反饋控制、串級控制、前饋控制是三種基本的控制方案，這三種控制方案中反饋控制是最基本、最重要的控制方案，也是過程控制的基礎。當反饋控制的性能不能接受時，會根據干擾的形式選擇更快干預的串級控制改進或者提前補償的前饋控制改進。這兩種改進方法的選擇準則有很大區別，相對也容易把握。串級控制用于處理控制側干擾，而前饋控制用于處理過程側干擾。串級控制不要求擾動可檢測，但是要求擾動影響副過程變量，能通過副過程變量的穩定快速克服干擾，而且副回路要比主回路快，否則串級控制的抗擾能力會降低。前饋控制要求擾動可檢測并能通過操縱變量的提前動作補償克服干擾的影響，這就要求擾動不能通過操縱變量的穩定克服，只能通過操縱變量的補償克服。

但是當過程變量或最終控制元件超過一個時，控制方案設計藝術性很強。不同的控制方案看起來都可以實現控制目標，但是如果考慮不周全，選擇不恰當的控制方案很容易導致性能下降，甚至不能投用和導致生產安全事故。例如如圖1所示使用冷熱水對混合后的水溫和水量進行控制，常規的控制方案就是兩個單回路。當控制要求和工藝條件發生變化后這樣的單回路控制方案有很多隱患，包括：a.熱水或冷水壓力波動會影響控制性能；b.當調整一個過程變量的設定值時另一個過程變量會波動；c.沒有優先級的概念，當熱水調節閥飽和后水溫會失控，當冷水調節閥飽和后水量會失控。


圖1 水溫水量單回路控制

充分考慮上面的問題并以水溫為高優先級過程變量的水溫和水量復雜控制如圖2所示，控制方案有：a、使用流量副回路克服調節閥非線性和控制側擾動；b、在水量設定值調整修改冷水時，通過比值控制實現熱水流量的等比例調節，既克服對水溫的影響，也改善水量的調節速度；c、通過閥位控制器，當熱水調節閥全開水溫控制可能失控時，重置水量設定值保證水溫的可控性。


圖2 水溫水量復雜控制

工藝條件和控制要求決定控制方案設計。雖然操縱變量和被控變量不改變，但是當控制目標、優先級不同時，上述的復雜控制方案需要相應修改。這里昌暉儀表和大家討論使用兩類控制策略設計的案例，方便大家借鑒。

1、一個測量值兩個最終控制元件
當存在一個測量值和兩個最終控制元件時，典型的控制方案是分程控制。但是實際上這種場景下還有多種控制方案可以選擇。可能的控制方案包括：a、分級控制；b、分程控制；c、分配控制；d、閥位控制。

圖3所示的前系統壓力首先使用往后系統去的調節閥進行控制，如果前系統氣量太大超過了后系統的處理能力，則可以考慮放空，所以前系統壓力采用了兩個具有不同設定值的單回路分級控制方案。在正常情況下，PIC1控制器控制流向下游單元的調節閥，因為壓力低于PIC2控制器的設定值，所以放空閥門完全關閉。如果氣體流量變大，通向后系統的閥門就會完全打開。如果氣體流量仍然大于流向后系統的最大流量，則壓力將增加到PIC1的設定值以上。如果大流量保持足夠長的一段時間，壓力會超過具有更高設定值的控制器PIC2的設定值，此時PIC2控制器開始增加放空閥門開度以保證安全。


圖3 氣相壓力控制方案

分級設計使用壓力緩沖，所以在流向下游單元的流量達到最大值和壓力超過PIC2的設定值之前沒有放空。因此，在短期干擾可能導致壓力上升時不會馬上被放空。使用兩個控制器允許對兩個控制器回路單獨整定。

兩個回路設定值應保持足夠差值，防止兩個控制回路耦合振蕩。兩個控制回路應該選擇不同的期望閉環時間常數，經常使用的控制回路的PID可以正常整定，不經常使用的控制回路要整定得弱一些。另外，在實際使用中當壓力快速變化時，由于比例作用，兩個控制回路輸出可能出現PIC1的控制器輸出還沒有完全打開同時PIC2的控制器輸出已經打開的情況，所以PIC2的PID參數需要仔細斟酌，如果控制系統有合適的變增益PID，使用變增益PID也是非常好的方法。

放空調節閥控制壓力只有出現異常狀況才觸發，這樣的控制方案設計使兩個控制回路單獨整定。如果工藝過程能夠接受兩個回路設定值偏差可能引起的壓力波動，而且絕大多數情況下都只需要PIC1控制器工作，分級控制就是一種合理的控制方案。大流量保持足夠長的一段時間，稍高但是安全的控制器PIC2設定值可以充分發揮緩沖效果，從這個角度看分程控制不是合理控制方案。

如果在不同工況下需要交替使用不同的最終控制元件，分程控制往往是首選。例如如圖4所示的儲罐壓力分程控制方案，儲罐在壓力不足時補充氮氣，當壓力超高時放空。雖然交替使用不同最終控制元件，但如果允許壓力在一定范圍內波動時，使用兩個具有不同設定值的單回路分級控制方案也可以考慮。夜晚溫度低，儲罐壓力偏低，使用分程控制就會補充氮氣，白天溫度上升，儲罐壓力升高則需要放空。如果儲罐在夜晚允許比正常稍低的壓力而不補充氮氣，白天允許比正常稍高的壓力則放空也會減少，有助于減少排放。


圖4 儲罐壓力分程控制方案

相反，如果是反應器溫度控制，不同工況需要交替使用冷熱介質，而且溫度要求嚴格控制，則分程控制是首選方案。

有時候兩個最終控制元件實際上是一主一備的關系，這時候很多地方也把控制方案設計為兩個控制回路。這種情況下設計成兩個控制回路是錯誤的，因為兩個控制回路的設定值一樣，兩個控制回路同時投用時控制回路的互相影響不可避免，此時如果想通過PID參數整定克服耦合也是用一個錯誤糾正另一個錯誤。正確的控制方案如圖5所示：把控制器的相同輸出同時送到兩個最終控制元件，也就是分配控制方案。這種控制方案可以任意選擇一個最終控制元件進行控制，甚至可以同時使用兩個最終控制元件，主閥和備閥的輸出與控制器輸出都完全重合。分配控制也可以理解為特殊的分程控制。


圖5分配控制方案

兩個控制回路的設計還會導致只有一個控制回路能切換到自動模式，裝置的自控率也會受影響。

如果兩個最終控制元件對過程變量的影響在快速性、有效性或經濟性上有所不同，則需要充分利用自由度進行控制和協調優化，此時閥位控制才是正確的控制方案。

圖6所示為大小閥流量控制方案。為了保證控制精度，流量控制必須選擇小閥進行控制，但是小閥不能保證在更大范圍流量的充分可控，因此必須使用大閥進行可控性補充，即用大閥來保證小閥始終可調節。簡單說小閥是控制過程變量的必要性手段，大閥是過程變量可控性補充。這就是大小閥流量控制時采用閥位控制系統的主要目的。


圖6 大小閥流量控制方案

閥位控制系統既提供了更大的可調范圍，還提供了小閥的靈敏度。當僅使用大閥進行控制時控制系統靈敏度不足，而使用分程控制則無法滿足高要求。閥位控制系統還消除了分程控制的不連續性。這種情況設計成分程控制或者兩個單回路是工業現場常犯的控制方案設計錯誤。

2、兩個測量值一個最終控制元件
當存在兩個測量值一個最終控制元件時，也有多種可能的控制方案，包括：a、串級控制；b、前饋-反饋控制；c、超馳控制；d、單閉環比值控制等。

串級控制是通過嵌套控制回路來建立的。當有兩個過程變量和一個最終控制元件時，可以采用串級控制。通過使用對控制輸出響應更快的中間過程變量，可以實現主過程變量的更精準控制。當最終控制元件和主過程變量之間存在顯著動態，例如，大純滯后時間或大時間常數時，串級控制尤其有用。這種方法主要用于解決控制側干擾。例如在圖7所示的加熱爐出口溫度串級控制中，燃料流量控制回路可以快速抑制燃料氣壓力波動對加熱爐出口溫度的影響，并克服最終控制元件的非線性。


圖7 加熱爐出口溫度串級控制

如果干擾來自過程側而且可以檢測，同時干擾到過程變量的動態特性和控制器輸出到過程變量的動態特性接近，則可以考慮靜態前饋控制。當兩者的動態特性差異很大時，則要慎重使用前饋控制，使用動態前饋往往由于復雜性和魯棒性而實現不了預期效果。

在圖8所示的換熱器出口溫度控制方案中，如果沒有前饋控制，當物料流量發生變化時會引起換熱器出口溫度波動，通過使用前饋可以在過程物料流量變化時及時調節加熱蒸汽調節閥，從而克服過程物料流量干擾對出口溫度的影響。如果換熱器出口溫度的控制品質仍達不到控制要求，則可以考慮使用更多過程變量的前饋串級組合控制。


圖8 換熱器出口溫度前饋控制

如果干擾可以通過操縱變量更平穩克服則選擇串級控制，如果干擾要通過操縱變量提前補償克服則可使用前饋控制，如果兩種情況都需要考慮，可以使用前饋串級組合控制策略。串級控制和前饋控制的適用情況顯著不同，很容易做出正確選擇，串級控制用于處理控制側干擾而前饋控制用于處理過程側干擾。

當需要對兩個過程變量同時進行控制時，超馳控制也是一個可行的方案。超馳控制系統中，只有一個最終控制元件，但是有兩個過程變量，其中一個常規的過程變量要求一直維持在其設定值，另一個約束過程變量要求維持在一定的操作范圍以確保安全。超馳控制策略使用兩個或多個控制器，允許一個控制器采取行動來維持或控制一個過程變量(主控制器)，而其他控制器監視別的過程變量(約束變量),如果超出約束，則通過選擇器選擇。

在壓縮機出口流量控制中，一般使用壓縮機轉速(控制器輸出)和壓縮機出口流量(過程變量)的簡單控制回路就可以實現。但是有時候為了保證前后工段生產負荷均衡，壓縮機所輸送的氣量不能超過前面工段提供的氣量，尤其要防止排氣量過大，造成抽空吸入空氣而發生爆炸。所以必要時可以把壓縮機入口壓力和流量結合在一起，設計成如圖9所示的超馳控制系統。

圖9 壓縮機出口流量超馳控制

正常生產時，流量控制系統工作，壓縮機通過控制壓縮機轉速控制輸送氣量，如果前面工序負荷降低，而造成入口壓力下降，壓力控制系統通過低選器自動切上去，把壓縮機轉速減下來，以保證壓縮機入口壓力不會過低，防止被抽空。

有時候需要讓兩個過程變量的絕對量保持固定比例，這時圖10所示的單閉環比值控制就是標準解決方案。單閉環比值控制系統中，只有一個最終控制元件，兩個過程變量中一個無法控制的過程變量稱為主過程變量，另一個稱為從過程變量。從過程變量和最終控制元件組成單回路，并串級接收由主過程變量乘比率得到的設定值。比值控制是自動前饋控制在實際中單獨應用的主要形式。


圖10 單閉環比值控制系統