精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的分析和研究

（四川染料廠，重慶 401256）

1 精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1 基本概念

一個(gè)控制器根據(jù)其輸入偏差的大小確定其輸出至兩個(gè)執(zhí)行器。當(dāng)輸入的偏差大于等于某一規(guī)定值時(shí)，流量系數(shù)小的執(zhí)行器（下稱小閥）的開度是固定值，它不隨控制器輸出改變，流量系數(shù)大的執(zhí)行器（下稱大閥）的開度隨控制器輸出改變，即這種情況下，用大閥對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行粗調(diào)。當(dāng)輸入的偏差小于某一規(guī)定值時(shí)，控制器輸出控制小閥的開度，而大閥的開度保持在切換瞬間的開度不變，控制系統(tǒng)在小閥的控制作用下精準(zhǔn)地使控制系統(tǒng)穩(wěn)定在設(shè)定值附近的一個(gè)較小的范圍內(nèi)。

精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

（1）提高控制系統(tǒng)控制精度。該控制系統(tǒng)用大閥進(jìn)行粗調(diào)，小閥進(jìn)行細(xì)調(diào)，使控制系統(tǒng)的控制精度提高。當(dāng)采用一個(gè)大閥進(jìn)行控制時(shí)，由于穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)大閥的控制精度不能很高，因此，在該區(qū)域，大閥呈現(xiàn)在設(shè)定值的附近波動(dòng)，不僅造成控制的不穩(wěn)定，而且，大閥的閥桿磨損加劇。因此，控制系統(tǒng)控制精度下降。采用兩個(gè)控制閥，小閥的控制精度較高，因此，能夠平穩(wěn)地運(yùn)行在設(shè)定值范圍，從而提高控制精度，同時(shí)，延長大閥使用壽命。

（2）擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍[1-2]。設(shè)R= 30，如果大閥A的QAmax= 300，小閥B的QBmax= 30，則QBmin= 30/30 = 1；假設(shè)大閥泄漏量為其最大流通能力的0.02%，大閥泄漏量為0.06。因此，精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的最大可調(diào)節(jié)流量是300 + 30 = 330；最小可調(diào)節(jié)流量是1 + 0.06；因此，采用精準(zhǔn)控制系統(tǒng)后的可調(diào)比是330/1.06 = 311.3，是只用一個(gè)控制閥時(shí)可調(diào)比的10倍以上。如果小閥的QBmax減小，精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的可調(diào)比還可增加。

（3）延長閥門使用的生命周期。由于控制閥的機(jī)械部件在執(zhí)行控制作用時(shí)會(huì)造成磨損。采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)時(shí)，磨損的閥門是大閥，不僅價(jià)格貴，而且由于控制閥存在死區(qū)，使控制閥在設(shè)定值附近上下波動(dòng)，造成磨損更大。而精準(zhǔn)控制系統(tǒng)在設(shè)定值附近主要是小閥的控制作用，小閥因死區(qū)造成的流量小，因此，穩(wěn)定區(qū)范圍縮小，小閥的磨損也相應(yīng)減小。而且，由于小閥價(jià)格大大降低，因此，使整個(gè)控制系統(tǒng)的使用壽命延長，即生命周期延長。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂破髋c大、小控制閥之間有一個(gè)邏輯判斷裝置，用于確定控制器輸出的去向。

圖1中，SEL表示選擇器，有兩個(gè)，分別表示為SEL1和SEL2。其控制信號(hào)是G，當(dāng)控制信號(hào)G為True時(shí)，選擇器輸出連接用實(shí)線表示，當(dāng)控制信號(hào)G為False時(shí)，輸出連接線是虛線。ABS表示對(duì)輸入信號(hào)取其絕對(duì)值作為輸出。GE表示如果輸入信號(hào)大于等于ERR 輸入時(shí)，其輸出為True，反之，其輸出為False。MUL是乘法器，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)輸入信號(hào)的相乘。

圖1 精準(zhǔn)控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Precision control system scheme

控制器的偏差是SP-PV，經(jīng)ABS和GE 函數(shù)運(yùn)算，其輸出信號(hào)作為兩個(gè)選擇器的控制信號(hào)。如果控制器偏差絕對(duì)值大于等于ERR，說明偏差較大，因此，控制信號(hào)G為True。SEL1的輸出連接到控制器輸出，即控制器輸出用于控制大控制閥執(zhí)行控制作用，實(shí)現(xiàn)粗調(diào)。同時(shí)，該信號(hào)被反送到該選擇器的另一輸入端，用于切換時(shí)保持當(dāng)時(shí)的輸出信號(hào)到大控制閥。

同樣，SEL2的輸出經(jīng)實(shí)線連接到規(guī)定的VS，根據(jù)小閥的流量特性確定其規(guī)定值。即保持小閥在規(guī)定的開度。

當(dāng)控制器偏差絕對(duì)值小于ERR時(shí)，表示控制器偏差已經(jīng)較小，因此，用小閥進(jìn)行控制。即SEL1 輸出連接到切換時(shí)的控制器輸出，實(shí)現(xiàn)自保。同時(shí)，控制器輸出經(jīng)虛線連接到小閥，由控制器輸出對(duì)小閥進(jìn)行控制。

由于大閥和小閥的流量系數(shù)不同，因此，增加MUL 環(huán)節(jié)，使控制器輸出能夠適應(yīng)兩個(gè)控制閥不同增益的要求及補(bǔ)償旁路造成的調(diào)節(jié)功能的下降。

1.3 系統(tǒng)分析

過去，國產(chǎn)控制閥的可調(diào)比通常較小，近年來也有較大可調(diào)比的控制閥問世。本文選用R=30的控制閥，大閥A的QAmax= 300，小閥B的QBmax= 30，ERR=2%，VS=50%，K=0.1。當(dāng)系統(tǒng)輸出有10%干擾時(shí)，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程如圖2所示。

圖2 精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程Fig.2 The adjustment process of a precision control system

圖2中的曲線說明如下（從上到下）：

（1）第一條曲線顯示過程輸出PV的變化曲線，當(dāng)干擾輸入時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，最終系統(tǒng)輸出回復(fù)到設(shè)定值附近的一個(gè)較小的范圍內(nèi)，從而提高了控制系統(tǒng)的控制精度。

（2）第二條曲線顯示大閥的調(diào)節(jié)過程，當(dāng)干擾輸入時(shí)，大閥進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)進(jìn)入規(guī)定的穩(wěn)定區(qū)域時(shí)，大閥自保。

（3）第三條曲線顯示小閥的調(diào)節(jié)過程，干擾輸入前，小閥穩(wěn)定在某一規(guī)定的開度（圖中約為68%）；干擾輸入時(shí)，直接回復(fù)到50%開度，進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域后，小閥調(diào)節(jié)，并最終穩(wěn)定在32%左右（根據(jù)干擾的大小其穩(wěn)定值有變化）。

（4）第四條曲線顯示選擇器的控制信號(hào)G的切換過程，由于干擾輸入使偏差超過規(guī)定值ERR，因此，選擇器控制信號(hào)G 切換到True；當(dāng)其切換到False時(shí)，表示偏差已經(jīng)小于ERR，因此，大閥保持在切換時(shí)的位置，而小閥開始調(diào)節(jié)。

1.4 精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合

精準(zhǔn)控制系統(tǒng)可應(yīng)用于下列場(chǎng)合：

（1）隨著生產(chǎn)規(guī)模規(guī)模的擴(kuò)大，過去采用多套裝置的生產(chǎn)過程被合并為一套裝置，過程流量增大而變化小。對(duì)這些生產(chǎn)過程選用一個(gè)大的控制閥，難以適應(yīng)過程的負(fù)荷要求，因此，需要采用一個(gè)大閥進(jìn)行粗調(diào)，為精準(zhǔn)控制又要用一個(gè)小閥進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)整。

（2）在一些生產(chǎn)過程的控制中，常出現(xiàn)一些特殊的控制要求。例如，煙氣的排放過程中，在正常操作工況下，要求控制閥的開度變化很小，而在負(fù)荷改變或受干擾影響下，控制閥的開度要有較大改變，以適應(yīng)負(fù)荷或干擾的影響。采用一個(gè)大閥進(jìn)行控制時(shí)，對(duì)正常操作工況的控制精度下降，因此，需要在正常工況下用小閥進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

（3）被控對(duì)象呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性特性，例如，pH 控制，采用常規(guī)的控制系統(tǒng)控制時(shí)，常常出現(xiàn)超調(diào)，使產(chǎn)品不合格，因此，可采用精準(zhǔn)控制系統(tǒng)，用大閥進(jìn)行粗調(diào)，用小閥進(jìn)行細(xì)調(diào)。

2 精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和注意事項(xiàng)

2.1 精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

精準(zhǔn)控制系統(tǒng)即可用PLC 實(shí)現(xiàn)，也可在DCS中實(shí)現(xiàn)。所使用的功能模塊都是常用的功能模塊。例如，選擇模塊、減、加和乘運(yùn)算模塊、絕對(duì)值模塊、比較模塊及與邏輯運(yùn)算模塊等。

某精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用圖3所示的組態(tài)實(shí)現(xiàn)[3-4]。其功能與圖1中虛線框表示的功能相似，但結(jié)構(gòu)上采用小于等于模塊替代大于等于模塊。因此，選擇模塊的連接也有些改變。即當(dāng)輸入信號(hào)G為False時(shí)，輸出與IN0連接，G為True時(shí)，輸出與IN1連接。G 信號(hào)外的小園表示輸入信號(hào)取反。其功能的區(qū)別是等于ERR時(shí)，本實(shí)施方案的結(jié)果是大閥執(zhí)行，而圖1是小閥執(zhí)行。此外，本方案增加定時(shí)器TON_1，用于延時(shí)，防止輸出波動(dòng)造成閥門的頻繁切換。

圖3 精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案Fig.3 The realization scheme of precision control system

2.2 實(shí)施過程中的注意事項(xiàng)

精準(zhǔn)控制系統(tǒng)實(shí)施時(shí)的注意事項(xiàng)如下：

（1）實(shí)施時(shí)，設(shè)定值信號(hào)可采用外設(shè)置，相應(yīng)的PID 控制器可采用串級(jí)控制系統(tǒng)中的副控制器，這樣，副控制器是遠(yuǎn)程外設(shè)，就可同時(shí)將外設(shè)定作為圖3中的SP。需注意，在PLC 或DCS中，SP和PV 信號(hào)是已經(jīng)轉(zhuǎn)換為0～100%的無量綱的信號(hào)。

（2）為防止在大小閥之間頻繁切換，實(shí)際實(shí)施時(shí)設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器設(shè)定時(shí)間的設(shè)置可根據(jù)應(yīng)用過程的變化程度確定，一般可選用與被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)相對(duì)應(yīng)的采樣周期值，例如，流量對(duì)象和壓力對(duì)象選用1～2 s，溫度對(duì)象選用5～60 s 等。

（3）ERR的值不宜過大，應(yīng)使小閥的調(diào)節(jié)能夠調(diào)得過來。當(dāng)小閥流量系數(shù)是大閥流量系數(shù)的十分之一時(shí)，可選用ERR 約為2%～3%。

（4）大閥的流量特性宜根據(jù)控制系統(tǒng)被控變量的要求選擇。例如，溫度對(duì)象選用等百分比流量特性。小閥流量特性與小閥在大閥調(diào)節(jié)時(shí)的初始開度VS有關(guān)。由于小閥是細(xì)調(diào)，因此，可選線性或等百分比流量特性。選用線性流量特性時(shí)，VS可選45%～55%；選用等百分比流量特性時(shí)，VS可選75%～85%，以保證小閥調(diào)節(jié)時(shí)加減量的裕度。

（5）采用大小閥調(diào)節(jié)時(shí)，由于另一個(gè)控制閥成為旁路，因此，將影響控制閥的可調(diào)范圍。當(dāng)用大閥進(jìn)行粗調(diào)時(shí)，由于小閥開度小，旁路流量占比小，因此，對(duì)大閥的調(diào)節(jié)影響不大。但在小閥進(jìn)行細(xì)調(diào)時(shí)，流過大閥的流量較大，對(duì)小閥的調(diào)節(jié)有較大影響，因此，設(shè)置補(bǔ)償值K，其值應(yīng)考慮兩個(gè)因素：一個(gè)是大小閥流量系數(shù)的比值，另一個(gè)是補(bǔ)償大閥旁路的影響。例如，大小閥流量系數(shù)比為10，則K應(yīng)為0.1；由于大閥旁路的影響，應(yīng)乘以1.3～1.5倍，因此，可設(shè)置K在0.13～0.15。

（6）選擇大、小控制閥流量系數(shù)的原則是大閥的流量系數(shù)通常是小閥流量系數(shù)的8～15倍。對(duì)可調(diào)比較大的應(yīng)用場(chǎng)合，選用較大的倍數(shù)，例如，12～15。這是為了減少大閥和小閥之間切換次數(shù)而設(shè) 計(jì)。

3 與其他控制系統(tǒng)的比較

3.1 與分程控制系統(tǒng)的比較

分程控制系統(tǒng)與精準(zhǔn)控制系統(tǒng)類似，都有兩個(gè)控制閥，都具有增大系統(tǒng)可調(diào)比的功能[5]。但分程控制系統(tǒng)的兩個(gè)（或多個(gè)）控制閥的工作范圍不同。而精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的兩個(gè)控制閥的工作范圍都是0～100%。此外，分程控制系統(tǒng)的兩個(gè)控制閥可根據(jù)不同工況采用不同的分程結(jié)構(gòu)，例如，一個(gè)控制閥是氣開，另一個(gè)控制閥是氣關(guān)。而精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的兩個(gè)控制閥通常都采用同向設(shè)置。一些特殊場(chǎng)合采用異向設(shè)置時(shí)，可將K設(shè)置為負(fù)值。

分程控制系統(tǒng)的兩個(gè)控制閥通常是一個(gè)運(yùn)行，并調(diào)節(jié)其流量，另一個(gè)通常全開或全關(guān)。精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的兩個(gè)控制閥中，當(dāng)小閥開度固定時(shí)（根據(jù)其流量特性，固定值可選），由大閥調(diào)節(jié)其流量；當(dāng)大閥開度固定時(shí)（固定值由切換瞬間的開度確定），由小閥調(diào)節(jié)其流量。

3.2 與雙重控制系統(tǒng)的比較

雙重控制系統(tǒng)有兩個(gè)被控變量，有兩個(gè)操縱變量，采用急則治標(biāo)，緩則治本的控制原則[5]，以盡快使被控變量回復(fù)到設(shè)定值，同時(shí)又能夠緩慢地調(diào)節(jié)靜態(tài)變量，使控制系統(tǒng)的性能優(yōu)化。而精準(zhǔn)控制系統(tǒng)只有一個(gè)被控變量和一個(gè)操縱變量，它的控制原則是控制系統(tǒng)偏差大時(shí)，用大閥進(jìn)行粗調(diào)，控制系統(tǒng)偏差小時(shí)，用小閥進(jìn)行細(xì)調(diào)。雖然，他們都采用兩個(gè)控制閥，但控制的目標(biāo)不同。

3.3 與旁路閥有一定開度的單回路控制系統(tǒng)的比較

在精餾塔再沸器的加熱蒸汽控制系統(tǒng)中，為防止漏液，一些控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用控制閥旁路設(shè)置一定開度的控制策略。它將旁路流量控制，能夠防止漏液。而控制閥的調(diào)節(jié)與精餾塔進(jìn)料量有關(guān)，即控制閥全開時(shí)不發(fā)生液泛，控制閥全關(guān)時(shí)不發(fā)生漏液。該控制系統(tǒng)中，旁路閥是手動(dòng)閥，起防止漏液的功能。精準(zhǔn)控制系統(tǒng)中兩個(gè)控制閥互為旁路功能，大閥開度固定時(shí)，大閥作為小閥的旁路閥；小閥開度固定時(shí)，小閥作為大閥的旁路閥。但旁路閥對(duì)調(diào)節(jié)作用的影響不同。大閥作為旁路閥時(shí)，它對(duì)小閥的調(diào)節(jié)作用影響大，因此，實(shí)施時(shí)要適當(dāng)增大對(duì)小閥的控制作用輸出的強(qiáng)度，即提高K值。

3.4 與一類邏輯分程控制系統(tǒng)的比較

精準(zhǔn)控制系統(tǒng)與一類邏輯分程控制系統(tǒng)[6]的控制目標(biāo)相同，但一類邏輯分程控制系統(tǒng)采用了更多的邏輯組件。它包括1個(gè)SR 模塊、5個(gè)開關(guān)模塊、3個(gè)加法器、3個(gè)比較器，1個(gè)乘法器和1個(gè)邏輯或模塊等。而精準(zhǔn)控制系統(tǒng)所需組件明顯減少，此外，它的邏輯關(guān)系更清晰。

由于工程設(shè)計(jì)時(shí)能夠保證小閥開度到全開或全關(guān)時(shí)，控制器偏差超出規(guī)定的ERR，因此，精準(zhǔn)控制系統(tǒng)不需要設(shè)置有關(guān)全開或全關(guān)時(shí)的邏輯判別和相應(yīng)的操作。精準(zhǔn)控制系統(tǒng)直接采用控制器偏差作為切換的判別條件，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的架構(gòu)，使系統(tǒng)實(shí)施更方便。