《过程控制系统仿真》

电子工业出版社 出版 2009.3

作者：郭阳宽 王正林联系邮箱： wa_2003@126.com

第7

章

比值控制系统

过程控制系统仿真

过程控制系统仿真

本章内容与 目录

7.1 比值控制系统基础知识 7.1.1 比值控制系统特点 7.1.2 比值控制系统的类型 7.1.3 比值系数计算7.2 比值控制系统设计 7.3 综合仿真实例本章小结

本章描述了比值控制的基本概念，介绍了比值控制的基本特点、比值控制系统的设计及其控制器参数整定等基础知识，并通过实例仿真进行了各类比值控制系统设计及整定。

通过本章，读者对比值控制的基本概念、特点和设计方法有较为全面的认识，并通过仿真深化对比值控制的理解。

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7.1 比值控制系统基础知识

7.1.1 比值控制系统特点

2

1

QK

Q

比值控制系统的特征 : 是实现两个或两个以上物料保持一定比例关系。

1. 主物料，也称为主动量 :

在要保持一定比例关系的物料中，把起主导作用的物料。

2. 从物料，也称为从动量 : 另一种随主物料的变化而成比例地变化的物料

3. 在过程控制中经常保持比例的参量是流量，故常用下式表示

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7.1 比值控制系统基础知识

7.1.2 比值控制系统的类型

根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等要求不同，实际采用的比值控制方案也不同。

比值控制系统分为： 1. 开环比值控制系统； 2. 单闭环比值控制系统； 3. 双闭环比值控制系统； 4. 变比值控制系统等。

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7.1 比值控制系统基础知识

7.1.2 比值控制系统的类型1 ．开环比值控制系统

（ 1 ）工艺流程图；（ 2 ）原理方框图

图 7.2 开环比值控制系统

工艺流程图和原理方框图如图 7.2 所示。

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7.1 比值控制系统基础知识

7.1.2 比值控制系统的类型

1 ．开环比值控制系统

1 ）当系统处于稳定工作状态时，两物料的流量满足比值关系。2 ）当主动量受到干扰而发生变化时，系统通过比值器及设定值按

比例去改变控制阀的开度，调节从动量使之与主动量仍保持原有的比例关系。

3 ）当从动量受到外界干扰（如温度、压力扰动）波动时，由于是开环控制，没有调节从动量自身波动的环节，也没有调整主动量的环节，故两种物料的比值关系很难保持不变，系统对此无能为力。

开环比值控制是理解比例控制工作机理的基础，在实际工程上很少应用。

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7.1 比值控制系统基础知识

7.1.2 比值控制系统的类型

2 ．单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变。工艺流程图及原理框图如图 7.3 所示。

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7.1 比值控制系统基础知识

7.1.2 比值控制系统的类型

2 ．单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统的四种工作情况：

（ 1 ）当在系统处于稳定工作状态时，主、副物料流量的比值恒定。（ 2 ）当主物料流量不变，副物料流量受到扰动变化时，可通过副流量的闭合回路调整副物料流量使之恢复到原设定值，保证主、副物料流量比值一定。（ 3 ）当主物料流量受到扰动变化，而副物料不变时，则按预先设置好的比值使比值器输出成比例变化，即改变给定值，根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调节阀的开度，使副流量跟随主流量而变化，从而保证原设定的比值不变。（ 4 ）当主、副物料流量同时受到扰动变化时，调节器在调整副物料流量使之维持原设定值的同时，系统又根据主物料流量产生新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副物料流量在新的流量数值的基础上，保持原设定值的比值关系不变。

总之 , 单闭环比值控制系统虽然能保持主、副物料流量比值不变，但是无法控制主物料的流量不变，因此，对生产过程的生产能力没有进行控制。该控制系统能保证主、副物料的流量比值不变，同时，系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应用较广。

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7.1 比值控制系统基础知识

7.1.2 比值控制系统的类型2 ．单闭环比值控制系统

【例 7-1 】 利用单闭环比值随动控制实现水泥生产中萤石自动配料。水泥生产中，为了降低水泥中 fCaO （游离氧化钙，又称游离钙）含量，提高水泥熟料质量，要求

在石灰石中按一定比例自动连续地掺加萤石。利用如图 7.4 所示的单闭环比值控制的方式可以实现萤石与石灰石比例的恒定，达到了提高水泥质量的目的。

图 7.4 萤石单闭环比值控制自动配料系统框图。图中粗线代表物料运送，细线代表控制线路。其中，控制中以石灰石为主动量，萤石为从动量。比值系数为两物料重量之比。

(具体内容请参阅教材 )

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7.1 比值控制系统基础知识

7.1.2 比值控制系统的类型3 ．双闭环比值控制系统

在双闭环比值控制系统工作时，若主动量受到干扰发生波动，则主动量回路对其进行定值控制，使主动量始终稳定在给定值附近，同时从动量控制回路也会随主动量的波动进行调整；当从动量受到扰动发生波动时，从动量控制回路对其进行定值控制，使从动量始终稳定在定值附近，而主动控制回路不受从动量波动的影响。

因此，因扰动而发生的主动量和从动量波动利用各自控制回路分别实现实际值与给定值吻合，从而保证主、副物料流量的比值恒定。

当调节主动量给定值时，主动量控制回路调节主动量实际值和给定值吻合；同时，根据主动量与从动量的比值及新的主动量给定值，系统给出从动量控制回路的输入值。

通过从动控制回路的调节控制使从动量的实际值与该输入值吻合，即从动控制量的实际值与主动量变动后的数值相对应，保持主动量和从动量的比值不变。

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7.1 比值控制系统基础知识

7.1.2 比值控制系统的类型3 ．双闭环比值控制系统

可见主动量控制回路是一定值控制系统，而从动量控制回路是一个随动控制系统。

和单闭环比值控制系统相比，双闭环比值控制系统的突出优点如下：（ 1 ）控制系统更为稳定对主动量的定值控制克服了干扰对主动量的影响，因此主动量变化平稳，从动量也将平稳，

进而系统的总物料流量稳定，更好地满足了生产工艺要求。（ 2 ）系统更易于调节当需要改变主动量的设定值时，主动量控制回路通过调节控制使主动量的输出值改变为新设

定值，同时从动量也将随主动量按给定比值变化。因此，当需要调整负荷时，只要改变主动量回路控制器的给定值，就可同步调整主动量和从

动量，并保持主动量和从动量的比值不变。

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7.1 比值控制系统基础知识

7.1.2 比值控制系统的类型

【例 7-2 】 双闭环比值控制在磷酸二铵生产中的运用

3 ．双闭环比值控制系统

(具体内容请参阅教材 )

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7.1 比值控制系统基础知识

7.1.2 比值控制系统的类型4 ．变比值控制系统

Q2

单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统有一个共同的特点：通过控制系统维持物料的供应比值恒定，保证生产过程的正常进行。

实际生产过程中，物料按比例输入并不是最终目的，一般最终目的是生产过程的结果，如发电系统产生的电能，自来水氯气消毒系统输出水的质量与流量等。因此，在生产过程中，往往要对除了输入物料以外的第三参量进行控制。

当第三参量随输入物料的配比不同变化时，对第三参量的控制问题，变成了调节物料配比问题，这就是变比值控制，其控制的工艺图和控制方框图如图 7.7 所示。

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7.1 比值控制系统基础知识

7.1.2 比值控制系统的类型Q2

可见，变比值控制是一种内外环嵌套的复合控制，内环控制从物料的变化，外环控制第三参量的变化。通过第三参量的变化实现系统的变比值控制。

主动量和从动量经检测、变送后送入除法器相除，除法器的输出即为它们的比值，同时又是比值控制器的测量值。

系统在稳定工作状态下，主被控变量（即第三参量）稳定，主控制器的输出也稳定不变并和比值控制器信号相等，从物料量控制阀门稳定于某一开度，控制器的比值恒定。

当主物料量受到干扰发生波动时，除法器输出要发生改变，从物料控制系统调节从物料控制阀门开度，使从动量也发生变化，保证主物料量和从物料量比值不变。

当从物料量受到干扰发生波动时，和单闭环比值控制系统及双闭环比值控制系统一样，调节从物料流量，保证主物料量和从物料量比值不变。

当主被控对象（即第三参量）受到干扰引起被控发生变化时，主控制器的输出将发生变化，也就是改变了比值控制器的设定值，即改变了主、从物料的比值。

【例 7-3 】 变比值控制系统在硝酸铵中和反应中的应用。利用氨和硝酸中和反应生产硝酸铵的流程如图 7.8 所示。

4 ．变比值控制系统

(具体内容请参阅教材 )

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7.1 比值控制系统基础知识

7.1.3 比值系数计算

比值控制系统的控制过程是通过对主、从动量以及第三参量的检测与控制实现的。一个物理量通常多种检测方式，不同检测方式的比值系数计算方法也有相应的差别。

常见的流量检测有：

差压式流量计通过测量流动过程中两点的压力差，然后根据压力差与流量关系实现流量检测；靶式流量计通过测量流动过程中某一点的靶面压力，然后根据靶面压力与流量关系实现流量检测；浮子流量计通过将流动过程中某一点处流体引入浮子流量计，测量浮子悬浮的高度，然后根据悬浮高度与流量关系实现流量检测；椭圆齿轮式容积流量计、涡轮流量计、涡计流量计是将该流量计引入流动过程中某一点，测量旋转体的转速，然后根据转速与流量关系实现流量检测；电磁流量计则用于测量导电液体，根据电磁感应原理，利用感应电动势测量流量。

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7.1 比值控制系统基础知识

7.1.3 比值系数计算

Q cW

2 2

1 1

W QK

W Q

1max0 ~ Q2max0 ~ Q

1max 1max

2max 2max

W Qk K K

W Q

综合分析各种检测方式，可把检测方法分为线性检测和非线性检测两种：

1 ．线性检测法的比值系数计算

流量的线性检测一次仪表有浮子流量计、椭圆齿轮式容积流量计、涡轮流量计、涡计流量计等。

该类仪表的流量测量原理可概括为：

按比值系数公式得

若对应变送器的测量范围（或称比值控制器输入端的主、从物料信号范围）分别为

和

则折算成比值控制器的比值系数为

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7.1 比值控制系统基础知识

7.1.3 比值系数计算【例 7-4 】 计算“例 7-1 利用单闭环比值随动控制实现水泥生产中萤石自动配料”的比值系数。工艺所要求的石灰石、萤石两物料的比值是重量之比，实际两物料经称重传感器测出的是相应的

重量流量，而控制系统中所体现的参数与参数之间的关系是相应的电信号。因此，比值系数的计算就是把工艺上要求的流量比折算成在控制系统对应的电信号之比。

(具体内容请参阅教材 )

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7.1 比值控制系统基础知识7.2 比值控制系统设计 7.2.1 系统选用原则 7.2.2 主从物料的选择 7.2.3 比值控制系统工程整定 7.3 综合仿真实例本章小结

7.2 比值控制系统设计

本节主要讲述比值控制系统中的比值控制方式选择原则、主从物料的选择原则及比值控制的工程整定方法。

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7.2 比值控制系统设计

比值控制有多种控制方案，具体选用适应分析各种方案的特点，根据不同的工艺情况、负荷变化、扰动性质、控制要求等进行合理选择。

（ 1 ）单闭环比值控制的选用 当要求两种物料比值精确、恒定；外干扰引起的主流量波动变化可以容忍；只有一种物料可

控，其它物料不可控制；对由主流量波动引起的副流量波动和总生产能力变化没有限制时，可选用此方案。该方案实现起来方便，仅用一只比值器或比例调节器即可。

（ 2 ）双闭环比值控制选用 当要求两种物料比值精确、恒定；扰动引起的主、副流量变化较大；不适用于只有一种物料

可控，其它物料不可控制情况；要求总生产能力或主、副物料总量恒定；经常需要升降负荷时，可选用双闭环比值控制方案。

（ 3 ）变比值控制选用 当两种物料流量的比值与主被控制量（主动量和从动量之外的第三参量）有内在关系，需要

根据主动量的测得值和主被控制量的给定值调整主从物料流量的比值实现对主被控制量给定值的跟踪控制（或定值控制）时，应选用变比值控制方案。

7.2.1 系统选用原则

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7.2 比值控制系统设计

在比值控制中，主从物料的选择影响系统的控制方向、产品质量、经济性及安全性。主从物料的确定是控制系统设计的首要一步，主要依循以下原则：

（ 1 ）贵重原则 对有显著贵贱区别的物料，应选择贵重物料为主物料。实现以贵重物料为主进行控制，其他非贵

重物料根据控制过程需要增减变化。这样可以充分利用贵重物料以合理成本完成生产过程。（ 2 ）不可控原则 某物料不可控制时，该物料选为主物料，其它为从物料。不可控物料不能利用物料量调节构成反

馈控制闭环，所以不宜选为从物料。（ 3 ）主导作用原则 在多物料参与生产的过程中，如化工或制药工业中，经常将物料分成主料和辅料，生产围绕主料

进行，辅料作为控制过程的调节物料。此类在诸物料中起主导作用的物料应选择为主物料，其它物料选为从物料。

（ 4 ）流量大小原则 选择流量较小的物料作从物料，这样控制过程中控制阀的开度较小，系统控制灵敏，当然系统结

构可能也会小些。（ 5 ）工艺需要原则 生产控制过程必须按相应的工艺过程进行，主从物料的选择也必须符合生产工艺的要求。

7.2.2 主从物料的选择

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7.2 比值控制系统设计

工程整定主要包括控制器形式的选择、比值控制系统整定的总体原则以及各种比值控制方式的整定方法。

1 ．控制器形式的选择比值控制系统的整定主要是控制器的形式及参数的确定。虽然现在正在研究

各种先进的控制算法，同时也有不少先进算法应用到过程控制中，但至今占过程控制 90% 以上份额的控制系统仍然采用 PID 控制调节器。

PID 控制调节器结构简单、调节方便、抗干扰能力强、方法成熟可靠。可以说是“久经考验”。所以，本书的比值控制系统中也采用 PID 控制调节器。也就是说，比值控制系统的整定讨论的是 PID 参数的确定问题。不同的场合对系统控制品质的要求不同，即应对不同场合选择不同的 PID参

数实现控制系统所要求的性能。 PID参数的整定方法及其特点可参见本书第 2章。

7.2.3 比值控制系统工程整定

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7.2 比值控制系统设计

7.2.3 比值控制系统工程整定

2 ．整定的总体原则比值控制系统整定主要涉及的问题是稳定性、快速性、静差和微分问题。（ 1 ）稳定问题 稳定性是控制系统正常工作的首要条件。对过程控制来说，稳定性问题不但涉及

稳态情况，更涉及干扰扰动问题。干扰对过程控制的影响主要体现在：系统模型识别精确性降低、系统模型参数离

散性变大、系统远离原模型静态工作点、系统工作进入非线性区等。干扰的主要后果是使控制系统处于不稳定，甚至使不安全工作状态。因此，在干

扰较大的场合，如工业过程的现场，控制系统应有足够的稳定裕量。（ 2 ）快速性问题应保证系统响应的快速性从而保证比值恒定。（ 3 ）静差问题在稳态时，各比值控制的闭环均为定值控制，故系统跟踪不应存在静差。（ 4 ）微分问题比值控制系统的调节器不宜采用微分作用。因为比值控制系统对象一般都是流量

对象，滞后时间都比较小。而且在管路中存在有很多不规则的干扰噪声，因此在控制器都不宜采用微分作用。

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7.2 比值控制系统设计

7.2.3 比值控制系统工程整定3 ．工程整定法（一）单闭环控制系统 从动量控制回路是跟随主动量而变化的随动系统。因此，要求反映快速、准确。故应采用 PI 控制方式

，并将过渡过程整定成非周期临界情况，这时过渡过程既不振荡反应又快。控制器参数的整定步骤可归纳如下：

（ 1 ）根据工艺要求的流量比值 K，求得比值系数。（ 2 ）将积分时间置于最大值，由大到小逐步改变比例度，直到在阶跃干扰下过渡过程处于振荡与不

振荡的临界过程为止。（ 3 ）适当放宽比例度（一般为 20% ）的情况下，逐步缓慢地减小积分时间，直到出现振荡与不振荡

的临界过程或稍有一点超调的情况为止。（二）双闭环比值控制系统主流量控制环实现定值控制，从流量控制环实现自身的稳定控制和对主流量变化的跟踪，从而实现主

、从流量的比值恒定。因此，两闭环调节器均应选择 PI 控制规律，而且应使从流量控制环响应较主流量控制环快，这样从流

量控制系统才有能跟上主流量的变化，保证主、从流量比值恒定。主、从控制回路都应将过渡过程整定成非周期临界情况。

另外，这样整定参数也防止了从动量回路共振问题。因为从动量回路通过比值器和主动量回路发生联系。主动量的变化必然引起从动量回路控制器设定值的变化，如果主动量的变化频率接近从动量回路的工作频率时，则有可能引起从动量回路的共振，以致系统的控制品质变坏。因此，主动量的过渡过程为非周期变化过程有效防止了这种可能性。

（三）变比值控制系统 变比值控制系统，又可称为串级比值控制系统，它具有串级控制系统的一些特点，仿效串级控制系统

调节器控制规律的选择原则，主调节器选择 PI或 PID控制规律；副调节器（即从动量调节器）可按单闭环控制系统进行整定。

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7.1 比值控制系统基础知识7.2 比值控制系统设计7.3 综合仿真实例 7.3.1 单闭环比值控制系统仿真 7.3.2 双闭环比值控制系统仿真 7.3.3 变比值控制系统仿真 7.3.4 参数摄动对系统影响仿

本章小结

7.3 综合仿真实例

对实际系统的仿真可分成系统辨识（即系统数学模型辨识，主要包括被控对象及执行机构等）、稳定性分析、控制策略选择及闭环参数整定、系统运行仿真等几个步骤。

对系统的辨识主要是对执行机构（如控制阀）、控制对象、检测及变送环节作为一个物理系统进行辨识。一般检测及变送环节均可看成是比例环节，执行机构和控制对象较复杂。常见的模型结构及其建模方法见本书前面章节所示。鉴于实际系统的客观复杂性以及采用 PID闭环控制的鲁棒性，一般来说，在模型的识别中没有必

要过分强调模型的精确性。

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7.3 综合仿真实例

7.3.1 单闭环比值控制系统仿真

单闭环比值控制系统的特点是在保持主动量和从动量比值关系的前提下，构成从动量闭合回路，使从动量跟随主动量变化。这样控制系统只控制从动量的变化而对主动量的变化未加控制。因此，单闭环比值控制系统适用于主动量变化不大的场合。对于跟随主动量变化控制给定值的从动量随动控制系统，期望系统响应快些，一般整定为非周期过程。选择 PI控制方式。

【例 7-5】 单闭环比值控制系统仿真综合实例。假设系统从动量传递函数为

53( ) e

15 1tG s

s

设计该从动对象的单闭环比值控制系统。

(具体内容请参阅教材 )

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7.3 综合仿真实例

7.3.2 双闭环比值控制系统仿真

(具体内容请参阅教材 )

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7.3.3 变比值控制系统仿真

(具体内容请参阅教材 )

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7.3 综合仿真实例

7.3.4 参数摄动对系统影响仿真

(具体内容请参阅教材 )

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本章小结

本章系统讲述了比值控制系统的基本理论、设计方法及仿真分析。（ 1 ）比值控制系统计的基本理论 系统分析和讲解了比值控制系统的特点及应用场合；比值控制系统的类型——开环比

值控制系统、单闭环控制系统、双闭环比值控制系统以及变比值控制系统的工艺过程、控制方框图以及特点等，并用实例进行了详细说明；比值系数的各种计算方法等。

（ 2 ）比值控制系统的设计系统讲述了比值控制系统的设计方法包括：比值控制系统的选择原则、主从物料选择

原则、比值系统工程整定方法。比值控制系统的选择原则主要讲述了各种比值控制系统的选用方法及其优缺点；主从物料选择原则按着重要性依次列出了五项选择原则；比值系统工程整定方法主要讲述了：控制器形式选择、比值控制系统整定的总体原则以及各类比值控制系统的工程整定方法。

（ 3 ）比值控制系统的仿真对各种比值控制系统分别举例进行了详尽仿真分析和对比，并对参数摄动进行了仿真

分析。通过本部分进一步加深比值控制系统的基本理论，深入学习仿真的具体步骤、方法。