【正文】 統(tǒng)原理框圖 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)自動(dòng)化的要求較高。就比值控制而言，不僅要求 靜態(tài)比值恒定，在擾動(dòng)作用下，要求主、副流量接近同步變化，即要求靜態(tài)與動(dòng)態(tài)時(shí)物料量保持一定比值。如圖 17所示為引入 “ 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié) ” ()bsW 的雙閉環(huán)比值控制 ， 由于副流量滯后于主流量，則動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)應(yīng)具有超前特性。從原理上分析，21( ) / ( )Q s Q s K?， 就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)比值一定。 圖 17 具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的雙閉環(huán)比值控制 由以上分析可見(jiàn)雙閉環(huán)控制中，主動(dòng)量控制回路是一定值控制系統(tǒng)，而從動(dòng)量控制回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。 和單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)如下： （ 1）控制系統(tǒng)更為穩(wěn)定 對(duì)主動(dòng)量的定值控制克服了干擾對(duì)主動(dòng)量的影響，因此主動(dòng)量變化平穩(wěn)，從動(dòng)量也將平穩(wěn)，進(jìn)而系統(tǒng)的總物料流量穩(wěn)定，更好地滿足了生產(chǎn)工藝要求。 （ 2）系統(tǒng)更易于調(diào)節(jié) 當(dāng)需要改變主動(dòng)量的設(shè)定值時(shí)，主動(dòng)量控制回路通過(guò) 調(diào)節(jié)控制使主動(dòng)量的輸出值改變?yōu)樾略O(shè)定值，同時(shí)從動(dòng)量也將隨主動(dòng)量按給定比值變化。 因此，當(dāng)需要調(diào)整負(fù)荷時(shí)，只要改變主動(dòng)量回路控制器的給定值，就可同步調(diào)整主動(dòng)量和從動(dòng)量，并保持主動(dòng)量和從動(dòng)量的比值不變。 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)適用于主副流量擾動(dòng)頻繁，負(fù)荷變化較大，同時(shí)保證主、副物料總量恒定的生產(chǎn)過(guò)程。 如果沒(méi)有這個(gè)要求，兩個(gè)單獨(dú)的閉環(huán)控制系統(tǒng)也能使兩個(gè)流量保持比例關(guān)系，僅僅在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，比例關(guān)系不能保證。 串級(jí)比值控制系統(tǒng) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 9 單閉環(huán)比值控制和雙閉環(huán)比值控制是實(shí)現(xiàn)兩種物料流量間的定比值控制，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中其 比值系數(shù)是不變的。在有些生產(chǎn)過(guò)程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個(gè)參數(shù)的需要而變化，為此可以設(shè)計(jì)成串級(jí)比值控制系統(tǒng)，串級(jí)比值控制系統(tǒng)方塊圖如圖 18 所示。 圖 18 串級(jí)比值控制 從圖 18可以看出，它的副回路是一個(gè)閉環(huán)比值系統(tǒng)，其比值由除法器來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)流量比稱為副參數(shù)。它的主回路也是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，由 ()Ys的反饋構(gòu)成， 2()Rs為變比值信號(hào)，即單閉環(huán)比值系統(tǒng)的給定值。 ()Ys稱為第三個(gè)參數(shù)或主參數(shù)（質(zhì)量指標(biāo)）。這是按一定的工藝指標(biāo)自動(dòng)修正比值系數(shù)的系統(tǒng)，即變比值控制系統(tǒng)。 串級(jí)比值控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，主、副流量恒定，分別將測(cè)量變送器后送至除法器，其輸出即為比值，作為 2()TWs的測(cè)量信號(hào)，此時(shí)主參數(shù) ()Ys也恒定。 1()TWs輸出信號(hào)2()Rs穩(wěn)定，且 22( ) ( )R s m s? ， 2()TWs輸出穩(wěn)定，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度一定，所以主參數(shù)符合工藝要求，產(chǎn)品質(zhì)量合格。 當(dāng) 2Q 、 1Q 出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，副回路可以很快動(dòng)作，使兩者的比例維持常數(shù)，即保持比值一定，從而不影響主參數(shù)，或大大減小擾動(dòng)對(duì)主參數(shù) Y(s) 的影響。若主參數(shù)受某種干擾偏離給定值 1()Rs時(shí)， 主調(diào)節(jié)器將會(huì)改變副調(diào)節(jié)器的 1()TWs的輸出信號(hào) 2()Rs產(chǎn)生變化，修正了 2()TWs的給定值即修正了兩個(gè)流量的比值，使系統(tǒng)在新的比值上重新穩(wěn)定。 應(yīng)當(dāng)指出，在串級(jí)比值控制系統(tǒng)中流量比值是用第三個(gè)參數(shù)來(lái)自動(dòng)校正的。流量比值只是一個(gè)控制手段，不是最終目的。主參數(shù)往往是衡量質(zhì)量的最終指標(biāo)，因此這種系統(tǒng)對(duì)比值的要求大為降低，具有按主參數(shù)反饋?zhàn)詣?dòng)校正比值系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。 變比值控制 系統(tǒng) 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)和雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)有一個(gè)共同的特點(diǎn)：通過(guò)控制系統(tǒng)維持物料的供應(yīng)比值恒定，保證生產(chǎn)過(guò)程的正常進(jìn)行。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 10 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，物料按比例輸入并不是最終目的，一般最終目的是生產(chǎn)過(guò)程的結(jié)果，如發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能，自來(lái)水氯氣消毒系統(tǒng)輸出水的質(zhì)量與流量等。 因此，在生產(chǎn)過(guò)程中，往往要對(duì)除了輸入物料以外的第三參量進(jìn)行控制。當(dāng)?shù)谌齾⒘侩S輸入物料的配比不同變化時(shí)，對(duì)第三參量的控制問(wèn)題，變成了調(diào)節(jié)物料配比問(wèn)題，這就是變比值控制，其控制的工藝圖和控制方框圖分別如圖 19， 110 所示 。 可見(jiàn)，變比值控制是一種內(nèi)外環(huán)嵌套的復(fù)合控制，內(nèi)環(huán)控制從物料的變化，外環(huán)控制第三參量的變化。通過(guò)第三參量的變化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變比值控制。 主動(dòng)量和從動(dòng)量經(jīng)檢測(cè)、變送后送入除法器相除，除法器的輸出即為它們的比值，同時(shí)又是比值控制器的測(cè)量值。 系統(tǒng)在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，主被控變量（即第三參量）穩(wěn)定，主控制器的輸出也穩(wěn)定不變并和比值控制器信號(hào)相等，從物料量控制閥門穩(wěn)定于某一開(kāi)度，控制器的比值恒定。 （ 1）當(dāng)主物料量受到干擾發(fā)生波動(dòng)時(shí)， 除法器輸出要發(fā)生改變，從物料控制系統(tǒng) 調(diào)節(jié)從物料控制閥門開(kāi)度，使從動(dòng)量也發(fā) 生變化 ，保證主物料量和從物料量比值不 變。 （ 2）當(dāng)從物料量受到干擾發(fā)生波動(dòng)時(shí)， 和單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)及雙閉環(huán)比值控制 系統(tǒng)一樣，調(diào)節(jié)從物料流量，保證主物料 量和從物料量比值不變。 圖 19 變比值控制系統(tǒng)工藝圖 （ 3）當(dāng)主被控對(duì)象（即第三參量）受到干擾引起被控發(fā)生變化時(shí)，主控制器的輸出將發(fā)生變化，也就是改變了比值控制器的設(shè)定值，即改變了主、從物料的比值。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 11 圖 110 變比值控制系統(tǒng)控制方框圖 第二章 比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本 章主要介紹比值控制系統(tǒng)中的比值控制方式的選擇原則、主從物料的選擇原則、比值系數(shù)的計(jì)算及調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的確定。 系統(tǒng)選用原則 比值控制有多種控制方案，具體選用適應(yīng)分析各種方案的特點(diǎn)，根據(jù)不同的工藝情況、負(fù)荷變化、擾動(dòng)性質(zhì)、控制要求等進(jìn)行合理選擇。 （ 1）單閉環(huán)比值控制的選用 當(dāng)要求兩種物料比值精確、恒定；外干擾引起的主流量波動(dòng)變化可以容忍；只有一種物料可控，其它物料不可控制；對(duì)由主流量波動(dòng)引起的副流量波動(dòng)和總生產(chǎn)能力變化沒(méi)有限制時(shí)，可選用此方案。該方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)方便，僅用一只比值器或比例調(diào)節(jié)器即可。 （ 2）雙閉環(huán)比值控制選用 當(dāng)要求兩種物料比值精確、恒定；擾動(dòng)引起的主、副流量變化較大；不適用于只有一種物料可控，其它物料不可控制情況；要求總生產(chǎn)能力或主、副物料總量恒定；經(jīng)常需要升降負(fù)荷時(shí)，可選用雙閉環(huán)比值控制方案。 （ 3）變比值控制選用 當(dāng)兩種物料流量的比值與主被控制量（主動(dòng)量和從動(dòng)量之外的第三參量）有內(nèi)在關(guān)系，需要根據(jù)主動(dòng)量的測(cè)得值和主被控制量的給定值調(diào)整主從物料流量的比值實(shí)現(xiàn)對(duì)主被控制量給定值的跟蹤控制（或定值控制）時(shí)，應(yīng)選用變比值控制方案。 主從物料的選擇 在比值控制中，主從物料的 選擇影響系統(tǒng)的控制方向、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性及安全性。主從物料的確定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要一步，主要依循以下原則： （ 1）貴重原則 對(duì)有顯著貴賤區(qū)別的物料，應(yīng)選擇貴重物料為主物料。實(shí)現(xiàn)以貴重物料為主進(jìn)行控制，其他非貴重物料根據(jù)控制過(guò)程需要增減變化。這樣可以充分利用貴重物料以合理成本完成生產(chǎn)過(guò)程。 （ 2）不可控原則 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 12 某物料不可控制時(shí)，該物料選為主物料，其它為從物料。不可控物料不能利用物料量調(diào)節(jié)構(gòu)成反饋控制閉環(huán)，所以不宜選為從物料。 （ 3）主導(dǎo)作用原則 在多物料參與生產(chǎn)的過(guò)程中，如化工或制藥工業(yè)中，經(jīng)常將物 料分成主料和輔料，生產(chǎn)圍繞主料進(jìn)行，輔料作為控制過(guò)程的調(diào)節(jié)物料。此類在諸物料中起主導(dǎo)作用的物料應(yīng)選擇為主物料，其它物料選為從物料。 （ 4）流量大小原則 選擇流量較小的物料作從物料，這樣控制過(guò)程中控制閥的開(kāi)度較小，系統(tǒng)控制靈敏，當(dāng)然系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能也會(huì)小些。 （ 5）工藝需要原則 生產(chǎn)控制過(guò)程必須按相應(yīng)的工藝過(guò)程進(jìn)行，主從物料的選擇也必須符合生產(chǎn)工藝的要求。 比值系數(shù)計(jì)算 比值控制系統(tǒng)的控制過(guò)程是通過(guò)對(duì)主、從動(dòng)量以及第三參量的檢測(cè)與控制實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)物理量通常有多種檢測(cè)方式，不同檢測(cè)方式的比值系數(shù)計(jì)算方 法也有相應(yīng)的差別。 常見(jiàn)的流量檢測(cè)有： ? 差壓式流量計(jì)通過(guò)測(cè)量流動(dòng)過(guò)程中兩點(diǎn)的壓力差，然后根據(jù)壓力差與流量關(guān)系實(shí)現(xiàn)流量檢測(cè)； ? 靶式流量計(jì)通過(guò)測(cè)量流動(dòng)過(guò)程中某一點(diǎn)的靶面壓力，然后根據(jù)靶面壓力與流量關(guān)系實(shí)現(xiàn)流量檢測(cè)； ? 浮子流量計(jì)通過(guò)將流動(dòng)過(guò)程中某一點(diǎn)處流體引入浮子流量計(jì)，測(cè)量浮子懸浮的高度，然后根據(jù)懸浮高度與流量關(guān)系實(shí)現(xiàn)流量檢測(cè)；橢圓齒輪式容積流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦計(jì)流量計(jì)是將該流量計(jì)引入流動(dòng)過(guò)程中某一點(diǎn)，測(cè)量旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)轉(zhuǎn)速與流量關(guān)系實(shí)現(xiàn)流量檢測(cè)； ? 電磁流量計(jì)則用于測(cè)量導(dǎo)電液體，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利 用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)量流量。 綜合分析各種檢測(cè)方式，可把檢測(cè)方法分為線性檢測(cè)和非線性檢測(cè)兩種： 1．線性檢測(cè)法的比值系數(shù)計(jì)算 流量的線性檢測(cè)一次儀表有浮子流量計(jì)、橢圓齒輪式容積流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦計(jì)流量計(jì)等。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 13 該類儀表的流量測(cè)量原理可概括為： Q cW? （ 21） 式中， Q 表示流量； c 表示比例系數(shù)； W 表示直接測(cè)量值，如轉(zhuǎn)速、高度等。 按比值系數(shù)公式得： （ 22） 若對(duì)應(yīng)變送器的測(cè)量范圍（或稱比值控制器輸入端的主、從物料信號(hào)范圍）分別為： 0～ Q1max和 0～ Q2max 則折算成比值控制器的比值系數(shù)為： （ 23） 2. 非線性檢測(cè)法的比值系數(shù)計(jì)算 非線性檢測(cè)法的比值系數(shù)計(jì)算較為復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。流量的非線性檢測(cè)一次儀表有差壓式流量計(jì)、靶式流量計(jì)等。該類流量計(jì)利用壓力測(cè)量流量。流量和壓力的關(guān)系可概括為： Q c p?? （ 24） 式中， c 為差壓式流量計(jì)的比例系數(shù)， p? 為壓力或壓差。 按比值系數(shù)公式得： 221 1pQkKQ p??? ? （ 25） 若對(duì)應(yīng)變送器的測(cè)量范圍（或稱比值控制器輸入端的主、從物料信號(hào)范圍）分別為： 0～ Q1max和 0～ Q2max 則折算成比值控制器的比值系數(shù)為： 21 m a x 1 m a x22 m a x 2 m a xpQk K Kp Q???? （ 26） PID 控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)及其對(duì)控制性能的影響 無(wú)論哪種過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)都需要選擇調(diào)節(jié)器，下面我們一一介紹幾種常用的調(diào)節(jié)器。 比例控制對(duì)控制性能的影響 2211WQK ??1 m a x 1 m a x2 m a x 2 m a xWQk K K??內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 14 所謂比例調(diào)節(jié)規(guī)律，是指調(diào)節(jié)器輸出的控制作用 u(t)與其偏差輸入信號(hào) e(t)之間成比例關(guān)系， )()( teKtu P? （ 27） 其中， pK 比例增益。 比例調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)： PP KSE sUsW ?)( )()( （ 28） 工程中，常用比例帶 ? 來(lái)描述其控制作用的強(qiáng)弱，即 PK1?? （ 29） 其物理意義是在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的位移改變 100%時(shí)，被調(diào)量應(yīng)有的改變量。如 ? =20%，則表明調(diào)節(jié)器輸出變化 100%時(shí)，需要其輸入信號(hào)變化 20%。 比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如下圖 21所示。 由圖可以看出，在 t0 時(shí)刻前，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)； t0 時(shí)刻偏差信號(hào) e(t)發(fā)生階躍變化，對(duì)于定值控制系統(tǒng)，即被調(diào)量產(chǎn)生階躍變化，調(diào)節(jié)輸出控制作用 u(t)將成比例的變化，而且?guī)缀跏峭瑫r(shí)產(chǎn)生的。控制作用的變化目的是調(diào)節(jié)進(jìn)入對(duì)象的流入量，消除不平衡流量，是被調(diào)量回到原來(lái)的值上。從這一點(diǎn)看，比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點(diǎn)之一就是調(diào)節(jié)及時(shí)、迅速。 圖 21 比例調(diào)節(jié)規(guī)律 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 15 由上圖還可看出，在 t ?? 時(shí)調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束，但偏差信號(hào) e(t)仍存在；換言之，調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束被調(diào)量的偏差仍未完全消除。因?yàn)椴捎帽壤{(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器，其輸出的控制作用大小與偏差大小成比例關(guān)系， 一定大小的控制作用是抵消擾動(dòng)的影響、使系統(tǒng)重新穩(wěn)定下來(lái)的保證。在系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，被調(diào)量偏離了其給定值，而出現(xiàn)偏差，調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)使系統(tǒng)再次進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，但偏差或大或小還要存在，否則偏差為零，