温度控制

简介

温度、压力，流量和液位是四种最常见的过程变量。其中温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。尽管温度控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。

为什么温度会比较难控

下表列出了温度回路控制困难的一些主要原因：

原因	举例	控制难题
温度变化缓慢	熔炉，回转窑以及所有热容量大的设备的温度回路响应都很缓慢。	对于一个响应缓慢的温度回路，整定控制参数需要经验和耐心。
时变	如果没有冷却作用，设备的加热过程通常要比放热过程快的多。因此，如果温度经常上下波动，过程对象的时间常数将会有很大的变化。	在时间常数和滞后时间变化的情况下，用PID来控制会很容易产生振荡或控制作用缓慢。在一定的操作范围内，可以通过调整PID的参数实现对过程的控制。但是一旦过程动态特性发生改变，PID就有可能失控。
非线性	控制阀：不灵敏区和阀门的摩擦造成了温度回路的非线性。	PID或基于模型的控制器能在其线性范围内正常工作，但是到了非线性区域就失控了。
多区域的温度控制	玻璃前炉，注塑机及快速热处理设备都需要控制多个区域的温度。	由于各区域之间相互影响，使用单输入单输出（SISO）控制器很难有效地控制这种多输入多输出（MIMO）的过程。
负荷变化大	由于蒸汽用量的变化，使得发电厂的蒸汽发生器的蒸汽负荷波动很大。	一旦负荷加倍，就需要两倍的热量来保持温度。此时，通常需要施加前馈控制作用。
进料量变化大	生产番茄浆的番茄热粉碎工艺：卡车倾倒番茄使得番茄进料量剧烈波动。	由于进料为固体物质，很难直接检测流量。因此，很难实施前馈控制。
燃料波动	造纸工业中将木屑作为补给燃料的蒸汽发生器；使用低等级燃料的循环流化床锅炉。	因燃料波动而产生的热值变化给温度控制回路带来了很大的扰动。
非线性，高速	用于晶片处理或材料耐热测试的快度热处理（RTP）设备。	大幅度快速升温和降温。
多输入单输出（MISO）过程	楼宇控制系统的空调设备（AHU）以分层控制的方式操纵加热阀、冷却阀和挡板。	单个控制器要处理如加热和冷却等多个过程。当操作变量发生变化，像PID这样的固定参数的控制器就需要重新整定控制器参数。
单输入多输出（SIMO）过程	蒸馏塔：需要同时控制塔釜和塔盘温度，但仅有再沸器进料量这一个操纵变量。	控制器只有一个可操纵的变量，但需要控制两个以上的过程变量。像PID那样的单回路控制器的控制效果不够理想。

MFA控制解决方案

既然温度控制难题很多，这里我们以路标的形式让您能选择合适的MFA控制器去解决特殊的温度控制问题。

原因	适用MFA控制器类型	MFA控制器适用理由
温度变化缓慢	SISO MFA控制器	MFA有很强的自适应能力，无需参数整定。
时变	SISO MFA控制器 或 时变MFA控制器	MFA有很强的自适应能力来处理过程时间常数和时滞的变化；时变MFA能控制时间常数和时滞变化大的过程对象；组态十分简便。
非线性	非线性MFA控制器	非线性MFA控制器无需过程线性化就能控制极端非线性过程。
多区域的温度控制	MIMO MFA控制器 或 前馈+反馈（FB/FF）MFA控制器	MIMO MFA控制多变量过程，可实现各区域温度的解耦。
负荷变化大	前馈+反馈（FB/FF）MFA控制器	前馈MFA控制器的组态十分方便，可迫使控制器做出快速的调整以补偿负荷的变化。
进料量变化大	SISO MFA控制器	MFA能快速响应补偿进料量的波动。
燃料波动	SISO MFA控制器	MFA有很强的自适应能力，能很快地达到新的工作点补偿燃料的变化。
非线性，高速	非线性MFA控制器（高速版）	组态时选择好非线性因素后，非线性MFA就能有效地控制该非线性过程。
多输入单输出（MISO）过程	SISO MFA分层控制系统 或 SISO MFA控制器	无需参数整定，MFA就能自适应新的工作条件。
单输入多输出（SIMO）过程	MISO MFA控制器	这种特殊的MFA控制器只需操纵一个变量就能将多变量的过程控制在规格要求的范围内。

总结

基于MFA控制算法的核心技术，已经开发出多种MFA控制器以解决特定的控制问题。不用建立在线或离线的过程模型，就可选用合适的MFA控制器去控制复杂的温度回路。MFA为从未解决过的温度控制难题提供了简单有效的控制解决方案。