約束控制、自由度處理一直是多變量模型預(yù)測(cè)控制的強(qiáng)項(xiàng)。其實(shí)使用PID組成的復(fù)雜控制策略也可以實(shí)現(xiàn)約束控制。超馳控制是進(jìn)行PID約束控制以優(yōu)化過(guò)程操作并防止異常操作條件的主要方法。本文介紹超馳控制的概念和超馳控制的選擇與應(yīng)用，方便儀表工了解超馳控制的相關(guān)知識(shí)。
什么是超馳控制？
在生產(chǎn)中，除了正常控制外，還必須考慮在事故狀態(tài)下達(dá)到安全生產(chǎn)，即當(dāng)生產(chǎn)操作達(dá)到安全極限時(shí)，必須采取保護(hù)措施。超馳控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)這種控制，即將工藝生產(chǎn)過(guò)程中的限制條件所構(gòu)成的邏輯關(guān)系，疊加到正常控制系統(tǒng)中去，當(dāng)生產(chǎn)操作趨向限制條件時(shí)，由自動(dòng)選擇器將處于熱備用狀態(tài)的控制不安全情況下的控制器投入運(yùn)行，取代正常工作的控制器，這就是超馳控制系統(tǒng)，它是一種軟保護(hù)系統(tǒng)。
超馳控制系統(tǒng)中，只有一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但是有兩個(gè)過(guò)程變量。其中一個(gè)常規(guī)的過(guò)程變量要求一直維持在其設(shè)定值，另一個(gè)約束過(guò)程變量要求維持在一定的操作范圍以確保安全。超馳控制策略在配置中使用兩個(gè)或多個(gè)控制器，該配置允許一個(gè)控制器采取行動(dòng)來(lái)維護(hù)或控制一個(gè)過(guò)程變量(主控制器)，而另一個(gè)控制器監(jiān)視另一個(gè)過(guò)程變量(約束變量)如果超出約束，則通過(guò)高低干預(yù)信號(hào)選擇器選擇。輸出跟蹤和積分跟蹤模式用于使過(guò)渡有效無(wú)擾。超馳保護(hù)控制回路應(yīng)設(shè)置的比較積極以便于異常發(fā)生時(shí)控制策略及時(shí)切換，同時(shí)超馳保護(hù)控制回路長(zhǎng)期達(dá)不到切換條件要防止積分飽和。這是進(jìn)行超馳保護(hù)控制回路整定時(shí)要注意的主要問題。
超馳保護(hù)控制不能替代SIS，但是提高了一種在不聯(lián)鎖的前提下保證裝置安全運(yùn)行的保護(hù)機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)裝置安全的前提下的盡可能保持裝置運(yùn)行的目的。是一種容易被忽略的有效控制策略。
超馳控制的選擇
首先，超馳控制是針對(duì)多種不同工況的沖突而做出的一種解決方案。所謂不同工況，指的是對(duì)不同目標(biāo)的控制需求。比如：爐出口溫度控制，正常情況下，應(yīng)該是溫度值的調(diào)節(jié)使用燃料氣流量作為手段，不管是串級(jí)還是直接控制流量閥，其核心都是：通過(guò)調(diào)整燃料氣的流量實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)。這是一個(gè)工況。而燃料氣流量的變化(或者閥門開度)同時(shí)會(huì)影響到燃料氣的壓力，這就是另一個(gè)工況。當(dāng)燃料氣壓力較高的時(shí)候，燃料氣流量的變化基本完全由調(diào)節(jié)閥決定，而壓力過(guò)低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥全開，流量也無(wú)法滿足要求。而這時(shí)閥門全開會(huì)導(dǎo)致壓力進(jìn)一步下降，可能引發(fā)安全事故。于是，壓力過(guò)低就會(huì)引發(fā)兩種工況的沖突。
第二，多種工況只有一種調(diào)節(jié)手段，也就是說(shuō)：整體缺少一個(gè)控制自由度。前面說(shuō)到的，溫度與壓力都只使用流量這一個(gè)手段，所以當(dāng)二者沖突的時(shí)候，就需要做出選擇：先保住哪一個(gè)？所以，自由度的缺失是超馳控制的一個(gè)必要條件。
第三，多種工況沖突時(shí)，有明確的最終目標(biāo)。比如：壓力過(guò)低時(shí)，從安全角度考慮必須保證壓力，同時(shí)由于此時(shí)再開大燃料氣閥門也無(wú)法滿足溫度的需求，所以，很明確：保壓力，放棄對(duì)溫度的控制。多種工況的分析都要明確這一點(diǎn)：在每一種情況下，控制的實(shí)際目標(biāo)。是哪一個(gè)。本例中，可以描述為：壓力足夠高的時(shí)候，控制目標(biāo)是溫度；壓力低于某個(gè)限值的時(shí)候，控制目標(biāo)是壓力。單一情況下只有單一目標(biāo)，這是實(shí)現(xiàn)超馳控制的充分條件。
將工況分析清楚，找到上面說(shuō)到的各項(xiàng)條件，就可以決定使用超馳控制方案了。具體實(shí)施細(xì)節(jié)包括：方案切換條件(常見的高低選、測(cè)量值還是輸出值之類的)、具體參數(shù)設(shè)置(包括設(shè)定值的選擇、PID參數(shù)的選擇等)……可能需要針對(duì)實(shí)際過(guò)程來(lái)設(shè)置。
實(shí)際工作中，很多選擇串級(jí)替代超馳控制，這兩種控制策略目的不同應(yīng)合理選擇。下圖的兩個(gè)例子都應(yīng)該選擇超馳控制而不是串級(jí)控制。
首先，超馳控制是針對(duì)多種不同工況的沖突而做出的一種解決方案。所謂不同工況，指的是對(duì)不同目標(biāo)的控制需求。比如：爐出口溫度控制，正常情況下，應(yīng)該是溫度值的調(diào)節(jié)使用燃料氣流量作為手段，不管是串級(jí)還是直接控制流量閥，其核心都是：通過(guò)調(diào)整燃料氣的流量實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)。這是一個(gè)工況。而燃料氣流量的變化(或者閥門開度)同時(shí)會(huì)影響到燃料氣的壓力，這就是另一個(gè)工況。當(dāng)燃料氣壓力較高的時(shí)候，燃料氣流量的變化基本完全由調(diào)節(jié)閥決定，而壓力過(guò)低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥全開，流量也無(wú)法滿足要求。而這時(shí)閥門全開會(huì)導(dǎo)致壓力進(jìn)一步下降，可能引發(fā)安全事故。于是，壓力過(guò)低就會(huì)引發(fā)兩種工況的沖突。
第二，多種工況只有一種調(diào)節(jié)手段，也就是說(shuō)：整體缺少一個(gè)控制自由度。前面說(shuō)到的，溫度與壓力都只使用流量這一個(gè)手段，所以當(dāng)二者沖突的時(shí)候，就需要做出選擇：先保住哪一個(gè)？所以，自由度的缺失是超馳控制的一個(gè)必要條件。
第三，多種工況沖突時(shí)，有明確的最終目標(biāo)。比如：壓力過(guò)低時(shí)，從安全角度考慮必須保證壓力，同時(shí)由于此時(shí)再開大燃料氣閥門也無(wú)法滿足溫度的需求，所以，很明確：保壓力，放棄對(duì)溫度的控制。多種工況的分析都要明確這一點(diǎn)：在每一種情況下，控制的實(shí)際目標(biāo)。是哪一個(gè)。本例中，可以描述為：壓力足夠高的時(shí)候，控制目標(biāo)是溫度；壓力低于某個(gè)限值的時(shí)候，控制目標(biāo)是壓力。單一情況下只有單一目標(biāo)，這是實(shí)現(xiàn)超馳控制的充分條件。
將工況分析清楚，找到上面說(shuō)到的各項(xiàng)條件，就可以決定使用超馳控制方案了。具體實(shí)施細(xì)節(jié)包括：方案切換條件(常見的高低選、測(cè)量值還是輸出值之類的)、具體參數(shù)設(shè)置(包括設(shè)定值的選擇、PID參數(shù)的選擇等)……可能需要針對(duì)實(shí)際過(guò)程來(lái)設(shè)置。
實(shí)際工作中，很多選擇串級(jí)替代超馳控制，這兩種控制策略目的不同應(yīng)合理選擇。下圖的兩個(gè)例子都應(yīng)該選擇超馳控制而不是串級(jí)控制。
作者：張曉兵
