比值控制系统分析

比值控制系统分析

田源

（贵州省习水鼎泰能源开发有限责任公司贵州遵义564611）

摘要：火电厂控制系统应用了各种类型的比值控制系统，如开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双比值控制系统及有逻辑规律的比值控制系统等。本文就控制系统的设计思路、性能分析和比值控制系统分析。

关键词：比值控制；控制系统；系统分析

1.引言

在生产过程中，经常出现一种随动控制系统，它叫比值控制系统，能控制两种或两种以上的物质保持一定的比例关系，一旦出现比例失调就会影响生产的安全性和经济性。在这种系统控制的需要保持比例的两种物质中，必有一种处于主导地位，称为主动量，而另一种需要按主动量进行配比，称为从动量。

2.比值控制系统类型和原理分析

2.1开环比值控制系统

开环比值控制系统的原理图如图1所示。它是比值控制系统中最简单的控制方案。Q1是主动物料流量，Q2是从动物料流量，Q2随Q1改变而改变。在稳态下，两种物料流量关系满足Q2＝KQ1的要求。其中K为工艺指标规定的体积或质量流量的比值。在这个方案中，主动流量Q1仅有测量变送信号送入控制器（或比值器），而控制器并不控制它，即没有形成回路。相反，从动物料Q2没有测量变送信号，却只有控制信号，所以系统是开环的。

开环比值控制系统的特点是：系统简单，所用仪表少，仅需一台比例控制器就可以实现；整定也比较简单，控制器比例度可以根据比值要求设置。但是，这一方案仅适用于从动物料Q2在一定阀门开度下，流量很少变化或者相当稳定的场合。在这种系统中从动物料Q2的干扰是不可避免的。

（a）原理图（b）框图

图1开环比值控制系统

2.2单闭环比值控制系统

工艺上要求两种物质的流量保持一定的比例关系，可以选用单闭环比值控制系统，如下图2所。

图2单闭环比值控制

（a）系统结构框图（b）系统原理框图

系统稳定时，Q1/Q2=K。当Q1变化时经比值控制器按预先设置的比值使输出成比例地变化，也就是成比例地改变从动量控制器的给定值，从而使Q2跟随Q1变化，使得在新的稳定条件下保持Q1与Q2的比值K不变。

2.3双闭环比值控制系统

为了克服单闭环比值控制系统骒主流量不受控制扬引起的不足，在单闭环控制和基础上，设计了双闭环比值控制系统。

双闭环比值控制系统是由一个定值控制的主流量回路和一个跟随主流量变化的副流量控制回路组成。主流量控制回路能克服主流量扰动，实现其定值控制。副流量控制回路能抑制作用于副回路的中的扰动。当扰动消除后，主、副流量都回复到原设定值上，其比值不变。

双闭环比值控制系统能实现主流量的定值控制，使主、副流量均比较稳定，从而使总物料也比较平稳。因此，在工业生产过程自动化中，当要求负荷较平稳时，可采用这种控制方案。不过，该方案所用仪表较多，投资较高，而且投运较麻烦。

2.4有逻辑规律的比值控制系统

在某些比值控制系统中，不仅要求两个物料流量保持一定的比例。而且要求物料流量的变动还在一定的先后次序，称为有逻辑规律的比值控制系统。

例如在燃料控制系统中，希望燃料量与空气流量成一定的比例。而燃料量取决于蒸汽量的需要，常用蒸汽压力来反映，当蒸汽量要求增加即蒸汽压力降低时，燃料量也要增加。为了保证燃烧安全，应先加大空气量后加大燃料量，在减负荷时，应很先减燃料量后减空气量，以保证燃烧的安全性和经济性。为此可设计成有逻辑规律的比值控制系统，如图4所示。在图4中，PT、FT分别为压力、流量变送器；PC、FC分别为压力、流量控制器；HS、LS分别为高、低选器。

图3具有逻辑规律的比值控制

该系统实现蒸汽出口压力对燃料流量的串级控制和燃料流量与空气流量的比值控制。根据过程要求，蒸汽压力控制器是反作用的。当蒸汽流量增加，即蒸汽压力下降时，蒸汽压力控制器输出增加，增大的信号送到低选、高选器。由于压力控制器输出通不过低选器LS，而可以通过高选器HS，并作为空气流量控制器的给定值用来加大空气量。空气流量变送器的输出信号被低选器选中，空气流量的增加也使低选器输出增加，从而改变燃料控制器的给定值，使燃料量增大，这样保证增加燃料之前先加大空气量，而当蒸汽流量减少时，情况则相反，满足先减燃料量后减空气量的逻辑关系，保证燃料完全。

2.5变比值控制系统

单闭环比值控制和双闭环比值控制的实现两种物料量间的定值控制，在系统运行过程中其比值系数是不变的。在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值，随第三个参数的需要而变化，为了满足上述生产工艺要求，开发并应用变比值控制系统。

流量之间实现—定比例的目的仅仅是保证产品质量的一种手段，而定比值控制的各种方案只考虑如何来实现这种比值关系，而没有考虑成比例的两种物料混合或反应后最终质量是否符合工艺要求。因此，从最终质量看这种定比值方案，系统是开环的。由于工业生产过程的扰动因素很多，当系统中存在着除流量扰动以外的其他扰动（如温度、压力、成分以及反应器中催化剂衰老等的扰动）时，原来设定的比值计算器参数就不能保证产品的最终质量，需进行重新设置。但是，这种扰动往往是随机的，且扰动幅度又各不相同，无法用人工经常去修正比值。

3比值控制系统设计分析

3.1主物料流量、副物料流量的确定

从上述分析可知，比值控制系统比值性质可分为定比值控制和变化值控制两种。在工业生产过程中，维持两种比值不变，有时不一定是生产上的最终目的，而仅是保证产品产量、质量或安全的一种手段。在设计比值控制系统时，需要先确定主、副物料流量，其原则是：

（1）在生产中起主导作用的物料流量，一般选为主流量，其余的物料流量以它准，跟随变化而变化，则为副流量。

（2）在生产过程中不可控的物料流量，一般选为主流量，而可控的物料流量作为副流量。

（3）在可能的情况下，选择流量较小的物料作为副流量，这样，调节阀可以选得小一些，控制较灵活。

3.2控制方案的选择

比值控制有开环比值控制系统、单闭环比值控制、双闭环比值控制、变比值控制等多种方案，在具体选用时应分析各种方案的特点，根据不同的生产工艺情况、负荷变化、扰动性质、控制要求等选择合适的比值控制，同时还应考虑经济性原则。

3.3调节控制规律的决定

比值控制系统调节器控制规律是由不同的控制方案和控制要求而定。例如，单闭环比值控制系统中，W1（s）仅接收主流量的测量信号，仅起比值广计算作用，故选P控制规律或用一个比值器；W2（s）起比值控制作用和使副流量相对稳定，故应选PI控制规律；又如比闭环比值控制系统，两流量不仅要保持恒定的比值，而且主流量要实现定值控制，其结果副流量的设定值也是恒定的，所以两个调节器均应选择PI控制规律。

3.4正确选择流量计或变送器及其量程

流量测量是比值控制的基础。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），必须正确选择使用。变送器的零点及量程的调整都是十分重要的，具体选用时可参考有关设计资料手册。

4结束语

火电厂某些生产过程复杂、控制要求更高、控制任务特殊等，单回路过程控制方案已不能满足这种特殊生产工艺过程要求。为此，需要开发和应用实现某些特殊要求的过程控制系统。其中比值控制系统就是很好的一种。

参考文献：

[1]邵裕森，过程控制及仪表[M].上海：上海交通大学出版社，1995.

[2]涂植英，过程控制系统[M].北京：机械工业出版社，1983.

[3]翁维勤，周庆海，过程控制及工程[M].北京：化学工业出版社，2002.

[4]方康玲，过程控制系统[M].武汉理工大学出版社，2002.