先进调节控制：自适应与前馈控制

先进调节控制包含有多种处理特殊回路问题的技术和原则性的设计技术，它可应用于变增益场合、操作条件变化的场合，也可以处理外部或回路之间的干扰。
　　许多因素会导致单回路的控制性能降低。这些因素通常可以被归结为两类：

（1）过程的特性发生了变化。（2）操作条件发生了变化。

这两类因素产生的影响是类似的，也可以通过相似的手段予以克服。?
　　增益：关键的控制概念?
　　自动控制中的关键概念是“增益”，增益是输出的变化量与输入的变化量之间的比值（这里的输出变化是由于输入发生了变化而引起的）。控制回路的增益是决定回路稳定性的基础。回路中的每一部分（如控制器、执行器、工艺过程、变送器）都有各自的增益。如果某个部分的输入/输出曲线的斜率是不变的，那么这个部分的增益就是一个常数，也就是说回路的这个部分是线性的。如果输入/输出曲线的斜率是变化的，那么输出相对于输入改变所做出的反应就会由于控制点的不同而不同，也就是说这个回路是非线性的，回路的增益是变化的。

控制回路中所有单独部分的增益结合在一起的产物就是回路的增益。如果回路增益大于1.0，这个回路就是不稳定的，任何扰动造成的回路振荡都会越变越强烈。如果回路的增益小于1.0，这种回路振荡就会不断衰减，直到回路达到稳定状态。对控制器进行整定就是调整控制器的增益，使回路既不会由于增益太高而导致发散的振荡，也不会由于增益太低而导致回路的总体控制反应过于迟缓。
　　如果回路中有任何部分的增益不是常数，那么这个回路的增益就不是常数，回路的稳定性就会是变化的。为了保持回路的稳定性不变，就必须调节控制器的增益，使之能够补偿回路中其他部分的增益变化，以防止整个回路的总体增益超过1.0。所以问题的关键是：回路中其他部分的增益是不变的？还是变化的？如果这些增益是变化的，就必须搞清楚增益的变化有多大？它是怎样变化的？它变化的原因是什么？
　　每种增益都有一个稳态值和一个动态部分。稳态增益可以定量地确定一个阶跃输入对于输出的最终影响。当输入扰动周期性变化时，动态部分可以定量地确定输出的衰减情况。

回路特性和条件稳定性?
　　通常，变送器的增益是一个常量。在大多数情况下，执行器的增益是一个变量。阀门的特性、节气阀（damper）的曲线和泵的特性曲线就是比较典型的例子：以百分比表示的阀位和液体流量之间的关系是非线性的。当送到执行器去的控制信号改变操作点的时候，这种非线性就会影响回路的稳定性。
　　过程本身的特性决定了过程的增益也是常常变化的。以这个系列文章中的典型过程－反应器为例（参见CONTROL ENGINEERING China 2005年6月号的?“过程专题”），图1中的3条曲线显示了在产量高、产量低以及产量周期性变化的情况下，温度是怎样随着蒸汽变化而变化的。
　　关于这个反应器，还有一点必须注意，对于蒸汽流量的阶跃变化，产品温度的变化方向是同产品产量相反的。当产品产量较低时，蒸汽流量对输出温度的影响比较大。
　　反应器的动态特性也和产品产量有关。当产量较低时，参数变化的死区滞后时间也比较长，因为这时的

流量比较小，流速比较慢。
　　当蒸汽流量发生周期性变化时，即使蒸汽的变化幅度在每个周期都保持一样，输出温度的摆动幅度也并不是太大。这是因为温度参数始终没有时间达到稳态，蒸汽的循环变化衰减了温度参数的反应。
　　在很多过程中都存在这种典型的特点。过程的增益经常会随着产品产量的变化而变化，这是由于产品产量对死区滞后时间有影响。当产品产量较高时，变量的反应时间比较短，变化幅度也不太强烈。从增益的角度来说就是过程的增益比较小，这样控制器的增益就可以设得大一些，使控制过程比较快速。反之，当过程的流量比较低时，控制难度就比较大；因为这时变量的反应比较迟缓，变化的幅度比较大，过程增益变得很大。这样整个回路的增益很大，过程变得不稳定。
　　过程增益也常常随着控制点的不同而发生变化。较高的操作温度会影响反应速率和产量。改变产品的组分设定点或密度也常常会影响过程对组分流体流量变化的敏感程度。对于液位控制而言，改变容器的几何尺寸也会影响液位参数的控制反应。
　　对于反应器，组合回路的增益随着设定点的不同而变化。因为设定点只跟每个组分的量有关，所以含量较小的组分对产品纯度的影响就非常大。例如产品中组分A的含量是99％，这时如果组分B的流量变化了1％（这里指产品总流量的1％），产品的纯度就降低了一倍。反之，如果组分A的含量为80％，组分B的流量同前面一样增加了1％，这时对产品纯度的影响就只有1/20。因此当设定点变化较大时（特别是多组分产品的情况下），常常需要对控制回路进行重新整定或补偿。
　　变增益的处理方法?
　　先进控制的目的是：在不改变回路结构的情况下提高单回路处理某些特殊问题时的控制性能。
　　对于信号测量环节和执行器环节的非线性问题，解决方法是在回路中增加一个具有相反的非线性特性的补偿单元，这样就可以抵消回路原有的非线性特性，使回路增益成为常量。这个成熟的方法可以显著提高很多回路的稳定性，但是人们常常忽略这种技术。
　　对于过程本身的变增益问题，有其他几种技术可以应用。最简单的一种方法是针对过程增益最大的控制点来整定控制器，这样可以保证回路的稳定性。但是这种方法付出的代价是所有其他操作条件下的控制反应都变得相对迟缓了。另外几种不需要改变回路结构的方法包括：
　　◆?增益表：实际上每一种DCS控制算法都允许通过其他变量来调整控制器的整定参数。对于反应器，可以使温度控制器的比例带随着流量变化做出相反的改变。
　　◆?非线性增益补偿：许多DCS平台的控制功能都包括一个标准非线性选项，它可以补偿回路的偏差。由于pH值随药剂流量的变化是极端的非线性，这个选项经常被用于pH值控制。这个选项有时也被用在液位控制上，用于几何形状不规则的容器的液位补偿。
　　◆?自整定控制器：大多数先进的DCS平台都包含有自整定功能。这些程序可以评估控制器目前的性能，然后调整控制器的整定参数，使回路达到所期望的暂态响应。但是这是一个比较困难的方法。自整定程序不得不假定它所观察到的所有过程反应都是它所做出的调整的后果。结果导致这种算法很容易被周期性的振荡所迷惑，其实这些振荡是回路与其他变量相互影响的结果。例如流量的持续振荡将会造成温度以相同的频率变化，一个温度控制器的自整定程序会尝试通过改变控制器的整定值来结束这种振荡，但是这种尝试肯定不会成功，它甚至有可能使温度控制状况进一步恶化。由于上述原因，在应用自整定程序时必须给予密切的监视，决不能让自整定程序长期独自运行。
　　实际上所有控制回路都是以影响增益和回路稳定性的过程变化为基础。这里有一个概括性的概念：鲁棒性。鲁棒性可以理解为：在当前的控制器整定状况下，能够引起回路做持续的等幅振荡的最小过程参数改变量（任何过程参数）。
　　总的来说，先进控制策略的设计目标之一就是：通过补偿或处理那些影响回路增益的因素，使控制回路具有尽可能高的鲁棒性。

前馈控制
　　但是扰动是永远存在的，控制器也必须对此做出反应。处理变增益问题只能使回路对扰动做出的反应更加一致。先进控制的第二个目标是对扰动做出更加有效的反应，因为这些扰动将会使控制参数偏离设定点。
　　图2说明了一个自动控制系统存在的问题。许多变量都会影响控制器的测量，但是其中只有一部分变量是可以操作的，如同前一篇文章所论述的，其中一个变量必须由控制器进行控制。
　　剩下的其他变量都被定义为回路的扰动变量。这些变量发生的变化将会影响回路测量，控制器必须改变控制变量来补偿这些变化。在上一篇文章所介绍的简单反馈控制回路里，直到这些扰动对被控变量造成的影响在测量信号中显示出来，控制器才开始动作，在此之前控制器根本没有意识到这些扰动。这样控制器只能根据偏差来尝试做出正确的补偿。反馈回路的振荡反应就是这种解决过程的明显标志。
　　前馈控制可以给控制回路提供更多的信息来解决这个问题。前馈控制的目标是在一个数学模型中引入其他影响被控变量的参数的测量值，通过这个数学模型来预测和设定保持控制稳定所需要的操作变量值。但是找到一个完美的模型是不可能的，把所有大大小小的影响因素都测量出来也是不可能或是不现实的，至少变送器的测量误差就是无法消除的影响因素。因此我们还是需要一个反馈控制器来提供微调信号，这样可以对计算施加一定的影响，消除由于变送器误差和其他无法测量的影响因素带来的那些无法避免的偏差。图3显示了概念性的系统框图。
　　在反应器温度控制回路的例子中，可以测量出来的扰动是组分的流量值，这同时也是用于控制产品成分、产品流量和产品温度的控制变量。无法检测的扰动包括蒸汽的性质以及设备内部的污垢状况和环境条件等诸如此类的因素。
　　当任何一种组分的流量或温度发生变化时，根据反馈控制的算法公式（参见旁边标注的相关公式），蒸汽流量的设定点也会发生变化。但是前馈系统不会一直等到反馈控制器发现温度测量值产生偏差才采取措施。举例说明，一种组分的流量增加将会使产品温度下降；蒸汽流量的补偿性增加将会使产品温度提高。如果控制作用恰到好处，这些扰动对输出温度的影响可以被克服，使得产品输出温度保持不变。
　　但是有一个问题依然存在。即使蒸汽流量跟随组分流量的变化而做出适当的改变，产品温度还是会存在暂态的偏差。这是因为组分流量增加造成温度下降的速度比蒸汽流量增加使温度提高的速度更快。与动态时的情况不同，这个影响在系统达到稳态后就会消失。
　　动态补偿技术可以解决这个问题。在确定蒸汽流量设定点之前在回路中增加一个超前功能块，这样可以在蒸汽流量的影响显现出来之前消除这个隐患，尽可能的减少暂态偏差。