冯少辉谈自动控制回路整定优化流程

类型分类：: 科普知识

数据分类：: 单相导轨开关电源

冯少辉谈自动控制回路整定优化流程

发布日期：2022-07-16 点击率：47

控制回路整定优化指改善控制回路的性能，以从中获得最佳性能。控制回路整定优化往往采用试凑法进行，但这通常是无效的，并且很少能获得真正的最佳回路性能。通过遵循最佳实践，可以系统且有效的进行控制回路整定优化。

1、了解您的过程
看起来显而易见根本不需要特别指出，但是人们往往很想通过整定PID参数来解决控制问题，而不考虑更广泛的过程。过程知识可提供有关控制目标、要使用的整定规则、要执行的诊断测试以及进行整定的过程条件的指导。有关过程需要知道的信息包括：过程类型(自衡对象或积分对象)、纯滞后时间和时间常数的比、过程增益或动态特性是否会在不同的操作条件下发生变化、所使用的最终控制元件的类型及其特性、过程的干扰以及是否可测、过程变量超调或者快速变化的调节器输出可能会产生的负面影响。

2、确定控制目标
确定控制目标需考虑以下几点：
①回路应快速执行还是缓慢执行？
②超调是否可以容忍？
③PID调节器输出是否可以尽可能变化？
④调节器设定值是否经常变化？
⑤回路是否必须克服过程干扰？

控制目标将决定要使用的PID参数整定方法的类型。控制目标可以是快速的设定值跟踪或快速的干扰消除、过程变量零超调、对设定值变化的特定过程响应、最小调节器输出变化以及调节器输出没有超调。例如：缓冲罐液位回路应该整定以最大程度地减少调节器输出变化，同时将液位保持在规定的范围内。

3、检查控制策略
借助工艺管道仪表流程图检查控制策略设计。设计是否支持以上确定的控制目标？是否需要并正确应用串级、前馈、比值和其他控制策略？有耦合控制回路吗？如果是这样，如何处理？在干扰，非线性和其他细微差别的广泛过程中，控制策略应支持控制目标。例如：如果实际需要比值控制，那么简单的反馈控制回路将做的很糟糕。仅当副回路比主回路快得多时，才应使用串级控制。干扰除直接影响通过最终控制元件的流量(需要串级控制)外，应使用前馈控制来补偿。如果检查正确，控制策略有助于控制回路的稳定性和响应性。反之，情况则相反。

4、现场检查
检查过程设备的尺寸和布局，以及仪表和最终控制元件(例如调节阀、挡板或调速泵)的状况和位置。需要确认一切状况都良好且位于正确的位置。通过设备的大小，能够大致了解该过程对调节器输出变化的响应速度有多快。这些知识将有助于阶跃测试。

5、检查测量设备
确保过程测量满足需求。变送器的量程是否合适？这是针对当前条件的最佳传感技术吗？设备安装正确吗？

6、评估滤波的使用
检查是否正在使用变送器阻尼或过程变量滤波。如果需要，应在控制系统中进行滤波，以简化其整定并方便更换变送器，而不必担心设备本身的滤波。检查过程变量的时间趋势，并确定是否需要滤波以及需要多少滤波。如果使用过程变量滤波器，则应检查其时间常数，以确保其设置适当且显著小于主要过程时间常数。

7、测试最终控制元件
最终控制元件工作不正常会损害控制回路性能，并会否定正确的调节器PID参数整定方法。典型的问题包括死区、静摩擦、非线性流动曲线和定位器问题。这些问题可能看起来与整定问题非常相似，如果问题出在控制阀上，那么一个不了解情况的整定人员可能会花费很多时间进行徒劳的整定。在尝试进行任何整定之前，应进行一些简单的过程测试以检测和诊断最终控制元件问题。为了获得最佳控制性能，必须解决这些问题。同样，最终的控制元件问题可能会严重影响测试结果，并导致计算出完全不正确的整定参数。

8、查看PID调节器配置
调节器提供了多种选择，可以针对各种情况优化其性能。即使操作员突然修改设定值，也可以在内部对设定值进行爬坡调整或滤波以获得平滑的控制响应。设定值更改也可以与比例和微分控制模式无关。外部积分反馈可防止在不利条件下出现积分饱和，并且变化率约束可保护下游的敏感设备。在整定调节器之前，请检查调节器PID控制算法和可配置的调节器选项。

9、选择合适的整定方法
与普遍的看法相反，调节器PID参数整定是科学而不是艺术。可以根据控制目标、过程特性和适当的整定规则快速而准确地完成回路整定。可以通过在PID调节器输出中进行阶跃变化并从所得到的过程响应中进行测量来确定过程特性。尽管试凑法整定很流行，但它只能作为不得已的手段使用，例如处理过程非常易变，以致无法获得可用的阶跃测试数据。作为根据阶跃测试结果手动计算整定参数的替代方法，回路整定软件提供了许多有用的功能，例如过程特征的辨识、针对不同整定目标产生整定参数、提供预期回路响应的仿真、分析控制回路的鲁棒性以及更多。但是，整定软件只是一种工具，擅长使用阶跃测试数据和整定规则手动整定调节器的人可能也会发现整定软件很难使用。

10、通过多次阶跃测试进行模型辨识
模拟可以是100%可重复的，但实际过程却并非如此。过程干扰、相互耦合的控制回路、非线性和运行条件都会影响过程特性。如果由于某种原因过程响应不正常，则仅一步测试进行的整定可能会导致整定设置不佳。必须进行多步测试，以获得过程特征的“平均”测量值，并了解它们在正常条件下会发生多少变化。

11、适应非线性和变化的过程特征
安装的最终控制元件的流量特性通常不是线性的。此外，许多工艺的特性会在不同的工艺条件(产量、使用中的设备、催化剂浓度、pH等)下发生变化。控制阀和挡板可能必须使用定位器进行线性化，并且变化的过程特性可能需要持续整定调节制器PID参数(称为增益调度或自适应整定)。

12、验证并测试新值
将新计算出的调节器设置与调节器中的设置进行比较，并确保数字上的任何较大差异都是合理且恰当的。实施并测试新的调节器设置。确保整定调节器与所控制的过程动态协调一致，并满足回路的总体控制目标。首先，让回路稳定下来并评估其在稳定条件下的性能。它会振荡吗？PID调节器输出是否变化太多？如果回路应响应设定值更改，请进行设定值更改，并查找是否有不必要的超调、振荡或PID调节器输出变化过多等。如果回路用于克服干扰，则将调节器短暂地置于手动状态，将输出更改几个百分点，然后立即将控制器置于自动状态，这模拟了干扰。再次，检查是否有不必要的超调、振荡，控制器输出变化过多。整定后几天，请定期监视调节器的性能，以验证在不同过程条件下的性能提升。

13、保留记录
记下以前的PID调节器设置，新设置以及更改日期和时间。应保留对控制回路的所有更改的电子或纸质日志。将先前的调节器设置留给操作员，以防操作员想恢复到原来的设置而找不到您。如果新设置不起作用，则您可能错过了上述流程的一步或多步工作。

如果遵循这些做法(包括维修故障设备和更改控制策略)无法满足所需的控制目标，则可以将模型预测控制作为一种可能的解决方案进行研究。最后的，也许是最昂贵的选择是修改工艺设备，但这很少需要。在大多数情况下，上述控制回路整定优化流程都能解决控制回路存在的问题。
作者：冯少辉博士(现从事先进控制工作，有一线十几年工作经历，真正理论联系实际的过程控制专家)

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