比值控制系统
比值控制系统
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
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
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
比值控制系统课后练习题
比值控制系统课后练习题一、填空题1. 比值控制系统是一种以保持__________的恒定为控制目标的控制系统。
2. 在比值控制系统中，常用的控制方案有__________、__________和__________。
3. 比值控制系统的关键参数是__________和__________。
4. 比值系数K的大小决定了__________和__________之间的关系。
5. 在串级比值控制系统中，主控制器通常控制__________，副控制器控制__________。
二、选择题A. 比值系数KB. 控制器的比例度C. 控制器的积分时间D. 控制器的微分时间A. 比值控制器B. 调节阀C. 检测元件D. 执行机构A. 单闭环比值控制B. 双闭环比值控制C. 串级比值控制D. 分散比值控制三、判断题1. 比值控制系统可以消除干扰对被控参数的影响。
（）2. 在比值控制系统中，比值系数K越大，系统的控制效果越好。
（）3. 串级比值控制系统适用于控制过程中干扰因素较多的情况。
（）4. 比值控制系统中的检测元件只需检测一个参数。
（）5. 比值控制系统的设计关键是确定合适的比值系数K和控制器的参数。
（）四、简答题1. 简述比值控制系统的基本原理。
2. 比值控制系统与常规控制系统有何区别？3. 在比值控制系统中，如何选择合适的控制方案？4. 简述比值系数K对控制系统的影响。
5. 如何提高比值控制系统的控制效果？五、计算题1. 已知某比值控制系统的比值系数K为1.5，主控制器输出为4mA，求副控制器输出。
2. 某比值控制系统，主控制器参数为比例度δ=50%，积分时间Ti=1min，微分时间Td=0.1min，求比值系数K。
3. 在一个双闭环比值控制系统中，已知主控制器输出为10mA，副控制器输出为8mA，求比值系数K。
六、案例分析题1. 某化工厂需要控制两种原料的流量比为1:2，采用单闭环比值控制系统。
当前系统运行不稳定，流量比波动较大。
比值控制
§5-1 基本概念及结构方案
（四）变比值控制系统 很多情况下比值不是最终目的，而是保证产品产量、质量的手段。因 此，比值系数应根据质量要求进行修正。于是出现了按照一定工艺指标自 动修正比值系数的变比值控制系统（串级比值控制系统）。
设定值
+
y
主控制器
-
+
比值控制器
-
执行器
副流量对象
主流量对象
Q2 Q1
dI2 dQ2
Q2 Q20
2 Q2
2Q20
2 Q2 max
16
讨论：采用差压法测流量时，静态放大系数随流量的负荷变化 而变化。负荷（稳态工作点）升高，放大系数增大，系 统稳定性下降，反之，系统稳定性提高。 解决方法：负荷变化较大时，流量测量要用线性检测仪表。
§5-2 比值控制系统的设计和实施
§5-2 比值控制系统的设计和实施
若使
Q2 ( S ) K Q1 ( S )
则可保证从动量与主动量严格同步 。
为此可求得补偿器的传递函数：
Wz ( S ) K [1 Wc ( S )Wv ( S )Wo ( S ) H m 2 ( S )] Wk ( S )Wc ( S )Wv ( S )Wo ( S ) H m1 ( S ) 1 Wc ( S )Wv ( S )Wo ( S ) H m 2 ( S ) Q2 max Wc ( S )Wv ( S )Wo ( S ) H m1 ( S ) Q1max Wk ( S ) K Q1max Q2 max
2 Q2 2 Q1 2 I 2 4 Q2 2max I1 4 Q1max ' 2
即： K
2
K
'
仪表比值系数为：
比值控制系统的种类
比值控制系统的种类
比值控制系统根据其结构和特性可以分为不同的种类。
以下是比值控制系统的一些常见种类：
1. 开环比值控制系统：在这种系统中，主动量的比例关系是通过预设的参数直接调节的，没有反馈机制。
这种控制系统比较简单，但对于外界干扰很敏感。
2. 单闭环比值控制系统：这种系统中，主动量的比例关系是通过一个反馈回路进行调节的。
反馈机制可以根据实际输出与期望输出之间的差异来调整主动量，以保持比例关系。
3. 双闭环比值控制系统：这种系统在单闭环比值控制系统的基础上增加了一个内环控制回路。
这个内环可以进一步调整主动量，使其更准确地维持比例关系。
4. 变比值控制系统：这种系统中，比例关系不是固定的，而是可变的。
根据特定条件或需求，系统可以自动调整比例关系来满足要求。
5. 串级比值控制系统：这种系统中，多个比值控制系统按一定次序串联连接，形成一个层级关系。
每个控制环节都负责维持其管理的比例关系，最终实现整体的比值控制。
6. 比值控制组合的系统：这种系统结合了多种比值控制技术和方法，根据具体需求和复杂性进行组合，以实现更精确的比值控制效果。
比值控制系统
MATLAB/Simulink与过程控制系统仿真第八章比值控制系统110072A12010072022 魏兴8.1 比值控制系统基础知识8.2 比值控制系统设计8.3 综合仿真实例8.1 比值控制系统基础知识8.1.1比值控制系统特点比值控制系统的特征: 是实现两个或两个以上物料保持一定比例关系。
1.主物料，也称为主动量:在要保持一定比例关系的物料中，把起主导作用的物料。
2.从物料，也称为从动量:另一种随主物料的变化而成比例地变化的物料3.在过程控制中经常保持比例的参量是流量，故常用下式表示 21Q K Q8.1.2 比值控制系统的类型根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等要求不同，实际采用的比值控制方案也不同。
比值控制系统分为：1. 开环比值控制系统；2. 单闭环比值控制系统；3. 双闭环比值控制系统；4. 变比值控制系统等。
1．开环比值控制系统工艺流程图和原理方框图如图所示。
2．单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变。
工艺流程图及原理框图如图所示。
3．双闭环比值控制系统在双闭环比值控制系统工作时，若主动量受到干扰发生波动，则主动量回路对其进行定值控制，使主动量始终稳定在给定值附近，同时从动量控制回路也会随主动量的波动进行调整；当从动量受到扰动发生波动时，从动量控制回路对其进行定值控制，使从动量始终稳定在定值附近，而主动控制回路不受从动量波动的影响。
因此，因扰动而发生的主动量和从动量波动利用各自控制回路分别实现实际值与给定值吻合，从而保证主、副物料流量的比值恒定。
当调节主动量给定值时，主动量控制回路调节主动量实际值和给定值吻合；同时，根据主动量与从动量的比值及新的主动量给定值，系统给出从动量控制回路的输入值。
通过从动控制回路的调节控制使从动量的实际值与该输入值吻合，即从动控制量的实际值与主动量变动后的数值相对应，保持主动量和从动量的比值不变。
比值控制系统
的控制信号。
P2T
炉膛
正 燃气
锅炉给水
P2C输出高值时，LS选中P1C作为输出。系统是 以蒸汽压力为被控变量的简单控制系统。当煤气压力
超过P2C给定值时， P2C输出低值， LS将改选P2C作
为输出。 系统处于
P1T 蒸汽
燃气压力控制时，
反
P1C 反
蒸汽出口压力控
汽包
P2C
＜ 选择器1
制回路被燃气压
力安全保护回路
2）控制方案的选择
控制方案选择应根据不同的生产要求确定，同时 兼顾经济性原则。
①如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定，而 对总流量无要求，可用单闭环比值控制方案。
②如果主、副流量的扰动频繁，而工艺要求主、 副物料总流量恒定的生产过程，可用双闭环比值控制 方案。
③当生产工艺要求两种物料流量的比值要随着第 三参数的需要进行调节时，可用变比值控制方案。
如此例中，当前后塔的压力变化较大时，尽管调 节阀的开度不变，输出流量也会发生较大变化。
因此，简单
均匀控制适用于干
LT
扰不大、对流量的
1#
2#
均匀程度要求较低
LC
的场合。
2．串级均匀控制 为了克服简单均匀控制只有一个控制回路，只能 保证一个被控变量精度的缺点，可在简单均匀控制方 案基础上增加一个副控制回路，构成串级均匀控制。
给定1 － 控制器1
＋
正常控制
＋
控制器2 给定2 － 取代控制
变送器1
选择器
执行器
干扰 对象
被控量1 被控量2
变送器2
例1 锅炉蒸汽压力的控制
工艺要求锅炉输出蒸汽压力稳定。若用单回路 控制系统控制，则根据蒸汽出口压力控制燃气量。
第七章 比值控制系统
(三)、双闭环比值控制 1、特点 能克服单闭环主流量不受控的不足。
2、系统组成：如下图所示。
7-3 a)
双闭环比值控制
设定值(定值)
给定(随动值)
7-3 a)
双闭环比值控制
3、另一优点：
升降负荷比较方便。 4、适用场合
常用在主流量干扰频繁或工 艺上不允许负荷有较大的波动， 或工艺上经常需要升降负荷的场 合。
K正比于静态工作点流量F0 F0变化，K变化，影响动态质量。 解决办法：加入开方器，或通过阀特性补偿
比值控制系统中非线性环节的影响
（2）除法器的非线性 除法器本身就是一个非线环节 补偿办法：通过对数阀特性补偿
K 比值控制器 控制阀 流量对象
F2
测量变送2 除法器 开方器 测量变送1
F1
比值控制系统中的信号匹配问题
Q1
Q2
第二节
比值控制系统的类型
(一)、开环比值控制
1、系统组成: 如下图所示。
2、特点 简单、成本低； 只有当Q1变化时才起控制作用； Q2变化时Q1不会响应，比例关系被破坏。 3、适用场合 副流量没有干扰的情况。
(二)、单闭环比值控制
1、特点: 能克服开环比值方案的不足。 2、系统组成：如下图所示。
第七章 比值控制系统
第一节 概述
1、方法的产生 在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流 量成一定比例关系；一旦比例失调，会影响生产的正 常进行，影响产品质量，浪费动力，造成环境污染， 甚至产生生产事故。如： 燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定 比例混合后送入炉膛。 制药生产中要求药物和注入剂按比例混合。
2
F F K F F
2 2 2 1
F1max 2 ) K ( F2max
第二章 第3节 比值控制系统
2、比值器、乘法器方案
比值器、乘法器不包括在闭环回路中，故不影响系统的性 能
四、比值系数的设定
1、应用比值器的方案
U2：副流量的测量值 U1：主流量测量值，比值器输入值 Uo：副流量控制器的设定值，比值 器输出 K: 比值系数
G 1 = Gx ; G
2
= G (1 − x )
G2 1 − x k = = ; k ∈ (0, ∞ ) G1 x
3、均分控制
如图2-19所示，使两个流量之差为定值
Q1
F1T
÷
F2T
RC
YC
YT
y
Q2
图2-3-8 与2－17（b）对应
（1）控制过程： Q1/Q2=r 送给RC 作为测量值，YC最终产品质量控制器，输 出作为RC的设定值。 当除流量之外的干扰影响YC的测量值后，YC输出改变，从 而修改了RC的设定值，即修改了主流量和副流量的比值。
（2）系统分析： 对于进入主流量Q1的干扰，由于比值回路的快速跟踪作 用，使副流量Q2=rQ1变化，使主参数y恒定，静态前馈作用 对于进入Q2的干扰，通过自身的控制回路来克服，它相 当于串级控制系统的副回路 综上，变比值系统实质是一种静态前馈－串级控制系统
R 控制器 控制阀 测量变送 副流量对象 Q2 Q1
图2-3-4 开环比值控制系统方框图
2、单闭环比值控制系统
如图2-3-5所示，对副流量构成闭环。 对于副流量自身的干扰可以消除。系统中包含了一个闭合 回路，所以称为单闭环比值控制。
R F1T
30%NaOH
FC
F2T
H2O
混 合 器
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第 7 章 比 值 控 制 系 统
过 程 控 制 系 统 仿 真
7.2 比值控制系统设计
7.2.2 主从物料的选择
在比值控制中，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 定是控制系统设计的首要一步，主要依循以下原则： （1）贵重原则 对有显著贵贱区别的物料，应选择贵重物料为主物料。实现以贵重物料为主进行控制，其他非贵重 物料根据控制过程需要增减变化。这样可以充分利用贵重物料以合理成本完成生产过程。 （2）不可控原则 物料不可控制 ， 物料选为主物料，其 为从物料。不可控物料不 利用物料量 成 控制 ， 以不 选为从物料。 （3）主 用原则 在 物料 生产的过程中， 化 制 中，经 物料分成主料 料，生产 主料进 行， 料 为控制过程的 物料。 在 物料中 主 用的物料应选择为主物料，其 物料选 为从物料。 （4） 量 原则 选择 量 的物料 从物料，这样控制过程中控制 的 ，系统控制 ， 系统 可 。 （5） 需要原则 生产控制过程 应的 过程进行，主从物料的选择 合生产 的要 。
《过程控制系统仿真》 电子工业出版社 出版 2009.3
作者：郭阳宽 王正林 联系邮箱：wa_2003@
第 7 章 比 值 控 制 系 统
过 程 控 制 系 统 仿 真
本章内容与 目录
本章描述了比值控制的基本概念，介绍了比值控制的基本特点、 比值控制系统的设计及其控制器参数整定等基础知识，并通过实例仿真 进行了各类比值控制系统设计及整定。 通过本章，读者对比值控制的基本概念、特点和设计方法有较为 全面的认识，并通过仿真深化对比值控制的理解。
第 7 章 比 值 控 制 系 统
过 程 控 制 系 统 仿 真
7.1 比值控制系统基础知识
7.1.2 比值控制系统的类型
3．双闭环比值控制系统
【例7-2】 双闭环比值控制在磷酸二铵生产中的运用 】
(具体内容请参阅教材)
第 7 章
Q2
7.1 比值控制系统基础知识
比 值 控 制 系 统
过 程 控 制 系 统 仿 真
第 7 章 比 值 控 制 系 统
过 程 控 制 系 统 仿 真
7.1 比值控制系统基础知识
7.1.2 比值控制系统的类型
2．单闭环比值控制系统
【例7-1】 利用单闭环比值随动控制实现水泥生产中萤石自动配料。 】 水泥生产中，为了降低水泥中fCaO（游离氧化钙，又称游离钙）含量，提高水泥熟料质量，要求 在石灰石中按一定比例自动连续地掺加萤石。利用如图7.4所示的单闭环比值控制的方式可以实现萤石 与石灰石比例的恒定，达到了提高水泥质量的目的。
7.1 比值控制系统基础知识
7.1.2 比值控制系统的类型
1．开环比值控制系统
1）当系统处于稳定工作状态时，两物料的流量满足比值关系。 2）当主动量受到干扰而发生变化时，系统通过比值器及设定值按比 变控制 的开 ， 动量 主动量 的比 关系。 3）当 动量受到 干扰 扰动） 动时， 于 开 环控制， 动量 动的环 ， 主动量的环 ， 两 物料的比值关系 变，系统 。 开环比值控制 。 比 控制工作 的基础， 工
3．双闭环比值控制系统
双闭环比值控制系统 值 控制
值控制 控制 值控制 控制 值 值 值 控制 值 比值 值 值 控制 值 值 控制 值
比值 值 比值 控制 值
控制 值 系统 控制
第 7 章 比 值 控 制 系 统
过 程 控 制 系 统 仿 真
7.1 比值控制系统基础知识
7.1.2 比值控制系统的类型
主物料 主流量Q1
FT
干扰
主对象
÷
FC
YC
FT 物料 流量Q2
1
变 定值
+
主控制
干扰
+ -
比值控制
流量控制
流量对象
主对象
变
流量
Q1 变 流量
2
第 7 章
Q2
7.1 比值控制系统基础知识
比 值 控 制 系 统
过 程 控 制 系 统 仿 真
7.1.2 比值控制系统的类型
4．变比值控制系统
可见，变比值控制是一种内外环嵌套的复合控制，内 环控制从物料的变化，外环控制第三参量的变化。通过 第三参量的变化实现系统的变比值控制。 主动量和从动量经检测、变送后送入除法器相除，除 法器的 的比值， 是比值控制器的测 量值。 系统在 ，主 控变量 第三参量 ，主控制器的 变 和比值控制器 相 ，从物料量控制 一 ，控制器的比 值 。 主物料量 到 生 动 ，除法器 生 变，从物料控制系统 从物料控制 ， 从 动量 生变化， 主物料量和从物料量比值 变。 从物料量 生 动 ，和 环比值控制 系统 环比值控制系统一 ， 从物料流量， 主物料量和从物料量比值 变。 主 控 第三参量 到 控 生 变化 ，主控制器的 生变化， 是 变 比 值控制器的 值， 变 主、从物料的比值。 【例7-3】 变比值控制系统在硝酸铵中和反应 】 中的应用。利用氨和硝酸中和反应生产硝酸 铵的流程如图7.8所示。
7.1.2 比值控制系统的类型
4．变比值控制系统
单闭环比值控制系统和双闭环比值 控制系统有一个共同的特点：通过控 制系统维持物料的供应比值恒定，保 证生产过程的正常进行。 生产过程 ，物料 比 的，一 的 生 产过程的 ， 系统产生的 ， 系统 的 量 流量 。 ， 生产过程 ， 对 物料 的第 量进行控制。 第 量 物料的 比 同 变 ，对第 量的控制 ，变 物料 比 ， 变比 值控制， 控制的 和控制 7.7 。
7.1 比值控制系统基础知识
7.1.1 比值控制系统特点 7.1.2 比值控制系统的类型 7.1.3 比值系数计算
7.2 比值控制系统设计 7.3 综合仿真实例 本章小结
第 7 章 比 值 控 制 系 统
过 程 控 制 系 统 仿 真
7.1 比值控制系统基础知识
7.1.1 比值控制系统特点
比值控制系统的特征: 是实现两个或两个以上物料保持一定比例关系。 1. 主物料，也称为主动量: 在要保持一定比例关系的物料中，把起主导作用的物料。 2. 物料，也称为 动量: 一 主物料的 控制中
第 7 章 比 值 控 制 系 统
过 程 控 制 系 统 仿 真
7.1 比值控制系统基础知识
7.1.3 比值系数计算
综合分析各种检测方式，可把检测方法分为线性检测和非线性检测两种： 1．线性检测法的比值系数计算
流量的线性检测一次仪表有浮子流量计、椭圆齿轮式容积流量计、涡轮流量计、涡计流量计等。 仪表的流量测量 可 为：
K= Q2 Q1
比例
的物料 用
3. 在
保持比例的
量是 量，
第 7 章 比 值 控 制 系 统
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7.1 比值控制系统基础知识
7.1.2 比值控制系统的类型
根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等 要求不同，实际采用的比值控制方案也不同。 比值控制系统 1. 2. 3. 4. 比值控制系统 比值控制系统 比值控制系统 比值控制系统等。
7.1.3 比值系数计算
【例7-4】 计算“例7-1利用单闭环比值随动控制实现水泥生产中萤石自动配料”的比值系数。 】 工艺所要求的石灰石、萤石两物料的比值是重量之比，实际两物料经称重传感器测出的是相应的 重量流量，而控制系统中所体现的参数与参数之间的关系是相应的电信号。因此，比值系数的计算 就是把工艺上要求的流量比折算成在控制系统对应的电信号之比。
(具体内容请参阅教材)
第 7 章 比 真
7.2 比值控制系统设计
本节主要讲述比值控制系统中的比值控制方式选择原则、主从物料的选择原则及比值 控制的工程整定方法。
7.1 比值控制系统基础知识 7.2 比值控制系统设计 7.3 综合仿真实例 本章小结
7.2.1 系统选 原则 7.2.2 主从物料的选择 7.2.3 比值控制系统工程整定
第 7 章 比 值 控 制 系 统
过 程 控 制 系 统 仿 真
7.1 比值控制系统基础知识
7.1.2 比值控制系统的类型
1．开环比值控制系统
工艺流程图和原理方框图如图7.2所示。
1
工艺流程图 2 原理方框图 图7.2 开环比值控制系统
第 7 章 比 值 控 制 系 统
过 程 控 制 系 统 仿 真
Q = cW
比值系数 式
K=
W2 Q2 = W1 Q1
比值控制 的 、 分 为
的测量
0 ~ Q1max 和
算
0 ~ Q2 max
k=K W1max Q = K 1max W2 max Q2 max
比值控制 的比值系数为
第 7 章 比 值 控 制 系 统
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7.1 比值控制系统基础知识
第 7 章 比 值 控 制 系 统
过 程 控 制 系 统 仿 真
7.1 比值控制系统基础知识
7.1.2 比值控制系统的类型
2．单闭环比值控制系统
单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路， 用以实现主、副物料的比值保持不变。工艺流程图及原理框图如图7.3所示。
第 7 章 比 值 控 制 系 统
常见的流量检测有：
差 式流量计通过测量流动过程 的 力差， 差与流量 系实现流量检测 式流量计通过测量流动过程 一 的 ， 与流量 系实现流量检测 流量计通过 流动过程 一 流 流量计，测量 的 ， 与流量 系实现流量检测 式 流量计、 流量计、 计流量计是 流量计 流动过程 一 ，测量 的 ， 与流量 系实现流量检测 流量计 测量 ， 应 理， 应 动势测量流量。
3．双闭环比值控制系统
可见主动量控制回路是一定值控制系统，而从动量控制回路是一个随动控制系统。