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| 騙人的逆向響應(yīng) [作者： Vance VanDoren Ph.D，P.E., Control Engineering] |
大多數(shù)工業(yè)過(guò)程可以按照控制器需要的方向變化。當(dāng)控制器把更多的燃料供給爐膛里的燃燒器時(shí)，溫度上升；當(dāng)控制器關(guān)閉管道里的閥門(mén)時(shí)，流速下降；當(dāng)控制器增加馬達(dá)驅(qū)動(dòng)輸送裝置的轉(zhuǎn)速時(shí)，速度增加。控制器的動(dòng)作常常會(huì)使一些過(guò)程上下波動(dòng)，但是過(guò)程變量的第一個(gè)反應(yīng)通常與控制力朝著相同的方向。
然而，卻有一些很少見(jiàn)的情況是，過(guò)程變量在控制效果增加的情況下先降后升。我們來(lái)看工業(yè)鍋爐。當(dāng)蒸氣離開(kāi)鍋體前往下一工序時(shí)，需要增補(bǔ)一定的液態(tài)水以保持內(nèi)部液位基本不變。這通常由一個(gè)反饋控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制器測(cè)定了沸水的高度并且通過(guò)控制進(jìn)口閥門(mén)將液位維持在這個(gè)高度。
但是，如果增補(bǔ)進(jìn)來(lái)的水太冷，鍋內(nèi)的熱水就會(huì)冷卻并縮小體積，從而引起水平面下降，即使繼續(xù)補(bǔ)的水更多一點(diǎn)也是如此。如果控制器的液位傳感器把沸水頂部的泡沫當(dāng)作水位，那問(wèn)題就可能更嚴(yán)重。當(dāng)進(jìn)水沖毀了泡沫時(shí)，會(huì)出現(xiàn)比正常更大的液位差，從而產(chǎn)生進(jìn)一步的動(dòng)蕩。
逆向變化
趨勢(shì)圖表顯示了這種“逆向響應(yīng)”現(xiàn)象。當(dāng)控制器提升控制效果，給爐體注入更多的水時(shí)，過(guò)程變量會(huì)發(fā)生先降低然后再開(kāi)始提高的現(xiàn)象。用學(xué)術(shù)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，一個(gè)具有逆向響應(yīng)特性的過(guò)程是一個(gè)“非最小相位（non-minimum phase）”。在鍋爐行業(yè)，這種現(xiàn)象被稱為“縮脹（shrink-swell）”現(xiàn)象。
逆向響應(yīng)誤導(dǎo)了控制器，使它相信過(guò)程變量在朝著錯(cuò)誤的方向變化。除非控制器知道過(guò)程變量會(huì)很快走回正規(guī)，一般情況下控制器會(huì)逆轉(zhuǎn)自己的方向。這能使過(guò)程變量在短時(shí)間內(nèi)顯示正常，但是最終將使其逆向變化，同時(shí)也迫使控制器再次逆轉(zhuǎn)自己的控制方向。這二者會(huì)繼續(xù)相互追趕，形成無(wú)限的振蕩過(guò)程。
控制器的耐心
幸運(yùn)的是，控制器可以被賦予等候暫時(shí)的逆向過(guò)程動(dòng)作結(jié)束的耐心。一個(gè)PID控制器就能達(dá)到這個(gè)目的，它通過(guò)調(diào)試給控制器設(shè)置一段空載時(shí)間，(請(qǐng)參閱“Dealing with Deadtime”，Control Engineering，2005年7月號(hào))。這樣可以使控制器的反應(yīng)速度慢到可以忽略暫時(shí)的逆向過(guò)程動(dòng)作的程度，但同時(shí)這也會(huì)延長(zhǎng)過(guò)程變量到達(dá)設(shè)定值的時(shí)間。
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