关于超驰控制的选择和应用

类型分类：: 科普知识

数据分类：: 单相导轨开关电源

关于超驰控制的选择和应用

发布日期：2022-07-16 点击率：66

约束控制、自由度处理一直是多变量模型预测控制的强项。其实使用PID组成的复杂控制策略也可以实现约束控制。超驰控制是进行PID约束控制以优化过程操作并防止异常操作条件的主要方法。本文介绍超驰控制的概念和超驰控制的选择与应用，方便仪表工了解超驰控制的相关知识。

什么是超驰控制？
在生产中，除了正常控制外，还必须考虑在事故状态下达到安全生产，即当生产操作达到安全极限时，必须采取保护措施。超驰控制系统可以实现这种控制，即将工艺生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常控制系统中去，当生产操作趋向限制条件时，由自动选择器将处于热备用状态的控制不安全情况下的控制器投入运行，取代正常工作的控制器，这就是超驰控制系统，它是一种软保护系统。

超驰控制系统中，只有一个执行机构，但是有两个过程变量。其中一个常规的过程变量要求一直维持在其设定值，另一个约束过程变量要求维持在一定的操作范围以确保安全。超驰控制策略在配置中使用两个或多个控制器，该配置允许一个控制器采取行动来维护或控制一个过程变量(主控制器)，而另一个控制器监视另一个过程变量(约束变量)如果超出约束，则通过高低干预信号选择器选择。输出跟踪和积分跟踪模式用于使过渡有效无扰。超驰保护控制回路应设置的比较积极以便于异常发生时控制策略及时切换，同时超驰保护控制回路长期达不到切换条件要防止积分饱和。这是进行超驰保护控制回路整定时要注意的主要问题。

超驰保护控制不能替代SIS，但是提高了一种在不联锁的前提下保证装置安全运行的保护机制，可以实现装置安全的前提下的尽可能保持装置运行的目的。是一种容易被忽略的有效控制策略。

超驰控制的选择
首先，超驰控制是针对多种不同工况的冲突而做出的一种解决方案。所谓不同工况，指的是对不同目标的控制需求。比如：炉出口温度控制，正常情况下，应该是温度值的调节使用燃料气流量作为手段，不管是串级还是直接控制流量阀，其核心都是：通过调整燃料气的流量实现对温度的调节。这是一个工况。而燃料气流量的变化(或者阀门开度)同时会影响到燃料气的压力，这就是另一个工况。当燃料气压力较高的时候，燃料气流量的变化基本完全由调节阀决定，而压力过低时，会导致调节阀全开，流量也无法满足要求。而这时阀门全开会导致压力进一步下降，可能引发安全事故。于是，压力过低就会引发两种工况的冲突。

第二，多种工况只有一种调节手段，也就是说：整体缺少一个控制自由度。前面说到的，温度与压力都只使用流量这一个手段，所以当二者冲突的时候，就需要做出选择：先保住哪一个？所以，自由度的缺失是超驰控制的一个必要条件。

第三，多种工况冲突时，有明确的最终目标。比如：压力过低时，从安全角度考虑必须保证压力，同时由于此时再开大燃料气阀门也无法满足温度的需求，所以，很明确：保压力，放弃对温度的控制。多种工况的分析都要明确这一点：在每一种情况下，控制的实际目标。是哪一个。本例中，可以描述为：压力足够高的时候，控制目标是温度；压力低于某个限值的时候，控制目标是压力。单一情况下只有单一目标，这是实现超驰控制的充分条件。

将工况分析清楚，找到上面说到的各项条件，就可以决定使用超驰控制方案了。具体实施细节包括：方案切换条件(常见的高低选、测量值还是输出值之类的)、具体参数设置(包括设定值的选择、PID参数的选择等)……可能需要针对实际过程来设置。

实际工作中，很多选择串级替代超驰控制，这两种控制策略目的不同应合理选择。下图的两个例子都应该选择超驰控制而不是串级控制。

首先，超驰控制是针对多种不同工况的冲突而做出的一种解决方案。所谓不同工况，指的是对不同目标的控制需求。比如：炉出口温度控制，正常情况下，应该是温度值的调节使用燃料气流量作为手段，不管是串级还是直接控制流量阀，其核心都是：通过调整燃料气的流量实现对温度的调节。这是一个工况。而燃料气流量的变化(或者阀门开度)同时会影响到燃料气的压力，这就是另一个工况。当燃料气压力较高的时候，燃料气流量的变化基本完全由调节阀决定，而压力过低时，会导致调节阀全开，流量也无法满足要求。而这时阀门全开会导致压力进一步下降，可能引发安全事故。于是，压力过低就会引发两种工况的冲突。

第二，多种工况只有一种调节手段，也就是说：整体缺少一个控制自由度。前面说到的，温度与压力都只使用流量这一个手段，所以当二者冲突的时候，就需要做出选择：先保住哪一个？所以，自由度的缺失是超驰控制的一个必要条件。

第三，多种工况冲突时，有明确的最终目标。比如：压力过低时，从安全角度考虑必须保证压力，同时由于此时再开大燃料气阀门也无法满足温度的需求，所以，很明确：保压力，放弃对温度的控制。多种工况的分析都要明确这一点：在每一种情况下，控制的实际目标。是哪一个。本例中，可以描述为：压力足够高的时候，控制目标是温度；压力低于某个限值的时候，控制目标是压力。单一情况下只有单一目标，这是实现超驰控制的充分条件。

将工况分析清楚，找到上面说到的各项条件，就可以决定使用超驰控制方案了。具体实施细节包括：方案切换条件(常见的高低选、测量值还是输出值之类的)、具体参数设置(包括设定值的选择、PID参数的选择等)……可能需要针对实际过程来设置。

实际工作中，很多选择串级替代超驰控制，这两种控制策略目的不同应合理选择。下图的两个例子都应该选择超驰控制而不是串级控制。
作者：张晓兵

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