图片来源：Alicat Scientific
作者 | Brian Clendenin
流量或压力控制系统必须能够感知过程中的变化，并足够快地做出反应以减轻这些变化。自动优化有助于在复杂系统中提高流量控制性能。
在每个控制装置中，对系统扰动和设定值的变化都有其特定的响应特性。对于某些设备，响应时间可以根据特定过程和环境进行优化。新的技术发展使自动响应时间优化或“自动调谐”成为可能，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。
▲图1：控制响应时间的通用定义。
01
流量控制的质量取决于响应时间
流量或压力控制系统必须能够感知过程中的变化，并足够快地做出反应以减轻这些变化。对于一些简单的过程，可以使用基本的控制系统，比如说，与孔口连接的良好的压力调节器，可以保持所需的流速。然而，大多数系统都比较复杂，需要控制系统对压力、温度等会影响流速的变化做出反应
流量装置的“响应时间”可以通过多种方式进行定义。图1显示了控制响应时间的常见定义：“死区时间”（设定值请求和设备开始响应之间的持续时间），以及“时间常数”（设备从初始值移动到新设定值的63.2%所需的时间）。
通常，设备响应越快，就越能更快地校正系统中的干扰，并使设备能够更密切地跟踪设定值的变化。图2说明了各种控制设备如何响应系统内压力波。对于所有四个控制设备，扰动的初始影响都是相同的；然而，具有更快响应时间（蓝色）的设备可以将扰动的影响降至最低，而且流量可以更快的返回到设定值。
▲图2：当上游阀门打开时，响应时间更快的控制装置（蓝色线表示）可以更快、更准确地缓解扰动。
图2中的示例还说明了过程扰动具有其独特性，这是控制设备必须适应的。一些控制设备提供单一的“速度因子”来优化响应时间，这可能不足以匹配扰动的特性。能够对响应进行更好控制的设备，可以更精确地根据过程条件进行优化。
02
速度和范围之间的权衡
控制设备的响应时间可以针对一组特定的系统工况进行优化。只要过程工况与优化状态保持相似，优化设置就可以实现良好的流量控制。
但工况可能会发生变化，这种变化会显著改变系统特性。那么，在很多情况下，最好优先选择优化响应时间来适应一系列潜在工况，而不是最大化一组特定条件的响应。这种方法通常会提供更一致的性能。
03
应在何时优化流量控制？
优化可以在多种情况下提高流量控制性能：
■ 在安装时，优化特定系统的响应时间；
■ 当系统以不同的方式使用时；例如，如果系统压力显著增加或减少，或者如果过程气体发生变化；
■ 当系统管道发生重大变化时；例如，如果添加或删除了容积或限制；
■ 当控制设备在系统或实验之间移动时；
■ 当需要准确的响应来保护敏感过程时；
■ 当多个设备需要在连接的系统内提供一致响应时；
■ 当过程需求发生变化时，可能需要更快或更精确的控制。
▲图3：在流量控制优化后，显著增加或降低入口压力会影响流量控制的稳定性。重新优化控制响应时间可以恢复性能。
图3显示了优化如何改进流量控制的示例。在该示例中，在入口压力为30 PSIG时设置了流量控制装置。如果入口压力显著增加（黄色和灰色），则控制响应降级，如设定值变化后的瞬态所示。如果入口压力显著降低（蓝色），则响应可能变得太慢，以致无法应对扰动。在所有这些情况下，针对新工况再次优化响应时间可以恢复性能水平。
04
自动调谐流量控制响应速度
也可以通过手动调整控制装置的控制参数来进行优化。然而，手动优化通常需要一定程度的控制系统分析和设计知识，可能还需要额外的设备来测量响应时间。此外，手动优化通常还需要大量时间和多次迭代。
为了应对这些问题，开发了新的“自动调谐”方法，结合了控制专业知识库，可以实现自动优化流量控制设备。自动调谐使可能不具备广泛控制设计知识的用户也能够实现对特定过程条件的卓越控制。
在自动调谐过程中，控制设备会移动到一系列设定值。对于每个设定值的变化，设备都会确定系统属性并优化控制参数。该过程完成后，可以将设备响应调整到最佳。
自动调谐比大多数手动优化技术快得多。通常，大多数包含自动调谐的流量控制设备可以在30~90秒内完成这一过程，尽管一些超低流量的设备可能需要更长的时间。
05
高级配置选项
对于大多数情况，自动调谐算法将在没有任何用户输入的情况下，确定最佳响应时间。然而，通过进一步配置，该功能可以支持非典型的过程要求或满足特定的控制目标。
在所有这些选项中，影响最大的是自动调谐将如何解决最大限度地提高某一条件下的速度与处理更广泛的过程变化之间的权衡问题。例如，在 Alicat 流量控制设备中，用户可以从多个 “速度 ”设置中进行选择：
■ FAST是默认选项，可在大多数情况下平衡速度和通用性。
■ FASTEST可最大限度地提高响应速度，允许少量超调。
■ VERSATILE 或 MOST VERSATILE提供的响应速度可适应更广泛的工况范围，但在某些条件下需要权衡较慢的响应速度。控制系统可能无法应对快速变化的工况。
■ GOAL是额外的速度选项，适用于需要实现特定响应配置文件或需要调整多个设备以提供一致响应的高级用户。
06
实现最佳优化的建议
一般来说，在过程工况使相关阀门的压力变化最大时，自动调谐最有效。如果设备运行在比最优压力更高的压力增量或更高的共模压力时，可能会导致不稳定的控制。如果预期运行工况具有比可用于优化的压力更高的压力，则优选适合通用功能的速度水平。
与正常闭环控制相比，自动调谐对环境波动更敏感。大多数波动将导致控制回路增益小于其它情况下的增益，因为很难将扰动的影响与系统的响应分开。超低流量和其它慢响应设备，将对系统中的干扰或其它波动更加敏感。
控制设备优化可以为特定过程和环境提供最佳的设备响应。自动优化使测量当前性能并加以改进成为可能，而无需广泛了解控制系统和参数。自动调谐等先进功能使更广泛的过程工程师和技术人员能够实现出色的流量控制，即使工艺或环境发生了巨大变化也是如此。
关键概念：
■ 手动优化通常需要大量的时间和多次迭代。
■ 新的自动调节调谐方法，结合融入了控制专业知识库，可以实现自动优化流量控制设备。
思考一下：
自动调谐功能如何帮助您优化流量控制？
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▲本文来自于控制工程中文版杂志（CONTROL ENGINEERING China）2024年7月刊《技术文章》栏目：优化响应时间以改进流量和压力控制
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