【正文】 使副流量跟隨主流量而變化，從而保證原設(shè)定的比值不變。 總之 , 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雖然能保持主、副物料流量比值不變，但是無(wú)法控制主物料的流量不變，因此，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的生產(chǎn)能力沒(méi)有進(jìn)行控制。 【例 11】利用單閉環(huán)比值隨動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)中螢石自動(dòng)配料。利用如圖 14所示的單閉環(huán)比值控制的方式可以實(shí)現(xiàn)螢石與石灰石比例的恒定， 達(dá)到了提高水泥質(zhì)量的目的。其中，控制中以石灰石為主動(dòng)量，螢石為從動(dòng)量。 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 為了克服單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中主動(dòng)量不受控制而產(chǎn)生的系統(tǒng)生產(chǎn)能力“失控”狀況，在單閉環(huán)比值控制的基礎(chǔ)上，對(duì)主動(dòng)量也設(shè)置了一個(gè)閉環(huán)回路，構(gòu)成對(duì)主、副物料流量都進(jìn)行控制的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是由一個(gè)定值控制的主流量回路和 一個(gè)跟隨主流量變化的副流量控制回路組成的。當(dāng)擾動(dòng)消除后，主、副流量都恢復(fù)到原設(shè)定值上，其比值不變，并且主、副流量變化平穩(wěn)。 （ 1）工藝流程圖 （ 2）原理方框圖 圖 15 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 在雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)工作時(shí) ，若主動(dòng)量受到干擾發(fā)生波動(dòng)，則主動(dòng)量回路對(duì)其進(jìn)行定值控制，使主動(dòng)量始終穩(wěn)定在給定值附近，同時(shí)從動(dòng)量控制回路也會(huì)隨主動(dòng)量的波動(dòng)進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)從動(dòng)量受到擾動(dòng)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，從動(dòng)量控制回路對(duì)其進(jìn)行定值控制，使從動(dòng)量始終穩(wěn)定在定值附近，而主動(dòng)控制回路不受從動(dòng)量波動(dòng)的影響。 當(dāng)調(diào)節(jié)主動(dòng)量給定值時(shí)，主動(dòng)量控制回路調(diào)節(jié)主動(dòng)量實(shí)際值和給定值吻合；同時(shí)，根據(jù)主動(dòng)量與從動(dòng)量的比值及新的主動(dòng)量給定值，系統(tǒng)給出從動(dòng)量控制 回路的輸入值。 如圖 16所示雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 原理框圖。副流量回路：抑制副回 路中的擾動(dòng)，使副流量與主流量成比值 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 8 關(guān)系。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。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。 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。 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。 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。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。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。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)。 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。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。流量比值只是一個(gè)控制手段，不是最終目的。 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。 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。 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。 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。 （ 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(mén)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。 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。 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。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。 （ 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。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。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。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。 （ 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。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。 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。 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。該類流量計(jì)利用壓力測(cè)量流量。 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。 比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如下圖 21所示。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。 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(shū) 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。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，控制作用也隨之消失，干擾信號(hào)的存在就不可能使系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)。 積分控制對(duì)控制性能的影響 比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點(diǎn)是控制及時(shí)，控制作用貫穿整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程，因此它是基本的調(diào)節(jié)作用。 積分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出控制作用 u(t)與其偏差輸入信號(hào) e(t)隨時(shí)間的積累值成正比，即 ?? dtteTtu i )(1)( （ 210） 其傳遞函數(shù)形式： sTsW iI 1)( ? （ 211） 式中 iT 積分時(shí)間。由圖可以看出，當(dāng)被調(diào)量出現(xiàn)偏差并成階躍形式變化時(shí)，積分調(diào)節(jié)器輸出的控制作用并不立即變化，而是由零開(kāi)始線性增長(zhǎng)。只要偏差信號(hào)存在，調(diào)節(jié)器輸出旨在消除對(duì)系統(tǒng)影響的控制作用就一直增加，且其增長(zhǎng)的速度始終為初始速度。 從響應(yīng)曲線看，只要偏差存在，積分控制作用一直增加；換言之，只有偏差為零時(shí)，積分作用才 停止變化。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 16 積分調(diào)節(jié)規(guī)律的另一特點(diǎn)就是消除穩(wěn)態(tài)偏差，實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)，其控制作用體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過(guò)程的后期。 描述比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律的動(dòng)態(tài)方程是： ??? dtteTKteKtu iPP )()()( （ 213） 式中 pK 比例增益； iT 積分時(shí)間 圖 22 積分作用曲線 比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： ???????? ?????????? ?? sTsTKsW iiPPI 11111)( ? （ 214） 綜上分析，當(dāng)被調(diào)量一旦偏離給定值出現(xiàn)偏差時(shí)，調(diào)節(jié)器立即輸出一個(gè)與偏差成比例的控制作用，這是比例作用的結(jié)果；隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，控制作用線性增加，積分作用表現(xiàn)出來(lái)；只要偏差存在，控制作用就一直增長(zhǎng)下去，直至消除偏差時(shí)，控制作用才停止變化。 微分控制對(duì)控制性能的影響 微分調(diào)節(jié)規(guī)律是是調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與其偏差輸入信號(hào)的變化速度成正比。 傳遞函數(shù)式為： sTsW dD ?)( （ 216） 由于受控對(duì)象總存在一定的容量，調(diào)節(jié)器也 存在一定的不靈敏區(qū)，因此使調(diào)節(jié)器動(dòng)作的偏差信號(hào)在實(shí)踐上肯定落后于偏差變化速度信號(hào)，被調(diào)量變化速度（即偏差變化速度）信號(hào)又稱超前信號(hào)。 微分調(diào)節(jié)作用的大小僅與偏差信號(hào)的變化速度有關(guān)，而與偏差值大小無(wú)關(guān)。就是說(shuō)純微分作用的調(diào)節(jié)器是不能單獨(dú)使用的，微分作用要與比例作用或比例積分作用相結(jié)合，形成比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律或比例微分積分調(diào)節(jié)規(guī)律。實(shí)際的微分調(diào)節(jié)規(guī)律具有慣性，傳遞函數(shù)為下式： sWsTKsTsTKsW DdDddDD ?????? 11)(39。 由初值定理有： EKsEsT sTKsU DddDs ????? ?? 1lim)0( （ 218） 由終值定理知： 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 18 01lim)( 0 ?????? ? sEsT sTKsU ddDs （ 219） 如圖 23所示，微分調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。從這一點(diǎn)上與比例作用相比，調(diào)節(jié)及時(shí)且作用強(qiáng)?？梢?jiàn)微分作用要在調(diào)節(jié)過(guò)程的初期，和積分作用恰好相 反。但是，由于機(jī)械部分質(zhì)量、慣量的存在，電路中儲(chǔ)能元件的存在以及能源功率的限制，使得運(yùn)動(dòng)部件的加速度受到限制，其速度和位置難以瞬時(shí)變化。所謂動(dòng)態(tài)過(guò)程就是指系統(tǒng)受 到外加信號(hào) (給定值或擾動(dòng) )作用后，被控量隨時(shí)間變化的全過(guò)程。對(duì)系統(tǒng)性能的基本要求有三個(gè)方面。如果系統(tǒng)受外作用力后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，其被控量可以達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的。一個(gè)能在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用的系統(tǒng)，不僅應(yīng)該是穩(wěn)定的，而且在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的振蕩也不能太大，否則不能滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要，甚至?xí)?dǎo)致 系統(tǒng)部件的松動(dòng)和被破壞?？焖傩员砻髁讼到y(tǒng)輸出對(duì)輸入響應(yīng)的快慢程度。 準(zhǔn)確性是由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值來(lái)表征的，它反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。 穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性往往是互相制約的。 比值控制系統(tǒng)整定主要涉及的問(wèn)題是穩(wěn)定性、快速性、靜差和微分問(wèn)題。對(duì)過(guò)程控制來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性問(wèn)題不但涉及穩(wěn)態(tài)情況，更涉及干擾擾動(dòng)問(wèn)題。 干擾的主要后果是使控制系統(tǒng)處于不穩(wěn)定，甚至使不安全工作狀態(tài)。 （ 2）快速性問(wèn)題 應(yīng)保證系統(tǒng)響 應(yīng)的快速性從而保證比值恒定。 （ 4）微分問(wèn)題 比值控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器不宜采用微分作用。而且在管路中存在有很多不規(guī)則的干擾噪聲，因此在控制器都不宜采用微分作用。顯然，如果控制對(duì)象的運(yùn)行方式不當(dāng)，或者系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案不合理，測(cè)量?jī)x表和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)選型不當(dāng)，安裝質(zhì)量不高等，則無(wú)論怎樣整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，也不能滿足調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求。 從理論上看，通過(guò)計(jì)算來(lái)整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)是可行的辦法。但問(wèn)題是計(jì)算方法要以控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性為