比值控制系统

4.3.1

比值控制系统主要内容基本概念与原理系统结构性能分析控制方案分析系统设计与应用4.3.1.1基本概念与原理

来源：工业生产过程中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行反应，如果比例失调就可能造成生产事故或发生危险。定义：比值控制系统（RateControlSystem)

比值控制系统是控制两个物料流量比值的控制系统。

比值控制系统是按功能命名的复杂控制系统。在比值控制系统中，一个物料流量需要跟随另一物料流量变化。前者称为从动量，后者称为主动量。通常，选择的主动量应是主要的物料或关键物料的流量，它们通常是可测不可控，物料不足时可能会影响安全生产的物料流量。从动量是跟踪主动量变化的物料流量，通常，从动量可测且可控，及供应及时，可供调节。例如，反应过程中的空气、水或水蒸汽等。在比值控制系统中，从物料随主物料按一定的比值而变化，所以比值控制系统实际上是一种随动控制系统。从控制原理来看，比值控制系统属于前馈控制系统。4.3.1.2系统结构分类：按系统结构可分为开环比值和闭环比值两大类。按比值的关系，可分为定比值和变比值两大类。按实施的方案分为相乘和相除两大类。1、开环比值控制系统FFY检测变送比值器控制器控制阀(a)系统原理图(b)系统方框图F1F2FFCF1F2

开环比值控制系统就是根据一个物料的流量来调节另一个物料的流量。图示为开环比值控制系统的原理图和系统方框图。图中，主原料流量F1增大时，应相应地开大从物料控制阀的开度，增大F2的流量，使系统保持稳定。由图可见，由于是开环控制系统，若副流量的温度、压力稍有变化，副流量也发生变化，两物料间的实际比值很难保持不变，因此，控制质量很差，通常，工业生产过程中采用闭环控制系统。2、闭环比值控制系统

由于开环比值控制不能保证控制效果，因此，工业生产过程中通常采用闭环比值控制系统。为了调节从动量，从动量应组成闭环，因此，根据主动量是否组成闭环，可分为单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统。此外，根据比值是否固定，可分为定比值和变比值控制系统。单闭环比值控制系统FFY检测变送比值器控制器控制阀对象检测变送+－扰动(a)系统原理图(b)系统方框图单闭环控制系统F1F2FFCF1F2

上图是具有一个闭环的比值控制系统的原理和方框图。主流量变送器的输出信号，经过比值器FFY运算后，作为控制器(FFC)的设定值。在控制器中，从(流量)变送器送来的信号与主流量信号决定的设定值进行比较，根据其偏差发出控制信号，控制从流量的大小，以获得两种流量之间为一定的比例关系。图中的从(流量)变送器、控制器、控制阀以及对象(指从流量的检测点到执行器之间的一段管道)等构成一个闭合的从动回路。工作原理

在单闭环控制系统中，当主流量不变时，如果从流量受到扰动，从变送器输出信号发生变化，则可由闭合的从动回路进行定值控制，以保持原设定的比值关系。当主流量受到扰动时，主变送器的输出信号发生变化，从而比值器的输出信号也相应改变，控制器根据设定值的变化，立即发出信号调整控制阀的开度；控制从流量的大小跟随主流量而变化，以保持原设定的比值不变。当主、从流量同时受到扰动时，则控制器在克服从流量扰动的同时，又根据比值器给出的新设定值（决定于主流量的变化），迅速地调整控制阀的开度，使主、从流量在新的流量数值上保持一定的比值关系。特点与应用

单闭环比值控制系统的优点是结构简单，实施起来亦比较方便，能确保两个流量的比值不变，是应用较广的方案，但主流量是不定值的，它随扰动作用和负荷的变化而改变。负荷大幅度的变化，对于某些物料直接去参加反应的场合是不适合的，因为这会使参加化学反应的反应总量波动很大，可能造成反应不完全或散热不良，给反应带来一定影响。因此单闭环比值控制方案，一般在负荷变化不大时选用。例：煤气与空气比值控制系统

图示为某冶金炉的燃料燃烧过程中，煤气量与空气量的控制采用单闭环比值控制系统。煤气的需要量（主流量）取决于炉膛温度的要求和生产负荷，由温度控制器（TC）进行控制。炉温用热电偶测量。当炉温受扰动而偏离设定值时，温度控制器便发出控制信号，改变煤气控制阀的开度。煤气量的改变使炉温向设定值靠拢；与此同时，空气量按设定的比值（由比值器FFY给出）跟随煤气量变化，直到炉温回复到设定值为止。煤气与空气在新的流量数值下仍保持原设定的比值关系，维持合理的燃烧条件。TCFFCFFY炉膛比值设定煤气空气

煤气与空气比值控制系统温度设定双闭环比值控制系统（b）系统方框图

双闭环比值控制系统主控制器主控制阀主对象比值器主变从变从控制器从控制阀从对象+-+-对象设定（a）系统原理图FFYF1CF1CF1F2F1F2

在负荷要求比较稳定的生产过程中，应将主物料亦加定值控制，以消除作用于主流量方面的扰动。就是说，配比的两个流量都进行控制，于是便构成具有两个闭环的比值控制系统，如图所示。工作原理

双闭环比值控制系统，是有一个定值控制的主流量回路和一个随动控制的从流量回路所组成。当扰动作用于从回路时，由该回路本身克服，不会影响主流量回路。当扰动出现在主动回路时，主动回路一方面通过本身的控制使主流量向设定值靠拢，同时比值器（FFY）的输出信号改变从动控制器的设定值。在整个过渡过程中，从流量总是跟随主流量而变化，保持原设定的比例关系。当扰动克服后，主、从流量都回复到设定值上，两者比值关系仍不变。特点与应用

双闭环比值控制系统主要优点是实现主流量的定值控制，可以大大地克服主流量扰动的影响，使主、从流量都比较稳定；并促使总物料量也比较平稳，从而克服了上述单闭环比值控制的缺点。但该方案所用的仪表较多，投资较高。采用两个单回路闭环控制系统分别稳定主流量和从流量，也可以达到比值控制的目的。变比值控制系统÷FMT

加热炉变比值控制系统FSTFCTCTT主流量副流量加热炉

当系统存在着除流量扰动以外的其他扰动因素，如温度、压力、成分等扰动时，前述的定比值控制系统不足以满足。为了保证产品质量，必须适当修正进料流量间的比值，即重新设置比值系数。这种根据第三参数的需要而不断改变两物料比值的控制系统就称为变比值控制系统。例如图所示的加热炉控制系统，主物料与副物料的流量及比值将根据炉温的改变而变化，这里炉温是终极指标，主副物料流量间的比值只是参考指标和控制手段。随着各种物性质量仪表的发展，这种控制方案的应用将不会断扩大。变比值控制系统变比值控制系统框图÷FMT

加热炉变比值控制系统FSTFCTCTT主流量副流量加热炉变比值控制系统

当系统处于稳态时，主参数Y(s)满足要求；主控制器Gc(s)输出U(s)不变，与比值信号K’相等，主、副流量Q1、Q2恒定，副流量阀门Gv2(s)稳定于某一开度，整个系统处于稳定运行状态。变比值控制系统框图变比值控制系统

当主物料流量Q1发生变化时，除法器输出K’也发生改变，经过比值控制器Gc2(s)调节作用，改变阀门开度，使副流量Q2也发生变化，Q1与Q2的比值K’再回复到U(s)；当主流量Q1稳定时，副回路通过负反馈消除Q2的波动，维持Q1与Q2的比值K’。变比值控制系统框图变比值控制系统

当Go(s)受到干扰引起被控参数Y(s)发生变化出现偏差时，主控制器Gc(s)的测量值将发生变化，主控制器依据偏差改变控制输出U(s)——改变比值控制器Gc2(s)的设定值，从而对主流量Q1和副流量Q2的比值设定值进行修正，以此来稳定主参数Y(s)。

变比值控制系统框图变比值控制系统注意：

在定比值控制系统中，控制系统的目的是保持主、从物料的比值关系为定值。在变比值控制系统中，流量比值只是一种控制手段，不是最终目的，而第三参数往往是主要被控参数。（变比值控制系统，其目的是为了满足工艺要求，使两种物料流量的比值随第三个工艺参数的需要而变化。其实质是一个以第三参数为主参数，以两个流量比为副参数的串级控制系统。）变比值控制系统框图4.3.1.3性能分析（1）单闭环比值控制系统与开环比值控制系统的比较单闭环比值控制系统不仅能使从动量流量跟踪主动量的变化而变化，实现主、从动量的精确流量比值，还能克服进入从动量控制回路的扰动影响。因此，单闭环比值控制系统比开环比值控制系统的控制质量要好。它所增加的仪表投资较少，而控制品质提高较多。这类比值控制系统被大量应用于生产过程控制。（2）双闭环比值控制系统与两个单回路控制系统的比较双闭环比值控制系统中如果没有比值函数环节，可组成两个独立的单回路控制系统。稳态时，调整两个单回路的设定值，可使主、从动量之间保持所需的比值。但当主动量供应不足或由于较大扰动使主动量偏离设定值时，两个独立的单回路控制系统不能使两者的流量保持在所需比值。但是由于双闭环比值控制系统需要主动量可控才能被应用，因此，双闭环比值控制系统的应用不及单闭环比值控制系统广泛。（2）双闭环比值控制系统与两个单回路控制系统的比较

（a）系统原理图F1CF1CF1F2（a）系统原理图FFYF1CF1CF1F2双闭环比值控制系统双单回路控制系统（3）变比值控制系统变比值控制系统是比值随另一个控制器输出变化的比值控制系统，它的结构是串级控制系统与比值控制系统的结合，因此，也称为串级比值控制系统。变比值控制系统能及时根据所需的主被控变量，来调整比值，使系统保持稳定，同时，它对进入系统的扰动具有串级控制系统的优点。因此，变比值控制系统也被广泛应用于生产过程控制。4.3.1.4控制方案分析比值控制系统有两种实施方案，即相乘方案和相除方案。相乘方案有两种类型：一种方案是用主动量信号乘以比值作为从动量控制器的设定值；另一种方案是主动量信号作为从动量控制器的设定，从动量乘以比值作为从动量控制器的测量。相除方案也有两种类型，它们是将主、从动量信号相除（可有主动量作为分母或分子两种类型）的信号作为比值控制器的测量，比值控制器的设定是所需的比值（或比值的倒数）。当采用常规仪表实施比值控制系统时，由于受仪表量程范围及所采用仪表类型的影响，通常要计算比值函数环节中有关的仪表比值系数K。比值系数的计算方法在生产工艺上，比值控制通常是解决两种物料之间的流量比的问题。在自动控制系统中，则是把流量转换成单元组合仪表统一标准信号，建立信号之间的联系。显然，必须把工艺上的流量比值系数k折算成仪表上的比值系数K，才能进行比值设定。比值系数的折算方法随流量与测量信号间是否成线性关系而不同。①流量与测量信号成线性关系时的折算

用转子流量计、涡轮流量计或节流装置配差压变送器经开方运算器后的流量信号，均与测量信号成线性关系。以DDZ–III型仪表为例，说明比值系数的折算法。假设主动量为F1，从动量为F2，工艺所需比值系数为：

主动量流量变送器量程F1max，从动量流量变送器量程F2max，采用电动乘法器，根据原理图，其输出为：

由于采用流量变送器,主动量变送器输出为:

对于电动三型仪表,仪表比值系数K与乘法器电流的关系为:同理,从动量变送器输出为:

由稳定时，I0=I2代入上述已知的条件，简化，得到仪表比值系数K与工艺比值系数k的关系为：已知:

②流量与测量信号成非线性关系时的折算

用差压法测量流量，但未经开方器运算处理时，流量与压差的关系为：式中，c是节流装置的比例系数

主动量变送器输出为：

从动量变送器输出为：

代入和简化，得到：

采用相乘方案时应注意下列问题：1、仪表比值系数K与工艺比值系数k之间的关系要根据检测变送环节的性质采用不同的公式进行计算。2、采用电动和气动仪表时，乘法器输入的比值电流或气压可按下列公式计算。输入信号=仪表量程范围*K+零点3、实现比值函数环节的仪表可以用乘法器、分流器、加法器等。4、仪表比值系数K大于1时，则输入到比值函数环节的信号就大于该仪表的量程上限，因此，可将该比值函数环节设置在从动量控制回路。

相乘方案的特点1、比值函数环节不管是位于从动量控制回路外部还是内部，由于乘法器的增益是固定比值，因此，仪表比值系数K与从动量控制回路中负荷的变化无关。2、实施时，根据所选仪表，计算相应的输入信号数值。3、采用常规仪表实施相乘方案时，应根据比值系数K的大小确定比值函数环节在控制回路的位置。4、采用相乘控制方案不能直接获得实际的流量比值。例：比值系数的计算

图为一个单闭环比值控制系统，图中F1T和F2T分别表示主、从流量的变送器，将差压信号变为电流信号，假设采用的是DDZ-III型差压变送器。已知Q1max=625m3/h，Q2max=290m3/h，要求两流量的比值K=Q2/Q1=0.5，试确定乘法器的比值设定K’。比值控制是为了保持物料流量之间的比例关系。工艺上规定的K是指两物料的流量比K=Q2/Q1，而乘法器比值系数K‘的设定是指仪表之间的信号关系，目前通用的仪表有它使用的统一信号，所以要设法将工艺规定的流量比K转换为比值系数K’。图中没有加开方器，所以差压变送器的输入信号与流量Q之间不呈线性关系，有式中，C为差压式流量变送器的比例系数。对于DDZ-III型差压变送器，其输出信号为4-20mA，输入信号为差压，与流量的平方成比例。因此对于F1T和F2T，其输出信号分别为：比值系数：K，=（I2-4）/（I1-4)将给定数据代入得：

K，=1.164.3.1.5系统设计与应用一、主动量和从动量的选择比值控制系统中主动量和从动量选择依据：1、主动量通常选择可测量但不可控制的过程变量。2、主动量选择可能供应不足的过程变量。3、从安全角度考虑，如该过程变量供应不足会导致不安全时，应选择该过程变量为主动量。例如，水蒸汽和甲烷进行甲烷转化反应，由于水蒸气不足会造成析碳，因此，应选择水蒸气作为主动量。4、从动量通常应是既可测量又可控制，并需要保持一定比值的过程变量。5、从动量通常选择供应有余的过程变量。二、比值控制系统类型的选择

比值控制系统的类型有单闭环、双闭环和变比值三类，可根据工艺过程控制要求选择。

1、主动量不可控时，选用单闭环。例如，主动量来自上一工序。

2、主动量可控可测，但变化不大，受到的扰动较小或扰动影响不大时，宜选单闭环。

3、主动量可控可测，并且变化较大时，宜选双闭环。

4、当比值需要根据生产过程的需要由另一个控制器进行调节时，应采用变比值。

5、当主动量作为前馈信号，并影响串级控制系统的流量副回路时，应采用变比值。

6、当质量偏离控制指标需要改变流量的比值时，采用变比值。此外，比值控制系统的实施方案有相乘和相除两类。一般情况下，宜选择相乘控制方案。三、调节器控制规律的选择

比值控制系统调节器控制规律由不同的控制方案和控制要求而定的。

1、单闭环比值控制系统中，W1（s）仅接收主流量的测量信号，仅起比值计算作用，故选P控制规律或用一个比值器；W2（s）起比值控制作用和使副流量相对稳定，故应选PI控制规律。

2、双闭环比值控制系统，两流量不仅要保持恒定的比值，而且主流量要实现定值控制，其结果作为副流量的设定值也是恒定的，所以两个调节器都采用PI控制规律。

3、变比值控制系统，又称串级比值控制系统，它具有串级控制系统的一些特点，仿效串级控制系统调节器控制规律的选择原则，主调节器选PI或PID控制规律，副调节器选P控制规律。四、变送器及量程选择

流量测量是比