兩個(gè)過程變量直接存在如下的關(guān)系：FT2=R×FT1，式中FT2為從過程變量；FT1為主過程變量；R為比值系數(shù)。
比值控制其實(shí)就是一個(gè)乘法器。在很多控制系統(tǒng)中一般都有專門的比值控制模塊。但是有的現(xiàn)場(chǎng)采用如圖1所示的比值控制策略：①使用計(jì)算模塊計(jì)算當(dāng)前測(cè)量的實(shí)際比值FT2/FT1；②以該比值為測(cè)量值，使用PID算法進(jìn)行從過程變量的控制。
圖1 常見的比值控制策略
看起來很自然，如果這種控制策略沒有問題，控制系統(tǒng)為什么要提供專門的比值控制模塊呢?那么這種控制策略有什么問題呢?
使用如圖1所示的基于PID的比值控制策略，存在的問題包括：
①對(duì)比值控制回路而言，被控對(duì)象的模型增益可以利用對(duì)比值計(jì)算求導(dǎo)得到為1/FT1。當(dāng)主過程變量大幅度調(diào)整時(shí)被控對(duì)象增益也相應(yīng)變化，這增加了PID參數(shù)整定的難度，而且在主過程變量測(cè)量值不同時(shí)控制回路有不同的控制性能。
②當(dāng)從過程變量變化時(shí)比值控制會(huì)波動(dòng)，而且由于非線性的存在，比值控制器往往整定得比較慢，從過程變量跟蹤慢會(huì)導(dǎo)致比值控制波動(dòng)。
③當(dāng)從過程變量波動(dòng)時(shí)，比值控制輸出應(yīng)該保持不變。從過程變量控制回路通過控制調(diào)節(jié)閥使從過程變量回到設(shè)定值就可以了。但是由于從過程變量參與到比值計(jì)算中，反而會(huì)導(dǎo)致PID控制器的多余動(dòng)作。這種設(shè)計(jì)，比值測(cè)量值不能算從過程變量控制回路的獨(dú)立變量，在先進(jìn)控制器設(shè)計(jì)中也要避免。
標(biāo)準(zhǔn)的比值控制模塊中，會(huì)使用兩個(gè)過程變量的比值作為測(cè)量值，這個(gè)測(cè)量值只用于顯示，不用于控制作用計(jì)算。而實(shí)際的PID控制器輸出，用比值控制模塊的設(shè)定值乘以主過程變量得到，這個(gè)方法可以通過控制方案的改進(jìn)，避免人為引入非線性，降低PID控制器參數(shù)整定的難度。從過程變量的測(cè)量值只參與計(jì)算而不參與比值控制。如圖2所示的單閉環(huán)比值控制策略是最常見的標(biāo)準(zhǔn)比值控制方案。
圖2 單閉環(huán)比值控制策略
在比值控制精度要求較高而主過程變量又具備控制條件的場(chǎng)合下，很自然地就想到對(duì)主過程變量也進(jìn)行控制，這就形成了如圖3所示的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。和單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的主要區(qū)別在于增加了主過程變量控制回路。由于主過程變量的控制，克服了干擾的影響，使主過程變量更加平穩(wěn)。當(dāng)然與之成比例的從過程變量也更加平穩(wěn)。當(dāng)系統(tǒng)需要升降負(fù)荷時(shí)，只要改變主流量的設(shè)定值，主從過程變量就會(huì)按比例同時(shí)增加或減小，從而克服單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)主過程變量設(shè)定值變化時(shí)，從過程變量控制跟隨的速度如果不夠快，也會(huì)造成比值波動(dòng)。此時(shí)可以考慮使用主過程變量設(shè)定值進(jìn)行比值計(jì)算并讓兩個(gè)控制回路的期望閉環(huán)時(shí)間常數(shù)λ相等來減少這種波動(dòng)。
圖3 雙閉環(huán)比值控制策略
即使采用雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，在主過程變量增加和減小時(shí)實(shí)際比值仍然會(huì)發(fā)生波動(dòng)。有一類過程比值受到安全的限制，只允許比值單向波動(dòng)，例如燃燒系統(tǒng)的空燃比、煤氣化的氧煤比等。這種情況下就要使用交叉限幅控制。
空燃比的交叉限幅原理見圖4。交叉限幅控制說簡(jiǎn)單點(diǎn)就是燃料的流量與空氣的流量相互影響相互牽制，最終達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)就是合適的空燃比。
圖4 空燃比交叉限幅控制
交叉限幅實(shí)際上是一個(gè)具有兩個(gè)并聯(lián)回路的串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制策略的復(fù)雜性是工藝過程的要求決定的，這樣達(dá)到的目的有：
①增加燃料時(shí)，為了防止缺氧燃燒，需要確保空燃比始終偏大，所以先增加空氣流量，然后通過“低選器”實(shí)現(xiàn)空氣流量為主過程變量，燃料流量為從過程變量的比值控制；
②減少燃料時(shí)，為了防止缺氧燃燒，需要確保空燃比始終偏大，所以先降低燃料流量，然后通過“高選器”實(shí)現(xiàn)燃料流量為主過程變量，空氣流量為從過程變量的比值控制。
這樣就構(gòu)成了交叉限幅。交叉限幅控制在系統(tǒng)平穩(wěn)時(shí)是靜止的。只有燃燒系統(tǒng)的平衡被打破后交叉限幅控制才起作用，在系統(tǒng)平衡時(shí)，燃料流量控制與空氣流量控制是獨(dú)立的兩個(gè)控制回路。當(dāng)燃料流量或空氣流量發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)設(shè)定好的空燃比的計(jì)算來影響另一個(gè)量，最終達(dá)到燃燒控制的新平衡，所以說交叉限幅是動(dòng)態(tài)比值控制。如果希望比值單側(cè)波動(dòng)并且對(duì)波動(dòng)的幅度有要求時(shí)，還有更復(fù)雜的雙交叉限幅。
