比率控制

比率控制（Rate control ）是一種相對數控制方法，是通過兩個相關指標的比較及數期變化趨勢分析，來說明事物的本質及規律性。在許多情況下，運用絕對數無法說明問題，但使用具有可比意義的相對數卻能作出有效的比較，進而找出差距和不足。實現兩個或多個參數符合一定比例關係的控制系統，稱為比率控制系統。例如：生產過程中，經常需要幾種物料的流量保持一定的比例關係。例如，在鍋爐的燃燒系統中，要保持燃料和空氣量的一定比例，以保證燃燒的經濟性。

基本介紹

• 中文名：比率控制
• 外文名：Rate control 
• 涉及學科：信息科學
• 套用：自動控制
• 特點：兩個或多個參數符合一定比例關係
• 實質：相對數控制方法

簡介

生產過程中，經常需要幾種物料的流量保持一定的比例關係。例如，在鍋爐的燃燒系統中，要保持燃料和空氣量的一定比例，以保證燃燒的經濟性。
定義：比率控制（Rate control）是一種相對數控制方法，是通過兩個相關指標的比較及數期變化趨勢分析，來說明事物的本質及規律性。在許多情況下，運用絕對數無法說明問題，但使用具有可比意義的相對數卻能作出有效的比較，進而找出差距和不足。實現兩個或多個參數符合一定比例關係的控制系統，稱為比率控制系統。
例如要實現兩種物料的比例關係，則表示為：

其中：K—比值係數；Q1—主流量； Q2—副流量 。

分類

開環比率控制系統

如圖Q1是主流量，Q2是副流量。流量變送器FT檢測主物料流量Q1；由控制器FC及安裝在從物料管道上的閥門來控制副流量Q2。
此控制方案的優點是結構簡單、成本低。缺點是無抗干擾能力，當副流管線壓力等改變時，不能保證所要求的比值。

控制目標：Q2=K Q1

單閉環比率控制系統

為了克服開環比率控制的不足，在開環比率控制的基礎上，增加對副流量的閉環控制。

特點：

• 對Q2進行閉環控制，比率控制精度提高。
  
• 對Q1隻測量、不控制。Q1變化，Q2跟著變化，總流量不穩定。
  
• 控制目標：Q2=K Q1
  
• 對Q1隻測量、不控制。Q1變化，Q2跟著變化，總流量不穩定
  

雙閉環比率控制系統

為了克服單閉環比率控制中主流量不受控制，生產負荷（與總物料量有關)在較大范曲內波動的不足的缺點，增加了主流量控制迴路。該系統具有兩個閉合迴路，分別對主、副流量進行定值控制。同時，由於比率控制器K的存在，使得主流量由受到干擾作用開始到重新穩定在給定值這段時間內，副流量能跟隨主流量的變化而變化。這樣不僅實現了比較精確的流量比值，而且也確保了兩物料總量基本不變，這是它的一個主要優點。從圖可以看出，當主流量Q1變化時，一方面通過主流量控制器F1C對它進行控制，另一方向通過比率控制器K(可以是乘法器)乘以適當的係數後作為副流量控制器的給定值，使副流量跟隨主流量的變化而變化。

特點：

• 有兩個閉環控制迴路，用比值器聯繫。
  
• 控制目標：Q2=K Q1
  
• Q1是主流量，Q2是副流量。兩個流量都可控，因此總流量穩定。
  

雙閉環比率控制系統主要適用於主流量干擾頻繁，工藝上不允許負荷有較大波動或工藝上經常需要提降負荷的場合。缺點：所用儀表多，投資高。

變比率控制系統

以上介紹的都是定比率控制系統。在有些生產過程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個工藝參數的需要而變化，為滿足這種工藝的要求，就出現了變比率控制系統。

應該注意:在變比率控制系統中，比值通常只是一種控制手段不是最終目的，而第三參數y(s)往往是產品質量指標。

比率控制系統設計

主流量、副流量的確定原則

①生產中起主導作用的物料流量，一般選為主流量，其餘的物料流量跟隨其變化，為副流量。
②工藝上不可控的物料流量，一般選為主流量。
③成本較昂貴的物料流量一般選為主流量。
④當生產工藝有特殊要求時，主、副物料流量的確定應服從工藝需要。

控制方案的選擇

控制方案選擇應根據不同的生產要求確定，同時兼顧經濟性原則。
①如果工藝上僅要求兩物料流量之比值一定，而對總流量無要求，可用單閉環比率控制方案。
②如果主、副流量的擾動頻繁，而工藝要求主、副物料總流量恆定的生產過程，可用雙閉環比率控制方案。
③當生產工藝要求兩種物料流量的比值要隨著第三參數的需要進行調節時，可用變比率控制方案。

調節器控制規律的確定

比率控制系統中，調節器的控制規律是根據控制方案和控制要求而定。
在單閉環比率控制系統中，比值器K起比值計算作用，若用調節器實現，則選P調節；調節器F2C使副流量穩定，為保證控制精度可選PI調節。

雙閉環比率控制不僅要求兩流量保持恆定的比值關係，而且主、副流量均要實現定值控制，所以兩個調節器均應選PI調節；比值器選P調節。

正確選擇流量計及其量程

各種流量計都有一定的適用範圍（一般正常流量選在滿量程的70%左右），必須正確地選擇和使用，可參考有關設計資料、產品手冊。

比值係數的計算

工藝規定的流量（或質量）比值K不能直接作為儀表比值使用，必須根據儀表的量程轉換成儀表的比值係數K’後才能進行比值設定。
變送器的轉換特性不同，比值係數K’的計算公式不同。
（l）流量與測量信號之間成線性關係
如果Q1的流量計測量範圍為0～Q1max 、Q2的流量計測量範圍為0～Q2max，則變送器輸出電流信號和流量之間的關係如下：

說明：當物料流量的比值一定、流量與其測量信號呈線性關係時，比值器的參數與物料流量的實際比值和最大值之比的乘積也呈線性關係。
（2）流量與測量信號之間成非線性關係
利用節流原理測流量時，流量計輸出信號與流量的平方成正比：

說明：當物料流量的比值一定、流量與其檢測信號呈平方關係時，比值器的參數與物料流量的實際比值和最大值之比的乘積也呈平方關係。

比率控制中的非線性補償

比率控制系統中的非線性特性是指被控過程的靜態放大係數隨負荷變化而變化的特性，在設計比率控制系統時必須要加以注意。

測量變送環節的非線性特性

流量與測量信號無論是呈線性關係還是呈非線性關係，其比值係數與負荷的大小無關，均保持其為常數。但是，當流量與測量信號呈非線性關係時對過程的 動態特性卻是有影響的。

問題：當負荷增大時，調節器的整定參數如果不能隨之改變，則系統的運行質量就會下降。

非線性補償

為了克服這一不利影響，通常用開方器進行補償，即在差壓變送器後串接一個開方器，使流量與測量信號之間呈現線性關係。

差壓變送器的輸出電流信號與開方器的輸出電流信號之間的關係為：

測量變送環節和開方器串接後總的靜態放大係數為常量，它已不再受負荷變化的影響。

比率控制系統的實現

比率控制的具體實現方案有兩種:
一、 把兩個流量的測量值相除，其商作為調節器的反饋值，稱為相除控制方案。
二、 把一個流量的測量值乘以比值係數，其乘積作為副調節器的設定值，稱為相乘控制方案。

在工程上，具體實現比率控制時，通常有比值器、乘法器或除法器等單元儀表可供選用，相當方便。
比率控制系統的實施與參數整定

比值係數的實現

比值系統的實現有相乘和相除二種方法。工程上可採用比值器、乘法器、除法器等儀表實現；用計算機控制時，通過比例、乘、除運算程式實現。

比率控制系統的參數整定

對雙閉環比率控制，主流量迴路可按單迴路控制系統整定；對變比率控制系統，主調節器可按串級控制系統整定方法進行；對副流量迴路，本質上是隨動系統，要求快速、正確跟隨主流量變化，最好整定在振盪預不振盪邊界，具體步驟為：
（1）根據工藝條件，計算比值係數K ，投入自動運行；
（2）使比例度由大到小調節，使系統處於臨界過程；
（3）適當放寬比例度後，投入積分，即逐步減小 ，直到出現臨界過程。