先進(jìn)調節控制包含有多種處理特殊回路問(wèn)題的技術(shù)和原則性的設計技術(shù)，它可應用于變增益場(chǎng)合、操作條件變化的場(chǎng)合，也可以處理外部或回路之間的干擾。
許多因素會(huì )導致單回路的控制性能降低。這些因素通?？梢员粴w結為兩類(lèi)：
（1）過(guò)程的特性發(fā)生了變化。（2）操作條件發(fā)生了變化。
這兩類(lèi)因素產(chǎn)生的影響是類(lèi)似的，也可以通過(guò)相似的手段予以克服。?
增益：關(guān)鍵的控制概念?
自動(dòng)控制中的關(guān)鍵概念是“增益”，增益是輸出的變化量與輸入的變化量之間的比值（這里的輸出變化是由于輸入發(fā)生了變化而引起的）?？刂苹芈返脑鲆媸菦Q定回路穩定性的基礎?；芈分械拿恳徊糠郑ㄈ缈刂破?、執行器、工藝過(guò)程、變送器）都有各自的增益。如果某個(gè)部分的輸入/輸出曲線(xiàn)的斜率是不變的，那么這個(gè)部分的增益就是一個(gè)常數，也就是說(shuō)回路的這個(gè)部分是線(xiàn)性的。如果輸入/輸出曲線(xiàn)的斜率是變化的，那么輸出相對于輸入改變所做出的反應就會(huì )由于控制點(diǎn)的不同而不同，也就是說(shuō)這個(gè)回路是非線(xiàn)性的，回路的增益是變化的。
控制回路中所有單獨部分的增益結合在一起的產(chǎn)物就是回路的增益。如果回路增益大于1.0，這個(gè)回路就是不穩定的，任何擾動(dòng)造成的回路振蕩都會(huì )越變越強烈。如果回路的增益小于1.0，這種回路振蕩就會(huì )不斷衰減，直到回路達到穩定狀態(tài)。對控制器進(jìn)行整定就是調整控制器的增益，使回路既不會(huì )由于增益太高而導致發(fā)散的振蕩，也不會(huì )由于增益太低而導致回路的總體控制反應過(guò)于遲緩。
如果回路中有任何部分的增益不是常數，那么這個(gè)回路的增益就不是常數，回路的穩定性就會(huì )是變化的。為了保持回路的穩定性不變，就必須調節控制器的增益，使之能夠補償回路中其他部分的增益變化，以防止整個(gè)回路的總體增益超過(guò)1.0。所以問(wèn)題的關(guān)鍵是：回路中其他部分的增益是不變的？還是變化的？如果這些增益是變化的，就必須搞清楚增益的變化有多大？它是怎樣變化的？它變化的原因是什么？
每種增益都有一個(gè)穩態(tài)值和一個(gè)動(dòng)態(tài)部分。穩態(tài)增益可以定量地確定一個(gè)階躍輸入對于輸出的最終影響。當輸入擾動(dòng)周期性變化時(shí)，動(dòng)態(tài)部分可以定量地確定輸出的衰減情況。
回路特性和條件穩定性?
通常，變送器的增益是一個(gè)常量。在大多數情況下，執行器的增益是一個(gè)變量。閥門(mén)的特性、節氣閥（damper）的曲線(xiàn)和泵的特性曲線(xiàn)就是比較典型的例子：以百分比表示的閥位和液體流量之間的關(guān)系是非線(xiàn)性的。當送到執行器去的控制信號改變操作點(diǎn)的時(shí)候，這種非線(xiàn)性就會(huì )影響回路的穩定性。
過(guò)程本身的特性決定了過(guò)程的增益也是常常變化的。以這個(gè)系列文章中的典型過(guò)程－反應器為例（參見(jiàn)CONTROL ENGINEERING China 2005年6月號的?“過(guò)程專(zhuān)題”），圖1中的3條曲線(xiàn)顯示了在產(chǎn)量高、產(chǎn)量低以及產(chǎn)量周期性變化的情況下，溫度是怎樣隨著(zhù)蒸汽變化而變化的。
關(guān)于這個(gè)反應器，還有一點(diǎn)必須注意，對于蒸汽流量的階躍變化，產(chǎn)品溫度的變化方向是同產(chǎn)品產(chǎn)量相反的。當產(chǎn)品產(chǎn)量較低時(shí)，蒸汽流量對輸出溫度的影響比較大。
反應器的動(dòng)態(tài)特性也和產(chǎn)品產(chǎn)量有關(guān)。當產(chǎn)量較低時(shí)，參數變化的死區滯后時(shí)間也比較長(cháng)，因為這時(shí)的
流量比較小，流速比較慢。
當蒸汽流量發(fā)生周期性變化時(shí)，即使蒸汽的變化幅度在每個(gè)周期都保持一樣，輸出溫度的擺動(dòng)幅度也并不是太大。這是因為溫度參數始終沒(méi)有時(shí)間達到穩態(tài)，蒸汽的循環(huán)變化衰減了溫度參數的反應。
在很多過(guò)程中都存在這種典型的特點(diǎn)。過(guò)程的增益經(jīng)常會(huì )隨著(zhù)產(chǎn)品產(chǎn)量的變化而變化，這是由于產(chǎn)品產(chǎn)量對死區滯后時(shí)間有影響。當產(chǎn)品產(chǎn)量較高時(shí)，變量的反應時(shí)間比較短，變化幅度也不太強烈。從增益的角度來(lái)說(shuō)就是過(guò)程的增益比較小，這樣控制器的增益就可以設得大一些，使控制過(guò)程比較快速。反之，當過(guò)程的流量比較低時(shí)，控制難度就比較大；因為這時(shí)變量的反應比較遲緩，變化的幅度比較大，過(guò)程增益變得很大。這樣整個(gè)回路的增益很大，過(guò)程變得不穩定。
過(guò)程增益也常常隨著(zhù)控制點(diǎn)的不同而發(fā)生變化。較高的操作溫度會(huì )影響反應速率和產(chǎn)量。改變產(chǎn)品的組分設定點(diǎn)或密度也常常會(huì )影響過(guò)程對組分流體流量變化的敏感程度。對于液位控制而言，改變容器的幾何尺寸也會(huì )影響液位參數的控制反應。
對于反應器，組合回路的增益隨著(zhù)設定點(diǎn)的不同而變化。因為設定點(diǎn)只跟每個(gè)組分的量有關(guān)，所以含量較小的組分對產(chǎn)品純度的影響就非常大。例如產(chǎn)品中組分A的含量是99％，這時(shí)如果組分B的流量變化了1％（這里指產(chǎn)品總流量的1％），產(chǎn)品的純度就降低了一倍。反之，如果組分A的含量為80％，組分B的流量同前面一樣增加了1％，這時(shí)對產(chǎn)品純度的影響就只有1/20。因此當設定點(diǎn)變化較大時(shí)（特別是多組分產(chǎn)品的情況下），常常需要對控制回路進(jìn)行重新整定或補償。
變增益的處理方法?
先進(jìn)控制的目的是：在不改變回路結構的情況下提高單回路處理某些特殊問(wèn)題時(shí)的控制性能。
對于信號測量環(huán)節和執行器環(huán)節的非線(xiàn)性問(wèn)題，解決方法是在回路中增加一個(gè)具有相反的非線(xiàn)性特性的補償單元，這樣就可以抵消回路原有的非線(xiàn)性特性，使回路增益成為常量。這個(gè)成熟的方法可以顯著(zhù)提高很多回路的穩定性，但是人們常常忽略這種技術(shù)。
對于過(guò)程本身的變增益問(wèn)題，有其他幾種技術(shù)可以應用。最簡(jiǎn)單的一種方法是針對過(guò)程增益最大的控制點(diǎn)來(lái)整定控制器，這樣可以保證回路的穩定性。但是這種方法付出的代價(jià)是所有其他操作條件下的控制反應都變得相對遲緩了。另外幾種不需要改變回路結構的方法包括：
◆?增益表：實(shí)際上每一種DCS控制算法都允許通過(guò)其他變量來(lái)調整控制器的整定參數。對于反應器，可以使溫度控制器的比例帶隨著(zhù)流量變化做出相反的改變。
◆?非線(xiàn)性增益補償：許多DCS平臺的控制功能都包括一個(gè)標準非線(xiàn)性選項，它可以補償回路的偏差。由于pH值隨藥劑流量的變化是極端的非線(xiàn)性，這個(gè)選項經(jīng)常被用于pH值控制。這個(gè)選項有時(shí)也被用在液位控制上，用于幾何形狀不規則的容器的液位補償。
◆?自整定控制器：大多數先進(jìn)的DCS平臺都包含有自整定功能。這些程序可以評估控制器目前的性能，然后調整控制器的整定參數，使回路達到所期望的暫態(tài)響應。但是這是一個(gè)比較困難的方法。自整定程序不得不假定它所觀(guān)察到的所有過(guò)程反應都是它所做出的調整的后果。結果導致這種算法很容易被周期性的振蕩所迷惑，其實(shí)這些振蕩是回路與其他變量相互影響的結果。例如流量的持續振蕩將會(huì )造成溫度以相同的頻率變化，一個(gè)溫度控制器的自整定程序會(huì )嘗試通過(guò)改變控制器的整定值來(lái)結束這種振蕩，但是這種嘗試肯定不會(huì )成功，它甚至有可能使溫度控制狀況進(jìn)一步惡化。由于上述原因，在應用自整定程序時(shí)必須給予密切的監視，決不能讓自整定程序長(cháng)期獨自運行。
實(shí)際上所有控制回路都是以影響增益和回路穩定性的過(guò)程變化為基礎。這里有一個(gè)概括性的概念：魯棒性。魯棒性可以理解為：在當前的控制器整定狀況下，能夠引起回路做持續的等幅振蕩的最小過(guò)程參數改變量（任何過(guò)程參數）。
總的來(lái)說(shuō)，先進(jìn)控制策略的設計目標之一就是：通過(guò)補償或處理那些影響回路增益的因素，使控制回路具有盡可能高的魯棒性。
前饋控制
但是擾動(dòng)是永遠存在的，控制器也必須對此做出反應。處理變增益問(wèn)題只能使回路對擾動(dòng)做出的反應更加一致。先進(jìn)控制的第二個(gè)目標是對擾動(dòng)做出更加有效的反應，因為這些擾動(dòng)將會(huì )使控制參數偏離設定點(diǎn)。
圖2說(shuō)明了一個(gè)自動(dòng)控制系統存在的問(wèn)題。許多變量都會(huì )影響控制器的測量，但是其中只有一部分變量是可以操作的，如同前一篇文章所論述的，其中一個(gè)變量必須由控制器進(jìn)行控制。
剩下的其他變量都被定義為回路的擾動(dòng)變量。這些變量發(fā)生的變化將會(huì )影響回路測量，控制器必須改變控制變量來(lái)補償這些變化。在上一篇文章所介紹的簡(jiǎn)單反饋控制回路里，直到這些擾動(dòng)對被控變量造成的影響在測量信號中顯示出來(lái)，控制器才開(kāi)始動(dòng)作，在此之前控制器根本沒(méi)有意識到這些擾動(dòng)。這樣控制器只能根據偏差來(lái)嘗試做出正確的補償。反饋回路的振蕩反應就是這種解決過(guò)程的明顯標志。
前饋控制可以給控制回路提供更多的信息來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。前饋控制的目標是在一個(gè)數學(xué)模型中引入其他影響被控變量的參數的測量值，通過(guò)這個(gè)數學(xué)模型來(lái)預測和設定保持控制穩定所需要的操作變量值。但是找到一個(gè)完美的模型是不可能的，把所有大大小小的影響因素都測量出來(lái)也是不可能或是不現實(shí)的，至少變送器的測量誤差就是無(wú)法消除的影響因素。因此我們還是需要一個(gè)反饋控制器來(lái)提供微調信號，這樣可以對計算施加一定的影響，消除由于變送器誤差和其他無(wú)法測量的影響因素帶來(lái)的那些無(wú)法避免的偏差。圖3顯示了概念性的系統框圖。
在反應器溫度控制回路的例子中，可以測量出來(lái)的擾動(dòng)是組分的流量值，這同時(shí)也是用于控制產(chǎn)品成分、產(chǎn)品流量和產(chǎn)品溫度的控制變量。無(wú)法檢測的擾動(dòng)包括蒸汽的性質(zhì)以及設備內部的污垢狀況和環(huán)境條件等諸如此類(lèi)的因素。
當任何一種組分的流量或溫度發(fā)生變化時(shí)，根據反饋控制的算法公式（參見(jiàn)旁邊標注的相關(guān)公式），蒸汽流量的設定點(diǎn)也會(huì )發(fā)生變化。但是前饋系統不會(huì )一直等到反饋控制器發(fā)現溫度測量值產(chǎn)生偏差才采取措施。舉例說(shuō)明，一種組分的流量增加將會(huì )使產(chǎn)品溫度下降；蒸汽流量的補償性增加將會(huì )使產(chǎn)品溫度提高。如果控制作用恰到好處，這些擾動(dòng)對輸出溫度的影響可以被克服，使得產(chǎn)品輸出溫度保持不變。
但是有一個(gè)問(wèn)題依然存在。即使蒸汽流量跟隨組分流量的變化而做出適當的改變，產(chǎn)品溫度還是會(huì )存在暫態(tài)的偏差。這是因為組分流量增加造成溫度下降的速度比蒸汽流量增加使溫度提高的速度更快。與動(dòng)態(tài)時(shí)的情況不同，這個(gè)影響在系統達到穩態(tài)后就會(huì )消失。
動(dòng)態(tài)補償技術(shù)可以解決這個(gè)問(wèn)題。在確定蒸汽流量設定點(diǎn)之前在回路中增加一個(gè)超前功能塊，這樣可以在蒸汽流量的影響顯現出來(lái)之前消除這個(gè)隱患，盡可能的減少暫態(tài)偏差。 |
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