反饋控制、串級(jí)控制、前饋控制是三種基本的控制方案，這三種控制方案中反饋控制是最基本、最重要的控制方案，也是過程控制的基礎(chǔ)。當(dāng)反饋控制的性能不能接受時(shí)，會(huì)根據(jù)干擾的形式選擇更快干預(yù)的串級(jí)控制改進(jìn)或者提前補(bǔ)償?shù)那梆伩刂聘倪M(jìn)。這兩種改進(jìn)方法的選擇準(zhǔn)則有很大區(qū)別，相對(duì)也容易把握。串級(jí)控制用于處理控制側(cè)干擾，而前饋控制用于處理過程側(cè)干擾。串級(jí)控制不要求擾動(dòng)可檢測(cè)，但是要求擾動(dòng)影響副過程變量，能通過副過程變量的穩(wěn)定快速克服干擾，而且副回路要比主回路快，否則串級(jí)控制的抗擾能力會(huì)降低。前饋控制要求擾動(dòng)可檢測(cè)并能通過操縱變量的提前動(dòng)作補(bǔ)償克服干擾的影響，這就要求擾動(dòng)不能通過操縱變量的穩(wěn)定克服，只能通過操縱變量的補(bǔ)償克服。

但是當(dāng)過程變量或最終控制元件超過一個(gè)時(shí)，控制方案設(shè)計(jì)藝術(shù)性很強(qiáng)。不同的控制方案看起來都可以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，但是如果考慮不周全，選擇不恰當(dāng)?shù)目刂品桨负苋菀讓?dǎo)致性能下降，甚至不能投用和導(dǎo)致生產(chǎn)安全事故。例如如圖1所示使用冷熱水對(duì)混合后的水溫和水量進(jìn)行控制，常規(guī)的控制方案就是兩個(gè)單回路。當(dāng)控制要求和工藝條件發(fā)生變化后這樣的單回路控制方案有很多隱患，包括：a.熱水或冷水壓力波動(dòng)會(huì)影響控制性能；b.當(dāng)調(diào)整一個(gè)過程變量的設(shè)定值時(shí)另一個(gè)過程變量會(huì)波動(dòng)；c.沒有優(yōu)先級(jí)的概念，當(dāng)熱水調(diào)節(jié)閥飽和后水溫會(huì)失控，當(dāng)冷水調(diào)節(jié)閥飽和后水量會(huì)失控。


圖1 水溫水量單回路控制

充分考慮上面的問題并以水溫為高優(yōu)先級(jí)過程變量的水溫和水量復(fù)雜控制如圖2所示，控制方案有：a、使用流量副回路克服調(diào)節(jié)閥非線性和控制側(cè)擾動(dòng)；b、在水量設(shè)定值調(diào)整修改冷水時(shí)，通過比值控制實(shí)現(xiàn)熱水流量的等比例調(diào)節(jié)，既克服對(duì)水溫的影響，也改善水量的調(diào)節(jié)速度；c、通過閥位控制器，當(dāng)熱水調(diào)節(jié)閥全開水溫控制可能失控時(shí)，重置水量設(shè)定值保證水溫的可控性。


圖2 水溫水量復(fù)雜控制

工藝條件和控制要求決定控制方案設(shè)計(jì)。雖然操縱變量和被控變量不改變，但是當(dāng)控制目標(biāo)、優(yōu)先級(jí)不同時(shí)，上述的復(fù)雜控制方案需要相應(yīng)修改。這里昌暉儀表和大家討論使用兩類控制策略設(shè)計(jì)的案例，方便大家借鑒。

1、一個(gè)測(cè)量值兩個(gè)最終控制元件
當(dāng)存在一個(gè)測(cè)量值和兩個(gè)最終控制元件時(shí)，典型的控制方案是分程控制。但是實(shí)際上這種場(chǎng)景下還有多種控制方案可以選擇?？赡艿目刂品桨赴ǎ篴、分級(jí)控制；b、分程控制；c、分配控制；d、閥位控制。

圖3所示的前系統(tǒng)壓力首先使用往后系統(tǒng)去的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，如果前系統(tǒng)氣量太大超過了后系統(tǒng)的處理能力，則可以考慮放空，所以前系統(tǒng)壓力采用了兩個(gè)具有不同設(shè)定值的單回路分級(jí)控制方案。在正常情況下，PIC1控制器控制流向下游單元的調(diào)節(jié)閥，因?yàn)閴毫Φ陀赑IC2控制器的設(shè)定值，所以放空閥門完全關(guān)閉。如果氣體流量變大，通向后系統(tǒng)的閥門就會(huì)完全打開。如果氣體流量仍然大于流向后系統(tǒng)的最大流量，則壓力將增加到PIC1的設(shè)定值以上。如果大流量保持足夠長(zhǎng)的一段時(shí)間，壓力會(huì)超過具有更高設(shè)定值的控制器PIC2的設(shè)定值，此時(shí)PIC2控制器開始增加放空閥門開度以保證安全。


圖3 氣相壓力控制方案

分級(jí)設(shè)計(jì)使用壓力緩沖，所以在流向下游單元的流量達(dá)到最大值和壓力超過PIC2的設(shè)定值之前沒有放空。因此，在短期干擾可能導(dǎo)致壓力上升時(shí)不會(huì)馬上被放空。使用兩個(gè)控制器允許對(duì)兩個(gè)控制器回路單獨(dú)整定。

兩個(gè)回路設(shè)定值應(yīng)保持足夠差值，防止兩個(gè)控制回路耦合振蕩。兩個(gè)控制回路應(yīng)該選擇不同的期望閉環(huán)時(shí)間常數(shù)，經(jīng)常使用的控制回路的PID可以正常整定，不經(jīng)常使用的控制回路要整定得弱一些。另外，在實(shí)際使用中當(dāng)壓力快速變化時(shí)，由于比例作用，兩個(gè)控制回路輸出可能出現(xiàn)PIC1的控制器輸出還沒有完全打開同時(shí)PIC2的控制器輸出已經(jīng)打開的情況，所以PIC2的PID參數(shù)需要仔細(xì)斟酌，如果控制系統(tǒng)有合適的變?cè)鲆鍼ID，使用變?cè)鲆鍼ID也是非常好的方法。

放空調(diào)節(jié)閥控制壓力只有出現(xiàn)異常狀況才觸發(fā)，這樣的控制方案設(shè)計(jì)使兩個(gè)控制回路單獨(dú)整定。如果工藝過程能夠接受兩個(gè)回路設(shè)定值偏差可能引起的壓力波動(dòng)，而且絕大多數(shù)情況下都只需要PIC1控制器工作，分級(jí)控制就是一種合理的控制方案。大流量保持足夠長(zhǎng)的一段時(shí)間，稍高但是安全的控制器PIC2設(shè)定值可以充分發(fā)揮緩沖效果，從這個(gè)角度看分程控制不是合理控制方案。

如果在不同工況下需要交替使用不同的最終控制元件，分程控制往往是首選。例如如圖4所示的儲(chǔ)罐壓力分程控制方案，儲(chǔ)罐在壓力不足時(shí)補(bǔ)充氮?dú)猓?dāng)壓力超高時(shí)放空。雖然交替使用不同最終控制元件，但如果允許壓力在一定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，使用兩個(gè)具有不同設(shè)定值的單回路分級(jí)控制方案也可以考慮。夜晚溫度低，儲(chǔ)罐壓力偏低，使用分程控制就會(huì)補(bǔ)充氮?dú)?，白天溫度上升，?chǔ)罐壓力升高則需要放空。如果儲(chǔ)罐在夜晚允許比正常稍低的壓力而不補(bǔ)充氮?dú)?，白天允許比正常稍高的壓力則放空也會(huì)減少，有助于減少排放。


圖4 儲(chǔ)罐壓力分程控制方案

相反，如果是反應(yīng)器溫度控制，不同工況需要交替使用冷熱介質(zhì)，而且溫度要求嚴(yán)格控制，則分程控制是首選方案。

有時(shí)候兩個(gè)最終控制元件實(shí)際上是一主一備的關(guān)系，這時(shí)候很多地方也把控制方案設(shè)計(jì)為兩個(gè)控制回路。這種情況下設(shè)計(jì)成兩個(gè)控制回路是錯(cuò)誤的，因?yàn)閮蓚€(gè)控制回路的設(shè)定值一樣，兩個(gè)控制回路同時(shí)投用時(shí)控制回路的互相影響不可避免，此時(shí)如果想通過PID參數(shù)整定克服耦合也是用一個(gè)錯(cuò)誤糾正另一個(gè)錯(cuò)誤。正確的控制方案如圖5所示：把控制器的相同輸出同時(shí)送到兩個(gè)最終控制元件，也就是分配控制方案。這種控制方案可以任意選擇一個(gè)最終控制元件進(jìn)行控制，甚至可以同時(shí)使用兩個(gè)最終控制元件，主閥和備閥的輸出與控制器輸出都完全重合。分配控制也可以理解為特殊的分程控制。


圖5分配控制方案

兩個(gè)控制回路的設(shè)計(jì)還會(huì)導(dǎo)致只有一個(gè)控制回路能切換到自動(dòng)模式，裝置的自控率也會(huì)受影響。

如果兩個(gè)最終控制元件對(duì)過程變量的影響在快速性、有效性或經(jīng)濟(jì)性上有所不同，則需要充分利用自由度進(jìn)行控制和協(xié)調(diào)優(yōu)化，此時(shí)閥位控制才是正確的控制方案。

圖6所示為大小閥流量控制方案。為了保證控制精度，流量控制必須選擇小閥進(jìn)行控制，但是小閥不能保證在更大范圍流量的充分可控，因此必須使用大閥進(jìn)行可控性補(bǔ)充，即用大閥來保證小閥始終可調(diào)節(jié)。簡(jiǎn)單說小閥是控制過程變量的必要性手段，大閥是過程變量可控性補(bǔ)充。這就是大小閥流量控制時(shí)采用閥位控制系統(tǒng)的主要目的。


圖6 大小閥流量控制方案

閥位控制系統(tǒng)既提供了更大的可調(diào)范圍，還提供了小閥的靈敏度。當(dāng)僅使用大閥進(jìn)行控制時(shí)控制系統(tǒng)靈敏度不足，而使用分程控制則無法滿足高要求。閥位控制系統(tǒng)還消除了分程控制的不連續(xù)性。這種情況設(shè)計(jì)成分程控制或者兩個(gè)單回路是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常犯的控制方案設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

2、兩個(gè)測(cè)量值一個(gè)最終控制元件
當(dāng)存在兩個(gè)測(cè)量值一個(gè)最終控制元件時(shí)，也有多種可能的控制方案，包括：a、串級(jí)控制；b、前饋-反饋控制；c、超馳控制；d、單閉環(huán)比值控制等。

串級(jí)控制是通過嵌套控制回路來建立的。當(dāng)有兩個(gè)過程變量和一個(gè)最終控制元件時(shí)，可以采用串級(jí)控制。通過使用對(duì)控制輸出響應(yīng)更快的中間過程變量，可以實(shí)現(xiàn)主過程變量的更精準(zhǔn)控制。當(dāng)最終控制元件和主過程變量之間存在顯著動(dòng)態(tài)，例如，大純滯后時(shí)間或大時(shí)間常數(shù)時(shí)，串級(jí)控制尤其有用。這種方法主要用于解決控制側(cè)干擾。例如在圖7所示的加熱爐出口溫度串級(jí)控制中，燃料流量控制回路可以快速抑制燃料氣壓力波動(dòng)對(duì)加熱爐出口溫度的影響，并克服最終控制元件的非線性。


圖7 加熱爐出口溫度串級(jí)控制

如果干擾來自過程側(cè)而且可以檢測(cè)，同時(shí)干擾到過程變量的動(dòng)態(tài)特性和控制器輸出到過程變量的動(dòng)態(tài)特性接近，則可以考慮靜態(tài)前饋控制。當(dāng)兩者的動(dòng)態(tài)特性差異很大時(shí)，則要慎重使用前饋控制，使用動(dòng)態(tài)前饋往往由于復(fù)雜性和魯棒性而實(shí)現(xiàn)不了預(yù)期效果。

在圖8所示的換熱器出口溫度控制方案中，如果沒有前饋控制，當(dāng)物料流量發(fā)生變化時(shí)會(huì)引起換熱器出口溫度波動(dòng)，通過使用前饋可以在過程物料流量變化時(shí)及時(shí)調(diào)節(jié)加熱蒸汽調(diào)節(jié)閥，從而克服過程物料流量干擾對(duì)出口溫度的影響。如果換熱器出口溫度的控制品質(zhì)仍達(dá)不到控制要求，則可以考慮使用更多過程變量的前饋串級(jí)組合控制。


圖8 換熱器出口溫度前饋控制

如果干擾可以通過操縱變量更平穩(wěn)克服則選擇串級(jí)控制，如果干擾要通過操縱變量提前補(bǔ)償克服則可使用前饋控制，如果兩種情況都需要考慮，可以使用前饋串級(jí)組合控制策略。串級(jí)控制和前饋控制的適用情況顯著不同，很容易做出正確選擇，串級(jí)控制用于處理控制側(cè)干擾而前饋控制用于處理過程側(cè)干擾。

當(dāng)需要對(duì)兩個(gè)過程變量同時(shí)進(jìn)行控制時(shí)，超馳控制也是一個(gè)可行的方案。超馳控制系統(tǒng)中，只有一個(gè)最終控制元件，但是有兩個(gè)過程變量，其中一個(gè)常規(guī)的過程變量要求一直維持在其設(shè)定值，另一個(gè)約束過程變量要求維持在一定的操作范圍以確保安全。超馳控制策略使用兩個(gè)或多個(gè)控制器，允許一個(gè)控制器采取行動(dòng)來維持或控制一個(gè)過程變量(主控制器)，而其他控制器監(jiān)視別的過程變量(約束變量),如果超出約束，則通過選擇器選擇。

在壓縮機(jī)出口流量控制中，一般使用壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速(控制器輸出)和壓縮機(jī)出口流量(過程變量)的簡(jiǎn)單控制回路就可以實(shí)現(xiàn)。但是有時(shí)候?yàn)榱吮ＷC前后工段生產(chǎn)負(fù)荷均衡，壓縮機(jī)所輸送的氣量不能超過前面工段提供的氣量，尤其要防止排氣量過大，造成抽空吸入空氣而發(fā)生爆炸。所以必要時(shí)可以把壓縮機(jī)入口壓力和流量結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)成如圖9所示的超馳控制系統(tǒng)。

圖9 壓縮機(jī)出口流量超馳控制

正常生產(chǎn)時(shí)，流量控制系統(tǒng)工作，壓縮機(jī)通過控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制輸送氣量，如果前面工序負(fù)荷降低，而造成入口壓力下降，壓力控制系統(tǒng)通過低選器自動(dòng)切上去，把壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速減下來，以保證壓縮機(jī)入口壓力不會(huì)過低，防止被抽空。

有時(shí)候需要讓兩個(gè)過程變量的絕對(duì)量保持固定比例，這時(shí)圖10所示的單閉環(huán)比值控制就是標(biāo)準(zhǔn)解決方案。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中，只有一個(gè)最終控制元件，兩個(gè)過程變量中一個(gè)無法控制的過程變量稱為主過程變量，另一個(gè)稱為從過程變量。從過程變量和最終控制元件組成單回路，并串級(jí)接收由主過程變量乘比率得到的設(shè)定值。比值控制是自動(dòng)前饋控制在實(shí)際中單獨(dú)應(yīng)用的主要形式。


圖10 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)