比值控制系统的不同结构类型

1.开环比值控制系统

开环比值控制系统是最简单的比值控制，系统组成如图6-1所示。

开环比值控制系统在稳态时，两物料的关系满足Q₂＝KQ₁；当主物料Q₁受干扰作用而发生变化时，比值器按Q₁对设定值的偏差信号改变调节阀的开度，使从物料Q₂的流量发生变化，以保持Q₂/Q₁的比值关系。然而主物料Q₁仅提供主测量信号给调节器，但其本身没有形成反馈回路；从物料Q₂则没有测量输入信号，只有控制信号，因此整个系统为开环控制系统。

开环比值控制系统结构简单、成本低。但是，它只对主物料Q₁变化有控制作用；而当副物料Q₂发生变化时，系统不起控制作用，此时难以保证Q₂/Q₁的比值关系。这种比值控制方案对副流量（从动量）Q₂无抗干扰能力，只适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。

2.单闭环比值控制系统

图6-1 开环比值控制系统

a）原理图 b）框图

针对开环比值控制系统的不足，在开环比值控制系统的基础上，增加一个副流量的闭环控制，构成单闭环比值控制系统，如图6-2所示。

图6-2 单闭环比值控制系统

a）原理图 b）框图

在稳定状态下，主、副流量满足工艺要求的比值，即Q₂＝KQ₁；当主流量Q₁发生变化时，比值器按事先设置好的比值使输出成比例的变化，即成比例的改变副流量控制器的设定值，此时副流量闭环系统为一个随动控制系统，从而使Q₂的输出跟随Q₁相应地变化，以保证主、副流量的比值不变；当主流量不变而副流量Q₂由于干扰而变化时，副流量闭环系统为一个定值控制系统，反馈控制调节Q₂，以保证主、副流量的比值不变；当主、副流量同时受到干扰影响而发生变化时，调节器在克服副流量扰动的同时，又根据主流量的新的设定值改变调节阀的开度，使主、副流量在新的流量数值的基础上保持其原设定值的比例关系。

单闭环比值控制系统不仅能使副流量跟随主流量的变化而变化，而且也能克服副流量本身干扰对比值的影响，从而实现了主、副流量精确的比值控制。但是，单闭环比值控制系统中的主流量是可变的，对负荷变化幅度较大的主流量，从流量在控制过程中相对于其控制器的设定值会出现较大偏差，即主、副流量的比值会较大地偏离工艺要求的流量比，也就难以保证主、副流量的动态比值；其次由于主流量是可变的，副流量必然也是可变的，那么总的物料量就是不固定的，这在有的生产过程中是不允许的。因此，单闭环比值控制系统一般在负荷变化不太大的场合适用。

3.双闭环比值控制系统

双闭环比值控制系统是为了克服单闭环比值控制系统中主流量不受控制、负荷在较大范围内波动的不足，在单闭环比值控制的基础上增加了主流量控制回路，构成了双闭环比值控制系统，如图6-3所示。(www.xing528.com)

图6-3 双闭环比值控制系统

a）原理图 b）框图

双闭环比值控制系统，当主流量受到干扰影响发生波动时，主流量回路对其进行定值控制，使主流量稳定在设定值附近。而从动量回路是一个随动系统，主流量Q₁变化时，通过比值器的输出使得从动量回路控制器的设定值也发生变化，从而使从动量Q₂随主动量Q₁的变化而成比例的变化。而从动量Q₂受到干扰影响发生波动时，从动量回路的定值控制使从动量稳定在比值器输出值上。

双闭环比值控制系统，不仅实现了对主动量的定值控制，大大克服了干扰对主动量的影响，使主动量的变化比较平稳、从动量也比较平稳，可确保两物料总量基本不变；另外，由于主动量回路是定值控制，从动量回路是随动控制，当主动量回路的设定值改变时，不仅主动量要发生变化，而且从动量也将随主动量成比例地变化，使负荷升降比较方便。

因此，双闭环比值控制系统适用于主动量干扰频繁及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。

双闭环比值控制系统的主、从动量控制回路通过比值器是相互联系的，当主动量进行定值控制后，它变化的幅度肯定大大减小，但变化的频率往往会加快，使从动量调节器的设定值经常处于变化中，当其工作频率与主动量控制器的工作频率接近时，有可能引起共振，以致系统无法运行。因此，在对主动量回路控制器参数整定时，应尽量保证其输出为非周期变化，防止系统产生共振。

4.变比值控制系统

单闭环比值控制和双闭环比值控制是实现两种物料间的定值控制，在系统运行过程中，其比值系数是不变的。但在有些生产过程中，要求两种物料的流量比值随第三个参数的需要而变化，以满足两种物料混合或反应后的产量、质量、环保及安全等工艺。比值控制仅仅是手段，系统控制目的仍是使直接或间接反应过程参数的被控变量满足生产工艺要求。变比值控制系统如图6-4所示。

图6-4 变比值控制系统框图

从变比值控制系统的框图可以看到，它是以第三个参数（或主变量Y）和两个流量的比值为副变量的串级控制系统。

系统在稳态时，主、副流量恒定，经检测变送、开方器后送至除法器，除法器的输出即为它们的比值，同时又作为比值调节器的测量信号。此时，主被控变量是稳定的，主控制器的输出也稳定不变的，系统为定比值控制。当主动量Q₁受到干扰波动时，除法器输出要随着变化。比值控制器调节作用改变调节阀的开度，使从动量Q₂发生变化，以保证Q₂＝KQ₁，大大减小了干扰对主参数Y的影响。若当系统的干扰使主被控变量Y发生变化，主控制器的输出将发生变化，也就改变了比值控制器的设定值，从而对主动量Q₂和从动量Q₁的比值加以修正，以此来稳定主对象的被控变量Y。

在变比值控制系统中，比值只是一种控制手段，不是最终目的，而第三变量Y往往是反映产品质量指标的重要量。