比值控制系统

二、比值控制系统的类型
开环比值控制系统
单闭环比值控制系统
双闭环比值控制系统
变比值比值控制系统 串级和比值混合系统
1、开环比值控制系统
本质：
随着F1的变化，F2跟着变化， 满足F2=KF1的要求（阀门开 度与F1之间成一定的比例关系。
优点：简单，仪表少 缺点：系统开环，F2波动时比值难以保证 适用于副流量较平稳且比值精度要求不高的场合。
F1max F2 F1max K F1 F2 max F2 max
由上式可知，比值系数只有变送器的量程和所要求从 动量与主动量的对应比例关系有关，与变送器的电气 零点无关。
注意 （1）采用线性流量单元检测时，只有在F1max=F2max 的 场合，K‘=K，也可通过调整F1max、F2max改变比值。 （2）采用电动和气动仪表时，乘法器输入的比值电流或气压 和相除方案中比值控制器设定电流或气压可按下列公式计算 一般标准公式：输入信号=仪表量程范围×K+ 零点. （3）在采用相乘的方案中，采用分流器、加法器等仪表可直 接设置仪表比值系数K。 （4）在采用相除的方案中，如果计算所得的仪表比值系数K 大于1，则除法器的输入信号更换，即主动量信号作为被除数 信号，从动量信号作为除数信号。
F I (20 4) 4 Fmax
I 2 I 20 从动流量的测量信号 I 2max I 20 K I1 I10 主动流量的测量信号 I1max I10
F2 F2 (20 4) 4 4 (20 4) Fmax I 2 4 F2max K F1 F1 I1 4 (20 4) 4 4 (20 4) F1max Fmax F1max F2 F1max K F1 F2max F2max
温度升高 测量值升高 温度下降 主控制器输出减小 氨气流量减小 比值控制器输出减小 控制阀开度减小
串级和比值控制混合系统
要求主流量随 F1 另一参数的需 要而改变，属 于定比值控制。
主、副流量控制 回路对液位控制 器的动态响应一 致，保证动态比 值恒定。
两物料组成双闭环 比值控制，而反应 器液面需要恒定
测量变送器2 F1
I 0 I 00 I 2 I 20 I1 I10 / I 0 max I 00 I 2 max I 20 I1max I10 假设信号为： 4～20mA，即： I 0 max I1max I 2 max 20mA I 00 I10 I 20 4mA I 2 I 20 I2 4 I0 ( I 0 max I 00 ) I 00 16 4 I1 I10 I1 4
乘法器的I 与I1之间的关系： - 4 I0 4 I1 K I1 4 16 I 0 16K 4 只要I 0 满足此式，系统就能完成要求的比值。 同理：对于0～10mA仪表，I 0 10K
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
IR F2 比值控制器 I2 I0 除法器 I1 测量变送器1 控制阀 流量对象
触媒的活性变化、大气温度、压力变化。 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。
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 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 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。 假设控制器均为反作用形式，控制阀为气开式
F2
比值器的运算公式：I出 K ( I 入 - I 0 ) I 0 K I出 - I 0 I入 - I0
对于4～20mA信号的比率设定器： I出 K ( I 入 - 4) 4，K （I出 - 4） /(I 入 - 4) 对于0～10mA信号的比率设定器： I出 K I 入，K I出 / I 入
一、基本概念：
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。
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。 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。 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。 K= F2/ F1
2、单闭环比值控制
增加一个副流量闭环控制系统
2、单闭环比值控制
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。
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的。 当主流量出现大幅度波动时，副流量给定值大幅度波动， 在调节的一段时间里，比值会偏离工艺要求的流量比， 不适用于要求严格动态比的场合。 适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合
3、双闭环比值控制系统
增设了主流量控制回路
3、双闭环比值Fra Baidu bibliotek制系统
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，实现定值控制；从动 量控制回路克服从动量扰动，实现随动控制；当扰动消 除后，主、从动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
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，可以提降主流量， 副流量会自动跟踪变化，两种比值不变。 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的场合。
F1C
LC
LT
k
F1C
除了比值恒定，还要 求反应器中液位恒定
F2
两物料进入反应器流程
串级和比值控制混合系统框图
R( s )
F1

GC ( s )

K
GC1 (s)
GV 1 (s)
G01 ( s )
G0 ( s )
L(s)
Gm1 (s) GV 2 (s) Gm2 (s) Gm ( s ) G02 (s)
平方测量关系
设F0 0(最小流量为零） I I0 F F0 2 F 2 （ ) I ( )（I max I 0） I0 I max I 0 Fmax F0 Fmax 可以推出： 2 F1max 2 K K（ ） F2 max
比值控制方案的实施
依据采用什么方式实现主、副流量的比值运算进行分类： 1.相乘方案 2.相除方案
5.2比值控制系统
在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量 成一定的比例关系：一旦比例失调，会影响生产的 正常进行，影响产品的质量，浪费劳动力，造成环 境的污染，甚至产生生产事故。如： 1、燃烧过程：燃料与空气要保持一定的比例，才 能满足生产和环保的要求。 2、造纸过程：浓纸浆与水要以一定比例混合，才 能制造出合格 纸浆。 3、不少化学反应过程，多个进料要保持一定比例。 4、制药生产中要求药物和注入剂按比例混合。 5、水泥配料系统……
当主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 工作频率接近时，可能引起“共振”。
工业应用：自来水消毒的比值控制
q1
F1T
K
F2 C
净化水 氯气 供用户
q2
F2T
4、变比值控制系统
变比值控制系统：按照工艺 指标自行修正比值系数的变 化值。（副回路是个比值控 制系统的串级控制系统）
F1max是主流量变送器量程上限 F2max是副流量变送器量程上限
② 流量信号为气信号时：
F P (100 20) 20 Fmax
I 2 I 20 从动流量的测量信号 I 2max I 20 K I1 I10 主动流量的测量信号 I1max I10 F2 F2 (100 20) 20 20 80 Fmax P2 20 F2 max K F1 F1 P 1 20 (100 20) 20 20 80 F1max Fmax
以某种质量指标X（第三参数）为主变量，以两个流 量比为副变量的串级控制系统。例如：在燃烧控制中，最 终的控制目标是烟道气中的氧含量（反映燃料完全燃烧指 标），而燃料与空气的比值实质上是控制手段，因此，比 值的设定值由氧含量控制器给出。
工作原理
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，且与比值测量值相等，比值控制器输出稳定，控制阀处于某一 开度，产品质量合格。 当F1、F2出现扰动，通过比值控制回路，保持比值一定，从而不影响 或大大减小扰动对产品质量的影响（相当于串级控制系统的副回路调 节）。 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，将影响产品质量指标，输出X偏离设定值，此时主控器 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 新的比值上重新稳定。
原理：F1的测量值乘以某一系 数K’作为控制器FC的设定值， 可以用比值器，乘法器实现。
原理：两种流量的比值作为副流 量控制器的测量值，可以用除法 器实现。
用比值器组成的方案
比值器的作用是实现一 个输入信号乘上一个常 数的运算
K
比值器 I入
I出 控制器 控制阀 测量变送器2 测量变送器1 F1 流量对象
F2

GC 2 (s)
工作原理
以液面为主参数，主流量为副参数的串级控 制系统。 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 跟着变化，同时副流量的给定值也变化，保 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。
5、比值系数的计算
原因：区分流量比值K和设置于仪表的比值系数K'。因为 工艺上规定的比值K是指两种物料的流量（体积或质量） 之比，而目前通用仪表使用统一的标准信号，因此必须 把工艺规定的流量比值K折算成仪表信号的比值系数K'， 才能进行比值设定。
线性测量关系
设F0 0(最小流量为零） I I0 F F ，I （I max I 0） I0 I max I 0 Fmax Fmax 当使用转子流量计、涡轮流量计、椭圆流量计或 带开方的差压流量计时，流量信号均与测量信号 成线性关系，可得： F1max K K F2 max
用乘法器组成的方案
I0 乘法器
I1
I 1
K
F2 控制器 控制阀 测量变送器2 流量对象
测量变送器1
F1
输出有效信号与输入有效信号的关系： - I10 I1 I1 - I10 I 0 - I 00 max - I10 I1 I1max - I10 I 0 max - I 00 同一信号制下，信号上下限相同，则： ( I1 - I10 ) ( I 0 - I 00 ) I1 I10 I1max - I10 对于4～20mA信号的比率设定器： ( I1 - 4) ( I 0 - 4) I1 4 16
采用线性流量检测单元 已知：标准电信号：4-2 mA 标准气信号：20-100 KPa F1 ——主流量，I1——主流量对应测量信号； F2 ——副流量，I2——副流量对应测量信号；
当主流量F1与副流量F2的比值为F2/F1=K时， 如何设置比例控制器参数K’（比值系数）。
① 流量信号为电信号时：
氧化炉温度对氨气/空气串级比值控制系统
氨气
当氨气在混 合器中含量 增加1%，氧 化炉温度将 上升64.9度。
FfC
TC
氧 化 炉
预 热 器

空气
氨氧化生成 一氧化氮， 同时放出大 量的热量。
混 合
第三参数是 氧化炉温度
稳定氧化炉的关键 条件是氧化炉温度
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 量的直接干扰； 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； 负荷的变化（比值不变，负荷变化，温度变化）；