在某些情況下，必須考慮幾個(gè)過(guò)程變量。一個(gè)過(guò)程變量是主過(guò)程變量，但其他過(guò)程變量也必須保持在給定的范圍內(nèi)。可以使用信號(hào)選擇器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這個(gè)想法是使用幾個(gè)PID控制器和一個(gè)信號(hào)選擇器來(lái)選擇最合適的PID控制器輸出。例如：主過(guò)程變量是溫度，出于安全原因，我們必須確保壓力不超過(guò)一定的范圍。
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之一。
在生產(chǎn)中，除了正常控制外，還必須考慮在異常狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)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PID控制器投入運(yùn)行，取代正常工作的PID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)最終控制元件，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)PID控制器，該配置允許一個(gè)PID控制器采取行動(dòng)來(lái)維持或控制一個(gè)過(guò)程變量(主控制器)，而另一個(gè)PID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)信號(hào)選擇器選中輸出。輸出跟蹤和積分跟蹤模式的使用可以保證過(guò)渡過(guò)程無(wú)擾切換。
超馳保護(hù)控制回路應(yīng)設(shè)置得比較積極，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)控制回路組態(tài)和整定時(shí)要注意的主要問(wèn)題。如果兩個(gè)超馳保護(hù)控制回路采用增量型或速度型算法，每次計(jì)算出應(yīng)調(diào)整的增量值，也可以解決積分飽和問(wèn)題。
超馳保護(hù)控制不能替代安全儀表系統(tǒng)，但是提供了一種在不聯(lián)鎖停車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)裝置安全前提下盡可能保持裝置運(yùn)行的目的，是一種容易被忽略的有效控制策略。
在什么情況下才需要超馳控制呢？應(yīng)按如下步驟進(jìn)行判斷。
第一，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，鍋爐蒸汽壓力控制，正常情況下，應(yīng)該是鍋爐蒸汽壓力使用燃料氣流量作為控制手段，不管是串級(jí)還是直接控制流量調(diào)節(jié)閥，其核心都是通過(guò)調(diào)整燃料氣的流量實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐蒸汽壓力的控制，這是一個(gè)工況。而燃料氣流量的變化(或者閥門開(kāi)度)同時(shí)會(huì)影響到燃料氣的壓力，這是另一個(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(kāi)，流量也無(wú)法滿足要求。而這時(shí)閥門全開(kāi)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，鍋爐蒸汽壓力與燃料氣壓力都只使用燃料氣流量這一個(gè)控制手段，所以當(dāng)二者沖突的時(shí)候，就需要做出選擇：優(yōu)先控制哪一個(gè)?所以，自由度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)和執(zhí)行的順序。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(kāi)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，控制的高優(yōu)先級(jí)目標(biāo)是哪一個(gè)。本例中，可以描述為：燃料氣壓力足夠高的時(shí)候，控制目標(biāo)是鍋爐蒸汽壓力；燃料氣壓力低于某個(gè)限值的時(shí)候，控制目標(biāo)是燃料氣壓力。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。蒸汽壓力與燃料氣壓力的超馳控制系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 蒸汽壓力與燃料氣壓力的超馳控制系統(tǒng)
實(shí)際工作中，很多控制方案用串級(jí)控制替代超馳控制，這兩種控制策略應(yīng)根據(jù)目的不同合理選擇。圖2和圖3的兩個(gè)例子都應(yīng)該選擇超馳控制而不是串級(jí)控制。
在圖2中，正常操作時(shí)，緩沖罐液位高于最低液位，由流量控制回路操作調(diào)節(jié)閥。如果液位低于最低液位，則離心泵存在氣蝕的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)液位控制生效，防止設(shè)備損傷。如果設(shè)計(jì)成液位和流量的串級(jí)控制，則不能完全發(fā)揮緩沖罐的緩沖作用，液位控制會(huì)在還沒(méi)有氣蝕風(fēng)險(xiǎn)的情況下更多操作流量，造成流量的更大幅度波動(dòng)。
圖2 流量控制兼顧緩沖罐液位
在圖3中，如果冷凝器液位不高于液位控制設(shè)定值，則溫度控制生效。如果冷凝器液位超過(guò)液位控制設(shè)定值，則存在冷媒壓縮機(jī)帶液的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)液位控制生效防止壓縮機(jī)損壞。也有的現(xiàn)場(chǎng)采用出口溫度串級(jí)冷凝器液位的方案，因?yàn)槌隹跍囟群屠涿降牧髁肯嚓P(guān)和冷凝器液位沒(méi)有直接聯(lián)系，當(dāng)冷凝器液位降低時(shí)氣化的冷量增加，此時(shí)出口溫度會(huì)降低，冷凝器液位控制因?yàn)橐何唤档蜁?huì)增加冷媒調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增加，造成氣化的冷量增加，進(jìn)一步引起出口溫度降低。所以這種控制方案也不合理。
圖3 冷凝器出口溫度控制兼顧冷凝器液位
綜上所述，表1總結(jié)了超馳控制的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
表1 超馳控制設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
實(shí)施超馳控制的條件，
①只有一個(gè)最終控制元件和多個(gè)潛在過(guò)程變量。
②最終控制元件和每一個(gè)過(guò)程變量都有因果關(guān)系。
③存在可行操作點(diǎn)滿足所有穩(wěn)態(tài)控制目標(biāo)
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◆關(guān)于超馳控制的選擇和應(yīng)用
