于不在旧工作点附近的新工作点,通常可以调节增益,特别是对于大的干扰或大的设定点变化。因此,非线性不如曲线斜率的局部变化所描绘的那么糟糕。 
    对于操纵次级回路设定值的主回路,操纵变量增益仅仅是次要设定点量程跨度除以100%并因此是线性的。对于操纵流量控制器的控制回路,操纵变量增益是在设定点处连接先前操作流量的线的斜率和在控制阀或VSD的安装特性曲线图上的电流。对于安装的阀门特性,斜率是恒定的,具有固有的线性特性和恒定的压降,对于VSD,目标静压头可忽略不计(远低于最低速度下的泵或风扇排放头)。
    液体成分,pH和温度的稳态过程增益在过程变量与操纵变量与进料变量之比的图上确定。这使得过程增益与进料流量成反比。
    开环积分过程增益(阀门或VSD增益,过程增益和测量增益的乘积)是过程变量的变化率(%/ sec)除以流量控制器输出的变化(%)。%单位抵消导致通常声明的单位为1 /秒。开环积分过程增益中的时间单位从流量变化的时间单位发生,而不是由过程增益中的时间单位抵消,如自我调节过程的情况。对于液位,过程增益与横截面积和密度的乘积成反比。气体压力的过程增益与绝对温度成正比,与体积成反比。批料温度和组成的过程增益与批料中的液体质量成反比。 
    由于现代测量具有集成到变送器中的线性化(例如差分磁头计的平方根提取和热电偶与电阻温度检测器的传感器匹配),因此测量增益仅为100%除以过程变量(PV)测量范围。 
    由于变化率,死区,阈值灵敏度和分辨率限制,控制阀或VSD时间常数和死区时间与PID输出的变化率成反比。PID输出的变化小于这些限制将不会引入死区时间。结构的变化与PV的比例或微分作用而不是误差会减慢控制器输出的变化率,从而增加阀门和VSD时间常数和死区时间。使PID失谐也会减慢阀门和VSD的动态。结果是响应时间更长,干扰峰值误差更大。
    充分混合的液体体积的组成,pH和温度控制的处理时间常数基本上是停留时间(体积/流量),因此与进料速率成反比。混合这些操作的过程停滞时间相对固定且很小,并且可以估计为具有挡板和良好几何形状的混合容器的周转时间的1/2。周转时间是完全更换容器内容物的时间,并且估计为体积除以搅拌和再循环流量的总和。用于组成控制的注入反应物的过程停滞时间通常可忽略不计。不幸的是,注入用于pH控制的试剂的过程停滞时间很长,因为试剂流量很小。死区时间是输送延迟,即注入管道和汲取管容积除以试剂流量。因此,该死区时间与进料流量成反比。
    气体压力,成分和温度响应的过程时间常数取决于方向。生物反应器的时间常数差异可以是一个数量级。通过空气添加增加生物反应器压力的时间常数通常小于通过气体排放减小压力的时间常数。葡萄糖添加引起的葡萄糖浓度增加的时间常数远小于细胞葡萄糖消耗引起的葡萄糖浓度降低的时间常数。通过加热增加生物反应器温度的时间常数远小于通过环境冷却和蒸发降低生物反应器温度的时间常数。
    处理时间常数小于基本上为活塞流的单元操作的停留时间的20%。可能存在径向混合,但可以忽略不计的回混。几乎所有的停留时间都是交通延误,因此是停滞时间。活塞流量的实例是熔炉,催化剂床气体反应器,窑炉,静态混合器,挤出机,板材生产线,纺丝生产线和网状生产线。
    pH和温度传感器的测量时间常数取决于操作条件,特别是过程速度。来自运输延迟的测量死区时间与再循环和样品流速成反比。
    要处理的最困难的非线性之一是逆响应,其中过程变量的初始反应与最终响应的方向相反。最值得注意的是,这种逆响应发生在冷却给水增加时的收缩,并且当冷却水由于气泡坍塌和形成而降低到锅炉鼓时膨胀。收缩和膨胀也分别发生减少和增加的燃烧速率。在蒸馏塔中,当底部流量控制器降低并且分别增加再沸器蒸汽流量时,发生收缩和膨胀。当燃料增加以进行压力或温度控制之前,进入炉子的冷空气增加时,也会发生反向响应。给水和空气流的预热降低了锅炉鼓和炉的反应。逆响应通常是与相反动作并行的过程的结果。引起反向响应的过程通常具有非线性增益,并且两个过程的组合不适合作为单个过程的线性一阶或二阶加上死区时间近似。  

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