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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 單相導軌開關電源

馮少輝談自動控制回路整定優化流程

發布日期：2022-07-16 點擊率：106

控制回路整定優化指改善控制回路的性能，以從中獲得最佳性能。控制回路整定優化往往采用試湊法進行，但這通常是無效的，并且很少能獲得真正的最佳回路性能。通過遵循最佳實踐，可以系統且有效的進行控制回路整定優化。

1、了解您的過程
看起來顯而易見根本不需要特別指出，但是人們往往很想通過整定PID參數來解決控制問題，而不考慮更廣泛的過程。過程知識可提供有關控制目標、要使用的整定規則、要執行的診斷測試以及進行整定的過程條件的指導。有關過程需要知道的信息包括：過程類型(自衡對象或積分對象)、純滯后時間和時間常數的比、過程增益或動態特性是否會在不同的操作條件下發生變化、所使用的最終控制元件的類型及其特性、過程的干擾以及是否可測、過程變量超調或者快速變化的調節器輸出可能會產生的負面影響。

2、確定控制目標
確定控制目標需考慮以下幾點：
①回路應快速執行還是緩慢執行？
②超調是否可以容忍？
③PID調節器輸出是否可以盡可能變化？
④調節器設定值是否經常變化？
⑤回路是否必須克服過程干擾？

控制目標將決定要使用的PID參數整定方法的類型。控制目標可以是快速的設定值跟蹤或快速的干擾消除、過程變量零超調、對設定值變化的特定過程響應、最小調節器輸出變化以及調節器輸出沒有超調。例如：緩沖罐液位回路應該整定以最大程度地減少調節器輸出變化，同時將液位保持在規定的范圍內。

3、檢查控制策略
借助工藝管道儀表流程圖檢查控制策略設計。設計是否支持以上確定的控制目標？是否需要并正確應用串級、前饋、比值和其他控制策略？有耦合控制回路嗎？如果是這樣，如何處理？在干擾，非線性和其他細微差別的廣泛過程中，控制策略應支持控制目標。例如：如果實際需要比值控制，那么簡單的反饋控制回路將做的很糟糕。僅當副回路比主回路快得多時，才應使用串級控制。干擾除直接影響通過最終控制元件的流量(需要串級控制)外，應使用前饋控制來補償。如果檢查正確，控制策略有助于控制回路的穩定性和響應性。反之，情況則相反。

4、現場檢查
檢查過程設備的尺寸和布局，以及儀表和最終控制元件(例如調節閥、擋板或調速泵)的狀況和位置。需要確認一切狀況都良好且位于正確的位置。通過設備的大小，能夠大致了解該過程對調節器輸出變化的響應速度有多快。這些知識將有助于階躍測試。

5、檢查測量設備
確保過程測量滿足需求。變送器的量程是否合適？這是針對當前條件的最佳傳感技術嗎？設備安裝正確嗎？

6、評估濾波的使用
檢查是否正在使用變送器阻尼或過程變量濾波。如果需要，應在控制系統中進行濾波，以簡化其整定并方便更換變送器，而不必擔心設備本身的濾波。檢查過程變量的時間趨勢，并確定是否需要濾波以及需要多少濾波。如果使用過程變量濾波器，則應檢查其時間常數，以確保其設置適當且顯著小于主要過程時間常數。

7、測試最終控制元件
最終控制元件工作不正常會損害控制回路性能，并會否定正確的調節器PID參數整定方法。典型的問題包括死區、靜摩擦、非線性流動曲線和定位器問題。這些問題可能看起來與整定問題非常相似，如果問題出在控制閥上，那么一個不了解情況的整定人員可能會花費很多時間進行徒勞的整定。在嘗試進行任何整定之前，應進行一些簡單的過程測試以檢測和診斷最終控制元件問題。為了獲得最佳控制性能，必須解決這些問題。同樣，最終的控制元件問題可能會嚴重影響測試結果，并導致計算出完全不正確的整定參數。

8、查看PID調節器配置
調節器提供了多種選擇，可以針對各種情況優化其性能。即使操作員突然修改設定值，也可以在內部對設定值進行爬坡調整或濾波以獲得平滑的控制響應。設定值更改也可以與比例和微分控制模式無關。外部積分反饋可防止在不利條件下出現積分飽和，并且變化率約束可保護下游的敏感設備。在整定調節器之前，請檢查調節器PID控制算法和可配置的調節器選項。

9、選擇合適的整定方法
與普遍的看法相反，調節器PID參數整定是科學而不是藝術。可以根據控制目標、過程特性和適當的整定規則快速而準確地完成回路整定。可以通過在PID調節器輸出中進行階躍變化并從所得到的過程響應中進行測量來確定過程特性。盡管試湊法整定很流行，但它只能作為不得已的手段使用，例如處理過程非常易變，以致無法獲得可用的階躍測試數據。作為根據階躍測試結果手動計算整定參數的替代方法，回路整定軟件提供了許多有用的功能，例如過程特征的辨識、針對不同整定目標產生整定參數、提供預期回路響應的仿真、分析控制回路的魯棒性以及更多。但是，整定軟件只是一種工具，擅長使用階躍測試數據和整定規則手動整定調節器的人可能也會發現整定軟件很難使用。

10、通過多次階躍測試進行模型辨識
模擬可以是100%可重復的，但實際過程卻并非如此。過程干擾、相互耦合的控制回路、非線性和運行條件都會影響過程特性。如果由于某種原因過程響應不正常，則僅一步測試進行的整定可能會導致整定設置不佳。必須進行多步測試，以獲得過程特征的“平均”測量值，并了解它們在正常條件下會發生多少變化。

11、適應非線性和變化的過程特征
安裝的最終控制元件的流量特性通常不是線性的。此外，許多工藝的特性會在不同的工藝條件(產量、使用中的設備、催化劑濃度、pH等)下發生變化。控制閥和擋板可能必須使用定位器進行線性化，并且變化的過程特性可能需要持續整定調節制器PID參數(稱為增益調度或自適應整定)。

12、驗證并測試新值
將新計算出的調節器設置與調節器中的設置進行比較，并確保數字上的任何較大差異都是合理且恰當的。實施并測試新的調節器設置。確保整定調節器與所控制的過程動態協調一致，并滿足回路的總體控制目標。首先，讓回路穩定下來并評估其在穩定條件下的性能。它會振蕩嗎？PID調節器輸出是否變化太多？如果回路應響應設定值更改，請進行設定值更改，并查找是否有不必要的超調、振蕩或PID調節器輸出變化過多等。如果回路用于克服干擾，則將調節器短暫地置于手動狀態，將輸出更改幾個百分點，然后立即將控制器置于自動狀態，這模擬了干擾。再次，檢查是否有不必要的超調、振蕩，控制器輸出變化過多。整定后幾天，請定期監視調節器的性能，以驗證在不同過程條件下的性能提升。

13、保留記錄
記下以前的PID調節器設置，新設置以及更改日期和時間。應保留對控制回路的所有更改的電子或紙質日志。將先前的調節器設置留給操作員，以防操作員想恢復到原來的設置而找不到您。如果新設置不起作用，則您可能錯過了上述流程的一步或多步工作。

如果遵循這些做法(包括維修故障設備和更改控制策略)無法滿足所需的控制目標，則可以將模型預測控制作為一種可能的解決方案進行研究。最后的，也許是最昂貴的選擇是修改工藝設備，但這很少需要。在大多數情況下，上述控制回路整定優化流程都能解決控制回路存在的問題。
作者：馮少輝博士(現從事先進控制工作，有一線十幾年工作經歷，真正理論聯系實際的過程控制專家)

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