比值控制系统

1、比值控制比值控制问题的提出：在工业生产过程中，要求问题的提出：在工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成一定比例关系，两种或多种物料流量成一定比例关系，要求严格控制比例。要求严格控制比例。基本概念：基本概念：比值控制系统（流量比值控制系统）：实比值控制系统（流量比值控制系统）：实现两个或两个以上参数符合一定比例关系现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统。的控制系统。主物料或主动量：在保持比例关系的两种主物料或主动量：在保持比例关系的两种物料中处于主导地位的物料，称为主物料；物料中处于主导地位的物料，称为主物料；表征主物料的参数，称为主动量（主流表征主物料的参数，称为主动量（主流量），用

2、量），用F1表示。表示。基本概念基本概念从物料或从动量：按照主物料进行配比，从物料或从动量：按照主物料进行配比，在控制过程中在控制过程中跟随主物料变化而变化的物跟随主物料变化而变化的物料料，称为从物料；表征从物料特性的参数，称为从物料；表征从物料特性的参数，称为从动量（副流量），用称为从动量（副流量），用F2表示。表示。有些场合，用不可控物料为主物料，用改有些场合，用不可控物料为主物料，用改变可控物料即从物料来实现比值关系。变可控物料即从物料来实现比值关系。K= F2/ F1比值控制系统的类型比值控制系统的类型开环比值控制系统开环比值控制系统单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统双闭环比值控制系

3、统双闭环比值控制系统变比值比值控制系统变比值比值控制系统串级和比值混合系统串级和比值混合系统开环比值控制系统开环比值控制系统随着随着F1的变化，的变化，F2跟跟着变化，满足着变化，满足F2=KF1的要求（阀的要求（阀门开度与门开度与F1之间成一之间成一定的比例关系。定的比例关系。FCF1F2控制器控制器控制阀控制阀对象对象测量变送测量变送F1F2-开环比值控制缺点开环比值控制缺点当当F2因管线两端压力波动而发生变化时，因管线两端压力波动而发生变化时，系统不起控制作用，即：系统不起控制作用，即：F2本身无抗干本身无抗干扰能力。扰能力。适用于副流量较平稳且比值精度要求不适用于副流量较平稳且比值精度

4、要求不高的场合。高的场合。单闭环比值控制单闭环比值控制增加一个副流量闭环控制系统增加一个副流量闭环控制系统KF1F2FC单闭环比值控制单闭环比值控制K)(sGV)(0sG)(2sGm)(2sGC)(1sGm1F2F变化。按一定比值跟随的给定，作为经比值器1221FFFKF单闭环比值控制原理单闭环比值控制原理比值。的基础上保持设定值的数值同时变化，在新的流量、）当（而变化。跟随使的给定值，受到扰动时，改变了）当（的给定值上。调回到现定值控制，将受到扰动，通过闭环实不变而）当（2112211221321FFFFFFFFFF单闭环比值控制特点单闭环比值控制特点不但能实现副流量跟随主流量的变化而变不但

5、能实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且可以克服副流量本身干扰对比值化，而且可以克服副流量本身干扰对比值的影响，主副流量的比值较为精确。的影响，主副流量的比值较为精确。总物料量不固定，对于负荷变化幅度大，总物料量不固定，对于负荷变化幅度大，物料又直接去化学反应器的场合是不适合物料又直接去化学反应器的场合是不适合的。的。单闭环比值控制特点单闭环比值控制特点当主流量出现大幅度波动时，副流量给当主流量出现大幅度波动时，副流量给定值大幅度波动，定值大幅度波动，在调节的一段时间里在调节的一段时间里，比值会偏离工艺要求的流量比，不适用比值会偏离工艺要求的流量比，不适用于要求严格动态比的场合。于要求严格动态

6、比的场合。适用于主物料在工艺上不允许进行控制适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。的场合。双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统增设了主流量控制回路增设了主流量控制回路KF1F2F2CF1C双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统)(1sGC)(1sGV)(01sG)(1sGmK)(2sGC)(2sGV)(02sG)(2sGm)(sR1F2F双闭环比值控制系统工作原理双闭环比值控制系统工作原理主动量控制回路克服主动量扰动，实现主动量控制回路克服主动量扰动，实现定定值控制值控制；从动量控制回路克服从动量扰动，；从动量控制回路克服从动量扰动，实现实现随动控制随动控制；当扰动消除后，主、从动；当扰动消

7、除后，主、从动量都回到原设定值上，其比值不变。量都回到原设定值上，其比值不变。双闭环比值控制系统优点双闭环比值控制系统优点流量比值精确，物料总量基本不变。流量比值精确，物料总量基本不变。只要缓慢改变主流量控制器给定值，可以只要缓慢改变主流量控制器给定值，可以提降主流量，副流量会自动跟踪变化，两提降主流量，副流量会自动跟踪变化，两种比值不变。种比值不变。适用于主流量干扰频繁及工艺上不允许负适用于主流量干扰频繁及工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降符合荷有较大波动或工艺上经常需要提降符合的场合。的场合。双闭环比值控制系统缺点双闭环比值控制系统缺点当主动量采用定值控制后，由于调节作用，当主

8、动量采用定值控制后，由于调节作用，变化幅值会减小，变化频率会加快，从而变化幅值会减小，变化频率会加快，从而使从动量控制器的给定值处于不断变化中，使从动量控制器的给定值处于不断变化中，当它的变化频率与从动量控制回路的工作当它的变化频率与从动量控制回路的工作频率接近时，可能引起频率接近时，可能引起“共振共振”。工业应用：自来水消毒的比值控制工业应用：自来水消毒的比值控制1qTF2CF2KTF12q氯气净化水供用户变比值控制系统变比值控制系统变比值控制系统：变比值控制系统：按照工艺指标自按照工艺指标自行修正比值系数行修正比值系数的变化值。的变化值。F1F2FfCXCR以某种质量指标以某种质量指标X（

9、第三参数）（第三参数）为主为主变量，以两个流量变量，以两个流量比为副变量的串级比为副变量的串级控制系统。控制系统。X主控制器主控制器控制阀控制阀流量对象流量对象测量变送测量变送2F1F2-比值控制器比值控制器主对象主对象测量变送测量变送1除法器除法器测量变送测量变送-Xw由第三参数修正比值，属于变比值控制。由第三参数修正比值，属于变比值控制。工作原理工作原理稳态时，主、副量恒定，分别经变送器送稳态时，主、副量恒定，分别经变送器送除法器，其输出（比值）作为比值控制器除法器，其输出（比值）作为比值控制器的测量反馈信号。此时，主参数恒定，所的测量反馈信号。此时，主参数恒定，所以主控制器输出信号稳定，

10、且与比值测量以主控制器输出信号稳定，且与比值测量值相等，比值控制器输出稳定，控制阀处值相等，比值控制器输出稳定，控制阀处于某一开度，产品质量合格。于某一开度，产品质量合格。当当F1、F2出现扰动，通过比值控制回路，出现扰动，通过比值控制回路，保持比值一定，从而不影响或大大减小扰保持比值一定，从而不影响或大大减小扰动对产品质量的影响（相当于串级控制系动对产品质量的影响（相当于串级控制系统的副回路调节）。统的副回路调节）。对于某些物料流量，当出现扰动如温度、对于某些物料流量，当出现扰动如温度、压力、成分等变化时，虽然它们的流量比压力、成分等变化时，虽然它们的流量比值不变，但由于真实流量（在新的温度

11、、值不变，但由于真实流量（在新的温度、压力或成分下）与原来流量不同，将影响压力或成分下）与原来流量不同，将影响产品质量指标，输出产品质量指标，输出X偏离设定值，此时偏离设定值，此时主控器起作用，输出变化，修正比值控制主控器起作用，输出变化，修正比值控制器给定值，即修正了比值，使系统在新的器给定值，即修正了比值，使系统在新的比值上重新稳定。比值上重新稳定。氧化炉温度对氨气氧化炉温度对氨气/空气串级比值控制系统空气串级比值控制系统氧氧化化炉炉预预热热器器混混合合TCFfC空气空气氨气氨气稳定氧化炉的关键稳定氧化炉的关键条件是氧化炉温度条件是氧化炉温度氨氧化生成氨氧化生成一氧化氮，一氧化氮，同时放出

12、大同时放出大量的热量。量的热量。当氨气在混当氨气在混合器中含量合器中含量增加增加1%，氧，氧化炉温度将化炉温度将上升上升64.9度。度。第三参数是第三参数是氧化炉温度氧化炉温度主要干扰主要干扰成分变化是在比值不变情况下改变混合器内氨含成分变化是在比值不变情况下改变混合器内氨含量的直接干扰；量的直接干扰；进入氧化炉的氨气、空气初始温度；进入氧化炉的氨气、空气初始温度；进入混合器的氨气、空气的温度、压力变化；进入混合器的氨气、空气的温度、压力变化；负荷的变化（比值不变，负荷变化，温度变化）；负荷的变化（比值不变，负荷变化，温度变化）；触媒的活性变化、大气温度、压力变化。触媒的活性变化、大气温度、压

13、力变化。 因此，需要根据温度的变化，适当修正氨气和因此，需要根据温度的变化，适当修正氨气和空气的流量比值，保证氧化炉温度恒定。空气的流量比值，保证氧化炉温度恒定。系统工作原理系统工作原理当出现氨气空气比值变化干扰时，通过比值控当出现氨气空气比值变化干扰时，通过比值控制系统及时克服保持氧化炉温度不变。制系统及时克服保持氧化炉温度不变。当其它干扰引起炉温变化时，主控制器输出变当其它干扰引起炉温变化时，主控制器输出变化，相当于比值控制器给定值变化，改变比值化，相当于比值控制器给定值变化，改变比值大小，从而改变温度。大小，从而改变温度。温度升高温度升高测量值升高测量值升高主控制器输出减小主控制器输出减

14、小比值控制器输出减小比值控制器输出减小控制阀开度减小控制阀开度减小氨气流量减小氨气流量减小温度下降温度下降w假设控制器均为反作用形式，控制阀为气开式假设控制器均为反作用形式，控制阀为气开式串级和比值控制混合系统串级和比值控制混合系统F1CLCF1CkF1F2LTw要求主流量随要求主流量随另一参数的需另一参数的需要而改变，要而改变，属属于定比值控制。于定比值控制。w主、副流量控制主、副流量控制回路对液位控制回路对液位控制器的动态响应一器的动态响应一致，保证动态比致，保证动态比值恒定。值恒定。w两物料进入反应器流程两物料进入反应器流程w两物料组成双闭环比值控制，而反应器液面需要恒定w除了比值恒定，

15、还要除了比值恒定，还要求反应器中液位恒定求反应器中液位恒定串级和比值控制混合系统框图串级和比值控制混合系统框图)(1sGC)(1sGV)(01sG)(1sGmK)(2sGC)(2sGV)(02sG)(2sGm)(sL1F2F)(0sG)(sGC)(sR)(sGm工作原理工作原理以液面为主参数，主流量为副参数的串级控以液面为主参数，主流量为副参数的串级控制系统。制系统。当液面由于某种干扰而变化时，通过液位控当液面由于某种干扰而变化时，通过液位控制器的输出改变主流量的给定值，使主流量制器的输出改变主流量的给定值，使主流量跟着变化，同时副流量的给定值也变化，保跟着变化，同时副流量的给定值也变化，保持

16、比值不变（动态比值不变），这样由总负持比值不变（动态比值不变），这样由总负荷变化来克服外界扰动对液位的影响。荷变化来克服外界扰动对液位的影响。比值系数的计算比值系数的计算为信号零点。、为信号上限；、主动流量的测量信号从动流量的测量信号比值系数主动流量从动流量流量比2001max2max110max110120max220212IIIIIIIIIIIIKFFK平方测量关系。包括：线性测量关系和（关系，测量流量信号。根据有效信号与流量的)f0max00max0FFFFIIII线性测量关系线性测量关系max2max100maxmaxmax0max00(0FFKKIIIFFIFFIIIIF成线性关系，

17、可得：号，流量信号均与测量信带开方的差压流量计时或轮流量计、椭圆流量计当使用转子流量计、涡）（，最小流量为零）设平方测量关系平方测量关系2max2max1200max2max20max00max00)()(0）（可以推出：）（最小流量为零）设FFKKIIIFFIFFFFIIIIF结论结论 。有关，与负荷大小无关，与变送器的量程比值系数与流量比有关是两个不同的概念。与比值系数流量比. 2. 1KK比值控制方案的实施比值控制方案的实施依据采用什么方式实现主、副流量的比值依据采用什么方式实现主、副流量的比值运算进行分类：运算进行分类： 1.相乘方案相乘方案 2.相除方案相除方案相乘方案相乘方案对对F

18、1的测量值乘的测量值乘以一个系数作为以一个系数作为F2的给定值的给定值F1F2FC相除方案相除方案F1F2FC用比值器组成的方案用比值器组成的方案控制器控制器控制阀控制阀流量对象流量对象测量变送器测量变送器1测量变送器测量变送器2F2F1I入入I出出比值器比值器K数的运算个输入信号乘上一个常比值器的作用是实现一入出入出入出入出入出入出，信号的比率设定器：对于）（，信号的比率设定器：对于比值器的运算公式：IIKIKIIIKIKIIIIIKIIIKI/10mA0)4-/(4-4)4-(20mA4-)-(0000用乘法器组成的方案用乘法器组成的方案控制器控制器控制阀控制阀流量对象流量对象测量变送器测

19、量变送器1测量变送器测量变送器2F2F1I1I0乘法器乘法器K1I416)4-()4-(20mA4-)-()-(-0111010max1000101100max000010max110110max1101IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII信号的比率设定器：对于下限相同，则：同一信号制下，信号上效信号的关系：输出有效信号与输入有KIIKIIIIKII1010mA041616444-0000111仪表，同理：对于成要求的比值。满足此式，系统就能完只要之间的关系：与乘法器的用除法器组成的方案用除法器组成的方案用除法器组成的单闭环比值控制系统用除法器组成的单闭环比值控制系统比值控制器比值控

20、制器控制阀控制阀流量对象流量对象测量变送器测量变送器1测量变送器测量变送器2除法器除法器F2F1I1I2I0IR41644)(4mA20mA20mA4/120000max00112020020100max2max1max001max101120max220200max0000IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII，即：假设信号为：为比值系数式中：除法器输出测量值给定值当系统稳定时，K41641644120rKIIII比值控制系统中非线性的影响比值控制系统中非线性的影响测量环节的非线性影响测量环节的非线性影响除法器的非线性影响除法器的非线性影响测量环节的非线性影响测量环节的非线

21、性影响当流量测量采用节流装置时，流量与压差当流量测量采用节流装置时，流量与压差之间的非线性会对比值控制系统产生影响之间的非线性会对比值控制系统产生影响00max2max00maxmax000max00max0)-()()-(I00-kpkIIIFFIIIpppFppppIIIIF时，压差一般情况下：最小流量系为：变送器对差压的测量关为节流装置的比例系数式中：。动，放大系数发生变化可见：随着工作点的移的静态工作点。为式中数为：测量装置的静态放大系：变送装置，则上式变为如果采用FFFFFFFFIIIFFIIIppFF02max02max2max00max2max00maxmax,32FIK416)

22、(4)4-20()(I20mA4)-()()-(I0结论结论采用差压法测量流量时，随着负荷的增采用差压法测量流量时，随着负荷的增加，静态放大系数增大。加，静态放大系数增大。由于静态放大系数的变化，将导致控制由于静态放大系数的变化，将导致控制质量下降，甚至不稳定。质量下降，甚至不稳定。解决办法解决办法选用不同流量特性的控制阀，用非线性选用不同流量特性的控制阀，用非线性补偿非线性。补偿非线性。选用带有选用带有开方开方功能的差压变送器，使变功能的差压变送器，使变送器的输出信号与流量成线性关系。送器的输出信号与流量成线性关系。流量测量的非线性对比值系数计算的影响流量测量的非线性对比值系数计算的影响假若

23、两个流量均采用节流式仪表，若两假若两个流量均采用节流式仪表，若两管道中的孔板及差压计的量程选择不合管道中的孔板及差压计的量程选择不合适，会出现一个近似线性，一个非线性，适，会出现一个近似线性，一个非线性，用一个比值系数确保各点都成比例是不用一个比值系数确保各点都成比例是不可能的。可能的。要求：对于用节流法测量流量的比值系要求：对于用节流法测量流量的比值系统，两流量要么具有相似的非线性，要统，两流量要么具有相似的非线性，要么经开方都成为线性。么经开方都成为线性。除法器的非线性除法器的非线性比值控制器比值控制器控制阀控制阀流量对象流量对象测量变送器测量变送器1测量变送器测量变送器2除法器除法器F2

24、F1I1I2I0IR121/,IIKI输出是除法器的输入是的减小而增大。数是随着负荷可见：除法器的放大系的大小。的测量信号，表征负荷是除法器的放大系数为：11121FIIdIKd偿，提高控制质量。非线性进行补成比值控制系统，能对采用除法器组随负荷增大而增大），（放大系数如果过程本身为非线性系统不易稳定。在小负荷时，除法器非线性的引入，控制器由于如果过程为线性，比值. 2. 1除法器非线性的解决方案除法器非线性的解决方案方法一：采用具有相反特性曲线的对数方法一：采用具有相反特性曲线的对数流量特性的控制阀，能实现部分补偿。流量特性的控制阀，能实现部分补偿。因为对数流量特性控制阀的放大系数是因为对数

25、流量特性控制阀的放大系数是随着负荷的增加而增加。随着负荷的增加而增加。方法二：当主、副流量均为差压法测量时，方法二：当主、副流量均为差压法测量时，主流量加开方器，而副流量不加开方器，主流量加开方器，而副流量不加开方器，利用副流量测量变送的非线性去补偿除法利用副流量测量变送的非线性去补偿除法器的非线性器的非线性。但此时，主、副流量测量信。但此时，主、副流量测量信号一个是线性、一个是非线性，造成比值号一个是线性、一个是非线性，造成比值系数随主流量变化，因此必须采取措施。系数随主流量变化，因此必须采取措施。w补偿是利用二者随流量负荷的增补偿是利用二者随流量负荷的增加一个放大倍数增加，另一个放加一个放

26、大倍数增加，另一个放大倍数下降的原理进行补偿的。大倍数下降的原理进行补偿的。解决方案解决方案比值控制器比值控制器控制阀控制阀流量对象流量对象测量变送测量变送1测量变送测量变送2除法器除法器F2F1I1I2I0开方器开方器K由于主、副流量测量信号一个是线性、一个是非线性，由于主、副流量测量信号一个是线性、一个是非线性，造成各工作点比值系数变化，因此，必须保证给定值也造成各工作点比值系数变化，因此，必须保证给定值也随随F1的变化而变化，确保给定与反馈的差值一定。的变化而变化，确保给定与反馈的差值一定。比值控制系统的信号匹配问题比值控制系统的信号匹配问题仪表的信号匹配：合理调整有关仪表的仪表的信号匹

27、配：合理调整有关仪表的量程或设置必要的系数。量程或设置必要的系数。比值系数的计算是比值控制系统信号匹比值系数的计算是比值控制系统信号匹配的主要内容。配的主要内容。要，它影响到灵敏度。限的确定很重有关，因此仪表量程上上限有关，还与仪表的量程流量比的的大小除了与工艺规定比值系数KK度都很高。，系统灵敏度和精流量都可在全量程变化的情况下，主、副说明：在流量比值不变，时，当）（非线性关系：线性关系：相乘方案：22max2max122maxmax122maxmax122maxmax11FFKFKFKFFKKFFKK选择量程上限与工艺规定的选择量程上限与工艺规定的K成比例成比例,使比使比值系数接近值系数接

28、近1，例如：，例如：，确保精度和灵敏度。和差压计的选择要合适系统设计时，节流装置因此：在进行比值控制，于是：即：时对应则希望：时对应若则合适的量程选择为：工艺要求112h/50m20mAh,/100m20mA, 2/1/2maxmax12maxmax132max23max1112FFKKFFFIFIFFK应用举例应用举例水蒸气水蒸气F2CK2F2CK3F1C空气空气天然气天然气甲烷转化反应甲烷转化反应基本参数基本参数未经开方运算。采用差压法测量流量，天然气：空气：水蒸汽：生产中的最大负荷：天然气：水蒸汽：空气h/m31100h/m31100h/m311004 . 1313nmax3amax3s

29、maxFFF较高的精度和灵敏度。具有，仪表信号匹配合适，均接近和）空气对水蒸气：）天然气对水蒸气：求比值系数：。计算结果见教材量程上限和孔板，设计或选择差压变送器1073. 1(889. 0(105212amaxsmax2222nmaxsmax211KKFFKKFFKKP相乘方案相乘方案1max2max22max1max212max1max1(110KFFFFKKFFKKK则：）或：范围内，因此必须满足在比值控制系统的其它问题比值控制系统的其它问题流量测量中压力温度的校正流量测量中压力温度的校正校正后的流量。求得此时的流量值即为，再压差，计算出度和压力，测出当时的件下节流装置上游的温做法：测出

30、实际工作条的压力，：工作条件下被测介质的温度，：工作条件下被测介质的压力，：设计条件下被测介质的温度，：设计条件下被测介质nnnnnnpPKTPKTpTpTppapap11111习题习题3.8FC控制阀控制阀流量对象流量对象测量变送测量变送1测量变送测量变送2F2F1I1I2I0乘法器乘法器-(1)画出比值系统方框图画出比值系统方框图（2）要求）要求F1:F2=2:1,求求I041616416)4)(4()4()4(444416)4)(4(000111111011KIIKIIIKIKIIIKIII所以：由定义：乘法器输出12.96(mA)41681. 02000360021(02222max1

31、max2KIFFKK所以：）（）（）量测量：对于不带开方器差压流习题习题3.9比较几种比值控制系统的特点，确定选比较几种比值控制系统的特点，确定选用双闭环比值控制系统。用双闭环比值控制系统。双闭环比值控制系统：双闭环比值控制系统：适用于主流量干适用于主流量干扰频繁及工艺上不允许负荷有较大波动扰频繁及工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合。或工艺上经常需要提降负荷的场合。双闭环比值控制系统框图双闭环比值控制系统框图)(1sGC)(1sGV)(01sG)(1sGmK)(2sGC)(2sGV)(02sG)(2sGm)(sRAFBF双闭环比值控制系统流程图双闭环比值控制系统流程图KFAFBF2CF1CI01I 计算比值系数计算比值系数采用相乘方案采用相乘方案(420mA信号）信号）需要重新设置。为了能用乘法器实现，测量：对于带开方器差压流量, 135. 111605 .156229062542.52max1maxKFFKK)(1sGC