控制动作的基础：高级控制

　　许多控制系统是以PI(D)控制功能为中心构成的。高级控制也称为优化控制或者先进控制，在仅使用PID控制器无法满足要求的情况下，可以考虑使用。

　　在选择控制方法时，要对包括控制的要求、经济性、过程的现状、传感器、操作端在内的整体系统进行全面的考虑。研究过程中，有时也会发现除改善控制方法以外的有效的解决方法。

　　不易进行控制的主要原因 ›各种高级控制方法

　　不易进行控制的主要原因

　　时滞时间长、响应慢、响应性发生变化、存在积分性(液位等)、多个回路间相互耦合、无超调、外部干扰大等。

　　1) 时滞时间长的过程

　　除时滞时间长之外，时间常数与时滞时间的比值也决定着控制的难易度。

　　时滞时间长的过程响应

　　在PID控制中，L(时滞时间)/T(时间常数)的值在1以上时(时滞时间比时间常数大)，很难进行控制。时滞时间不仅是指过程的时滞时间，还包括传感器及操作端的时滞时间。在分析仪中，采样装置的时滞时间会比较长。

　　2) 存在积分性的过程

　　是指蓄积液体及热量等的过程。一旦开始蓄积就不能返回原来状态，无自调节性的液位的流入控制等就是典型的例子。自调节性是指像锅炉一样，通过加热和散热的平衡调节来决定温度的过程。

　　积分性大的过程响应

　　3) 响应慢的过程

　　例如: pH(由搅拌、混合、反应引起的延迟)控制、热容量大的锅炉的温度控制等。

　　在PID控制中，达到稳定前需要几个控制周期，如果控制周期为1小时，达到稳定有时需要4～5小时，所以就需要尽量缩短达到目标值和稳定运行的时间。

　　4) 响应性变化的过程

　　随着反应的进行而发生的黏度变化、发热(或者吸热)、催化剂活性变化、热交换器灰尘附着、品种改变引起的原料更换及混合比例变更等，都会导致响应性发生变化。

　　通常，PID控制的稳定性足以克服这些响应性的变化，但并非所有的情况都能克服。

　　5) 多个回路之间耦合强的过程

　　容易耦合的回路示例

　　上图是典型的相互耦合的例子。PIC和FIC的PI常数基本相同时，回路之间会发生耦合，变得不稳定。通常，将FIC的PI常数取最佳值，降低PIC端的灵敏度，可以减少相互耦合产生的影响，使用解耦控制时，可以实现优异的控制。

　　6) 无超调的过程

　　有时即使短时间地超过限制条件范围，也会对产品质量产生重大影响。

　　例如，在生物反应器中，即使温度一时过高，也会造成杆菌及酵母菌等死亡。在这种情况下使用批量调节器或采用模糊控制的调节器。

　　下图批量调节器的示例中，最初手动预设值1接近设定值SV，当测量值达到SV-ΔE时，将手动预设值2作为初始值，切换为AUTO，防止超调的发生。

　　采用批量调节器防止超调的示例

　　在模糊控制中，温度上升时，自计算并设定比实际目标温度低的设定值，防止超调的发生。

　　7) 外部干扰大的过程

　　锅炉必须对蒸汽使用量的大幅度变化做出响应，是外部干扰大的过程的典型示例。在石油精炼厂中，更换油种(例如：阿拉伯原油和中国原油的组成有很大的区别)等也会造成很大的外部干扰。在蒸馏塔控制中，气温、风、直射阳光等造成的影响也是不能忽视的。热处理炉中的受热物质的装入/取出、排水处理中的排水流量及pH变化也是很大的外部干扰因素。因此，检测外部干扰量，并根据干扰量来改变操作量的前馈控制是很有效的。

　　外部干扰是指从控制回路外施加的变动因素，在流量控制回路中，调节阀的上游端及下游端的压力变动是主要的外部干扰。例如，调节阀的上游端压力上升时，即使阀的开度相同，流量也会增加。通过流量传感器检测出该流量变化，使用流量调节器将调节阀的开度减少，可消除压力上升的影响。

　　控制回路正是为了消除这些外部干扰的影响而存在的。

　　外部干扰示例