双闭环流量比值控制系统设计
比值控制系统
比值控制系统
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 要求严格控制比例。
最常见的是燃烧过程，燃料与空气要保持一定的比例关系，才能满足生产和环保的要求。 造纸过程中，浓纸浆与水要以一定的比例混合，才能制造出合格的纸浆，许多化学反应的诸个进料要保持一定的比例。
例如1、氨合成生产过程3H2+1N2=2NH3，要求H2和N2完全按照3：1进料。
2、造纸过程中，对纸浆浓度有要求，进料浓纸浆和水的进料就要满足一定比例。
如果有三个进料，对三个进料之间需要满足一定比例关系。
而我们之前学习的控制系统的控制达不到这样的控制要求。因此就要用到一个新的控制————比值控制系统基本概念：
1.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的控制系统。
2.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；表征主物料的参数称为主动量（主流量），用F1表示。
3.从物料或从动量：按照主物料进行配比，在控制过程中跟随主物料变化而变化的物料称为从物料；表征从物料特性的参数称为从动量（副流量），用F2表示。
4.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。
5. 比值控制系统就是要实现从动量与主动量成一定的比值关系:
K= F2/ F1 F2—为从动量A F1—为主动量B （从动量/主动量=K 常数）在比值控制系统中 从动量是跟随主动量变化的物料流量，因此，比值控制系统实际上是一种随动控制系统。
比值控制系统的类型：
开环比值控制系统
双闭环流量比值控制系统设计说明书
目录
摘要 (1)
双闭环流量比值控制系统设计 (2)
1、双闭环比值控制系统的原理与结构组成 (2)
2、课程设计使用的设备 (3)
3、比值系数的计算 (4)
4、设备投运步骤以及实验曲线结果 (5)
5、总结 (16)
6、参考文献 (17)
摘要
在许多生产过程中，工艺上常常要求两种或者两种以上的物料保持一定的比例关系。一旦比例失调，会影响生产的正常进行，造成产量下降，质量降低，能源浪费，环境污染，甚至造成安全事故。
这种自动保持两个或多个参数间比例关系的控制系统就是比值控制所要完成
的任务。因此比值控制系统就是用于实现两个或两个以上物料保持一定比例关系
的控制系统。需要保持一定比例关系的两种物料中，总有一种起主导作用的物料，
称这种物料为主物料，另一种物料在控制过程中跟随主物料的变化而成比例的变
化，这种无物料成为从物料。由于主，从物料均为流量参数，又分别成为主物料
流量和从物料流量，通常，主物料流量用Q1表示，从物料流量用Q2表示，工艺
上要求两物料的比值为K，即K=Q2/Q1.在比值控制精度要求较高而主物料Q1又允
许控制的场合，很自然就想到对主物料也进行定值控制，这就形成了双闭环比值
系统。在双闭环比值系统中，当主物料Q1受到干扰发生波动时，主物料回路对其
进行定值控制，使从物料始终稳定在设定值附近，因此主物料回路是一个定值控
制系统，而从物料回路是一个随动控制系统，主物料发生变化时，通过比值器的
输出，使从物料回路控制器的设定值也发生变化，从而使从物料随着主物料的变
化而成比例的变化。当从物料Q2受到干扰时，和单闭环控制系统一样，经过从物
基于PLC的流量比值控制系统设计
毕业设计开题报告
摘要
流量比值控制系统的设计，主要是用PLC控制液体的比例，以便提高工业的智能化，通过流量比值控制可以使得工业上液体的混合准确，能够更好地控制液体的比例，节约资源。
本设计采用PLC为核心对液体流量进行控制，通过合理的设计，提高流量控制水平，进而改善流量运行的稳定性，使其更加精确。本文主要介绍了流量的比值控制系统总体方案设计、设计过程、组成、列出流量控制的流程图，并给出了系统组成框图，分析流量逻辑关系，提出了编程方法。通过A/D采集模块接收流量计传感器的数据，对采集的相应数据进行处理分析并发出指令，该设计采用PID控制方法，通过PID控制的参数设定及自整定。根据PI调节的输出与输入的偏差成正比，还与偏差对时间的积分成正比，消除了控制过程中产生的静差。
本设计实现了流量双闭环调节的精确控制，这种控制方法对流量的调节具有较好的稳定性和动态特性。
关键词：流量PLC比值PID
Abstract
The design of flow ratio control system, PLC is mainly used to control the ratio of liquid, in order to improve the intelligence industry, through flow ratio control can make industrial liquid mixing accurate, better able to control liquid ratio, save resources.
双闭环比值控制系统
图5.3 丁烯洗涤塔进料与 洗涤水之比值控制
项目五 比值控制系统
单闭环比值控制系统中，虽然两物料比值一 定，但由于主动量是不受控制的，所以总物料量 （即生产负荷）是不固定的，这对于负荷变化幅度 大—物料又直接去化学反应器的场合是不适合的。 因负荷的波动有可能造成反应不完全，或反应放出 的热量不能及时被带走等，从而给反应带来一定的 影响，甚至造成事故。此外，这种方案对于严格要 求动态比值的场合也是不适应的。因为这种方案的 主动量是不定值的，当主动量出现大幅度波动时， 从动量相对于控制器的设定值会出现较大的偏差， 也就是说，在这段时间里，主、从动量的比值会较 大地偏离工艺要求的流量比，即不能保证动态比值。
项目五 比值控制系统 以图5.7所示硝酸生产中氧化炉的炉温与氨气/空气比值所组成
的串级比值控制方案为例，说明变比值控制系统的应用。
图5.7 氧化炉温度与氨气/空气串级比值控制系统
项目五 比值控制系统
在变比值控制方案中，选取的第三参数主要是衡量质量 的最终指标，而流量间的比值只是参考指标和控制手段。因 此在选用变比值控制时，必须考虑到作为衡量质量指标的第 三参数能否进行连续的测量变送，否则系统将无法实施。由 于具有第三参数自动校正比值的优点，且随着质量检测仪表 的发展，变比值控制可能会越来越多地在生产上得到应用。
＝ I2 I1
4 4
F2 max F1max
流量比值控制系统的设计
流量比值控制系统的设计
1引言
在生产过程中，凡是将两种或两种以上的物料量自动地保持一定比例关系的控制系统，就称为比值控制系统。在化工行业中，流量控制是非常重要的。本文主要介绍了一种流量比值控制系统，经实验和实践运行，证明该系统具有结构简单、稳态误差小、控制精度高等优点。
2工作原理
比值控制有开环比值控制、单闭环比值控制和双闭环比值控制三种类型。开环比值控制是最简单的控制方案。单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的缺点而设计的，这种方案的不足之处是主流量没有构成闭环控制。本系统采样双闭环比值控制方案。
图1kcl-h2so4双闭环流量比值控制系统原理图
由图1所示，第一个闭环控制系统是主流量氯化钾本身构成的流量闭环控制系统，当设置确定后，通过闭环调节作用，消除扰动的影响，使氯化钾的流量稳定在设定值上，主流量闭环控制系统属于恒值控制系统。第二个闭环控制系统是副流量硫酸闭环控制系统，其输入量是经过检测与变送后的氯化钾流量信号q1与比值系数k1的乘积。硫酸副流量闭环控制系统由副控制器1、硫酸泵变频器、硫酸泵以及检测点2/变送器2等组成。副流量闭环控制系统属于跟随系统。
3流量比值控制系统设计
3.1 流量比值控制系统构成
氯化钾与硫酸流量比值控制系统是由三菱fx2nc系列plc、耐腐蚀泵、西门子mm440变频器、计量螺旋、电磁流量计等组成。流量比值控制系统方框图如图2所示。
图2流量比值控制系统方框图
（1）三菱fx2nc系列plc。fx2nc系列plc具有很高的性能体积比和通信功能，可以安装到比标准的plc小很多的空间内。i/o型连接器可以降低接线成本，节约接线时间。i/o 点数可以扩展到256点，最多可以连接4个特殊功能模块。
双闭环直流调速系统设计
双闭环直流调速系统设计
1.电机数学模型的建立
首先要建立电机的数学模型，这是设计双闭环直流调速系统的基础。
根据电机的参数和运动方程，可以得到电机的数学模型，一般为一组耦合
的非线性微分方程。
2.速度内环设计
速度内环负责实现期望速度的跟踪控制。常用的设计方法是采用比例
-积分(PID)控制器。PID控制器的输出是速度的修正量，通过与期望速度
相减得到速度误差，然后根据PID算法计算控制器输出。PID控制器的参
数调节是一个关键问题，可以通过试探法、经验法或优化算法等方法进行
调节，以实现最佳的速度跟踪性能。
3.电流外环设计
电流外环的作用是保证电机的电流输出与速度内环控制输出的一致性。一般采用PI调节器进行设计。PI调节器的参数通过试探法、经验法或优
化算法等方法进行调节，以实现电流输出的稳定性。
4.稳定性分析与系统稳定控制
设计好速度内环和电流外环后，需要对系统的稳定性进行分析。稳定
性分析可以通过线性化方法、根轨迹法、频率响应法等方法进行。分析得
到系统的自然频率、阻尼比等参数后，可以根据稳定性准则进行系统稳定
控制。常用的控制方法包括模型预测控制、广义预测控制、滑模控制等。
5.鲁棒性设计
在双闭环直流调速系统设计中，鲁棒性是一个重要的指标。通过引入鲁棒性设计方法，可以提高系统对参数扰动和外部干扰的抑制能力。常用的鲁棒性设计方法包括H∞控制、μ合成控制等。
以上是双闭环直流调速系统设计的一般步骤，具体的设计过程可能因实际应用和控制要求的不同而有所差异。设计双闭环直流调速系统需要深入了解电机的特性和系统的控制需求，综合运用控制理论和工程方法，通过模拟仿真和实验验证来不断调整和优化控制参数，以实现系统的高性能调速控制。
闭环流量比值控制系统设计
二○一一～二○一二学年第一学期
信息科学与工程学院课程设计报告书课程名称：过程控制与集散系统课程设计班级：自动化0804
学号： 5
姓名：饶奇奇
指导教师：熊凌
二○一一年十一月
一、设计题目
1.题目：涡轮流量计闭环流量比值控制系统设计
2．系统功能需求分析：涡轮流量计双闭环流量比值控制系统在实际生产中应用十分广泛，它能使系统稳定，精确地输出，更能实现自动化控制，是过程控制系统的一个典型，在石化、制药等生产过程中，经常要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系。因此设计涡轮流量计双闭环流量比值控制系统市场需求较大。
二、概要设计
1.系统总体设计框架：
该系统可在A3000-FS 实验台上设计完成。
图１中1#管流量Q1为主变量，2#管流量Q2为从变量，可设计串级调节器控制FV101满足系统要求。
表１ 连接端配置 测量或控制量 测量或控制量标号
1＃涡轮流量计 FT101 2＃涡轮流量计 FT102 电动调节阀
FV101
FT 102
2#
调节阀FV101
FT 101
比值器
调节器
Q 2
Q 1
1#
图１ 比值控制系统原理示意图
以上连接图和仪表仅为本控制系统中的设计提供思路，并不完整，其它部分还需根据自己的设计思路添加。
三、详细设计
1.控制方案：
根据设计要求，系统采用单闭环比值控制。在控制两种物料的比值系统中，起主导作用的物料流量称为主动量，跟随主动量而变化的物料流量称为从动量。设本系统中液体A为主动量，液体B为从动量。将从动量用一个闭环包括进去，而主动量开环。将液体A的流量y1通过比值控制器k作为闭环回路的输入量。所以从动量B的给定是ky1，因为y1开环，故y2要随着y1的变化而变化，即从动量B是一个随动控制系统。
比值控制系统分析
比值控制系统分析
摘要：火电厂控制系统应用了各种类型的比值控制系统，如开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双比值控制系统及有逻辑规律的比值控制系统等。本文就
控制系统的设计思路、性能分析和比值控制系统分析。
关键词：比值控制；控制系统；系统分析
1.引言
在生产过程中，经常出现一种随动控制系统，它叫比值控制系统，能控制两
种或两种以上的物质保持一定的比例关系，一旦出现比例失调就会影响生产的安
全性和经济性。在这种系统控制的需要保持比例的两种物质中，必有一种处于主
导地位，称为主动量，而另一种需要按主动量进行配比，称为从动量。
2.比值控制系统类型和原理分析
2.1开环比值控制系统
开环比值控制系统的原理图如图1所示。它是比值控制系统中最简单的控制
方案。Q1是主动物料流量，Q2是从动物料流量，Q2随Q1改变而改变。在稳态下，两种物料流量关系满足Q2＝KQ1的要求。其中K为工艺指标规定的体积或质量流量的比值。在这个方案中，主动流量Q1仅有测量变送信号送入控制器（或
比值器），而控制器并不控制它，即没有形成回路。相反，从动物料Q2没有测
量变送信号，却只有控制信号，所以系统是开环的。
开环比值控制系统的特点是：系统简单，所用仪表少，仅需一台比例控制器
就可以实现；整定也比较简单，控制器比例度可以根据比值要求设置。但是，这
一方案仅适用于从动物料Q2在一定阀门开度下，流量很少变化或者相当稳定的
场合。在这种系统中从动物料Q2的干扰是不可避免的。
（a）原理图（b）框图
图1 开环比值控制系统
2.2单闭环比值控制系统
工艺上要求两种物质的流量保持一定的比例关系，可以选用单闭环比值控制
直流双闭环调速系统设计与仿真
直流双闭环调速系统设计与仿真
一、直流双闭环调速系统的基本原理
电流环用于控制电机的电流，通过测量电机的电流反馈信号与给定的电流信号进行比较，得到误差信号，然后经过PID控制器计算控制信号，最后通过逆变器输出给电机控制电流。
二、直流双闭环调速系统的设计
1.确定系统参数：包括电机的转矩常数，转矩惯量，电感，电阻等参数。
2.设计速度环控制器：根据转速信号和转速误差信号，设计速度环控制器的传递函数。可以选择PID控制器，也可以选择其他类型的控制器。
3.设计电流环控制器：根据电流信号和电流误差信号，设计电流环控制器的传递函数。同样可以选择PID控制器或其他类型的控制器。
4.进行系统仿真：将设计好的速度环和电流环控制器加入电机模型，进行系统仿真。通过调整控制器参数，观察系统的响应特性，可以优化系统性能。
5.调整控制参数：根据仿真结果，调整控制器的参数，使系统响应更加快速、稳定。
三、直流双闭环调速系统的仿真
1.定义系统模型：建立直流电机的状态方程，包括速度环和电流环的动态方程。
2.设定系统初始条件和输入信号：设置电机的初始状态和给定的转速
信号以及电流信号。
3.选择控制器类型和参数：根据设计要求，选择控制器类型和参数。
可以选择PID控制器，并根据调试经验选择合适的参数。
4.搭建控制系统模型：将速度环和电流环的控制器模型和电机模型连
接在一起，构建闭环控制系统模型。
5.进行系统仿真：利用MATLAB或其他仿真软件进行系统仿真，根据
给定的转速信号和电流信号，观察系统的响应特性。
四、直流双闭环调速系统的优化
双闭环控制系统设计
运动控制课程设计
双闭环系统的最佳工程设计
目录
1. 课程设计任务书 (1)
1.1系统性能指标 (1)
1.2设计内容 (1)
1.3应完成的技术文件 (1)
2．课程设计设计说明书 (2)
2.1综述 (2)
2.2整流电路 (2)
2.3触发电路的选择和同步 (3)
2.4双闭环控制电路的工作原理 (4)
3. 设计计算书 (6)
3.1整流装置的计算 (6)
3.1.1变压器副方电压 (6)
3.1.2变压器和晶闸管的容量 (6)
3.1.3平波电抗器的电感量 (7)
3.1.4晶闸管保护电路 (8)
3.2 控制电路的计算 (9)
3.2.1已知参数 (9)
3.2.3预选参数 (10)
3.2.5最佳典型II型速度环的计算 (12)
3.3系统性能指标的分析计算 (13)
3.3.1静态指标的计算 (13)
3.3.2动态跟随指标的计算 (14)
3.3.3动态抗扰动指标的计算 (14)
参考资料 (16)
4.附图和附表 (17)
4.1动态结构图和相应的动态结构参数图 (17)
4.2典Ⅰ典Ⅱ的开环对数幅频特性图 (17)
4.3系统参数表 (18)
4.4元件明细表 (22)
4.5系统原理图 (23)
1. 课程设计任务书
1.1系统性能指标
1)条速范围D>10
2)静差率s<5%
3)电流超调量<5%
4)空载起动到额定转速的超调量<10%，调整时间<1s
5)当负载变化20%的额定值，电网波动10%额定值时，最大动态速降<10%,
动态恢复时间<0.3s
1.2设计内容
1)设计系统原理图
2)计算调节器参数及其它参数
双闭环比值控制系统
项目五 比值控制系统
5.1 概述
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。一旦比例失调，就会 影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，消 耗动力，造成环境污染，甚至造成生产事故。最常见 的是燃烧过程，燃料与空气要保持一定的比例关系， 才能满足生产和环保的要求；造纸过程中，浓纸浆与 水要以一定的比例混合，才能制造出合格的纸浆；许 多化学反应的多个进料要保持一定的比例。因此，凡 是用来实现两种或两种以上的物料量自动地保持一定 比例关系以达到某种控制目的的控制系统，称为比值 控制系统。
项目五 比值控制系统
如图5.3所示，为单闭环比值控制系统 实例。丁烯洗涤塔的任务是用水除去丁烯馏 分中所夹带的微量乙腈。为了保证洗涤质量， 要求根据进料流量配以一定比例的洗涤水量。
总之，单闭环比值控制系统不仅能使从 动量的流量跟随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，其主、 从动量的比值较为精确，而且比开环比值控 制系统的控制质量要好。单闭环比值控制系 统的结构形式较简单。所增加的仪表投资较 少，实施起来亦较方便，而控制品质却有很 大提高，因而被大量应用于生产过程控制， 尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制 的场合。
项目五 比值控制系统
比值控制系统
内容提要 生产过程中经常要求两种或两种以上的物料 以一定的比例混合以后参加化学反应，以保证反 应安全、充分并节约能量，由此提出了比值控制。 本章将重点讲述比值控制系统的常见结构类型、 比值系数的计算、比值控制系统方案的实施、实 施中的有关问题及比值控制系统的投运与整定的 步骤。
双闭环比值控制
过程控制工程课程设计报告设计题目：双闭环比值控制
目录
一.双闭环比值控制系统简介 (3)
二.双闭环比值控制系统仿真综合实例 (4)
三.双闭环比值控制系统实例步骤及仿真图 (5)
四.参考历史文献 (12)
五.心得体会 (15)
一．双闭环比值控制系统
双闭环比值控制系统的特点是在保持比值控制的前提
下，主动量和从动量两个流量均构成闭环回路，这样克服了自身流量的干扰，使主、从流量都比较平稳,并使得工艺总负荷也较稳定。
从动量控制回路是随动控制系统，期望系统响应快些，一般按单回路整定；主动量控制回路是定值控制系统，反应速度较慢时有利于从动控制回路的快速跟踪，一般整定为周期过程。主、从控制回路均选择PI 控制方式。
二.双闭环比值控制系统系统仿真综合实例
双闭环比值控制系统的工艺图及控制框图如下图所示。假设主动控制量控制系统的数学模型和从动控制量控制系统的数学模型为t e s s G 5.1
153
)(-+=和s e s s s G 5.)120)(110(3)(-++=
。
三.双闭环比值控制系统实例及仿真图
（1）分析主动量控制系统和从动量控制系统稳定性。 执行该系统的Bode 图得，系统开环稳定，幅值稳定裕量7.05dB ，对应增益为2.25。 （2)选择控制系统结构和调节器形式。
控制系统框图如图下图1所示。其中k 代表比值，在此设定为4.
)
(1
s G
C 和
)
(2
s G
C 分别为主动量控制环和从动控制
环的控制器，按前述分析取PI 形式。
图1控制系统框图
（3)整定主动量回路控制器参数。
仍采用稳定边界法整定系统参数。设定停止时间为60.0，
双闭环比值控制系统介绍
杨春曦
1.最大偏差或超调量 指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。在衰减
振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。 2. 衰减比
衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯 表示为 n:1，一般 n 取为4～10之间为宜。
一、双闭环比值控制系统概况
实现两个或两个以上参数符合一定比Baidu Nhomakorabea关系的控制 系统，称为比值控制系统。通常为流量比值控制系统。
4. 对截图曲线进行分析与说明；
5. 回答指导书中本实验后面的问题。
几个概念 主物料、主动量（Q1 、主流量）
从物料、从动量（Q2 、副流量）
副流量Q2与主流量Q1的比值关系为
K Q2 Q1
双闭环比值控制系统框图
工艺流程： 主参数：
原料油流量； 从参数：
催化剂流量；
PID控制器调试步骤：
1. 要求先整定主流量回路（原料油流量回路）的调节 器参数，待主回路系统稳定后，再整定从回路（催 化剂流量回路）中的调节器参数 ；
2. 对于主、从回路参数的整定实行先比例、后积分， 再微分的整定步骤；
实验内容：
1. 调节两个PID控制器参数，得到下主、从参数的衰 减比为4:1，并记录下调试过程中的参数和截图， 填写指导书中的表格；
2. 改变物料比例系数，观察流量比值的变化，并截图；
双闭环系统课程设计
1 双闭环系统的设计
1.1 设计内容
第一，双闭环直流电动机控制系统设计。
分析系统工作原理，进行系统总体设计。
分析设计出控制系统框图，控制系统动态结构图，控制系统稳态结构图，双闭环直流电动机控制系统原理图设计。
根据系统框图和任务分解结果，进行典型环节和模块电路的设计。
设计转速电流环电路，触发电路驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发器电路均可），控制主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等），检测及给定电路。
第二，控制系统各单元参数测试和计算。
测出各环节的放大倍数及时间常数，在确定调速范围D=１０时比较开环、单环和双环时的动态响应。
第三，PID控制算法的确定。
以仿真结果或实验结果为根本依据，结合理论，确定合理的PID控制策略和控制参数。
第五，MATLAB仿真验证。
利用MATLAB下的SIMULINK软件进行系统仿真，同时将结果在示波器上显示出来，以验证设计的正确性。
第六，设计要求：
为某生产机械设计一个调速范围宽、起制动性能好（可选做）的直流双闭环系统。已知系统中直流电动机主要数据如下：
(1)一台直流电机，直流电机额定数据：PN=60KW，UN=220V，IN=308A，nN=1000r/min，电枢回路总电阻R=0.18Ω。电磁时间常数Tl＝0.012ｓ，机电时间常数Tm＝0.12ｓ，电动机系数Ce＝0.196V·min/r。
(2)主要技术指标：调速范围0~1000r/min，电流过载倍数λ=1.1，系统静特性良好，无静差。
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目录
摘要 (1)
双闭环流量比值控制系统设计 (2)
1、双闭环比值控制系统的原理与结构组成 (2)
2、课程设计使用的设备 (3)
3、比值系数的计算 (4)
4、设备投运步骤以及实验曲线结果 (5)
5、总结 (16)
6、参考文献 (17)
摘要
在许多生产过程中，工艺上常常要求两种或者两种以上的物料保持一定的比例关系。一旦比例失调，会影响生产的正常进行，造成产量下降，质量降低，能源浪费，环境污染，甚至造成安全事故。
这种自动保持两个或多个参数间比例关系的控制系统就是比值控制所要完成的任务。因此比值控制系统就是用于实现两个或两个以上物料保持一定比例关系的控制系统。需要保持一定比例关系的两种物料中，总有一种起主导作用的物料，称这种物料为主物料，另一种物料在控制过程中跟随主物料的变化而成比例的变化，这种无物料成为从物料。由于主，从物料均为流量参数，又分别成为主物料流量和从物料流量，通常，主物料流量用Q1表示，从物料流量用Q2表示，工艺上要求两物料的比值为K，即K=Q2/Q1.在比值控制精度要求较高而主物料Q1又允许控制的场合，很自然就想到对主物料也进行定值控制，这就形成了双闭环比值系统。在双闭环比值系统中，当主物料Q1受到干扰发生波动时，主物料回路对其进行定值控制，使从物料始终稳定在设定值附近，因此主物料回路是一个定值控制系统，而从物料回路是一个随动控制系统，主物料发生变化时，通过比值器的输出，使从物料回路控制器的设定值也发生变化，从而使从物料随着主物料的变化而成比例的变化。当从物料Q2受到干扰时，和单闭环控制系统一样，经过从物料回路的调节，使从物料稳定在比值器输出值上。双闭环比值控制系统由于实现了主物料Q1的定值控制，克服了干扰的影响，使主物料Q1变化平稳。当然与之成比例的从物料Q2变化也将比较平稳。根据双闭环比值控制系统的优点，它常用在主物料干扰比较频繁的场合，工艺上经常需要升降负荷的场合以及工艺上不允许负荷有较大波动的场合。本实验通过了解双闭环比值控制系统的原理与结构组成，进行双闭环流量比值控制系统设计（包括仪表选型）以及进行比值系数的计算，最后基于WinCC进行监控界面设计，给出不同参数下的响应曲线，根据扰动作用时，记录系统输出的响应曲线。
双闭环流量比值控制系统设计
1、双闭环比值控制系统的原理与结构组成
在工业生产过程中,往往需要几种物料以一定的比例混合参加化学反应。如果比例失调，则会导致产品质量的降低、原料的浪费，严重时还会发生事故。这种用来实现两个或两个以上参数之间保持一定比值关系的过程控制系统，均称为比值控制系统。
本设计是双闭环流量比值控制系统。其系统结构图如图1所示。该系统中有两条支路，一路是来自于电动阀支路的流量Q
1
，它是一个主流量；另一路是来自
于变频器—磁力泵支路的流量Q
2，它是系统的副流量。要求副流量Q
2
能跟随主流
量Q
1的变化而变化，而且两者间保持一个定值的比例关系，即Q
2
/Q
1
=K。
图6-2 双闭环流量比值控制系统
(a)结构图 (b)方框图
(a)结构图 (b)方框图
图1 双闭环流量比值控制系统
由图中可以看出双闭环流量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，主流量回路能克服主流量扰动，实现其定值控制。副流量控制回路能抑制作用于副回路中的扰动，当扰动消除后，主副流量都回复到原设定值上，其比值不变。显然，双闭环流量控制系统的总流量是固定不变的。从整定的角度看，应使从物料回路响应较主物料回路快一些，以便从物料能跟得上主物料的变化，保证主，从物料的比值恒定。
2、课程设计使用的设备
2.1. THJ-3型高级过程控制系统实验装置，如下图所示：
本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。
2.2 THJ-3型西门子PLC过程控制系统。
该过程控制系统的控制柜主要由电源控制组件、西门子PLC控制组件、变频器控制组件等几部分组成。是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-
反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。
2.3 西门子S7系列PLC 编程软件。
本装置中PLC 控制方案采用了德国西门子公司的S7-300PLC ，采用的是Step 7编程软件。利用这个软件可以对PLC 进行编程、调试、下装、诊断。
2.4 西门子WinCC 监控组态软件。
S7-300PLC 控制方案采用WinCC 软件作为上位机监控组态软件，WinCC 是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft 的强大功能的产物。作为一个国际先进的人机界面(HMI)软件和SCADA 系统，WinCC 提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板；并具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据；WinCC 还为用户解决方案提供了开放的界面，使得将WinCC 集成入复杂、广泛的自动化项目成为可能。
3、比值系数的计算
设流量变送器的输出电流与输入流量间成线性关系，即当流量Q 由0～Q max 变化时，相应变送器的输出电流为4～20mA 。由此可知，任一瞬时主流量Q 1和副流量Q 2所对应变送器的输出电流分别为
I 1＝416max
11+⨯Q Q (1) I 2＝
416max 22+⨯Q Q (2) 式中Q 1max 和Q 2max 分别为Q 1和Q 2 最大流量值，即涡轮流量计测量上限，由于两
只涡轮流量计完全相同，所以有Q 1max ＝Q 2max 。
设工艺要求Q 2/Q 1＝K ，则式（6-1）、（6-2）可改写为
Q 1＝
16
)4(1-I Q 1max (3) Q 2＝16)4(2-I Q 2max (4) 于是求得
12Q Q ＝4412--I I ×max 1max 2Q Q ＝4
412--I I (5) 折算成仪表的比值系数K ′为
K ′＝K ×max
2max 1Q Q ＝K (6) 4、设备投运步骤以及实验曲线结果