先进的调节控制:适应和前馈
包括一些解决特定环路问题和基本设计技术的技术，先进的调节控制可以应用于处理可变增益、可变操作条件、外部干扰和控制环路相互作用。许多因素会降低单回路控制的性能。
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包括一些解决特定环路问题和基本设计技术的技术，先进的调节控制可以应用于处理可变增益、可变操作条件、外部干扰和控制环路相互作用。
许多因素会降低单回路控制的性能。一般来说，这些因素分为两类:(1)工艺特性的变化和(2)操作条件的变化。两者都可能产生类似的效果，并以类似的方式得到补偿。
增益:关键概念
关键的概念是增益，输出变化与输入变化之比。控制回路增益是决定回路稳定性的基础。回路的每个元件——控制器、执行器、过程和发射器——都有一个增益。如果将其输出与输入联系起来的图形的斜率不变，则该元素的增益是常数，因此该元素是线性的。如果不是，对输入变化的响应随工作点而变化，这就增加了非线性——一个可变增益——到循环中。
各个单元增益的组合乘积就是循环增益。如果该乘积超过1.0，则循环是不稳定的，由扰动引起的任何振荡都将增加。如果环路增益小于1.0，振荡将衰减到稳态。调优控制器意味着调整控制器增益，使组合环路增益不至于高到振荡增长，也不至于低到整体响应过于迟缓。
如果任何增益元素不是恒定的，环路增益也不是恒定的，环路稳定性也会发生变化。为了保持稳定，控制器的增益必须调整以补偿环路中其他增益的任何变化，这些变化可能会使环路增益增加到1.0以上。关键问题是:循环中的其他增益是恒定的，还是变化的?如果它们有所变化，你必须确定变化的幅度、变化的方式以及变化的原因。
每个增益都有一个稳态值和一个动态分量。稳态增益量化输入变量中阶跃变化的最终效果。动态组件量化输入循环时的衰减。
特性和条件的稳定性
通常，发射机的增益是恒定的。通常情况下，执行器的增益不是。阀门特性、阻尼器曲线和泵曲线通常显示百分比位置和流体流量之间的非线性关系。这将影响回路的稳定性，因为致动器的控制信号改变了它的工作点。
决定其收益的过程特征也经常不同。对于反应器，这是该系列的过程(见内部过程部分控制工程， 2005年1月)，图1中的三条曲线显示了蒸汽在高、低产量和循环时温度的变化情况。
还应该注意到，对于这个反应堆，蒸汽流量阶跃变化的最终温度响应与吞吐量成反比。当产量较低时，蒸汽对输出温度的影响较大。
反应器的动态特性也取决于通量。当吞吐量较低时，响应的死时间较长，因为流速较慢。
当蒸汽流量循环时，即使蒸汽循环的振幅与阶跃相同，出口温度的波动也没有那么大，因为温度永远没有时间达到稳态。循环减弱了响应。
这种行为在许多进程中都很典型。工艺增益通常随生产速度的变化而变化，因为它对死时间的影响。在较高的吞吐量时，变量响应更快，变化较小。在增益方面，过程增益较低，因此控制器增益可以更高，控制可以更严格。相反，在较低的比率下，这一过程往往更难控制，因为变量的反应更晚、更剧烈。工艺增益变大，环路增益变高，工艺不稳定。
过程增益也经常随工作点而变化。较高的温度会影响反应速率和收率。改变产品组成或密度的设定点，通常会影响其对成分流动速率变化的敏感性。对于关卡控制，容器几何形状的改变通常会影响关卡响应。
对于反应器，复合回路的增益随其设定点而变化。当任何一种成分的设定值接近纯度时，较低的成分对产品纯度的影响越来越大。例如，在99% A的条件下，原料B的流量变化1%(总流量恒定)，产品中的杂质就会翻倍。相反，在80% A的情况下，同样增加1%的成分B只改变了20分之1的杂质。对设定点的较大更改(可能针对多个产品)通常需要重新调整或补偿。
处理可变收益
高级控制从改进单回路控制的性能开始，在不改变回路结构的情况下解决特定问题。
对于测量信号和最终执行器中的非线性，答案可以是一个特征器，它添加了一个相反的非线性来抵消可变器件增益。许多循环的稳定性可以通过使用这种成熟但经常被忽视的技术来提高。
当问题是可变的过程增益时，可以应用其他几种技术。最简单的方法是根据过程增益最高的条件调整控制器。这实现了稳定性，但代价是在所有其他条件下降低响应。
其他不需要修改循环结构的方法包括:
增益调度:实际上每个DCS控制算法都允许将控制器的调谐常数作为其他变量的函数进行调整。对于反应器，可以使温度控制器的比例带与流量成反比。
非线性增益补偿:许多DCS平台中的控制功能都包含一个标准的非线性选项，用于表征环路误差。这个选项最常用于pH控制，因为pH值随试剂流动的变化是极其非线性的。它有时应用于水平控制，以补偿容器的几何形状。
自调优控制器:大多数先进的DCS平台都具有自调优功能。这些例程评估控制器的当前性能，并修改其调优常数，以在打乱后实现理想的瞬态响应。这是一项艰巨的挑战。适配器必须假设它看到的任何行为都是它所做更改的结果。因此，这样的算法很容易被通过与其他变量相互作用而进入循环的循环振荡所混淆。例如，流量的任何持续振荡都会导致相同频率的温度变化。温度控制器上的自调谐器会试图通过失谐温度控制器来阻止温度变化，但没有成功，导致温度控制更差。由于这些原因，自调谐器需要在密切监督下应用，不应该长时间无人看管。
几乎所有的控制回路都受到影响其增益和稳定性的变化。包含这一问题的一般概念是鲁棒性1，它是对任何过程参数(从控制器调优的条件开始)中导致循环中持续无阻尼振荡的最小变化的度量。
一般来说，高级控制策略设计的一个目标是通过补偿或应对那些改变环路增益的影响，使控制环路尽可能地鲁棒。
前馈控制
但是，混乱会发生，控制器必须做出反应。处理可变收益只会使对不安的反应更加一致。高级控制的第二个目标是更有效地应对使被控制变量偏离设定值的扰动。
图2说明了自动控制回路的问题。许多变量可能会影响控制器的测量，但只有有限的数量可以操作，并且这些变量中的一个必须分配给控制器，如前一篇文章所述。
根据定义，其他的是这个循环的扰动变量。这些变量的变化将影响测量，控制器必须改变其操纵变量来补偿。在一个简单的反馈回路中，如前一篇文章所示，控制器不知道这些扰动，直到它们对被控制变量的影响出现在测量信号中。不知道打乱，控制器必须找到适当的补偿输出的试验和错误。反馈回路的振荡响应是这个求解过程的特征。
前馈控制为解决这一问题提供了一种更为明智的方法。目标是在数学模型中使用影响被控制变量的其他变量的测量，该模型预测并设置将需要保持控制器测量常数的被操纵变量的值。
但没有一个模型是完美的，要衡量许多较小的影响因素要么是不可能的，要么是不切实际的。还必须考虑到发射机的误差。因此，反馈控制器仍然需要提供一个调整信号，可以以一种可以消除由简化和发射机误差引起的不可避免的误差的方式影响计算。图3显示了概念上的安排。
在反应器温度回路的情况下，测量的扰动是控制产品组成和生产速率的成分的流速和成分温度。未测量的扰动包括蒸汽特性以及诸如污垢和环境条件等因素。
当任一组分的流量或温度发生变化时，根据前馈方程，蒸汽流量设定点也会发生变化(相关方程见侧栏)。系统不会等待反馈控制器出现温度错误。例如，原料流动的增加会使温度下降。蒸汽流量的补偿增加将使温度上升。如果处理得当，这种效应会被抵消，出口温度可以保持不变。
但还有一个问题。即使蒸汽流量随着成分流量的变化而变化，在适当的量下，温度仍会出现瞬态误差。这是因为成分流量的增加使温度下降的速度比蒸汽流量的增加使温度上升的速度更快。这些影响在稳态下可以抵消，但在动态状态下仍有差异。
动态补偿可以解决这个问题。在通往蒸汽流设定点的路径中包含一个导导函数，可以弥补蒸汽流效应开始出现之前的部分地面损失，并使与设定点的瞬态偏差最小化。图4显示了所需的数学函数图。
参考文献
过程工业中的反馈控制器，McGraw-Hill出版社，纽约，1994
辛斯基，F.G.过程控制系统，第三版，麦格劳-希尔出版社，纽约，1988年
本系列的下一篇文章将讨论解耦控制、先进调节控制方法的实现和性能，以及它们对控制室操作人员的影响。
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管制文章系列
本系列文章介绍了原理，并比较了几种不同的控制技术对同一问题的控制流过反应器的性能。基本和高级调节控制、基于规则的控制和模型预测控制都将被应用。它们不会都表现得一样好。这些性能差异将说明过程特征如何最终决定控制问题的最具成本效益的解决方案。
经济优化和证明控制系统性能的技术充实了该系列的内容，该系列将以控制技术选择指南和在控制项目中实现技术和经济成功的指导方针结束。
| 作者信息 |
| 卢·戈登(Lew Gordon)是英维思的首席应用工程师; |
前馈方程
稳态物质和能量平衡为模型提供了结构。例如，对于反应堆，基本稳态能量平衡(忽略环境损失，假设蒸汽饱和)可以表述为:
冷凝蒸汽释放的热量=传递给原料A和B的热量
这在数学上可以表述为:
F年代H年代= CpF一个(Tp- T一个) + cpFb(Tp- Tb）
地点:
F年代=蒸汽流量，lb/hr
H年代=蒸汽潜热/磅
Cp比热
F一个= A流量，gpm
Tp=出口温度，°F
T一个=原料A的入口温度，°F
Fb=流量B, gpm
Tb=原料B的入口温度，°F
前馈设计方程就是这个方程对被操纵变量F的解年代。
F年代= k [F一个(Tp- T一个) + fb(Tp- Tb)]
其中常数k的值吸收了物理常数并解析了所有单位。将标称操作值替换为其值。
20000 = k [80 (125 - 50) + 20 (125 - 175)]
K = 4
最后，实现反馈微调，允许反馈控制器调整产品温度的目标值。
F年代= 4 [f]一个(Tp一个) + fb(Tpb)]
在哪里
Tp
前馈系统就是这个方程的一个简单实现。
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