[科普中国]-比率控制

简介

生产过程中，经常需要几种物料的流量保持一定的比例关系。例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。
定义：比率控制（Rate control）是一种相对数控制方法，是通过两个相关指标的比较及数期变化趋势分析，来说明事物的本质及规律性。在许多情况下，运用绝对数无法说明问题，但使用具有可比意义的相对数却能作出有效的比较，进而找出差距和不足。实现两个或多个参数符合一定比例关系的控制系统，称为比率控制系统。
例如要实现两种物料的比例关系，则表示为：

其中：K—比值系数；Q1—主流量； Q2—副流量 。

分类开环比率控制系统如图Q1是主流量，Q2是副流量。流量变送器FT检测主物料流量Q1；由控制器FC及安装在从物料管道上的阀门来控制副流量Q2。
此控制方案的优点是结构简单、成本低。缺点是无抗干扰能力，当副流管线压力等改变时，不能保证所要求的比值。

控制目标：Q2=K Q1

单闭环比率控制系统
为了克服开环比率控制的不足，在开环比率控制的基础上，增加对副流量的闭环控制。

特点：

对Q2进行闭环控制，比率控制精度提高。

对Q1只测量、不控制。Q1变化，Q2跟着变化，总流量不稳定。

控制目标：Q2=K Q1

对Q1只测量、不控制。Q1变化，Q2跟着变化，总流量不稳定

双闭环比率控制系统
为了克服单闭环比率控制中主流量不受控制，生产负荷（与总物料量有关)在较大范曲内波动的不足的缺点，增加了主流量控制回路。该系统具有两个闭合回路，分别对主、副流量进行定值控制。同时，由于比率控制器K的存在，使得主流量由受到干扰作用开始到重新稳定在给定值这段时间内，副流量能跟随主流量的变化而变化。这样不仅实现了比较精确的流量比值，而且也确保了两物料总量基本不变，这是它的一个主要优点。从图可以看出，当主流量Q1变化时，一方面通过主流量控制器F1C对它进行控制，另一方向通过比率控制器K(可以是乘法器)乘以适当的系数后作为副流量控制器的给定值，使副流量跟随主流量的变化而变化。

特点：

有两个闭环控制回路，用比值器联系。

控制目标：Q2=K Q1

Q1是主流量，Q2是副流量。两个流量都可控，因此总流量稳定。

双闭环比率控制系统主要适用于主流量干扰频繁，工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合。缺点：所用仪表多，投资高。

变比率控制系统
以上介绍的都是定比率控制系统。在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个工艺参数的需要而变化，为满足这种工艺的要求，就出现了变比率控制系统。

应该注意:在变比率控制系统中，比值通常只是一种控制手段不是最终目的，而第三参数y(s)往往是产品质量指标。

比率控制系统设计主流量、副流量的确定原则①生产中起主导作用的物料流量，一般选为主流量，其余的物料流量跟随其变化，为副流量。
②工艺上不可控的物料流量，一般选为主流量。
③成本较昂贵的物料流量一般选为主流量。
④当生产工艺有特殊要求时，主、副物料流量的确定应服从工艺需要。

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，可用单闭环比率控制方案。
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，可用双闭环比率控制方案。
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，可用变比率控制方案。

调节器控制规律的确定比率控制系统中，调节器的控制规律是根据控制方案和控制要求而定。
在单闭环比率控制系统中，比值器K起比值计算作用，若用调节器实现，则选P调节；调节器F2C使副流量稳定，为保证控制精度可选PI调节。

双闭环比率控制不仅要求两流量保持恒定的比值关系，而且主、副流量均要实现定值控制，所以两个调节器均应选PI调节；比值器选P调节。

正确选择流量计及其量程各种流量计都有一定的适用范围（一般正常流量选在满量程的70%左右），必须正确地选择和使用，可参考有关设计资料、产品手册。

比值系数的计算
工艺规定的流量（或质量）比值K不能直接作为仪表比值使用，必须根据仪表的量程转换成仪表的比值系数K’后才能进行比值设定。
变送器的转换特性不同，比值系数K’的计算公式不同。
（l）流量与测量信号之间成线性关系
如果Q1的流量计测量范围为0～Q1max 、Q2的流量计测量范围为0～Q2max，则变送器输出电流信号和流量之间的关系如下：

说明：当物料流量的比值一定、流量与其测量信号呈线性关系时，比值器的参数与物料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈线性关系。
（2）流量与测量信号之间成非线性关系
利用节流原理测流量时，流量计输出信号与流量的平方成正比：

说明：当物料流量的比值一定、流量与其检测信号呈平方关系时，比值器的参数与物料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈平方关系。

比率控制中的非线性补偿比率控制系统中的非线性特性是指被控过程的静态放大系数随负荷变化而变化的特性，在设计比率控制系统时必须要加以注意。

测量变送环节的非线性特性流量与测量信号无论是呈线性关系还是呈非线性关系，其比值系数与负荷的大小无关，均保持其为常数。但是，当流量与测量信号呈非线性关系时对过程的 动态特性却是有影响的。

问题：当负荷增大时，调节器的整定参数如果不能随之改变，则系统的运行质量就会下降。

非线性补偿为了克服这一不利影响，通常用开方器进行补偿，即在差压变送器后串接一个开方器，使流量与测量信号之间呈现线性关系。

差压变送器的输出电流信号与开方器的输出电流信号之间的关系为：

测量变送环节和开方器串接后总的静态放大系数为常量，它已不再受负荷变化的影响。

比率控制系统的实现
比率控制的具体实现方案有两种:
一、 把两个流量的测量值相除，其商作为调节器的反馈值，称为相除控制方案。
二、 把一个流量的测量值乘以比值系数，其乘积作为副调节器的设定值，称为相乘控制方案。

在工程上，具体实现比率控制时，通常有比值器、乘法器或除法器等单元仪表可供选用，相当方便。
比率控制系统的实施与参数整定

比值系数的实现比值系统的实现有相乘和相除二种方法。工程上可采用比值器、乘法器、除法器等仪表实现；用计算机控制时，通过比例、乘、除运算程序实现。

比率控制系统的参数整定对双闭环比率控制，主流量回路可按单回路控制系统整定；对变比率控制系统，主调节器可按串级控制系统整定方法进行；对副流量回路，本质上是随动系统，要求快速、正确跟随主流量变化，最好整定在振荡预不振荡边界，具体步骤为：
（1）根据工艺条件，计算比值系数K ，投入自动运行；
（2）使比例度由大到小调节，使系统处于临界过程；
（3）适当放宽比例度后，投入积分，即逐步减小 ，直到出现临界过程。1