圖1 單回路分程控制
單回路分程控制的輸出一般只控制一個(gè)最終控制元件，但是有時(shí)候從操作優(yōu)化的要求綜合考慮，可能需要一個(gè)過(guò)程變量采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的最終控制元件。如果兩個(gè)最終控制元件同時(shí)接受一個(gè)控制回路的輸出，就是常見(jiàn)的分程控制系統(tǒng)。
使用分程控制可以：
①擴(kuò)大最終控制元件可調(diào)范圍。使用多個(gè)較小的最終控制元件實(shí)現(xiàn)過(guò)程變量的大范圍調(diào)整，改善控制品質(zhì)。
②同時(shí)控制兩種介質(zhì)，滿足控制要求。例如儲(chǔ)罐壓力的放空調(diào)節(jié)閥和補(bǔ)氮調(diào)節(jié)閥的分程控制。
③滿足生產(chǎn)過(guò)程不同階段需要。例如放熱化學(xué)反應(yīng)，在反應(yīng)的初始階段由于放熱不足需要用熱水控制快速提升反應(yīng)溫度，在反應(yīng)正常后由于放熱太多需要用冷水控制反應(yīng)溫度，這樣在反應(yīng)不同階段反應(yīng)溫度需要冷熱水分程控制方案。
分程控制主要用于帶有邏輯關(guān)系的多種控制手段而又具有同一控制目標(biāo)的過(guò)程中，是為協(xié)調(diào)不同控制手段的動(dòng)作邏輯而設(shè)計(jì)的。當(dāng)控制一個(gè)過(guò)程變量需要兩個(gè)以上控制手段時(shí)，一般都采用分程控制，如溫度控制有冷水、熱水。當(dāng)溫度低于某溫度時(shí)先關(guān)冷水閥門，冷水閥位全關(guān)后再開(kāi)熱水閥門來(lái)恒定系統(tǒng)溫度；當(dāng)溫度高于某溫度時(shí)先關(guān)熱水閥門，熱水閥門全關(guān)后再開(kāi)冷水閥門來(lái)恒定系統(tǒng)溫度。
分程控制系統(tǒng)本質(zhì)上仍是一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，但是在進(jìn)行分程控制PID參數(shù)整定時(shí)要綜合考慮兩個(gè)控制通道的特性，一組控制參數(shù)要同時(shí)保證使用不同最終控制元件時(shí)整個(gè)控制回路性能都是能夠接受的。分程控制中最常犯的錯(cuò)誤就是分程點(diǎn)的選擇，現(xiàn)場(chǎng)很多分程控制習(xí)慣將分程點(diǎn)選在50%，實(shí)際上如果兩個(gè)最終控制元件對(duì)過(guò)程變量的增益不同時(shí)，應(yīng)該通過(guò)合理的分程點(diǎn)設(shè)置，使不同最終控制元件工作時(shí)對(duì)被控對(duì)象的特性一致，從而可以使用一組控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)全程控制回路性能一致。如果圖1中最終控制元件A閥、B閥的最大流量分別為100t/h和300t/h，分程點(diǎn)計(jì)算公式：
PID控制器分程動(dòng)作根據(jù)調(diào)節(jié)閥特性和控制要求有多種形式，圖2是常見(jiàn)的四種調(diào)節(jié)閥分程方式。在實(shí)際應(yīng)用中也有交接點(diǎn)附近重疊或者死區(qū)分離的情況。特殊情況下也有最終控制元件在整個(gè)范圍內(nèi)部分有最小或最大開(kāi)度。
圖2 調(diào)節(jié)閥分程方式
在圖3所示的過(guò)程中，在總流量不確定前提下實(shí)現(xiàn)FT2的流量控制，如果B閥全開(kāi)單獨(dú)使用A閥控制，則存在A閥全開(kāi)但是流量還是達(dá)不到設(shè)定值的情況，這種情況下就需要關(guān)閉B閥。流量控制器FIC2的過(guò)程變量為流量FT2,流量控制器FIC2操縱A閥和B閥使過(guò)程變量達(dá)到期望的設(shè)定值。A閥和B閥開(kāi)度由圖中右側(cè)的分程邏輯計(jì)算。事實(shí)上這個(gè)控制方案也是一個(gè)帶有邏輯關(guān)系的多種控制手段(先開(kāi)A閥后關(guān)B閥)而又具有同一控制目標(biāo)(FIC2流量)的系統(tǒng)，控制方案需要協(xié)調(diào)不同控制手段的動(dòng)作邏輯。這種情況下圖4所示控制方案既能保證至少一個(gè)閥門全開(kāi)管線壓降最小，又能實(shí)現(xiàn)流量控制。實(shí)際應(yīng)用中兩個(gè)閥門的通量不同，分程點(diǎn)需要綜合考慮合理設(shè)置。
圖3 流量分程控制方案
綜上所述，分程控制廣泛應(yīng)用于具有多個(gè)最終控制元件的過(guò)程。表1總結(jié)了分程控制的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。如果PID控制器輸出不是直接到最終控制元件，選擇分程控制會(huì)有失控的過(guò)渡過(guò)程，還會(huì)因?yàn)椴荒塬@得副回路飽和狀態(tài)，增加分程設(shè)置的難度。多個(gè)最終控制元件的控制方案設(shè)計(jì)中，分程控制只是其中的一個(gè)控制方案，其他的控制方案包括兩個(gè)單回路、閥位控制等。
表1 分程控制設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
實(shí)施分程控制的條件：
①只有一個(gè)控制器但是有多個(gè)最終控制元件。
②每一個(gè)最終控制元件都和過(guò)程變量有因果關(guān)系。
③按固定的優(yōu)先級(jí)順序操縱最終控制元件
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