3.3　比值控制系统

在化工、炼油生产中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行化学反应，一旦比例失调，轻则造成产品质量不合格，重则造成生产事故或发生危险。例如聚乙烯醇生产中，树脂和氢氧化钠必须按一定比例进行混合，否则树脂将发生自聚而影响生产的正常进行。又如稀硝酸生产中的氧化炉，氨和空气应保持一定的比例，否则将使反应不能正常进行，而氨和空气比超过一定极限将会引起爆炸。比值控制的目的，就是为了实现几种物料符合一定的比例关系，以使生产能安全正常地进行。

为了了解比值控制问题的实质，下面用两个例子加以说明。

第一个例子，某工厂中需连续使用（6%～8%）NaOH溶液，工艺上采用30%NaOH溶液加水稀释配制，如图3-16所示。一般来讲，由电化厂提供的30% 液体NaOH浓度比较稳定，引起混合器出口溶液浓度变化的主要原因是入口碱（或水）的流量变化。根据反馈控制原理，为了保证出口浓度，可设计出口浓度为被控变量，入口水（或碱）流量为操纵变量的单回路反馈控制系统。但由于浓度信号的获取较困难，即使可以获得并组成控制系统，往往因测量变送和对象控制通道滞后较大，影响控制质量。根据前馈控制不变性原理，若某一输入物料流量变化时，另一物料也能按比例跟随变化，则可以达到对出口浓度的完全补偿。对于上述混合问题，通过简单的化学计算可知，只要入口30%NaOH和H2O的质量流量之比为1∶4～1∶2.75，就可以使出口NaOH溶液浓度达到6%～8%。对于这样一个浓度控制问题，也就成为流量比值控制问题。

第二个例子，某厂废水中含有碱，若直接排入河道，将严重污染环境。常用的解决方法有两种：一种是直接从废水中回收碱，另一种是加酸中和，保证排出废水的pH值为7，如图3-17所示。前者应该说是一种很好的方法，但这需要建立一套碱回收装置，增加一笔可观的投资，若废水中碱含量不是很高，从经济角度考虑不一定合算。而后者方法简单，投资也不多，目前被不少工厂所采用。为了保证排出废液呈中性，可以设计各种反馈控制方案。但当含碱废水与添加酸浓度变化都不大时，只要保证两者流量成一定比例，同样可以满足出口pH要求。这样一个废水处理问题又成为流量比值控制问题。

生产上这种类似的控制问题很多，都可以通过保持物料流量比来保证最终质量。显然，保持流量比只是一种控制手段，保证最终质量才是控制目的。

3.3.1　定比值控制系统

定比值控制系统的一个共同特点是系统以保持两物料流量比值一定为目的，比值器的参数经计算设置好后不再变动，工艺要求的实际流量比值r也就固定不变，因此，称为定比值控制系统。定比值控制系统共有三类：开环比值控制系统、单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统。

①开环比值控制系统　对于图3-16所示的生产过程，为保证混合后的浓度，可设计如图3-18（a）所示的控制系统，当流量qV1随高位槽液面变化时，通过测量变送使控制器FC的输出按比例变化，控制阀的流量特性选线性，则qV2也就跟随qV1按比例变化，以满足最终质量要求。在上述保持流量比例关系的两物料中，qV1处于主导地位，称为主流量，qV2随qV1变化，称为副流量。一般情况下，总以生产中的主要物料或不可控物料作为主流量，通过改变可控物料流量（副流量）的方法来实现它们的比例关系。在图3-18所示的控制系统中，控制器FC只起比例作用，可用比值器代替。改变控制器的比例度或比值器的比值系数，就可以改变两流量的比值r（r=qV2/qV1）。系统的方框图如图3-18（b）所示，从图中可以看出系统是开环的，因此称为开环比值控制。由于该系统的副流量qV2无反馈校正，所以副流量本身无抗干扰能力。如本例中的水流量，若阀前压力变化，就无法保证两物料流量的比值为定值。因此对于开环比值控制方案，只有在副流量较平稳且流量比值要求不高的场合才采用。

②单闭环比值控制系统　为了克服开环比值控制系统的缺点，可以在副流量对象中引入一个闭合回路，组成如图3-19所示的控制系统。由图可知，当主流量qV1变化时，其流量信号经测量变送器送到比值器R，比值器按预先设置好的比值系数使输出成比例变化，并作为副流量控制器的设定值，此时副流量调节是一个随动系统，qV2经调节作用自动跟踪qV1变化，使其在新的工况下保持两流量比值r不变。当副流量由于自身干扰而变化时，此时副流量调节系统是一个定值系统，经反馈克服自身的干扰。从方框图中可以看出，系统中只包含了一个闭合回路，故称为单闭环比值控制系统。

单闭环比值控制系统的优点是两种物料流量的比值较为精确，实施也比较方便，所以在工业中得到了广泛的应用。然而，两物料的流量比值虽然可以保持一定，但由于主流量qV1是可变的，所以进入的总流量是不固定的。这对于直接去化学反应器的场合是不太合适的，因为负荷波动会给反应过程带来一定的影响，有可能使整个反应器的热平衡遭到破坏，甚至造成严重事故，这是单闭环比值控制系统无法克服的一个弱点。

③双闭环比值控制系统　为了能实现两流量的比值恒定，又能使进入系统的总负荷平稳，在单闭环比值控制的基础上又出现了双闭环比值控制。它与单闭环比值控制系统的差别在于主流量也构成了闭合回路，由于有两个闭合回路，故称为双闭环比值控制系统。

在双闭环比值控制系统中，两个闭合回路可以克服各自的外界干扰，使主、副流量都比较平稳，流量间的比值可通过比值器实现。这样，系统的总负荷也将是平稳的，克服了单闭环比值控制的缺点。图3-20所示即为图3-16中NaOH溶液配置系统的双闭环比值控制系统图。

双闭环比值控制系统的缺点是所用的仪表较多，投资高。一般情况下，采用两个单回路控制系统分别稳定主流量和副流量，也可以达到目的。

3.3.2　变比值控制系统

如前所述，流量间实现一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，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，从最终质量的角度来看，定比值控制系统是开环的。由于工业生产过程中的干扰因素很多，当系统中存在着除流量干扰以外的其他干扰（如温度、压力、成分以及反应器中触媒衰老等干扰）时，原来设定的比值器系数就不能保证产品的最终质量，需进行重新设置。但是，这种干扰往往是随机的，且干扰幅度又各不相同，无法用人工经常去修正比值器的参数，于是出现了按照某一工艺指标自动修正流量比值的变比值控制系统。它的一般结构形式如图3-21所示。

在稳定状态下，主、副流量qV1、qV2恒定（即qV2/qV1=r为某一定值）；它们分别经流量变送、开方运算后，送除法器相除，其输出表征了它们的比值，同时作为比值控制器RC的测量信号。这时表征最终质量指标的主参数c也恒定，所以主控制器YC的输出信号稳定，且和比值测量信号相等，比值控制器的输出也稳定，控制阀开度一定，产品质量合格。

当系统中出现除流量干扰外的其他干扰引起主参数c变化时，通过主反馈回路使主控制器输出变化，修改两流量的比值，以保持主参数的稳定。对于进入系统的主流量qV1的干扰，由于比值控制回路的快速随动跟踪，使副流量按qV2=rqV1关系变化，以保持主参数c稳定，它起了静态前馈的作用。对于副流量本身的干扰，同样可以通过自身的控制回路克服，它相当于串级控制系统的副回路。因此，这种变比值控制系统实质上是一种静态前馈-串级控制系统，也可以称为串级比值控制系统。

3.3.3　比值控制系统的实施

比值控制系统的实施，可有以下几种情况。

①应用比值器的方案　图3-22是应用比值器实现单闭环比值控制的方案。若方案由电动Ⅲ型仪表实施，比值运算单元采用电动比值器，其信号关系为

I0=（Ic1-4）K+4　　 （3-7）

当系统按要求的流量比值稳定操作时，控制器的测量值等于设定值，即

Ic2=I0=（Ic1-4）K+4　　 （3-8）

所以

　　 （3-9）

式中　I0——副流量控制器的设定值，即比值器的输出信号；

Ic1——主流量的测量值，即比值器的输入信号；

Ic2——副流量控制器的测量值；

K——比值器的比值系数，可内部设定。

比值系数K与流量比值r不一定相同，但两者有一一对应关系。这可分为以下两种情况。

ⅰ.流量与测量信号之间存在线性关系或用差压测量并经过开方运算时，测量信号Ic与流量qV之间的关系为

　　 （3-10）

所以

　　 （3-11）

由此可见，该比值系数K与两流量之比r和测量仪表的量程上限有关，与负荷大小无关。

ⅱ.用差压法测量流量，但未经开方运算，测量信号Ic与流量qV之间关系为

　　 （3-12）

所以

　　 （3-13）

由式（3-13）可知，该比值系数K同样与负荷大小无关。

比值器的比值系数K只能在一定范围内调整（如0.25～4），所以要实现预定的流量比r，变送器的量程必须适当选择。若选择适当，K值在1附近。

②应用乘法器的方案　图3-23是应用乘法器实现的比值控制方案。

比值系统的设计任务是要按工艺要求的流量比值r来正确设置图中的Is信号。DDZ-Ⅲ型仪表乘法器的运算式为

　　 （3-14）

式中，Ic1、Is均为乘法器的输入信号；IO为乘法器的输出信号。

当系统稳定时，Ic2=IO，代入上式，可得

　　 （3-15）

当流量为线性变送时，用式（3-10）代入式（3-15），可得

　　 （3-16）

当流量为非线性变送时，用式（3-12）代入式（3-15），可得

　　 （3-17）

利用以上两式，按工艺要求的流量比值r来设置Is。

③应用除法器的方案　如图3-24所示，显然，它还是一个单回路控制系统，只是控制器的测量值和给定值都是流量信号的比值，而不是流量本身。

除法器方案的优点是直观，可直接读出比值，使用方便，可调范围宽；但也有其弱点：由于比值的计算包含在控制回路中，因此对象的放大倍数随负荷的不同而发生变化，当负荷较小时，系统不易稳定，现已逐渐被乘法器方案所取代。

3.3.4　比值控制系统的参数整定

在变比值控制系统中，由于结构本身是串级控制系统，因此可按照串级控制系统整定方法整定主控制器的参数。对于定比值控制系统中的双闭环比值控制系统，主流量回路可按单闭环回路比值控制系统整定。下面将主要介绍单闭环比值控制系统回路、双闭环的副流量回路以及变比值回路的参数整定。

一般工艺上希望副流量能及时随着主流量变化而变化，即在比值控制系统中副流量回路是一个随动系统。因此，比值控制系统的参数整定步骤一般如下。

ⅰ.根据工艺对主流量和副流量比值的要求，计算比值系数。若采用乘法器，则需计算乘法器的一个相应输入值；若采用除法器，则需计算比值控制器的设定值。在设定比值系数之后，再根据现场参数整定的实际情况进行适当调整，以满足实际工艺的需求。

ⅱ.控制器需采用比例积分（PI）规律。比例积分控制器整定时可先最大化地设定积分时间，再由大到小逐步调整比例度，直到使比值控制系统出现振荡与不振荡的临界过程。

ⅲ.在适当放宽比例度的情况下，一般放大20%，然后慢慢减少积分时间，直到出现振荡与不振荡的临界过程或微振荡的过程，如图3-25中的曲线b。