高级监管控制:解耦

一目了然 前馈控制 控制器调优 运营商的影响 经济因素

前馈控制系统的作用是将被控变量与干扰变量隔离开来。当一个流程有多个循环，并且各个控制循环相互干扰时，可能需要使用互反系统来隔离这些循环。这样的设计被称为解耦控制。

为反应器开发的前馈系统(参见2005年1月的安装)将产品温度与产品流速和成分的变化隔离开来。剩下的问题有两个问题:

• 在不影响总产量的情况下控制产品成分需要什么?

• 在不影响产品组成的情况下控制产品流速需要什么?

• 答案指向了一个完全解耦的系统，其中:

• 系统在调节原料B的流量以控制成分的同时，也要对原料A的流量作等量和相反的变化;

• 在调节原料A的流量以控制总流量的同时，系统还应改变原料B的流量以保持A/B的比值恒定。

反应器解耦器的结构显示了每个成分流量的测量如何改变控制信号到另一个设定点。

图1显示了用于产品流程和组成的去耦器的结构。
在这种设置中，每个成分流量的测量根据这些原理将控制信号改变为另一个设定点。

实现

图2显示了反应器的完整系统的结构。它提出了一种完全解耦所有控制回路的系统。由于蒸汽流量不影响产品流量或成分，因此蒸汽流量的解耦信号是不必要的。然而，实现和使用这种结构需要解决几个关键问题。
1.外部积分反馈．控制器中的积分动作需要控制器输出的反馈信号。在许多控制器中，这个信号是在内部获得的，对用户是透明的。但这将控制器的功能限制为简单的循环;更有能力的平台为其PID算法接受外部积分信号。外部积分反馈可以在级联系统中提供防止上浮的保护，并实现更高级的控制结构，如自动选择器、前馈和解耦控制。

这种控制设置提供了一个完全解耦所有控制循环的系统。

外部积分信号必须在数值上等于控制器输出信号。直接使用输出信号只是复制内部信号，没有任何好处。为了获得外部积分反馈的好处，信号必须来自较低层次的结构。
对于级联回路，对二级控制器的测量是要使用的信号。对于比较复杂的结构，通常必须计算外部积分信号。这就是解耦控制的情况。
为此，前馈方案需要从设计方程推导出单独的计算，以反计算来自蒸汽流量测量的控制器输出。控制器的输出是反馈的微调信号。求解反馈配平信号的设计方程，得到

T_公元前= [F_年代/ 4 (F_一个+ F_b) + (T_一个F_一个+ T_bF_b) / (F_一个+ F_b）

其中T_公元前=反向计算的外部反馈信号。

当计算如此复杂时，只能在定制设计的结构中完成，如图2所示。

然而，许多PID算法提供了基本前馈和解耦输入的连接。这个实现中的组合和流控制器就是这样。这些控制器输出的求和和乘法可以通过标准连接完成，积分反馈的必要计算在内部处理。这样就不需要额外的外部计算，并简化了高级控制方案的配置。

2.控制器调优。实际上，底层前馈和解耦结构的存在改变了控制器输出变量的含义。例如，在产品流量控制的简单级联结构中，流量控制器的输出是A成分流量的设定点，即Fa。将求和函数添加到该控制器的输出中意味着它在减去Fb之前操作配料流(Fa + Fb)的和。

这反过来又有效地改变了控制器感知到的过程增益。与基本的调节结构相比，过程增益表现出不同，但更稳定。这需要初始的重新调优，但此后，循环的稳定性会好得多。

作为反馈微调控制器的控制器通常会失谐，因为前馈系统对扰动提供了良好的动态响应，而紧密的反馈调优会干扰其性能。设定值响应可能会受到影响，但因为这是一个质量规范变量，所以设定值变化很少。

相反，完全解耦的控制器，如复合控制器，通常可以更紧密地调优，因为它们不再需要失调来考虑交互的延迟效应。如果设定值经常变化，这可以提高设定值响应。

3.无颠簸手动-自动转移。当低级控制器处于手动或本地设置控制时，实现还必须强制高级控制功能进入跟踪模式。在这种状态下，来自上层控制器的输出信号必须遵循一个等于外部积分反馈的信号。这允许无颠簸转移到自动模式时，允许的操作员。

先进的监管控制

为了测试这些控制的性能，这里使用了与第一篇文章(2005年1月)中用于调节控制的相同的扰动。图3显示了该结构的性能趋势。

根据本系列第1部分(2005年1月)中使用的调节控制扰动，该图显示了先进反应堆控制结构的性能趋势。

“性能指标值”图形将此设置的性能指标值与基本监管控制的值进行比较。

综上所述，这些数据显示了这种先进的调节控制方案的显著好处和一些局限性。

应用前馈和解耦控制，在生产率变化期间显著提高了产品质量的稳定性。正如趋势所示，更改流设定点会立即导致所有被操作的流发生变化。去耦导致成分流量以一定比例变化，这使成分流量保持不变，而成分流量的变化立即被蒸汽流量的增加所补偿。

结果包括:

• 成分指数降低了35倍;温度指数增加了10倍。总的来说，总指数降低了20倍，即95%。

• 与之前的响应相比，温度的波动既快又小，因此系统更快地恢复到稳态。

• 前馈和解耦控制也改善了组合设定点变化时的性能。改变成分设定点会引起B组分流量的变化，总流量控制器和蒸汽流量设定点的前馈计算会迅速补偿B组分流量的变化。

• 这种好处完全是通过更稳定的温度控制来获得的。解耦系统不会显著改善成分控制的设定点响应，因为:

• 成分指数基本不变，而温度指数降低了6倍。总体而言，质量指数提高了约20%;

• 由于设定点变化的结构基本没有变化，所以构成指数没有改善。与产品流的解耦不显著影响组合控制器对设定点变化的动态响应;而且

• 产品流动的控制基本上没有改变，因为流动回路比合成回路快得多。由于成分控制器的输出缓慢变化，速度快得多的流量控制器可以快速重新调整成分A的流量进行补偿。

• 一般来说，没有必要将快速循环与相对较慢的循环解耦，因为仅通过反馈就可以进行必要的调整。

对操作者的影响

先进的控制措施对工厂操作人员的影响常常被忽视。调试一个更复杂的控制系统会以几个重要的方式改变它们与控制系统的交互。

1. 如果应用程序运行良好，控制将在更多的时间处于自动模式。较少的手动控制将需要处理过渡和扰乱的操作条件。

2. 操作人员需要了解先进控制系统的功能，以便正确解释操作变量的变化。有了前馈和解耦控制，他们可能会看到被操纵变量在没有立即明显原因的情况下发生变化。

3. 在启动和其他异常情况下，可能需要新的程序使系统投入运行。用于初始化和无颠簸传输的结构将在它们与控件的交互中添加新的标志和状态指示器。操作符将看到发生状态转换，这对他们来说可能是新的。

4. 前馈控制引入了几种新的动态补偿和反馈微调的调谐概念;对于如何影响系统反应的旧观念将需要扩大。

5. 最重要的是，先进的控制将提高扰动条件下工厂条件的稳定性。这将创造机会，通过改变正常的操作条件来提高工厂的经济性能。但如果运营商坚持使用相同的作业点，大部分潜在的经济效益将无法恢复。

并不是所有的循环对工厂的经济效益都同样重要。最好的操作人员将尝试通过应用先进的控制来确定可以成为经济效益来源的回路。一旦先进的控制到位，他们将不得不重新考虑该过程的正常操作点，并在更接近先前给予广泛限制的范围内操作。

适当性

根据问题的范围，先进的调节控制是最便宜和最熟悉的方法，可以显著改善运行条件的稳定性。作为本系列的目标应用程序的反应堆是一个相对较小的问题——只有三个受控和可操作的变量。然而，整个系统很快就会变得相当复杂。这使得记录、配置和操作这些系统成为一个挑战。对于范围更大的问题，这种方法可能变得过于笨拙，可以使用更强大和更紧凑的技术。

然而，当先进的监管控制可以应用到提高经济绩效的过程中，这种技术可能是通过控制来提高经济绩效的最具成本效益的方法。必要的工具和功能通常在任何已经安装的DCS中都有(尽管很少在plc中)，因此通常不需要购买任何新的硬件或软件。一般情况下，这些系统可以在线安装和调试，不中断工艺操作。

参考文献

过程工业中的反馈控制器，McGraw-Hill出版社，纽约，1994

2 .中国工业大学学报(自然科学版理查德·道金斯版，麦格劳-希尔出版社，纽约，1988年

性能指标值

控制技术	改变产量
	作文伊势	温度伊势	总伊势
基本调节控制	53	陈霞	结果
先进的调节控制	0.015	0.028	0.04

改变产品组成

	作文伊势	温度伊势	总伊势
基本调节控制	1.79	0.55	2.34
先进的调节控制	1.83	0.08	1.89

作者信息

卢·戈登(Lew Gordon)是英维思的首席应用工程师;

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