在某些情況下，必須考慮幾個過程變量。一個過程變量是主過程變量，但其他過程變量也必須保持在給定的范圍內(nèi)?？梢允褂眯盘栠x擇器來實現(xiàn)這一點。這個想法是使用幾個PID控制器和一個信號選擇器來選擇最合適的PID控制器輸出。例如：主過程變量是溫度，出于安全原因，我們必須確保壓力不超過一定的范圍。
約束控制、自由度處理一直是多變量模型預(yù)測控制的強項。其實使用PID組成的復(fù)雜控制策略也可以實現(xiàn)約束控制。超馳控制是進(jìn)行PID約束控制以優(yōu)化過程操作并防止異常操作條件的主要方法之一。
在生產(chǎn)中，除了正常控制外，還必須考慮在異常狀態(tài)下實現(xiàn)安全生產(chǎn)，即當(dāng)生產(chǎn)操作達(dá)到安全極限時，必須采取保護(hù)措施。超馳控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)這種控制，即將工藝生產(chǎn)過程中的限制條件所構(gòu)成的邏輯關(guān)系，疊加到正?？刂葡到y(tǒng)中去，當(dāng)生產(chǎn)操作趨向限制條件時，由自動選擇器將處于熱備用狀態(tài)的控制不安全情況下的PID控制器投入運行，取代正常工作的PID控制器，這就是超馳控制系統(tǒng)，它是一種軟保護(hù)系統(tǒng)。
超馳控制系統(tǒng)中，只有一個最終控制元件，但是有兩個過程變量。其中一個常規(guī)的過程變量要求一直維持在其設(shè)定值，另一個約束過程變量要求維持在一定的操作范圍以確保安全。超馳控制策略在配置中使用兩個或多個PID控制器，該配置允許一個PID控制器采取行動來維持或控制一個過程變量(主控制器)，而另一個PID控制器監(jiān)視另一個過程變量(約束變量)，如果超出約束，則通過信號選擇器選中輸出。輸出跟蹤和積分跟蹤模式的使用可以保證過渡過程無擾切換。
超馳保護(hù)控制回路應(yīng)設(shè)置得比較積極，以便于異常發(fā)生時控制策略及時切換，同時超馳保護(hù)控制回路長期達(dá)不到切換條件要防止積分飽和，這是進(jìn)行超馳保護(hù)控制回路組態(tài)和整定時要注意的主要問題。如果兩個超馳保護(hù)控制回路采用增量型或速度型算法，每次計算出應(yīng)調(diào)整的增量值，也可以解決積分飽和問題。
超馳保護(hù)控制不能替代安全儀表系統(tǒng)，但是提供了一種在不聯(lián)鎖停車的前提下保證裝置安全運行的保護(hù)機(jī)制，可以實現(xiàn)裝置安全前提下盡可能保持裝置運行的目的，是一種容易被忽略的有效控制策略。
在什么情況下才需要超馳控制呢？應(yīng)按如下步驟進(jìn)行判斷。
第一，超馳控制是針對多種不同工況的沖突而做出的一種解決方案。所謂不同工況，指的是對不同目標(biāo)的控制需求。比如，鍋爐蒸汽壓力控制，正常情況下，應(yīng)該是鍋爐蒸汽壓力使用燃料氣流量作為控制手段，不管是串級還是直接控制流量調(diào)節(jié)閥，其核心都是通過調(diào)整燃料氣的流量實現(xiàn)對鍋爐蒸汽壓力的控制，這是一個工況。而燃料氣流量的變化(或者閥門開度)同時會影響到燃料氣的壓力，這是另一個工況。當(dāng)燃料氣壓力較高的時候，燃料氣流量的變化基本完全由調(diào)節(jié)閥決定，而壓力過低時，會導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥全開，流量也無法滿足要求。而這時閥門全開會導(dǎo)致壓力進(jìn)一步下降，可能引發(fā)安全事故。于是，壓力過低就會引發(fā)兩種工況的沖突。
第二，多種工況只有一種調(diào)節(jié)手段，也就是說：整體缺少一個控制自由度。前面說到的，鍋爐蒸汽壓力與燃料氣壓力都只使用燃料氣流量這一個控制手段，所以當(dāng)二者沖突的時候，就需要做出選擇：優(yōu)先控制哪一個?所以，自由度缺失是超馳控制的一個必要條件。
第三，多種工況沖突時，有明確的最終目標(biāo)和執(zhí)行的順序。比如，壓力過低時，從安全角度考慮必須保證壓力，同時由于此時再開大燃料氣閥門也無法滿足溫度的需求，所以，很明確：保壓力，放棄對溫度的控制。多種工況的分析都要明確這一點：在每一種情況下，控制的高優(yōu)先級目標(biāo)是哪一個。本例中，可以描述為：燃料氣壓力足夠高的時候，控制目標(biāo)是鍋爐蒸汽壓力；燃料氣壓力低于某個限值的時候，控制目標(biāo)是燃料氣壓力。單一情況下只有單一目標(biāo)，這是實現(xiàn)超馳控制的充分條件。蒸汽壓力與燃料氣壓力的超馳控制系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 蒸汽壓力與燃料氣壓力的超馳控制系統(tǒng)
實際工作中，很多控制方案用串級控制替代超馳控制，這兩種控制策略應(yīng)根據(jù)目的不同合理選擇。圖2和圖3的兩個例子都應(yīng)該選擇超馳控制而不是串級控制。
在圖2中，正常操作時，緩沖罐液位高于最低液位，由流量控制回路操作調(diào)節(jié)閥。如果液位低于最低液位，則離心泵存在氣蝕的設(shè)備風(fēng)險，此時液位控制生效，防止設(shè)備損傷。如果設(shè)計成液位和流量的串級控制，則不能完全發(fā)揮緩沖罐的緩沖作用，液位控制會在還沒有氣蝕風(fēng)險的情況下更多操作流量，造成流量的更大幅度波動。
圖2 流量控制兼顧緩沖罐液位
在圖3中，如果冷凝器液位不高于液位控制設(shè)定值，則溫度控制生效。如果冷凝器液位超過液位控制設(shè)定值，則存在冷媒壓縮機(jī)帶液的設(shè)備風(fēng)險，此時液位控制生效防止壓縮機(jī)損壞。也有的現(xiàn)場采用出口溫度串級冷凝器液位的方案，因為出口溫度和冷媒的流量相關(guān)和冷凝器液位沒有直接聯(lián)系，當(dāng)冷凝器液位降低時氣化的冷量增加，此時出口溫度會降低，冷凝器液位控制因為液位降低會增加冷媒調(diào)節(jié)閥開度增加，造成氣化的冷量增加，進(jìn)一步引起出口溫度降低。所以這種控制方案也不合理。
圖3 冷凝器出口溫度控制兼顧冷凝器液位
綜上所述，表1總結(jié)了超馳控制的設(shè)計準(zhǔn)則。
表1 超馳控制設(shè)計準(zhǔn)則
實施超馳控制的條件，
①只有一個最終控制元件和多個潛在過程變量。
②最終控制元件和每一個過程變量都有因果關(guān)系。
③存在可行操作點滿足所有穩(wěn)態(tài)控制目標(biāo)
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◆關(guān)于超馳控制的選擇和應(yīng)用
