在生产过程中，根据工艺允许的负荷波动幅度、扰动因素的性质、产品质量的要求不同，实现对两物料流量比值的控制方案也不同。按系统结构分类，常用的比值控制系统可分为单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统和变比值控制系统。

1.单闭环比值控制系统

单闭环比值控制系统在结构上与单回路控制系统一样。常用的控制方案有2种形式：一种是把主流量的测量值乘以某一系数后作为从流量控制器的设定值，这种方案称为相乘方案，是典型的随动控制系统，如图9-1（a）所示；另一种是把2个流量的比值作为从流量控制回路的被控变量，这种方案称为相除方案，如图9-1（b）所示。其中，F1 T和F2 T为流量检测变送器；R为比值器；F2 C为流量控制器。

图9-1　单闭环比值控制系统的2种方案

图9-1所对应的控制系统方框图如图9-2所示。

图9-2　单闭环比值控制系统方框图

在稳定状态下，单闭环比值控制系统中的2种物料流量保持Q2＝KQ1的比值关系。当主流量不变时，比值器的输出保持不变，此时从流量控制回路是一定值控制系统，如果从流量Q2受到外界扰动发生变化，经过从流量控制回路的控制作用，把变化了的Q2再调回到稳态值，维持Q1与Q2的比值关系不变；当主流量Q1受到扰动发生变化时，比值器（或除法器）经过运算后其输出也相应发生变化，即从流量控制回路的设定值（或反馈量）发生变化，经过从流量控制回路的调整使从流量Q2随着主流量Q1的变化而成比例变化，变化后的Q2和Q1仍维持原来比值关系不变。可以看出，此时从流量控制回路是一随动控制系统。当主流量Q1和从流量Q2同时受到扰动而发生变化时，从流量控制回路的控制过程是上述2种情况的叠加，不过从流量控制回路首先应满足使Q2随Q1呈比值关系的变化。

应当指出的是，由于从流量的调整需要一定的时间，不可能做到理想的随动，所以单闭环比值控制系统一般只用于主流量参数变化不大的场合。原因是该方案中主流量不是确定值，它是随系统负荷升降或受扰动的作用而任意变化的。因此，当主流量Q1出现大幅度波动时，从流量Q2难以跟踪，主、从流量的比值在调节过程中会偏离工艺的要求，这在有的生产过程中是不允许的，需要考虑改变比值控制方案。

2.双闭环比值控制系统

在比值控制精度要求较高而主流量Q1又允许控制的场合下，很自然地就想到对主流量也进行定值控制，这就形成了双闭环比值控制系统。常用的控制方案有2种形式：一种是把主流量的测量值乘以某一系数后作为从流量控制器的设定值，这种方案称为相乘的方案，如图9-3（a）所示；另一种是把2个流量的比值作为从流量控制回路的被控变量，这种方案称为相除方案，如图9-3（b）所示。

图9-3　双闭环比值控制系统的2种方案

图9-3所对应的控制系统方框图如图9-4所示。(www.daowen.com)

在双闭环比值控制系统中，当主流量Q1受到扰动发生波动时，主流量控制回路对其进行定值控制，使主流量始终稳定在设定值附近，因此主流量控制回路是一定值控制系统。而从流量控制回路是一随动控制系统，主流量Q1发生变化时，通过比值器（除法器）的输出使从流量控制回路控制器的设定值（反馈值）也发生改变，从而使从流量Q2随着主流量Q1的变化而成比例地变化。当从流量Q2受到扰动时，和单闭环比值控制系统一样，经过从流量控制回路的调节，使从流量Q2稳定在要求的输出值。

图9-4　双闭环比值控制系统的方框图

双闭环比值控制系统和单闭环比值控制系统的区别仅在于增加了主流量控制回路。显然，由于实现了主流量Q1的定值控制，克服了扰动的影响，使主流量Q1变化平稳。当然，与之成比例的从流量Q2变化也将比较平稳。当系统需要升降负荷时，只要改变主流量Q1的设定值，主、从流量就会按比例同时增大或减小，从而克服了上述单闭环比值控制系统的缺点。

3.变比值控制系统

前面介绍的2种比值控制系统都属于定比值控制系统，因为它们的主、从流量之间的比值都是确定的，控制的目的是要保持主、从流量的比值关系为恒值。但在有些生产过程中，要求2种物料流量的比值能灵活地根据另一个参数的变化来不断修正，这是一个变比值控制问题。在实际生产过程中，使2种物料的流量比值恒定往往并不是目的，真正的控制目的大多是2种物料混合或反应以后的产品的产量、质量或系统的节能、环保及安全等。也就是说，比值控制只是生产过程的中间手段。如果2种物料流量的比值对被控变量影响比较显著，可以将2物料流量的比值作为操作变量加以利用，用于克服其他扰动对被控变量的影响。采用这种通过控制中间变量、保证最终目标的方式，是因为最终目标往往不易测量或这两种物料成分稳定且其流量比值对最终目标影响显著。例如，燃烧系统中，由于燃烧效率不易测量，当燃料的热值稳定、空气中的氧含量稳定时，就可以采用空燃比作为高效燃烧的控制参数。但是，如果燃料的品质无法保持稳定，如燃烧劣质煤的锅炉；或空气中的氧含量不确定，如汽车在不同的海拔高度运行，就不能简单地采用空燃比作为高效燃烧的被控变量，而必须引入可以直接反应燃烧效率的直接参数。例如，燃烧系统可以引入烟气中的氧含量作为直接控制参数，并以此修订空燃比。

图9-5为氧化炉温度与氨气/空气变比值控制系统。氧化炉是硝酸生产中的一关键设备，原料氨气和空气首先在混合器中混合，经过滤器后通过预热器进入氧化炉中，在铂触媒的作用下进行氧化反应，生成一氧化氮气体，同时放出大量热量。反应后生成的一氧化氮气体通过预热器进行热量回收，并经快速冷却器降温，再进入硝酸吸收塔，在空气中第二次氧化后再与水作用生成稀硝酸。整个生产过程中，稳定氧化炉的操作是保证优质高产、低耗、无事故的首要条件。而稳定氧化炉操作的关键条件是反应温度，一般要求炉内反应温度为（840±5）C°。因此，氧化炉温度可以间接表征氧化生产的质量指标。

图9-5　氧化炉温度与氨气/空气变比值控制系统

经测定，影响氧化炉反应温度的主要因素是氨气和空气的比值，当混合器中氨气含量减小1%时，氧化炉温度将会下降64℃。因此，可以设计一比值控制系统，使进入氧化炉的氨气和空气的比值恒定，从而达到稳定氧化炉温度的目的。然而，对氧化炉温度构成影响的还有其他很多因素，如进入氧化炉的氨气、空气的初始温度、负荷的变化、进入混合器前氨气和空气的压力变化、铂触媒的活性变化及大气环境温度的变化等。也就是说，单靠比值控制系统使氨气和空气的流量比值恒定，还不能最终保证氧化炉温度的恒定。因此，必须根据氧化炉温度的变化，适当改变氨气和空气的流量比，以维持氧化炉温度不变。所以就设计出了图9-5所示的以氧化炉温度为主变量、以氢气和空气的比值为副变量的串级比值控制系统，也称为变比值控制系统。变比值控制系统的方框图如图9-6所示。

图9-6　变比值控制系统的方框图

变比值控制系统在稳定情况下，主流量Q1和从流量Q2经过检测变送装置后送入除法器相除，除法器的输出即为它们的比值，同时又作为副控制器的反馈值。当主被控变量（氧化炉温度）y稳定不变时，主控制器的输出也稳定不变，并且和比值信号相等，调节阀稳定于某一开度。当主流量Q1受到扰动发生波动时，除法器输出要发生改变，从控制器动作改变调节阀开度，使从流量Q2也发生变化，保证Q1和Q2的比值不变。但当主对象受到扰动引起主被控变量y发生变化时，主控制器的测量值将发生变化，当系统设定值不变时，主控制器的输出将发生改变，也就是改变从控制器的设定值，从而引起从流量Q2的变化。在主流量Q1不变时，除法器输出要发生改变。所以流量系统最终利用主流量Q1和从流量Q2的比值变化来稳定主对象的主被控变量y。

由此可见，变比值控制系统是2种物料流量比值随另一个参数变化的比值控制系统，其结构是串级控制系统与比值控制系统的结合，实质上是以某种质量指标为主变量，2种物料比值为副变量的串级控制系统，所以也称为串级比值控制系统。根据串级控制系统具有一定自适应能力的特点，当系统中存在温度、压力、成分、触媒活性等随机扰动时，这种变比值控制系统也具有能自动调整2种物料流量比值，保证质量指标在规定范围内的自适应能力。因此，在变比值控制系统中，保证2种物料流量比值只是一种控制手段，其最终目的通常是保证表征产品质量指标的主被控变量恒定。