1.主、从物料的选择

在比值控制系统中，主、从物料的选择影响系统的控制方向、产品质量、经济性及安全性。主、从物料的确定是比值控制系统设计的首要一步。在实际生产中，主、从物料的选择主要遵循以下原则。

（1）在可测的2种物料中，如果一种物料流量是可控的，另一种物料流量是不可控的，将可测不可控的物料作为主物料，可测又可控的物料作为从物料。

（2）分析2种物料的供应情况，将有可能供应不足的物料作为主物料，供应充足的物料作为从物料。

（3）将对生产负荷起关键作用的物料作为主物料。

（4）一般选择流量较小的物料作为从物料，这样可以降低系统建设成本，且易于控制。

（5）从安全角度出发，如某种物料供养不足会导致不安全时，应选择该物料为主物料。

2.比值控制系统的选用原则

比值控制系统常用的类型有单闭环、双闭环和变比值3种，可根据工艺过程的控制要求进行选择。

1）单闭环比值控制系统

如果2种可测物料，一种物料流量是可控的，另一种物料流量是不可控的，可选用单闭环比值控制系统，此时不可控的物料作为主物料，可控的物料作为从物料。

如果主物料流量为可测可控，但变化不大，受到的扰动较小或扰动的影响不大时，宜选用单闭环比值控制系统。

2）双闭环比值控制系统

如果主物料流量是可测可控，并且变化较大时，宜选用双闭环比值控制系统。

3）变比值控制系统

当比值根据生产过程的需要由另一个控制器进行调节时，或是当质量偏离控制指标需要改变流量的比值时，或者是应根据第三被控变量选择过程的质量指标时，应采用变比值控制系统。

3.比值控制系统实施

比值控制系统有多种类型，每种类型均可以采用不同仪表构成，因而其构成的方案也有很多。但最根本的是比值控制系统采用什么方式来实现主、从流量的比值运算和控制。分析所有比值控制系统，其具体实施方案分为相乘方案和相除方案两大类。

1）相乘方案

要实现2种流量之间的比值关系Q2＝KQ1，就是对Q1乘以某一系数作为Q2控制回路的设定值，称为相乘方案。如果使用常规仪表实现，则可以采用比值器、乘法器、分流器等运算装置。至于数字控制系统，采用乘法运算即可得到从流量的设定值。下面分别介绍采用比值器和乘法器实现比值控制的方案。

（1）用比值器组成的方案。

比值器是比值控制系统中最常见的比值计算装置，它的作用是实现一输入信号乘以一常数的运算，如图9-2（a）所示。在实施过程中，根据流量变送器后有、无开方器分别按照式（9-12）或式（9-9）设置比值器的仪表系数即可。这种方案结构简单，使用仪表少，性能可靠，比值调整范围较广，比值精度也较高，但不能用于变比值控制。

（2）用乘法器组成的方案。

乘法器能实现2个信号相乘，或一个信号乘以一个常数的运算。首先分析乘法器输出信号与输入信号之间的关系，按照工艺要求的流量关系，正确设置乘法器的设定值I s。用乘法器实现单闭环比值控制系统的信号流程如图9-9所示。

图9-9　乘法器实现单闭环比值控制系统的信号流程

由图9-9可知，乘法器以无量纲的方式进行乘法运算，其运算信号为

变换后得

式中：I1、I s为乘法器的输入信号；I o为乘法器的输出信号。

因为控制器采用PI控制，系统在稳态时，控制器的设定值I o和测量值I2相等，所以将I o＝I2代入式（9-14），可得

如果没有使用开方器，且流量为非线性变送时，将式（9-4）代入式（9-15）得

如果使用开方器，且流量为线性变送时，将式（9-10）代入式（9-15）可得

由于仪表的输出信号不可能超出其信号值范围，由式（9-16）和式（9-17）可以看出，在该方案中，仪表比值系数不能大于1，即

2）相除方案

相除方案就是利用除法器实现K＝Q2/Q1，单闭环比值控制系统的信号流程如图9-10所示。按照工艺要求的流量关系，正确设置乘法器的设定值I s。

图9-10　除法器实现单闭环比值控制系统的信号流程

由图9-10可知，除法器的输出与输入的关系为

(www.daowen.com)

变换后可得

由于稳态时I s＝I o，所以

与式（9-15）完全一样，可见应用除法器和应用乘法器时计算的设定值I s完全相同。

相除方案中除法器的输出就是两流量的比值，所以对比值可直接显示，非常直观，且易于精确设定。但此方案也有以下缺点，使用时应加以注意。

（1）为不使输出信号超出范围，除法器总是用小信号除以大信号，同时避免相除值在1附近，否则会有溢出现象，这是应用过程中特别需要注意的问题。

（2）除法器本身具有非线性特性，且又包括在从流量控制回路中，这使得当从流量控制对象负荷变化时，会引起控制性能的波动。

4.比值控制系统中的非线性特性

所谓非线性特性，是指系统的稳态增益不是定值，而是随负荷而变化的，在比值控制系统中要特别注意。

1）相除方案中的非线性

在相除方案中，对于从流量控制回路而言。除法器被包含在控制回路中，除法器的非线性特性会对控制系统的品质造成影响。由式（9-20）可知，除法器的稳态增益k＋为

式中：I10、I20分别为I1、I2的稳态工作点。

由上式可知，除法器的增益是与主流量大小成反比的。除法器的非线性补偿可采用具有相反特性的对数调节阀，这种方法只能得到部分补偿。另一种方法是当主、从流量均采用压差法测量时，主流量测量加开方器，从流量测量不加开方器，利用流量检测变送环节的非线性去补偿除法器的非线性，这种方法会引起无开方器回路的检测变送环节增益的非线性。

2）流量测量的非线性

当比值控制系统中流量测量采用压差测量仪表，且无开方器时，如果采用标准信号4～20 mA的变送装置，由式（9-4）可知，测量信号与流量Q的稳态增益为

由式（9-23）可以看出，检测变送环节的稳态增益k P与Q1成正比，即随负荷的增大而增大。这样的环节，将影响系统的动态品质，即小负荷时系统稳定，随着负荷的增大，系统的稳定性将下降。若将测量信号经过开方运算后，则其输出信号与流量呈线性关系，从而使包括开方器在内的变送环节成为线性环节，它的稳态放大系数与负荷大小无关，系统的动态性能不再受负荷变化的影响。

就采用压差法测量流量的比值控制系统来说，是否采用开方器，要根据对被控变量的控制精度要求及负荷变化的情况来决定。当控制精度要求不高，负荷变化又不大时，可忽略非线性的影响而不使用开方器。反之，就必须使用开方器，使检测变送环节线性化。

5.控制器的选型与整定

比值控制系统同其他控制系统一样，为了保证和提高控制品质，在适当选择好控制器的类型后，必须正确选择控制器的参数。由于在比值控制系统中，各个控制器的作用不同，其参数的整定方法也有所不同。

1）单闭环比值控制系统

在单闭环比值控制系统中，从流量回路是跟随主流量变化的随动控制系统。因此，要求从流量能准确、快速地跟随主流量的变化而变化。稳态时，无论负荷高低，主、从流量的比值应严格满足规定的比值要求，故从流量回路控制器应采用PI控制规律。由于不希望动态过程严重超调，因此比值控制系统整定时，不能按一般定值控制系统4∶1或10∶1衰减过程的要求进行，而应当将从流量回路的过渡过程整定成非周期临界情况，这时的过渡过程既不振荡反应又快。对从流量回路控制器参数的整定步骤可归纳如下。

（1）根据工艺要求的流量比值K，换算出仪表信号比值系数，按照α对比值器进行设置。

（2）将从流量回路控制器的积分时间置于最大值，由大到小逐步改变比例带δ，直到在阶跃扰动下过渡过程处于振荡与不振荡的临界过程为止。

（3）在适当放宽比例带（一般为20%）的情况下，逐步缓慢地减小积分时间，直到出现振荡与不振荡的临界过程或稍有一点超调的情况为止。

控制器正、反作用方式的选择与单回路控制系统完全类同。

2）双闭环比值控制系统

双闭环比值控制系统中的主流量回路是定值控制系统，往往工艺要求主流量恒定在设定值上。从流量回路是随动控制系统，它在实现自身稳定控制的同时还要对主流量的变化进行跟踪，从而实现主、从流量的比值恒定。再者，因为比值控制系统的被控对象一般都是流量对象，滞后时间比较小，而且在管路中存在有很多不规则的扰动噪声，因此主、从控制器都不宜采用微分作用。所以，主、从控制器都应选择PI控制作用。从整定的角度看，应使从流量回路响应较主流量回路快一些，以便从流量能跟得上主流量的变化，保证主、从流量的比值恒定。因此，应该分别将从流量和主流量控制回路的过渡过程整定成非周期临界状态和非周期状态。

另外，从流量回路通过比值器和主流量回路发生联系，主流量的变化必然引起从流量回路控制器设定值的变化，如果主流量的变化频率接近从流量回路的工作频率，则有可能引起从流量回路的共振，以致系统的控制品质变坏。因此，主、从流量控制回路工作频率的错开，可以有效地防止这种情况的发生。

主、从控制器正、反作用方式的选择与单回路控制系统完全类同。

3）变比值控制系统

变比值控制系统，因其结构上是串级控制系统，又可称为串级比值控制系统。因此，其主控制器一般选择PI或PID控制作用，其参数整定可按串级控制系统进行。而从流量回路是一个随动控制系统，因此对从控制器的要求和整定方法与单闭环比值控制系统基本相同。

主、从控制器正、反作用方式的选择与串级控制系统完全类同。

【例9-1】某冷热水混合器比值控制系统要求从流量跟随主流量变化，工艺上要求主从流量的比值为4，假设该系统的广义主、从对象的传递函数为

试采用Simulink设计一双闭环比值控制系统，并仿真运行验证主、从流量的阶跃响应及跟随情况。

解：（1）根据双闭环比值控制系统的方框图，建立如图9-11所示的Simulink仿真图，其中主、从流量控制回路的控制器均选择PI控制，来验证主、从流量的阶跃响应及跟随情况，在主流量的给定值施加一阶跃脉冲序列，即Repeating Sequence Stair模块的参数输出幅值向量和采样时间分别置为［3 1 4 2 1］和100。

图9-11　双闭环比值控制系统Simulink仿真图

（2）对2个控制回路的控制器参数进行整定，这里需要注意的是按照第5章讲述的稳定边界法整定后，还需要减小比例增益，以减小系统阶跃响应的超调，调整后可得PID控制器的参数分别为：K c1＝0.3，T i＝15和K c2＝0.35，T i2＝30。在此基础上将图9-11所示的双闭环比值控制系统的仿真时间设置为500。启动仿真，可得如图9-12所示的响应曲线。

从图9-12可见，除起始阶段有延迟外，从流量能较好地跟随主流量的变化而变化，并基本保持流量比值为4。

图9-12　双闭环比值控制系统响应曲线