复合控制回路
PID比例控制系统
滕文春编写，1994年1
PID比例控制系统
1.什么是比例控制系统
在生产过程中使两个或两个以上的过程变量按预先确定的关系或比例而设计的控制系统称为比例控制系统(Ratio
ControlSystem)。最常用的比例控制系统如图6－8所示。
图6-8所示的是两种流量进行混合的情况，主变流量
时时在改变，为保持混合的正确比例关系，就必需控制另一个流量按照与主变流量相同的变化方式或比例变化。
例如，加热炉中的空气－燃料比例控制中，只控制空气流量.使之保持正确的空气-燃料比，而燃料流量是根据蒸汽流
量指令在其它控制回路中控制的,如图6-12所示。
在比例控制回路中，我们称不受该比例控制回路控制的变量为基本变量
或主变量(Independentvariable),基本变量决定比例控制回路的设定值。仅管举例中的主变量也是过程变量，但也可
不是过程变量。我们称被比例控制回路控制的过程变量为从变量(dependentvariable)。
图6－8所示的比例控制结构我们称之为
直接比例控制系统。在比例控制回路的设计
上还有另一种称之为计算比例控制回路的结
构。它是把从变量除以基本变量得到的实际
比值作为过程变量，以给定的比值为设定值
的控制系统，如图6－9所示。
这种计算比例控制回路不是常用的结构
形式，因为除法器把主变量及非线性引入了
系统，可能影响控制系统的稳定性。
如果系统需要加入偏置时，计算比例控
制回路无法实现。
在处理正反比例组态时不如直接比例控
制回路那样方便。
2.比值和偏置的计算
比例控制回路的一个重要参数就是比值，根据控制要求是使主变量×Ratio－从变量=0，因此得到比值的定义如下：
当主、从变量的量程相等时，Ratio就为两者相对值的比。
当从变量随主变量的增加而增加时，我们就称之为正比例，大多数应用情况是正比例控制。在某些情况下，需要
从变量随主变量的增加而减小，我们就称之为反比例。这是需要将基本变量取反作用(InverseActing)来实现。
比值可以是常量或变量。利用变量比值可解决某些非线性比例控制问题，这是很有用的一项功能。
偏置
+
-
PID
×
+
?
流量变送
从变流量
流量变
主变流量
比例控制
比例
偏置
PV－
SV+
图6-8直接比例控制系统的一般结构
从变流量
PID?
流量变
主变流量
比例控制
÷
流量变送
比例设定
图6-9计算比例控制系统的一般结构
PV
＋
SV
)(%)(
)%(
主变量的量程主变量
（从变量的量程）从变量
×
×
=Ratio
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PID比例控制系统
滕文春编写，1994年2
在比例控制中，某些情况下需要加一个偏置量(Bias),亦即主、从变量的量程有着不同不同的起点。如当用温度
去校正流量、压力或其它温度时就往往出现这种情况。
偏置值可以是常量，也可以是变量。变量偏置值的采用可解决某
些非线性比例控制问题，这也是很有用的一项功能。
3.比例控制回路的设计
比例控制回路是一个较为简单的控制回路，在控制精度要求
时采用开环就可得到满意的结果。但在一些复杂的情况下要设计好
比例控制回路也非易事，以下就有关设计问题进行讨论。
3.1.一般设计原则
1.比例控制回路要求有精确的比值，因此过程变量应是直接测量的值，不应是计算值。这也是我们多数采用
直接比例控制回路的原因。
2.比例控制回路要求过程变量是线性的，因此对非线性的变量(如用差压测量的流量)应事先进行线性化处理。
3.比例控制回路实质上是一个随动系统，应把对设
定值跟踪特性放在首位来考虑，其控制规律应选
择比例、微分先行PID控制规律。如果从变量
受外干扰比较大(如从变流量的压力不稳定)时，
应采用副回路构成串级控制系统来稳定从变
量。在控制器的功能允许的条件下，也增加设
定值滤波，或双重PID控制算法来兼顾设定值
跟踪和对外干扰抑制两方面的特性要求。
4.由于主、从变量处于别有不同系统中,对象特性不同,响应速度也不同，当要精确控制主、从变量的响应速度
时，就要在比例控制回路设置设定值滤波环节G
ff
(s)（比例＋微分）来进行动态补偿。
3.2.直列式比例控制回路的设计
所谓直列式比例控制回路就是我们通常所说的单闭环和双闭环控制系统，是广泛使用的一种比例控制回路。图6-
12是一个加热炉温度控制系统,系统由两个相关联的温度控制回路和燃料空气比例控制回路组成，这是一个典型的
直列式(双闭环)比例控制系统。为分析回路特性，需要把比例控制回路放到整过系统中来加以研究。
图6-12
就控制过程来说,它是根据加热炉温度要求,通过温度控制器改变燃料流量，比例控制回路检测到燃料改变后在调节
空气流量，使之与燃料保持正确的比例以节省能源。我们将这种以基准流量作为控制另一流量的设定值的比例控制
回路称之为直列式比例控制回路。
3.3.并列式(串级)比例控制回路的设计
在上面的直列式比例控制回路中显然存在这样的缺点：要等燃料变化以后过一会空气流量才能追赶上燃料的变
化。因此在燃料流量变化的过渡过程中，燃料－空气的比值偏离了设定值。为了克服比例控制回路的这一迟后，人们
设计出并列式比例控制回路，即在温度控制器给出信号改变燃料流量的同时，也给出信号按比例改变控制的流量，控
制框图如图6-13所示。从燃料回路和空气回路同时受温度控制器控制的角度来说称为并列式比例控制回路,从温度
Bias
α
Ratio=tgα
图6-10比例和偏置
基本
变量
SV
×+Gff(s)
PID
比例偏
PV
图6-11比例控制回路的动态补偿框图
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控制和空气控制两回路的主从关系来说又可称为串级比例控制回路。
在并列式比例控制回路中，由于燃料控
制回路和空气控制回路的设定值是同时改变
的，因此就消除了直列式中的那种迟后。而
且增加了基本流量稳定回路，也有助于克服
外干扰的影响。但是由于燃料回路和空气回
路的响应速度不同，在温度调节器输出信号
变化的过渡过程中，燃料－空气的比值是存
在变化的。为此就要将设定值选择控制和比
例控制结合起来限制这种变化，我们将在下
面的选择控制系统设计中进行讨论。
此外需要指出的在这种系统中燃料控制器和
空气控制器应是同一类型的控制器，不应因
控制器不同而带来其它影响。
3.4.变比例控制系统设计
在某些情况下，比例控制回路的比值
要求是变化的。上面讨论的加热炉燃烧控
制系统中说到，燃烧的经济性是通过控制
保证一定的空－燃比来实现的。但实际情
况是，不同的燃料品种和不同的工况下，
空－燃比是改变的。检查空－燃比是否合
适的参数是烟气中的含氧量。这就构成了
比值随燃烧排气中氧含量变化的变比值的
比例控制系统，如图6-14所示。变比例
控制系实质上也是一个串级比例控制回
路,只是其比值是一个变量(图中为氧含量
控制回路输出)而不是常量。
某发电厂一个可实际操作的空－燃比控制回路组态图如图6-15所示。图中的空气流量是经过温度、压力补偿
的。
由前面的讨论可以看出，根据不同的目的和要求，比例控制回路有各种不同的应用形态，可以和串级控制、选
择控制进行复合，设计出各种比例控制回路。除瞬时流量比例控制回路外，还可设计出称为混合控制(Blending
Control)的积算流量比例控制回路。
4.控制器的选用
在目前各家控制公司推出的单回路控制器在实
现比例控制时的其功能组态不完全相同。有的控制
器(如ABBKent-Taylor公司的ControllerXL)在控制
回路的远程设定值处理中具有比值、偏置功能，因
此可单站实现比例控制回路。有的控制器就不具有
这种功能，此时需要另外选用比例／偏置站来实现
比值运算。
图6-13
SV
PV
比例偏
基本
变量
×+PID
图6-16比例控制回路中的比例/偏置站与控制器的连接
比例/偏置站
图6-14
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