（四川染料廠，重慶 401256）

1 精準控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1 基本概念

一個控制器根據(jù)其輸入偏差的大小確定其輸出至兩個執(zhí)行器。當輸入的偏差大于等于某一規(guī)定值時，流量系數(shù)小的執(zhí)行器（下稱小閥）的開度是固定值，它不隨控制器輸出改變，流量系數(shù)大的執(zhí)行器（下稱大閥）的開度隨控制器輸出改變，即這種情況下，用大閥對控制系統(tǒng)進行粗調(diào)。當輸入的偏差小于某一規(guī)定值時，控制器輸出控制小閥的開度，而大閥的開度保持在切換瞬間的開度不變，控制系統(tǒng)在小閥的控制作用下精準地使控制系統(tǒng)穩(wěn)定在設(shè)定值附近的一個較小的范圍內(nèi)。

精準控制系統(tǒng)的特點如下：

（1）提高控制系統(tǒng)控制精度。該控制系統(tǒng)用大閥進行粗調(diào)，小閥進行細調(diào)，使控制系統(tǒng)的控制精度提高。當采用一個大閥進行控制時，由于穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)大閥的控制精度不能很高，因此，在該區(qū)域，大閥呈現(xiàn)在設(shè)定值的附近波動，不僅造成控制的不穩(wěn)定，而且，大閥的閥桿磨損加劇。因此，控制系統(tǒng)控制精度下降。采用兩個控制閥，小閥的控制精度較高，因此，能夠平穩(wěn)地運行在設(shè)定值范圍，從而提高控制精度，同時，延長大閥使用壽命。

（2）擴大控制閥的可調(diào)范圍[1-2]。設(shè)R= 30，如果大閥A的QAmax= 300，小閥B的QBmax= 30，則QBmin= 30/30 = 1；假設(shè)大閥泄漏量為其最大流通能力的0.02%，大閥泄漏量為0.06。因此，精準控制系統(tǒng)的最大可調(diào)節(jié)流量是300 + 30 = 330；最小可調(diào)節(jié)流量是1 + 0.06；因此，采用精準控制系統(tǒng)后的可調(diào)比是330/1.06 = 311.3，是只用一個控制閥時可調(diào)比的10倍以上。如果小閥的QBmax減小，精準控制系統(tǒng)的可調(diào)比還可增加。

（3）延長閥門使用的生命周期。由于控制閥的機械部件在執(zhí)行控制作用時會造成磨損。采用簡單控制系統(tǒng)時，磨損的閥門是大閥，不僅價格貴，而且由于控制閥存在死區(qū)，使控制閥在設(shè)定值附近上下波動，造成磨損更大。而精準控制系統(tǒng)在設(shè)定值附近主要是小閥的控制作用，小閥因死區(qū)造成的流量小，因此，穩(wěn)定區(qū)范圍縮小，小閥的磨損也相應(yīng)減小。而且，由于小閥價格大大降低，因此，使整個控制系統(tǒng)的使用壽命延長，即生命周期延長。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

精準控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制器與大、小控制閥之間有一個邏輯判斷裝置，用于確定控制器輸出的去向。

圖1中，SEL表示選擇器，有兩個，分別表示為SEL1和SEL2。其控制信號是G，當控制信號G為True時，選擇器輸出連接用實線表示，當控制信號G為False時，輸出連接線是虛線。ABS表示對輸入信號取其絕對值作為輸出。GE表示如果輸入信號大于等于ERR 輸入時，其輸出為True，反之，其輸出為False。MUL是乘法器，實現(xiàn)兩個輸入信號的相乘。

圖1 精準控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Precision control system scheme

控制器的偏差是SP-PV，經(jīng)ABS和GE 函數(shù)運算，其輸出信號作為兩個選擇器的控制信號。如果控制器偏差絕對值大于等于ERR，說明偏差較大，因此，控制信號G為True。SEL1的輸出連接到控制器輸出，即控制器輸出用于控制大控制閥執(zhí)行控制作用，實現(xiàn)粗調(diào)。同時，該信號被反送到該選擇器的另一輸入端，用于切換時保持當時的輸出信號到大控制閥。

同樣，SEL2的輸出經(jīng)實線連接到規(guī)定的VS，根據(jù)小閥的流量特性確定其規(guī)定值。即保持小閥在規(guī)定的開度。

當控制器偏差絕對值小于ERR時，表示控制器偏差已經(jīng)較小，因此，用小閥進行控制。即SEL1 輸出連接到切換時的控制器輸出，實現(xiàn)自保。同時，控制器輸出經(jīng)虛線連接到小閥，由控制器輸出對小閥進行控制。

由于大閥和小閥的流量系數(shù)不同，因此，增加MUL 環(huán)節(jié)，使控制器輸出能夠適應(yīng)兩個控制閥不同增益的要求及補償旁路造成的調(diào)節(jié)功能的下降。

1.3 系統(tǒng)分析

過去，國產(chǎn)控制閥的可調(diào)比通常較小，近年來也有較大可調(diào)比的控制閥問世。本文選用R=30的控制閥，大閥A的QAmax= 300，小閥B的QBmax= 30，ERR=2%，VS=50%，K=0.1。當系統(tǒng)輸出有10%干擾時，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程如圖2所示。

圖2 精準控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程Fig.2 The adjustment process of a precision control system

圖2中的曲線說明如下（從上到下）：

（1）第一條曲線顯示過程輸出PV的變化曲線，當干擾輸入時，經(jīng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，最終系統(tǒng)輸出回復到設(shè)定值附近的一個較小的范圍內(nèi)，從而提高了控制系統(tǒng)的控制精度。

（2）第二條曲線顯示大閥的調(diào)節(jié)過程，當干擾輸入時，大閥進行調(diào)節(jié)；當進入規(guī)定的穩(wěn)定區(qū)域時，大閥自保。

（3）第三條曲線顯示小閥的調(diào)節(jié)過程，干擾輸入前，小閥穩(wěn)定在某一規(guī)定的開度（圖中約為68%）；干擾輸入時，直接回復到50%開度，進入穩(wěn)定區(qū)域后，小閥調(diào)節(jié)，并最終穩(wěn)定在32%左右（根據(jù)干擾的大小其穩(wěn)定值有變化）。

（4）第四條曲線顯示選擇器的控制信號G的切換過程，由于干擾輸入使偏差超過規(guī)定值ERR，因此，選擇器控制信號G 切換到True；當其切換到False時，表示偏差已經(jīng)小于ERR，因此，大閥保持在切換時的位置，而小閥開始調(diào)節(jié)。

1.4 精準控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合

精準控制系統(tǒng)可應(yīng)用于下列場合：

（1）隨著生產(chǎn)規(guī)模規(guī)模的擴大，過去采用多套裝置的生產(chǎn)過程被合并為一套裝置，過程流量增大而變化小。對這些生產(chǎn)過程選用一個大的控制閥，難以適應(yīng)過程的負荷要求，因此，需要采用一個大閥進行粗調(diào)，為精準控制又要用一個小閥進行精準調(diào)整。

（2）在一些生產(chǎn)過程的控制中，常出現(xiàn)一些特殊的控制要求。例如，煙氣的排放過程中，在正常操作工況下，要求控制閥的開度變化很小，而在負荷改變或受干擾影響下，控制閥的開度要有較大改變，以適應(yīng)負荷或干擾的影響。采用一個大閥進行控制時，對正常操作工況的控制精度下降，因此，需要在正常工況下用小閥進行精準控制。

（3）被控對象呈現(xiàn)嚴重的非線性特性，例如，pH 控制，采用常規(guī)的控制系統(tǒng)控制時，常常出現(xiàn)超調(diào)，使產(chǎn)品不合格，因此，可采用精準控制系統(tǒng)，用大閥進行粗調(diào)，用小閥進行細調(diào)。

2 精準控制系統(tǒng)的實現(xiàn)和注意事項

2.1 精準控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

精準控制系統(tǒng)即可用PLC 實現(xiàn)，也可在DCS中實現(xiàn)。所使用的功能模塊都是常用的功能模塊。例如，選擇模塊、減、加和乘運算模塊、絕對值模塊、比較模塊及與邏輯運算模塊等。

某精準控制系統(tǒng)的實現(xiàn)采用圖3所示的組態(tài)實現(xiàn)[3-4]。其功能與圖1中虛線框表示的功能相似，但結(jié)構(gòu)上采用小于等于模塊替代大于等于模塊。因此，選擇模塊的連接也有些改變。即當輸入信號G為False時，輸出與IN0連接，G為True時，輸出與IN1連接。G 信號外的小園表示輸入信號取反。其功能的區(qū)別是等于ERR時，本實施方案的結(jié)果是大閥執(zhí)行，而圖1是小閥執(zhí)行。此外，本方案增加定時器TON_1，用于延時，防止輸出波動造成閥門的頻繁切換。

圖3 精準控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案Fig.3 The realization scheme of precision control system

2.2 實施過程中的注意事項

精準控制系統(tǒng)實施時的注意事項如下：

（1）實施時，設(shè)定值信號可采用外設(shè)置，相應(yīng)的PID 控制器可采用串級控制系統(tǒng)中的副控制器，這樣，副控制器是遠程外設(shè)，就可同時將外設(shè)定作為圖3中的SP。需注意，在PLC 或DCS中，SP和PV 信號是已經(jīng)轉(zhuǎn)換為0～100%的無量綱的信號。

（2）為防止在大小閥之間頻繁切換，實際實施時設(shè)置一個定時器，定時器設(shè)定時間的設(shè)置可根據(jù)應(yīng)用過程的變化程度確定，一般可選用與被控對象的時間常數(shù)相對應(yīng)的采樣周期值，例如，流量對象和壓力對象選用1～2 s，溫度對象選用5～60 s 等。

（3）ERR的值不宜過大，應(yīng)使小閥的調(diào)節(jié)能夠調(diào)得過來。當小閥流量系數(shù)是大閥流量系數(shù)的十分之一時，可選用ERR 約為2%～3%。

（4）大閥的流量特性宜根據(jù)控制系統(tǒng)被控變量的要求選擇。例如，溫度對象選用等百分比流量特性。小閥流量特性與小閥在大閥調(diào)節(jié)時的初始開度VS有關(guān)。由于小閥是細調(diào)，因此，可選線性或等百分比流量特性。選用線性流量特性時，VS可選45%～55%；選用等百分比流量特性時，VS可選75%～85%，以保證小閥調(diào)節(jié)時加減量的裕度。

（5）采用大小閥調(diào)節(jié)時，由于另一個控制閥成為旁路，因此，將影響控制閥的可調(diào)范圍。當用大閥進行粗調(diào)時，由于小閥開度小，旁路流量占比小，因此，對大閥的調(diào)節(jié)影響不大。但在小閥進行細調(diào)時，流過大閥的流量較大，對小閥的調(diào)節(jié)有較大影響，因此，設(shè)置補償值K，其值應(yīng)考慮兩個因素：一個是大小閥流量系數(shù)的比值，另一個是補償大閥旁路的影響。例如，大小閥流量系數(shù)比為10，則K應(yīng)為0.1；由于大閥旁路的影響，應(yīng)乘以1.3～1.5倍，因此，可設(shè)置K在0.13～0.15。

（6）選擇大、小控制閥流量系數(shù)的原則是大閥的流量系數(shù)通常是小閥流量系數(shù)的8～15倍。對可調(diào)比較大的應(yīng)用場合，選用較大的倍數(shù)，例如，12～15。這是為了減少大閥和小閥之間切換次數(shù)而設(shè) 計。

3 與其他控制系統(tǒng)的比較

3.1 與分程控制系統(tǒng)的比較

分程控制系統(tǒng)與精準控制系統(tǒng)類似，都有兩個控制閥，都具有增大系統(tǒng)可調(diào)比的功能[5]。但分程控制系統(tǒng)的兩個（或多個）控制閥的工作范圍不同。而精準控制系統(tǒng)的兩個控制閥的工作范圍都是0～100%。此外，分程控制系統(tǒng)的兩個控制閥可根據(jù)不同工況采用不同的分程結(jié)構(gòu)，例如，一個控制閥是氣開，另一個控制閥是氣關(guān)。而精準控制系統(tǒng)的兩個控制閥通常都采用同向設(shè)置。一些特殊場合采用異向設(shè)置時，可將K設(shè)置為負值。

分程控制系統(tǒng)的兩個控制閥通常是一個運行，并調(diào)節(jié)其流量，另一個通常全開或全關(guān)。精準控制系統(tǒng)的兩個控制閥中，當小閥開度固定時（根據(jù)其流量特性，固定值可選），由大閥調(diào)節(jié)其流量；當大閥開度固定時（固定值由切換瞬間的開度確定），由小閥調(diào)節(jié)其流量。

3.2 與雙重控制系統(tǒng)的比較

雙重控制系統(tǒng)有兩個被控變量，有兩個操縱變量，采用急則治標，緩則治本的控制原則[5]，以盡快使被控變量回復到設(shè)定值，同時又能夠緩慢地調(diào)節(jié)靜態(tài)變量，使控制系統(tǒng)的性能優(yōu)化。而精準控制系統(tǒng)只有一個被控變量和一個操縱變量，它的控制原則是控制系統(tǒng)偏差大時，用大閥進行粗調(diào)，控制系統(tǒng)偏差小時，用小閥進行細調(diào)。雖然，他們都采用兩個控制閥，但控制的目標不同。

3.3 與旁路閥有一定開度的單回路控制系統(tǒng)的比較

在精餾塔再沸器的加熱蒸汽控制系統(tǒng)中，為防止漏液，一些控制系統(tǒng)設(shè)計時采用控制閥旁路設(shè)置一定開度的控制策略。它將旁路流量控制，能夠防止漏液。而控制閥的調(diào)節(jié)與精餾塔進料量有關(guān)，即控制閥全開時不發(fā)生液泛，控制閥全關(guān)時不發(fā)生漏液。該控制系統(tǒng)中，旁路閥是手動閥，起防止漏液的功能。精準控制系統(tǒng)中兩個控制閥互為旁路功能，大閥開度固定時，大閥作為小閥的旁路閥；小閥開度固定時，小閥作為大閥的旁路閥。但旁路閥對調(diào)節(jié)作用的影響不同。大閥作為旁路閥時，它對小閥的調(diào)節(jié)作用影響大，因此，實施時要適當增大對小閥的控制作用輸出的強度，即提高K值。

3.4 與一類邏輯分程控制系統(tǒng)的比較

精準控制系統(tǒng)與一類邏輯分程控制系統(tǒng)[6]的控制目標相同，但一類邏輯分程控制系統(tǒng)采用了更多的邏輯組件。它包括1個SR 模塊、5個開關(guān)模塊、3個加法器、3個比較器，1個乘法器和1個邏輯或模塊等。而精準控制系統(tǒng)所需組件明顯減少，此外，它的邏輯關(guān)系更清晰。

由于工程設(shè)計時能夠保證小閥開度到全開或全關(guān)時，控制器偏差超出規(guī)定的ERR，因此，精準控制系統(tǒng)不需要設(shè)置有關(guān)全開或全關(guān)時的邏輯判別和相應(yīng)的操作。精準控制系統(tǒng)直接采用控制器偏差作為切換的判別條件，簡化了控制系統(tǒng)的架構(gòu)，使系統(tǒng)實施更方便。