閥位控制的基本思想：假設(shè)其他地方的變量可以在某個(gè)范圍內(nèi)變化或“浮動(dòng)”,調(diào)整這個(gè)變量可以使主控制回路輸出閥門(mén)位置移位而不影響主控制回路性能，這樣就可以設(shè)計(jì)一個(gè)PID控制回路，使用這個(gè)自由變量來(lái)驅(qū)動(dòng)閥門(mén)到所需的位置，這個(gè)移動(dòng)必須非常緩慢，并且只影響穩(wěn)定狀態(tài)的條件，換句話說(shuō)，主閥回路的閥門(mén)主要用于動(dòng)態(tài)控制，而閥位控制則試圖通過(guò)影響穩(wěn)態(tài)閥位來(lái)減少能量損失或提高可控性。
在圖1所示的控制系統(tǒng)中，如果只是簡(jiǎn)單地理解為小流量用小閥，大流量用大閥，則控制系統(tǒng)容易設(shè)計(jì)成分程控制或者兩個(gè)流量控制回路。但是實(shí)際上這兩種設(shè)計(jì)方案都是有問(wèn)題的。分程控制很難實(shí)現(xiàn)全程流量的自動(dòng)控制，這是常見(jiàn)的錯(cuò)誤設(shè)計(jì)方案，在實(shí)際生產(chǎn)中不具有可行性。兩個(gè)流量控制也沒(méi)有充分發(fā)揮大小閥的作用。
圖1 閥位控制系統(tǒng)
正確的閥位控制方案設(shè)計(jì)：小閥用來(lái)考慮控制系統(tǒng)的快速性和有效性，而大閥用來(lái)保證小閥始終可調(diào)節(jié)。簡(jiǎn)單說(shuō)小閥是控制過(guò)程變量的有效手段，但是為了提高效益、降低成本或者保證控制手段有效性，需要維持小閥在適當(dāng)開(kāi)度。這就是閥位控制系統(tǒng)的主要目的。
大小閥閥位控制系統(tǒng)保證了小閥的可調(diào)范圍，提供了小閥的靈敏度。當(dāng)僅使用大閥進(jìn)行控制時(shí)，控制性能無(wú)法滿足高要求，當(dāng)僅使用小閥進(jìn)行控制時(shí)，小閥的調(diào)節(jié)范圍無(wú)法滿足大范圍流量控制的要求。閥位控制系統(tǒng)還消除了分程控制的不連續(xù)性。
閥位控制系統(tǒng)一定要和另一個(gè)控制回路配合工作，這實(shí)際上是一種基于PID的優(yōu)化策略。兩個(gè)控制回路的PID參數(shù)因?yàn)轳詈媳仨毦C合考慮。由于兩個(gè)控制回路需要協(xié)調(diào)工作，所以?xún)蓚€(gè)控制回路的PID參數(shù)整定也要通盤(pán)考慮。通過(guò)使閥位控制系統(tǒng)比過(guò)程PID慢得多，可以最大程度地減少相互影響。
閥位控制系統(tǒng)的緩慢與以下概念一致：優(yōu)化是逐步進(jìn)行的，以最大程度地減少對(duì)控制回路的破壞，而與導(dǎo)致優(yōu)化變化的變化(如日夜溫度和原料成分通常較慢)基本一致。
圖2在實(shí)現(xiàn)兩個(gè)支路流量始終可控的前提下，可以通過(guò)把兩個(gè)流量控制回路的PID控制器輸出最大值作為閥位控制的過(guò)程變量實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。閥位控制回路在閥位太大導(dǎo)致流量控制可能失控時(shí)，會(huì)增加壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速提高壓縮機(jī)出口壓力，然后兩個(gè)流量增加，流量控制回路會(huì)減小調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，以保證流量控制回路可控。在閥位太小壓縮機(jī)能耗可能太高時(shí)，會(huì)降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速減小壓縮機(jī)出口壓力，然后兩個(gè)流量減小，流量控制回路會(huì)增加調(diào)節(jié)閥開(kāi)度同時(shí)降低壓縮機(jī)能耗。這個(gè)控制方案可以保證支路流量始終可調(diào)而且壓縮機(jī)能耗最優(yōu)，當(dāng)支路流量需要大幅度變化時(shí)特別有效。
圖2 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速閥位控制保證流量可控
圖3的中壓蒸汽壓力會(huì)首先使用減溫減壓閥進(jìn)行快速控制，然后通過(guò)閥位控制調(diào)節(jié)透平在保證中壓蒸汽精確控制的前提下進(jìn)行優(yōu)化節(jié)能。當(dāng)中壓蒸汽用量增加時(shí)中壓蒸汽壓力降低，壓力控制回路首先打開(kāi)減溫減壓閥以快速維持中壓蒸汽穩(wěn)定，當(dāng)減溫減壓閥開(kāi)度超過(guò)閥位控制設(shè)定值時(shí)，閥位控制器會(huì)緩慢開(kāi)大到透平的蒸汽調(diào)節(jié)閥以更節(jié)能方式產(chǎn)生中壓蒸汽，然后壓力控制會(huì)減小減溫減壓閥的開(kāi)度以維持中壓蒸汽。反之亦然。
圖3 蒸汽減壓系統(tǒng)中壓總管壓力閥位控制
閥位控制的選擇
閥位控制的本質(zhì)是改變控制的自由度，通過(guò)“間接影響”實(shí)現(xiàn)多種控制手段分工合作的目標(biāo)。有些控制方案中沒(méi)有閥位出現(xiàn)但是體現(xiàn)了多種控制手段分工合作，也屬于閥位控制的范疇。
首先，閥位控制涉及的工況是單一的，但存在多個(gè)相關(guān)的控制手段，且各手段之間存在某些沖突或者限制?？雌饋?lái)似乎存在多種要求，但仔細(xì)分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)：盡管存在多種手段，但最終目標(biāo)是統(tǒng)一的。
其次，閥位控制一定涉及了多個(gè)控制回路協(xié)調(diào)的問(wèn)題，即有多個(gè)控制手段需要分工合作、共同完成任務(wù)，所以，需要進(jìn)行多控制回路協(xié)調(diào)是選擇閥位控制的充分條件。
最后，閥位控制一般會(huì)存在自由度(控制手段)不足或者過(guò)剩的問(wèn)題。所以，解決自由度問(wèn)題是閥位控制的必要條件。
調(diào)節(jié)余量的需求。例如常見(jiàn)的“大小閥控制”,使用兩個(gè)調(diào)節(jié)閥(一大一小)來(lái)共同控制一個(gè)變量，大閥調(diào)節(jié)幅度大，用來(lái)滿足定位要求；小閥精度高，用來(lái)滿足控制精度的要求。乍一看，多了一個(gè)控制手段(自由度過(guò)剩)，但仔細(xì)分析會(huì)發(fā)現(xiàn)二者目標(biāo)一致，又相互影響，需要配合(多變量協(xié)調(diào))：為了保持足夠的調(diào)節(jié)余量，小閥最好處于半開(kāi)(開(kāi)度50%)狀態(tài)；而大閥的動(dòng)作會(huì)直接影響小閥的開(kāi)度，所以用小閥實(shí)際開(kāi)度作控制目標(biāo)，控制大閥，就可以將兩個(gè)閥門(mén)的功能進(jìn)行有效區(qū)分、組合。
特定工藝或安全要求。例如，發(fā)酵過(guò)程，容器內(nèi)壓力與流量的控制，要求壓力盡量穩(wěn)定，容器內(nèi)氣體必須流通(排氣量有要求)。排氣流量可以單回路自控，補(bǔ)氣的調(diào)節(jié)閥不直接控制壓力，而是以流量調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度為控制目標(biāo)，就可以較好實(shí)現(xiàn)控制目的。此處需要注意與超馳控制及分程控制的區(qū)別。與超馳控制相比，多一個(gè)控制手段；與分程控制的區(qū)別在于最終目標(biāo)不同(不是保證壓力而是保證氣體流通量)。
