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防止缠绕需要重新配置控制器外部重置反馈是最令人满意的完成方法
编辑: 来源: 发布时间:2018-12-01
      控制器的积分模式对于消除负载变化的任何循环中的偏移至关重要,这几乎是过程控制中遇到的每个循环。因此,几乎每个控制器都以这种或那种形式具有整体动作。
      然而,当循环打开时,为控制变量和其设定点之间的偏差而产生的不懈努力存在问题。在开环中,任何控制努力都不会成功,并且继续将结果整合到“结束”中并产生不利后果。“卷起”控制器中的积分部件不平衡过程负载,当最终闭合回路时驱动受控变量远离稳定状态。这种不平衡会产生很大的偏差,需要采取积分作用来消除,并且如果重复,则通过调节控制器导致极限周期免于校正。防止卷绕需要重新配置控制器,外部复位反馈是实现它的最令人满意的方法。
自动复位
      开发第一个气动控制器只有开关动作。机械联动装置,其位置代表过程测量和设定点之间的差异,作用于继电器,以在两种状态之间切换输出压力。通过该压力的负反馈引入比例控制,以通过波纹管重新定位连杆。偏差为零时输出的精确值可通过螺钉调节,作用于与波纹管相对的弹簧作为偏压(公式1):
远东1.jpg
      其中m为控制器输出,c和r为受控变量,设定点,P是比例带,b是偏差,所有变量用刻度百分比表示。
      只要过程负载需要一个不等于偏置的控制器输出值,就会产生比例偏移。例如,考虑一个比例级控制器,50%的偏置操纵进入油箱的流量。如果离开该罐的流量与阀门50%打开时进入的流量完全匹配,则没有偏移。然而,在流出的任何其他值 - 其需要匹配流入以达到稳定状态 - 匹配流入只能通过比例偏移来实现。
      在偏移特别不合需要的应用中,工厂操作员可以重置设定点以将受控变量定位在需要的位置。然而,偏移仍然存在,并且是可变的。它可以通过操作员调整输出偏压手动消除,这称为手动复位,但只有在负载再次改变之前。
澳门葡京娱乐厂提出了用连接到控制器输出的波纹管替换偏置弹簧的想法。如果偏置和控制器输出在稳态下保持相等,则公式1显示偏移将为零。这变成了自动重置。
然而,简单地将两个波纹管连接在一起就产生了一个开关控制器,因为新的波纹管向控制器增加了正反馈,消除了比例波纹管的负反馈。为了稳定这个循环,正反馈必须比来自过程的负反馈慢。因此,在控制器输出和反馈波纹管之间插入限流器,产生一阶滞后。最初固定限流器,然后使用一系列固定限流器,最后使用可调限流器。配置如下图1所示,其中时间常数“I”称为复位时间。
远东2-3.jpg
通过控制器输出的正反馈实现自动复位。
      这是这个想法首先出现并且理论遵循的例子之一。很久以后,用于发展自动复位和积分作用之间的相关性的方程式,直到1970年才被称为“积分”。通常用控制器输出m替代等式1中的b,并应用一阶滞后I给出(等式2):
远东2-3.jpg
其中s是拉普拉斯算子。重新排列,大家有(公式3):
远东2-4.jpg
可以识别为比例加积分控制器算法。
      图1中的复位反馈路径显示为虚线,表示可以将其断开以停止积分,并且由于以下各种应用中说明的原因而防止结束。然而,并非所有控制器都通过反馈回路集成,并且这些控制器需要其他不那么有效的饱和保护方法。因此,可能需要从图1所示的基本功能块构建控制器,以获得外部复位反馈的能力。
批量控制
      由积分饱和引起的早期问题是加热间歇反应器中的温度过冲。将反应器冷却,温度控制器自动设定,设定点为其所需值,蒸汽阻断阀关闭。打开截止阀开始加热操作。此时,复位波纹管包含全供应压力,保持控制器输出饱和,蒸汽控制阀全开,直到温度超过其设定点。由此产生的超调是不可接受的。当控制器输出超过100%或操纵变量限制的任何地方时,图2中所示的补救措施会通过批量开关打破复位反馈路径,并替代手动加载信号。适当调整此预载荷可使积分项接近预期的过程载荷,从而防止过冲,并提供从比例或比例加微分到PI或PID控制的平滑过渡。这种方法现在应用于具有外部复位功能的数字控制器。
断开路径
远东2-5.jpg
批量开关在输出低于100%时关闭复位反馈回路。
       图3显示了当积分项达到100%饱和时,未受保护(无批次)PID控制器如何在惰性批次启动期间导致温度过冲。作用于受控变量的微分导致输出在超过设定点之前离开其极限,但不足以避免过冲。在放热反应中,过冲会更严重,并可能导致产品损失。由批量开关保护的控制器在预期负载50%附近预加载,其中分段加热和冷却阀都关闭,从而避免过冲。可以调整控制器的模式设置以获得最佳的负载抑制,并调整预载以在启动时产生所需的设定点。设置太低会导致下冲,设置太高会导致过冲。
避免过度
远东2-6.jpg
正确批量开关的正确预加载优化了设定点的方法。
      当回路打开时,如果偏差恰好位于控制器的比例带内,则在转换到预加载后其输出可能会低于开关设置。然后,开关将反转位置,并且将恢复积分,将输出驱动回开关设置。然后开关将在两个位置之间循环。在数字控制器中,这种反转可能在每个扫描间隔发生。最终效果基本上是在开关设置下控制控制器的输出,积分项“b”稳定在代表当前过程负载的中间位置。任何减少偏差的紊乱都将通过控制器输出马上改变远离极限来抵消。这种行为在防喘振压缩机控制中很常见,吸入流量通常远高于喘振设定点,循环阀由流量控制器保持关闭。突然的负载损失会减少流量,控制器必须在达到设定点之前开始打开循环阀。
      当操纵变量遇到下限时,批量开关同样适用。当控制器输出低于该下限时,开关然后转换为预加载。
      在这些系统中,两个或多个控制器竞争相同的操纵变量,该操纵变量基于具有较低或较高输出的任何一个来选择。由于在任何给定时间只能选择一个控制器,因此剩余的循环是打开的,除非受到保护,否则它们的未选择的控制器将会结束。
      下面的图4显示了在未选择的控制器中避免饱和的最有效方法:所选输出是系统中所有控制器的公共反馈信号。简单地停止在未选择的控制器中的集成是不够的,因为它使其整数项加载了一个常量,该常量随着时间的推移而失去与处理负载的关系。
预防WINDUP  
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所选输出反馈到所有控制器的积分项。
      但是,所选输出表示当前过程负载,因此在未循环打开时保持未选定控制器的电流。只有选定的控制器会看到自己的输出被反馈,因此它单独集成。因为所有控制器都偏置在同一水平,所以当两者都处于零偏差时,将控制从一个控制器转移到另一个控制器,因此它变为平滑事件。
      积分滞后在这种转移中起着重要作用。其他的卷绕保护方法往往过于突然,因为它们包括强制所有控制器输出限制来跟踪所选输出或周期性地初始化未选择的控制器。使用这些方法可以轻松将所选输出上的任何噪声校正为偏置,可能会使未选择的控制器上的传输点发生偏移,或者导致所选控制器出现偏移。积分滞后通过有效滤除噪声来避免这个问题。
      区补偿访问复位反馈信号允许插入死区时间补偿,如图5所示。以这种方式延迟积分可提高控制器的性能,使其具有Smith预估器的能力。使用其他集成方法无法实现相同的行为。然而,澳门葡京娱乐厂控制器不像Smith那样具有鲁棒性,并且可以应用于所有过程。图5中的PI 控制器具有接近PID的性能,没有导数对噪声的敏感性。然而,通过添加微分作用,澳门葡京娱乐厂PID控制器具有最高的可用性能,包括负载抑制和设定点响应,甚至不需要批量开关来进行过程启动。
插入死区
远东2-8.jpg
将死区时间补偿添加到积分滞后可以大大提高性能。
      例如,该控制器的性能在图6中的模拟步进负载响应曲线中显示,与调整为最小化积分绝对误差(IAE)的PI和PID控制器的曲线相比较。其积分误差仅为PID的40%和PI控制器的14%,而其比例带小于PID的一半,PI控制器的三分之一。更值得注意的是,在此模拟中控制的过程是分布式滞后,根本不包含死区时间!其动态响应是典型的热交换器,搅拌罐和蒸馏塔,由遍布其质量的多个滞后组成。
最小化IAE 
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澳门葡京娱乐厂PID控制器优于其他控制器,即使在分布式过程中也是如此。
      但是,这种性能提升具有价格低的稳健性。应用于热交换器时,当工艺流量减少21%或增加14%时,最佳调节的PID 控制器将达到其稳定极限。相比之下,当流量分别减少36%和32%时,最佳调节的PI和PID控制器将仅达到其稳定性极限。如果应用于诸如此类的变量参数过程,则需要将其调整作为流的函数进行调度。
级联控制
      也许外部复位最有价值的作用是级联控制。这两个控制器已经证明难以从全手动操作转换为全自动操作。并且,只要辅助控制器处于手动或达到输出限制,主控制器就会结束。这可以通过图7中所示的配置来解决。
控制批次
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其中M是过程的质量,C是其热容量,U是总传热系数,A是传热面积。
      几年前,在聚合反应器上进行了测试,其中通过与图7中连接的控制器级联地操纵夹套出口温度来控制批料温度。通过改变批次,可以在4:1的范围内改变值。尺寸M和面积A.预计每种组合都需要一组不同的调谐常数,但相同的控制器设置在整个热时间常数范围内产生了可接受的结果。较大的时间常数意味着较慢的加热和冷却,以及较慢的集成。使用这种配置,配方或传热系数的变化不需要重新调节,这两种变化对于间歇反应都是常见的。
适应
      速度限制如果控制器的积分时间短于该元素的行程时间,则最终元素的速度限制或速率限制属性可能对控制回路构成危险。但是,当环路在设定点附近运行时,危险被隐藏,因为实行器只需很短的时间就可以移动很短的距离。当足够大的扰动发生时,致动器可能落在控制器输出后面足以引起更多的积分作用并进一步落后。这会触发一个需要操作员干预才能停止的扩展周期(图8A)。
停止扩展循环
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速度限制可以在大的干扰之后触发扩展循环,而测量的实行器位置的反馈阻止循环发展。
      图8A是水平控制回路的模拟响应,其中控制器的积分时间设定为阀致动器的行程时间的一半。第一个扰动是10%的阶跃载荷变化,这不足以使环路不稳定。接下来,17%的步长足以触发扩展周期。这是特别隐蔽的行为,因为循环对负载的正常变化的响应是完全可接受的,这给出了错误的信心,同时掩盖了潜在致命的不稳定性。
      理想的校正是加速实行器,但通常无法使用此选项。最简单的补救措施是在最大可能的干扰之后增加积分时间直到环路稳定。这需要进行大量测试,并且可能无法完全保证循环不会再次发生。它还会降低控制器的性能以响应正常的低电平干扰,因为积分误差直接随积分时间变化。
      最终元件的测量位置的外部复位反馈可以在不影响控制器性能的情况下消除危险。在图8B中,致动器的实际位置被反馈到液位控制器的积分项,重复扰动。现在可以对实行器的运动进行整体动作,无论干扰有多大或实行器的速度有多慢,都可以避免任何扩展周期的风险。这与图7中的级联控制应用的原理相同。为了避免偏移,必须有一个辅助控制器来强制最终元件在稳态下精确地跟随主输出。
      在最近的核电站启动期间,外部复位的需求变得清晰,其中沸水反应堆中的水位通过操纵多达三个给水泵的速度来控制。给水流量控制器的积分时间设定为0.18分钟,即泵速调速器的预期速率限制。当首次使用一台泵在线运行时,控制是可以接受的,直到干扰触发了一个扩展周期。对记录的回顾表明泵速响应比预期慢得多,要求流量控制器中的积分时间为1.6分钟以稳定,这对于流动回路而言异常高。
      奇怪的是,当多个泵在线时,导致循环的动态消失,因此问题是可变的。解决方案是测量泵速到流量控制器的外部复位反馈,使其能够以泵速跟随的速度进行集成。通过使用三个泵及其特性,实施变得复杂。为避免偏移,必须在反馈路径中反转控制器输出路径中实行的所有计算,如前面所述的前馈控制。
 

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