先進(jìn)調(diào)節(jié)控制包含有多種處理特殊回路問題的技術(shù)和原則性的設(shè)計(jì)技術(shù)，它可應(yīng)用于變增益場合、操作條件變化的場合，也可以處理外部或回路之間的干擾。
許多因素會導(dǎo)致單回路的控制性能降低。這些因素通?？梢员粴w結(jié)為兩類：
（1）過程的特性發(fā)生了變化。（2）操作條件發(fā)生了變化。
這兩類因素產(chǎn)生的影響是類似的，也可以通過相似的手段予以克服。?
增益：關(guān)鍵的控制概念?
自動控制中的關(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(wěn)定性的基礎(chǔ)?；芈分械拿恳徊糠郑ㄈ缈刂破?、執(zhí)行器、工藝過程、變送器）都有各自的增益。如果某個部分的輸入/輸出曲線的斜率是不變的，那么這個部分的增益就是一個常數(shù)，也就是說回路的這個部分是線性的。如果輸入/輸出曲線的斜率是變化的，那么輸出相對于輸入改變所做出的反應(yīng)就會由于控制點(diǎn)的不同而不同，也就是說這個回路是非線性的，回路的增益是變化的。
控制回路中所有單獨(dú)部分的增益結(jié)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，這個回路就是不穩(wěn)定的，任何擾動造成的回路振蕩都會越變越強(qiáng)烈。如果回路的增益小于1.0，這種回路振蕩就會不斷衰減，直到回路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。對控制器進(jìn)行整定就是調(diào)整控制器的增益，使回路既不會由于增益太高而導(dǎo)致發(fā)散的振蕩，也不會由于增益太低而導(dǎo)致回路的總體控制反應(yīng)過于遲緩。
如果回路中有任何部分的增益不是常數(shù)，那么這個回路的增益就不是常數(shù)，回路的穩(wěn)定性就會是變化的。為了保持回路的穩(wěn)定性不變，就必須調(diào)節(jié)控制器的增益，使之能夠補(bǔ)償回路中其他部分的增益變化，以防止整個回路的總體增益超過1.0。所以問題的關(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？
每種增益都有一個穩(wěn)態(tài)值和一個動態(tài)部分。穩(wěn)態(tài)增益可以定量地確定一個階躍輸入對于輸出的最終影響。當(dāng)輸入擾動周期性變化時，動態(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(wěn)定性?
通常，變送器的增益是一個常量。在大多數(shù)情況下，執(zhí)行器的增益是一個變量。閥門的特性、節(jié)氣閥（damper）的曲線和泵的特性曲線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)系是非線性的。當(dāng)送到執(zhí)行器去的控制信號改變操作點(diǎn)的時候，這種非線性就會影響回路的穩(wěn)定性。
過程本身的特性決定了過程的增益也是常常變化的。以這個系列文章中的典型過程－反應(yīng)器為例（參見CONTROL ENGINEERING China 2005年6月號的?“過程專題”），圖1中的3條曲線顯示了在產(chǎn)量高、產(chǎn)量低以及產(chǎn)量周期性變化的情況下，溫度是怎樣隨著蒸汽變化而變化的。
關(guān)于這個反應(yīng)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(dāng)產(chǎn)品產(chǎn)量較低時，蒸汽流量對輸出溫度的影響比較大。
反應(yīng)器的動態(tài)特性也和產(chǎn)品產(chǎn)量有關(guān)。當(dāng)產(chǎn)量較低時，參數(shù)變化的死區(qū)滯后時間也比較長，因?yàn)檫@時的
流量比較小，流速比較慢。
當(dāng)蒸汽流量發(fā)生周期性變化時，即使蒸汽的變化幅度在每個周期都保持一樣，輸出溫度的擺動幅度也并不是太大。這是因?yàn)闇囟葏?shù)始終沒有時間達(dá)到穩(wěn)態(tài)，蒸汽的循環(huán)變化衰減了溫度參數(shù)的反應(yīng)。
在很多過程中都存在這種典型的特點(diǎn)。過程的增益經(jīng)常會隨著產(chǎn)品產(chǎn)量的變化而變化，這是由于產(chǎn)品產(chǎn)量對死區(qū)滯后時間有影響。當(dāng)產(chǎn)品產(chǎn)量較高時，變量的反應(yīng)時間比較短，變化幅度也不太強(qiáng)烈。從增益的角度來說就是過程的增益比較小，這樣控制器的增益就可以設(shè)得大一些，使控制過程比較快速。反之，當(dāng)過程的流量比較低時，控制難度就比較大；因?yàn)檫@時變量的反應(yīng)比較遲緩，變化的幅度比較大，過程增益變得很大。這樣整個回路的增益很大，過程變得不穩(wěn)定。
過程增益也常常隨著控制點(diǎn)的不同而發(fā)生變化。較高的操作溫度會影響反應(yīng)速率和產(chǎn)量。改變產(chǎn)品的組分設(shè)定點(diǎn)或密度也常常會影響過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?nèi)萜鞯膸缀纬叽缫矔绊懸何粎?shù)的控制反應(yīng)。
對于反應(yīng)器，組合回路的增益隨著設(shè)定點(diǎn)的不同而變化。因?yàn)樵O(shè)定點(diǎn)只跟每個組分的量有關(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％，這時對產(chǎn)品純度的影響就只有1/20。因此當(dāng)設(shè)定點(diǎn)變化較大時（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(bǔ)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(jié)構(gòu)的情況下提高單回路處理某些特殊問題時的控制性能。
對于信號測量環(huán)節(jié)和執(zhí)行器環(huán)節(jié)的非線性問題，解決方法是在回路中增加一個具有相反的非線性特性的補(bǔ)償單元，這樣就可以抵消回路原有的非線性特性，使回路增益成為常量。這個成熟的方法可以顯著提高很多回路的穩(wěn)定性，但是人們常常忽略這種技術(shù)。
對于過程本身的變增益問題，有其他幾種技術(shù)可以應(yīng)用。最簡單的一種方法是針對過程增益最大的控制點(diǎn)來整定控制器，這樣可以保證回路的穩(wěn)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(yīng)都變得相對遲緩了。另外幾種不需要改變回路結(jié)構(gòu)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其他變量來調(diào)整控制器的整定參數(shù)。對于反應(yīng)器，可以使溫度控制器的比例帶隨著流量變化做出相反的改變。
◆?非線性增益補(bǔ)償：許多DCS平臺的控制功能都包括一個標(biāo)準(zhǔn)非線性選項(xiàng)，它可以補(bǔ)償回路的偏差。由于pH值隨藥劑流量的變化是極端的非線性，這個選項(xiàng)經(jīng)常被用于pH值控制。這個選項(xiàng)有時也被用在液位控制上，用于幾何形狀不規(guī)則的容器的液位補(bǔ)償。
◆?自整定控制器：大多數(shù)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(diào)整控制器的整定參數(shù)，使回路達(dá)到所期望的暫態(tài)響應(yīng)。但是這是一個比較困難的方法。自整定程序不得不假定它所觀察到的所有過程反應(yīng)都是它所做出的調(diào)整的后果。結(jié)果導(dǎo)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(jié)果。例如流量的持續(xù)振蕩將會造成溫度以相同的頻率變化，一個溫度控制器的自整定程序會嘗試通過改變控制器的整定值來結(jié)束這種振蕩，但是這種嘗試肯定不會成功，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(yīng)用自整定程序時必須給予密切的監(jiān)視，決不能讓自整定程序長期獨(dú)自運(yùn)行。
實(shí)際上所有控制回路都是以影響增益和回路穩(wěn)定性的過程變化為基礎(chǔ)。這里有一個概括性的概念：魯棒性。魯棒性可以理解為：在當(dāng)前的控制器整定狀況下，能夠引起回路做持續(xù)的等幅振蕩的最小過程參數(shù)改變量（任何過程參數(shù)）。
總的來說，先進(jìn)控制策略的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一就是：通過補(bǔ)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
但是擾動是永遠(yuǎn)存在的，控制器也必須對此做出反應(yīng)。處理變增益問題只能使回路對擾動做出的反應(yīng)更加一致。先進(jìn)控制的第二個目標(biāo)是對擾動做出更加有效的反應(yīng)，因?yàn)檫@些擾動將會使控制參數(shù)偏離設(shè)定點(diǎn)。
圖2說明了一個自動控制系統(tǒng)存在的問題。許多變量都會影響控制器的測量，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變量。這些變量發(fā)生的變化將會影響回路測量，控制器必須改變控制變量來補(bǔ)償這些變化。在上一篇文章所介紹的簡單反饋控制回路里，直到這些擾動對被控變量造成的影響在測量信號中顯示出來，控制器才開始動作，在此之前控制器根本沒有意識到這些擾動。這樣控制器只能根據(jù)偏差來嘗試做出正確的補(bǔ)償。反饋回路的振蕩反應(yīng)就是這種解決過程的明顯標(biāo)志。
前饋控制可以給控制回路提供更多的信息來解決這個問題。前饋控制的目標(biāo)是在一個數(shù)學(xué)模型中引入其他影響被控變量的參數(shù)的測量值，通過這個數(shù)學(xué)模型來預(yù)測和設(shè)定保持控制穩(wěn)定所需要的操作變量值。但是找到一個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也是不可能或是不現(xiàn)實(shí)的，至少變送器的測量誤差就是無法消除的影響因素。因此我們還是需要一個反饋控制器來提供微調(diào)信號，這樣可以對計(jì)算施加一定的影響，消除由于變送器誤差和其他無法測量的影響因素帶來的那些無法避免的偏差。圖3顯示了概念性的系統(tǒng)框圖。
在反應(yīng)器溫度控制回路的例子中，可以測量出來的擾動是組分的流量值，這同時也是用于控制產(chǎn)品成分、產(chǎn)品流量和產(chǎn)品溫度的控制變量。無法檢測的擾動包括蒸汽的性質(zhì)以及設(shè)備內(nèi)部的污垢狀況和環(huán)境條件等諸如此類的因素。
當(dāng)任何一種組分的流量或溫度發(fā)生變化時，根據(jù)反饋控制的算法公式（參見旁邊標(biāo)注的相關(guān)公式），蒸汽流量的設(shè)定點(diǎn)也會發(fā)生變化。但是前饋系統(tǒng)不會一直等到反饋控制器發(fā)現(xiàn)溫度測量值產(chǎn)生偏差才采取措施。舉例說明，一種組分的流量增加將會使產(chǎn)品溫度下降；蒸汽流量的補(bǔ)償性增加將會使產(chǎn)品溫度提高。如果控制作用恰到好處，這些擾動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。
但是有一個問題依然存在。即使蒸汽流量跟隨組分流量的變化而做出適當(dāng)?shù)母淖儯a(chǎn)品溫度還是會存在暫態(tài)的偏差。這是因?yàn)榻M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。與動態(tài)時的情況不同，這個影響在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后就會消失。
動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)可以解決這個問題。在確定蒸汽流量設(shè)定點(diǎn)之前在回路中增加一個超前功能塊，這樣可以在蒸汽流量的影響顯現(xiàn)出來之前消除這個隱患，盡可能的減少暫態(tài)偏差。 |
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