自動(dòng)調(diào)諧——流量和壓力控制的最優(yōu)化

　　【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】流量或壓力控制系統(tǒng)必須能夠感知過程中的變化，并足夠快地做出反應(yīng)以減輕這些變化。自動(dòng)優(yōu)化有助于在復(fù)雜系統(tǒng)中提高流量控制性能。
 

　　在每個(gè)控制裝置中，對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)和設(shè)定值的變化都有其特定的響應(yīng)特性。對(duì)于某些設(shè)備，響應(yīng)時(shí)間可以根據(jù)特定過程和環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化。新的技術(shù)發(fā)展使自動(dòng)響應(yīng)時(shí)間優(yōu)化或“自動(dòng)調(diào)諧”成為可能，以便在新的或最近更改的流程中快速建立出色的流量控制。
 

▲圖1：控制響應(yīng)時(shí)間的通用定義。
 

　　01  流量控制的質(zhì)量取決于響應(yīng)時(shí)間
 

　　流量或壓力控制系統(tǒng)必須能夠感知過程中的變化，并足夠快地做出反應(yīng)以減輕這些變化。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的過程，可以使用基本的控制系統(tǒng)，比如說，與孔口連接的良好的壓力調(diào)節(jié)器，可以保持所需的流速。然而，大多數(shù)系統(tǒng)都比較復(fù)雜，需要控制系統(tǒng)對(duì)壓力、溫度等會(huì)影響流速的變化做出反應(yīng)
 

　　流量裝置的“響應(yīng)時(shí)間”可以通過多種方式進(jìn)行定義。圖1顯示了控制響應(yīng)時(shí)間的常見定義：“死區(qū)時(shí)間”(設(shè)定值請(qǐng)求和設(shè)備開始響應(yīng)之間的持續(xù)時(shí)間)，以及“時(shí)間常數(shù)”(設(shè)備從初始值移動(dòng)到新設(shè)定值的63.2%所需的時(shí)間)。
 

　　通常，設(shè)備響應(yīng)越快，就越能更快地校正系統(tǒng)中的干擾，并使設(shè)備能夠更密切地跟蹤設(shè)定值的變化。圖2說明了各種控制設(shè)備如何響應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)壓力波。對(duì)于所有四個(gè)控制設(shè)備，擾動(dòng)的初始影響都是相同的；然而，具有更快響應(yīng)時(shí)間(藍(lán)色)的設(shè)備可以將擾動(dòng)的影響降至最低，而且流量可以更快的返回到設(shè)定值。
 

　　▲圖2：當(dāng)上游閥門打開時(shí)，響應(yīng)時(shí)間更快的控制裝置(藍(lán)色線表示)可以更快、更準(zhǔn)確地緩解擾動(dòng)。
 

　　圖2中的示例還說明了過程擾動(dòng)具有其獨(dú)特性，這是控制設(shè)備必須適應(yīng)的。一些控制設(shè)備提供單一的“速度因子”來優(yōu)化響應(yīng)時(shí)間，這可能不足以匹配擾動(dòng)的特性。能夠?qū)憫?yīng)進(jìn)行更好控制的設(shè)備，可以更精確地根據(jù)過程條件進(jìn)行優(yōu)化。
 

　　02  速度和范圍之間的權(quán)衡
 

　　控制設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間可以針對(duì)一組特定的系統(tǒng)工況進(jìn)行優(yōu)化。只要過程工況與優(yōu)化狀態(tài)保持相似，優(yōu)化設(shè)置就可以實(shí)現(xiàn)良好的流量控制。
 

　　但工況可能會(huì)發(fā)生變化，這種變化會(huì)顯著改變系統(tǒng)特性。那么，在很多情況下，最好優(yōu)先選擇優(yōu)化響應(yīng)時(shí)間來適應(yīng)一系列潛在工況，而不是最大化一組特定條件的響應(yīng)。這種方法通常會(huì)提供更一致的性能。
 

　　03  應(yīng)在何時(shí)優(yōu)化流量控制？
 

　　優(yōu)化可以在多種情況下提高流量控制性能：
 

　　■ 在安裝時(shí)，優(yōu)化特定系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間；
 

　　■ 當(dāng)系統(tǒng)以不同的方式使用時(shí)；例如，如果系統(tǒng)壓力顯著增加或減少，或者如果過程氣體發(fā)生變化；
 

　　■ 當(dāng)系統(tǒng)管道發(fā)生重大變化時(shí)；例如，如果添加或刪除了容積或限制；
 

　　■ 當(dāng)控制設(shè)備在系統(tǒng)或?qū)嶒?yàn)之間移動(dòng)時(shí)；
 

　　■ 當(dāng)需要準(zhǔn)確的響應(yīng)來保護(hù)敏感過程時(shí)；
 

　　■ 當(dāng)多個(gè)設(shè)備需要在連接的系統(tǒng)內(nèi)提供一致響應(yīng)時(shí)；
 

　　■ 當(dāng)過程需求發(fā)生變化時(shí)，可能需要更快或更精確的控制。
 

▲圖3：在流量控制優(yōu)化后，顯著增加或降低入口壓力會(huì)影響流量控制的穩(wěn)定性。
 

　　重新優(yōu)化控制響應(yīng)時(shí)間可以恢復(fù)性能。
 

　　圖3顯示了優(yōu)化如何改進(jìn)流量控制的示例。在該示例中，在入口壓力為30 PSIG時(shí)設(shè)置了流量控制裝置。如果入口壓力顯著增加(黃色和灰色)，則控制響應(yīng)降級(jí)，如設(shè)定值變化后的瞬態(tài)所示。如果入口壓力顯著降低(藍(lán)色)，則響應(yīng)可能變得太慢，以致無法應(yīng)對(duì)擾動(dòng)。在所有這些情況下，針對(duì)新工況再次優(yōu)化響應(yīng)時(shí)間可以恢復(fù)性能水平。
 

　　04  自動(dòng)調(diào)諧流量控制響應(yīng)速度
 

　　也可以通過手動(dòng)調(diào)整控制裝置的控制參數(shù)來進(jìn)行優(yōu)化。然而，手動(dòng)優(yōu)化通常需要一定程度的控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)知識(shí)，可能還需要額外的設(shè)備來測(cè)量響應(yīng)時(shí)間。此外，手動(dòng)優(yōu)化通常還需要大量時(shí)間和多次迭代。
 

　　為了應(yīng)對(duì)這些問題，開發(fā)了新的“自動(dòng)調(diào)諧”方法，結(jié)合了控制專業(yè)知識(shí)庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化流量控制設(shè)備。自動(dòng)調(diào)諧使可能不具備廣泛控制設(shè)計(jì)知識(shí)的用戶也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)特定過程條件的卓越控制。
 

　　在自動(dòng)調(diào)諧過程中，控制設(shè)備會(huì)移動(dòng)到一系列設(shè)定值。對(duì)于每個(gè)設(shè)定值的變化，設(shè)備都會(huì)確定系統(tǒng)屬性并優(yōu)化控制參數(shù)。該過程完成后，可以將設(shè)備響應(yīng)調(diào)整到最佳。
 

　　自動(dòng)調(diào)諧比大多數(shù)手動(dòng)優(yōu)化技術(shù)快得多。通常，大多數(shù)包含自動(dòng)調(diào)諧的流量控制設(shè)備可以在30~90秒內(nèi)完成這一過程，盡管一些超低流量的設(shè)備可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間。
 

　　05  高級(jí)配置選項(xiàng)
 

　　對(duì)于大多數(shù)情況，自動(dòng)調(diào)諧算法將在沒有任何用戶輸入的情況下，確定最佳響應(yīng)時(shí)間。然而，通過進(jìn)一步配置，該功能可以支持非典型的過程要求或滿足特定的控制目標(biāo)。
 

　　在所有這些選項(xiàng)中，影響最大的是自動(dòng)調(diào)諧將如何解決最大限度地提高某一條件下的速度與處理更廣泛的過程變化之間的權(quán)衡問題。例如，在 Alicat 流量控制設(shè)備中，用戶可以從多個(gè) “速度 ”設(shè)置中進(jìn)行選擇：
 

　　■ FAST是默認(rèn)選項(xiàng)，可在大多數(shù)情況下平衡速度和通用性。
 

　　■ FASTEST可最大限度地提高響應(yīng)速度，允許少量超調(diào)。
 

　　■ VERSATILE 或 MOST VERSATILE提供的響應(yīng)速度可適應(yīng)更廣泛的工況范圍，但在某些條件下需要權(quán)衡較慢的響應(yīng)速度?？刂葡到y(tǒng)可能無法應(yīng)對(duì)快速變化的工況。
 

　　■ GOAL是額外的速度選項(xiàng)，適用于需要實(shí)現(xiàn)特定響應(yīng)配置文件或需要調(diào)整多個(gè)設(shè)備以提供一致響應(yīng)的高級(jí)用戶。
 

　　06  實(shí)現(xiàn)最佳優(yōu)化的建議
 

　　一般來說，在過程工況使相關(guān)閥門的壓力變化最大時(shí)，自動(dòng)調(diào)諧最有效。如果設(shè)備運(yùn)行在比最優(yōu)壓力更高的壓力增量或更高的共模壓力時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定的控制。如果預(yù)期運(yùn)行工況具有比可用于優(yōu)化的壓力更高的壓力，則優(yōu)選適合通用功能的速度水平。
 

　　與正常閉環(huán)控制相比，自動(dòng)調(diào)諧對(duì)環(huán)境波動(dòng)更敏感。大多數(shù)波動(dòng)將導(dǎo)致控制回路增益小于其它情況下的增益，因?yàn)楹茈y將擾動(dòng)的影響與系統(tǒng)的響應(yīng)分開。超低流量和其它慢響應(yīng)設(shè)備，將對(duì)系統(tǒng)中的干擾或其它波動(dòng)更加敏感。
 

　　控制設(shè)備優(yōu)化可以為特定過程和環(huán)境提供最佳的設(shè)備響應(yīng)。自動(dòng)優(yōu)化使測(cè)量當(dāng)前性能并加以改進(jìn)成為可能，而無需廣泛了解控制系統(tǒng)和參數(shù)。自動(dòng)調(diào)諧等先進(jìn)功能使更廣泛的過程工程師和技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)出色的流量控制，即使工藝或環(huán)境發(fā)生了巨大變化也是如此。