[科普中国]-选择性控制

通常自动控制系统只能在生产工艺正常时进行工作，一旦生产处于事故状态，控制器就要改为手动，待事故排除后，控制系统再重新投入工作。在大型生产工艺过程中，除了要求控制系统在生产处于正常状态时能够克服外界干扰，平稳操作外，还必须考虑在事故状态下也能安全生产，即当生产操作达到安全极限时，应有保护性措施。

生产保护性措施有两类：一类是硬保护措施；一类是软保护措施。所谓硬保护措施，就是当生产操作达到安全极限时，会发出声、光警报。此时由操作工将控制器切换到手动，进行手动操作处理；或是通过专门设置的连锁保护线路实现自动停车，达到保护生产的目的。对于连续生产过程来说，即使短暂的设备停车，也会造成巨大的经济损失，因此这种硬保护措施已经逐渐被软保护措施所替代。软保护措施就是通过一个特定设计的选择性控制系统，在生产短期内处于不正常情况时，生产设备不需要停车，由选择性控制系统自动改变操作方式，使参数脱离极限值，并且当参数恢复正常时，原控制系统自动恢复，避免停车，而且无需人的参与就可恢复正常生产。

要构成选择性控制，生产操作必须具有一定的选择性逻辑关系。而选择性控制的实现则需要靠具有选择功能的自动选择器（高值选择器和低值选择器）或有关的切换装置（切换器、带接点的控制器或测量装置）完成。1

选择性控制系统是把生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统上去的一种组合控制方法。系统中设有两个控制器(调节器或两个以上的变送器)，通过(高、低值)选择器选出能适应生产安全状况的控制信号，实现对生产过程的自动控制。正常情况下当生产过程趋近于危险极限区，但还未进入危险区时，一个用于控制不安全情况的控制方案通过高、低值选择器将取代正常生产情况下工作的控制方案(正常调节器处于开环状态)，用取代调节器代替正常调节器，直至使生产过程重新恢复正常。然后，又通过选择器使原来的控制方案重新恢复工作，用正常调节器代替取代调节器。因而这种选择性控制系统又被称为自动保护系统，或称为软保护系统。

因此，设计选择性控制系统的关键环节是采用了选择器。选择器可以接在两个或多个调节器的输出端，对控制信号进行选择；或者接在几个变送器的输出端，对测量信号进行选择，以适应不同生产过程的需要。

根据选择器在系统结构中的位置不同，选择性控制系统可分为两种：

1、选择器位于调节器的输出端，对调节器输出信号进行选择的系统，如右图所示，这种选择性控制系统的主要特点是：两个调节器共用一个调节阀。在生产正常情况下，两个调节器的输出信号同时送至选择器，选出正常调节器输出的控制信号送给调节阀，实现对生产过程的自动控制。此时取代调节器处于开路状态，对系统不起控制作用。当生产不正常时，通过选择器选出取代调节器代替正常调节器对系统进行控制。此时，正常调节器处于开路状态，对系统不起控制作用。当系统的生产情况恢复正常，通过选择器的自动切换，仍由原正常调节器来控制生产的正常进行。这种选择性控制系统，在现代工业生产过程中得到了广泛应用。

2、选择器位于调节器之前，对变送器输出信号进行选择的系统，如右图所示。该选择性系统的特点是几个变送器合用一个调节器。通常选择的目的有两个，其一是选出最高或最低测量值；其二是选出可靠测量值。如固定床反应器中，为了防止温度过高烧坏催化剂，在反应器的固定催化剂床层内的不同位置上，装设了几个温度检测点，各点温度检测信号通过高值选择器，选出其中最高的温度检测信号作为测量值，进行温度自动控制，从而保证了反应器催化剂层的安全。2

由于选择性控制系统中总有一台控制器处于开环状态，因此易产生积分饱和。防积分饱和有限幅法、外反馈法、积分切除法三种。

1、限幅法：用高低值限幅器将控制器的积分反馈信号限定在某个区域。

2、外反馈法：在控制器开环状态下，不再使它自身的信号做积分反馈，而是采用合适的外部信号作为积分反馈信号，从而也切断了积分正反馈，防止了进一步的偏差积分作用。

3、积分切除法：它是从控制器本身的线路结构上想办法，使控制器积分线路在开环情况下会暂时自动切除，仅具有比例作用，所以这类控制器称为PI-P控制器。

限幅法与外反馈法的防积分饱和原理不一致，功能亦有差别，在应用中应注意它们各自的适用场合。对于选择性控制系统的防积分饱和，应选择外反馈法。其积分外反馈信号取自选择器的输出信号，如右图所示。当控制器1处于工作状态时，选择器输出信号等于它自身的输出信号，而对控制器2来说，这个信号就成为外部积分反馈信号了。反之，亦相同。

值得注意的是，防积分饱和要解决的问题，并非仅仅在于使开环工作的控制器输出信号不超出有效区间，而且还要求在该控制器的偏差为0的瞬间，其输出信号与当时工作的控制器输出信号相同，以便及时替换。

对于一般PI控制器，存在下式：

因此控制器1工作时，控制器2的输出算式为

式中：e2 为偏差；kc2为控制器2的比例增益；T2 为积分反馈时间常数。当e2为0，且系统处于较平稳阶段时，上述公式为：u1=u2

从而实现了跟踪。一旦偏差e2反向，控制器2的输出信号立即会被选上。显然，若在这里选用限幅法防积分饱和，则无法起到信号跟踪作用。3