關于超馳控制的選擇和應用

2021/12/1 14:23:19 人評論 次瀏覽 分類:過程控制  文章地址:http://www.wfcycy.cn/tech/4066.html

約束控制、自由度處理一直是多變量模型預測控制的強項。其實使用PID組成的復雜控制策略也可以實現約束控制。超馳控制是進行PID約束控制以優化過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用,方便儀表工了解超馳控制的相關知識。

什么是超馳控制?
在生產中,除了正常控制外,還必須考慮在事故狀態下達到安全生產,即當生產操作達到安全極限時,必須采取保護措施。超馳控制系統可以實現這種控制,即將工藝生產過程中的限制條件所構成的邏輯關系,疊加到正常控制系統中去,當生產操作趨向限制條件時,由自動選擇器將處于熱備用狀態的控制不安全情況下的控制器投入運行,取代正常工作的控制器,這就是超馳控制系統,它是一種軟保護系統。


超馳控制系統中,只有一個執行機構,但是有兩個過程變量。其中一個常規的過程變量要求一直維持在其設定值,另一個約束過程變量要求維持在一定的操作范圍以確保安全。超馳控制策略在配置中使用兩個或多個控制器,該配置允許一個控制器采取行動來維護或控制一個過程變量(主控制器),而另一個控制器監視另一個過程變量(約束變量)如果超出約束,則通過高低干預信號選擇器選擇。輸出跟蹤和積分跟蹤模式用于使過渡有效無擾。
超馳保護控制回路應設置的比較積極以便于異常發生時控制策略及時切換,同時超馳保護控制回路長期達不到切換條件要防止積分飽和。這是進行超馳保護控制回路整定時要注意的主要問題。

超馳保護控制不能替代SIS,但是提高了一種在不聯鎖的前提下保證裝置安全運行的保護機制,可以實現裝置安全的前提下的盡可能保持裝置運行的目的。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,指的是對不同目標的控制需求。比如:爐出口溫度控制,正常情況下,應該是溫度值的調節使用燃料氣流量作為手段,不管是串級還是直接控制流量閥,其核心都是:通過調整燃料氣的流量實現對溫度的調節。這是一個工況。而燃料氣流量的變化(或者閥門開度)同時會影響到燃料氣的壓力,這就是另一個工況。當燃料氣壓力較高的時候,燃料氣流量的變化基本完全由調節閥決定,而壓力過低時,會導致調節閥全開,流量也無法滿足要求。而這時閥門全開會導致壓力進一步下降,可能引發安全事故。于是,壓力過低就會引發兩種工況的沖突。

第二,多種工況只有一種調節手段,也就是說:整體缺少一個控制自由度。前面說到的,溫度與壓力都只使用流量這一個手段,所以當二者沖突的時候,就需要做出選擇:先保住哪一個?所以,自由度的缺失是超馳控制的一個必要條件。


第三,多種工況沖突時,有明確的最終目標。比如:壓力過低時,從安全角度考慮必須保證壓力,同時由于此時再開大燃料氣閥門也無法滿足溫度的需求,所以,很明確:保壓力,放棄對溫度的控制。多種工況的分析都要明確這一點:在每一種情況下,控制的實際目標。是哪一個。本例中,可以描述為:壓力足夠高的時候,控制目標是溫度;壓力低于某個限值的時候,控制目標是壓力。單一情況下只有單一目標,這是實現超馳控制的充分條件。


將工況分析清楚,找到上面說到的各項條件,就可以決定使用超馳控制方案了。具體實施細節包括:方案切換條件(常見的高低選、測量值還是輸出值之類的)、具體參數設置(包括設定值的選擇、PID參數的選擇等)……可能需要針對實際過程來設置。


實際工作中,很多選擇串級替代超馳控制,這兩種控制策略目的不同應合理選擇。下圖的兩個例子都應該選擇超馳控制而不是串級控制。

首先,超馳控制是針對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,指的是對不同目標的控制需求。比如:爐出口溫度控制,正常情況下,應該是溫度值的調節使用燃料氣流量作為手段,不管是串級還是直接控制流量閥,其核心都是:通過調整燃料氣的流量實現對溫度的調節。這是一個工況。而燃料氣流量的變化(或者閥門開度)同時會影響到燃料氣的壓力,這就是另一個工況。當燃料氣壓力較高的時候,燃料氣流量的變化基本完全由調節閥決定,而壓力過低時,會導致調節閥全開,流量也無法滿足要求。而這時閥門全開會導致壓力進一步下降,可能引發安全事故。于是,壓力過低就會引發兩種工況的沖突。


第二,多種工況只有一種調節手段,也就是說:整體缺少一個控制自由度。前面說到的,溫度與壓力都只使用流量這一個手段,所以當二者沖突的時候,就需要做出選擇:先保住哪一個?所以,自由度的缺失是超馳控制的一個必要條件。


第三,多種工況沖突時,有明確的最終目標。比如:壓力過低時,從安全角度考慮必須保證壓力,同時由于此時再開大燃料氣閥門也無法滿足溫度的需求,所以,很明確:保壓力,放棄對溫度的控制。多種工況的分析都要明確這一點:在每一種情況下,控制的實際目標。是哪一個。本例中,可以描述為:壓力足夠高的時候,控制目標是溫度;壓力低于某個限值的時候,控制目標是壓力。單一情況下只有單一目標,這是實現超馳控制的充分條件。


將工況分析清楚,找到上面說到的各項條件,就可以決定使用超馳控制方案了。具體實施細節包括:方案切換條件(常見的高低選、測量值還是輸出值之類的)、具體參數設置(包括設定值的選擇、PID參數的選擇等)……可能需要針對實際過程來設置。


實際工作中,很多選擇串級替代超馳控制,這兩種控制策略目的不同應合理選擇。下圖的兩個例子都應該選擇超馳控制而不是串級控制。
作者:張曉兵

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