過程工業(yè)必須優(yōu)化調(diào)節(jié)和先進(jìn)控制，以確保在保證安全運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化。調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵因素。仔細(xì)地評(píng)估工廠并進(jìn)行控制回路的整定，一般可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
大多數(shù)控制回路由比例、積分、微分(PID)控制器來控制。工廠人員深入了解如何整定這些回路，就可以提高運(yùn)行質(zhì)量和效率，同時(shí)確保工廠的安全。此外，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是構(gòu)成先進(jìn)過程控制應(yīng)用的基礎(chǔ)，而且能夠進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)行。
除了維持安全運(yùn)行外，通過降低排放和能源消耗，提高設(shè)備的使用壽命，穩(wěn)定的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)可以為工廠增加收益。利用自動(dòng)診斷控制回路，可以降低手動(dòng)運(yùn)行的要求，節(jié)省人工時(shí)，提高產(chǎn)品的一致性。
控制回路基礎(chǔ)
在典型的控制回路中，必然會(huì)有一個(gè)受控參數(shù)，比如溫度或者壓力。該參數(shù)被稱之為過程參數(shù)(PV)。一般由傳感器測(cè)量過程參數(shù)，被測(cè)量的變量作為反饋回傳給閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器。
對(duì)過程變量的期望值，比如在溫度控制系統(tǒng)中的40℃，被稱之為設(shè)定參數(shù)(SV)。舉個(gè)例子，如果過程參數(shù)只有30℃，那么控制器就會(huì)動(dòng)作，調(diào)整其輸出值以增加溫度。
限值就是過程能夠安全、高效運(yùn)行的界限。比如，在某些工藝過程中，溫度達(dá)到42℃時(shí)，液體中的某種化合物就會(huì)被破壞。因此在整個(gè)過程中，溫度必須保持在該限值之下。但是，如果過程運(yùn)行在36℃以下，則比限值低的太多，就不能保證質(zhì)量，生產(chǎn)過程的效率也隨之降低。因此，控制過程變量(PV)的目標(biāo)就是在最小的波動(dòng)下，盡可能的將其與設(shè)定值靠近。當(dāng)波動(dòng)最小化時(shí)，設(shè)定值就可更加靠近限值，從而改善運(yùn)行。
PID控制器
PID控制器是過程工廠中最常用的控制器類型，在典型工廠中，超過95%以上的控制回路使用PID進(jìn)行控制。在提高質(zhì)量、能源利用效率和產(chǎn)能方面，常用的PID控制器是一個(gè)非常有效的工具。
在大多數(shù)運(yùn)行環(huán)境中，PID控制器都具有優(yōu)良的性能，可以以一種簡(jiǎn)單、直接的方式對(duì)其操控。PID可以是單體的，也可以是嵌入式的;可用于一個(gè)或多個(gè)控制回路。它們可以與順控邏輯和先進(jìn)控制功能結(jié)合使用，組成復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)。
PID運(yùn)算包括三個(gè)基本部分：比例、積分和微分。任何一個(gè)基本元素的設(shè)置都可改變，以期實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的響應(yīng)特性：在最小波動(dòng)的情況下，盡可能將過程值維持在設(shè)定值附近。每個(gè)基本元素都與某個(gè)任務(wù)相關(guān)，對(duì)控制回路有特殊的影響。
PID控制器接收來自傳感器的過程數(shù)據(jù)，確定過程測(cè)量值和期望設(shè)置值之間的偏差(誤差)。然后基于偏差，計(jì)算出期望的控制器輸出量或者操作量(MV)。操作量作用于最終控制元件(例如，蒸汽閥門)，從而影響過程，改變過程參數(shù)(見圖1)。
用于計(jì)算PID控制器整定參數(shù)的技術(shù)有很多種。大多數(shù)都是基于某個(gè)數(shù)學(xué)模型，該模型專門為最終控制對(duì)象、過程和測(cè)量的組合體開發(fā)。
描述控制器的模型就是PID的算法。如果能為過程(最終的控制元件，過程和測(cè)量)確定模型，那么就建立了整個(gè)控制回路的數(shù)學(xué)模型。在這一點(diǎn)上，控制器的整定就變成了控制器整定參數(shù)(比例、積分和微分)和過程模型參數(shù)的匹配，優(yōu)化上述三個(gè)PID常數(shù)，來實(shí)現(xiàn)期望的響應(yīng)特性。
在現(xiàn)實(shí)世界中，影響系統(tǒng)的并不僅僅只是控制器輸出信號(hào)。在環(huán)境中，經(jīng)常會(huì)有一些因素會(huì)導(dǎo)致偏移，比如環(huán)境噪音。一般稱之為擾動(dòng)。盡管在控制過程工藝時(shí)，必須考慮擾動(dòng)因素，但實(shí)際上，會(huì)有意識(shí)的引入臨時(shí)擾動(dòng)以啟動(dòng)控制器的整定。
PID控制器的整定
PID控制器的整定過程包括如下五個(gè)步驟：
1. 引入擾動(dòng)至控制回路;
2. 匹配所得結(jié)果與數(shù)學(xué)模型;
3.利用整定關(guān)系，計(jì)算控制器參數(shù);
4. 應(yīng)用新的比例、積分和微分參數(shù);
5.文檔記錄結(jié)果。
PID控制器整定的第一步包括：在回路中引入擾動(dòng)，產(chǎn)生新的控制器輸出(CO)。這稱之為階躍測(cè)試。引入控制回路的擾動(dòng)必須足夠大，過程參數(shù)能夠產(chǎn)生明顯的響應(yīng)，而且必須能夠?qū)⑵鋸南到y(tǒng)噪音中區(qū)分出來。不可測(cè)量的擾動(dòng)能夠損壞過程數(shù)據(jù)，所以能產(chǎn)生更大輸出的階躍會(huì)更好些(見圖2)。
圖2 階躍測(cè)試應(yīng)顯示輸入和控制器輸出變化之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。上圖顯示CO階躍變化導(dǎo)致PV值顯著變化。
自穩(wěn)定過程vs.非自穩(wěn)定過程
描述過程，使用多少模型類型都可以。但是在選擇模型前，必須首先確定過程是自穩(wěn)定類型還是非自穩(wěn)定。由于不同的過程需要不同的數(shù)學(xué)模型，所以這個(gè)測(cè)定對(duì)控制器的整定十分關(guān)鍵，。
因?yàn)檫^程有其內(nèi)在方法，通過過程參數(shù)整定來平衡控制器輸出量的變化，所以在控制器輸出引入變化后，只要輸出量和擾動(dòng)量保持穩(wěn)定，自穩(wěn)定過程最終會(huì)找到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。例如，在流量控制回路，如果一個(gè)閥門開度增加10%，流量會(huì)增加到一個(gè)新的數(shù)值并穩(wěn)定下來，直到閥門再一次移動(dòng)。大多數(shù)的過程是自穩(wěn)定類型的。
但是，在非自穩(wěn)定過程中，過程參數(shù)持續(xù)變化，直到輸出量恢復(fù)到初始位置。對(duì)非自穩(wěn)定過程，過程參數(shù)持續(xù)按照與控制器輸出變化量的關(guān)系，線性增加或降低。這就意味著非自穩(wěn)定過程很難控制。非自穩(wěn)定過程的一個(gè)例子就是改變水箱的液位。如果更多的流體流入水箱，液位就持續(xù)增加;如果更多的流體流出，液位則持續(xù)降低。
自穩(wěn)定過程的控制回路整定要比非自穩(wěn)定過程要簡(jiǎn)單一些。如果非自穩(wěn)定過程回路的整定不正確，很容易而且很快就會(huì)發(fā)生負(fù)面結(jié)果。在非自穩(wěn)過程中，引入輸出量的變化后，它很難達(dá)到新的平衡狀態(tài)，這很容易導(dǎo)致問題。比如，液體溢出或者流干，這可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備(泵)的損壞、環(huán)境的破壞、或者重大的安全事件。
自穩(wěn)定過程需要比例和積分(偶爾需要微分)控制模式，以實(shí)現(xiàn)良好的控制性能。盡管命名上比較類似，但是非自穩(wěn)定過程對(duì)積分模式的依賴要少的多。不同的過程模型需要不同的整定規(guī)則。
使用建模
階躍測(cè)試完成后，相關(guān)的過程類型就確定了，下一步就是模型和數(shù)據(jù)的匹配。建模是理解過程數(shù)據(jù)最好的途徑之一。一般情況下，一階加純滯后(FOPDT)動(dòng)態(tài)模型就足以描述過程響應(yīng)，計(jì)算出最佳的整定參數(shù)。
在這個(gè)模型中，過程參數(shù)是被測(cè)的過程變量，輸出信號(hào)是被控變量。FOPDT模型很簡(jiǎn)單(低階、線性)，只是近似的描述了真實(shí)過程，可以由下面的公式描述：
集總參數(shù)過程模型
集總參數(shù)模型是一個(gè)FOPDT模型。該模型利用簡(jiǎn)單的線性公式描述過程響應(yīng)，該公式包含三個(gè)參數(shù)：增益(Kp)，時(shí)間常數(shù)(tp )，和死區(qū)時(shí)間 (0p )。對(duì)于集總參數(shù)模型，根據(jù)過程控制回路的特性：自穩(wěn)定過程(流量，溫度等)和非自穩(wěn)定過程(液位)，需要兩種不同類型的模型。
因?yàn)榉亲苑€(wěn)定過程更難控制，必須使用不同的模型來描述這個(gè)過程，可以用以下公式來描述：
調(diào)節(jié)相互關(guān)系
有很多種調(diào)節(jié)相互關(guān)系的方法，可用于計(jì)算PID參數(shù)整定。
Ziegler-Nichols 和 Cohen-Coon是最流行的兩種計(jì)算參數(shù)整定的方法。這兩種技術(shù)強(qiáng)調(diào)響應(yīng)的速度。內(nèi)部模型控制(IMC)，也被稱為“Lambda法則”，提供了一種替代方法，該方法可以平衡響應(yīng)速度和控制器穩(wěn)定性，或稱之為魯棒性之間的關(guān)系。IMC調(diào)節(jié)可用于線性和非線性過程，它的FOPDT響應(yīng)要比其它技術(shù)的響應(yīng)要平滑的多。
IMC調(diào)節(jié)基于這樣一個(gè)概念：使用精確的過程模型，可以實(shí)現(xiàn)理想的控制。但是，由于外部干擾會(huì)影響過程，導(dǎo)致模型和實(shí)際過程之間的不匹配，會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。結(jié)果就是，在其它模型多有錯(cuò)誤發(fā)生的高頻領(lǐng)域，IMC的設(shè)計(jì)中有用于補(bǔ)償擾動(dòng)和模型誤差的方法，包括濾波和補(bǔ)償器。
和其它整定過程一樣，必須對(duì)IMC進(jìn)行階躍測(cè)試來確定其過程特性。確定完集總參數(shù)過程模型后，必須為控制回路選擇期望的閉環(huán)回路時(shí)間常數(shù)(tCLtaucl )。
如果閉環(huán)回路時(shí)間常數(shù)太大，控制回路就比較慢。因此，較小的值(tCL)對(duì)應(yīng)較快的控制回路。但是如果設(shè)定的閉環(huán)控制回路時(shí)間常數(shù)(tCL)比FOPDT過程的時(shí)間常數(shù)(tp)小，那么IMC就會(huì)喪失其調(diào)節(jié)優(yōu)勢(shì)。
一般情況下，tCL值應(yīng)設(shè)定為tp 值的1到3倍。很多情況下，將tCL設(shè)定為 3 倍的 tp是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制回路的最佳選擇。因此，在確定FOPDT過程模型后，IMC技術(shù)只有一個(gè)可整定參數(shù)：閉環(huán)時(shí)間常數(shù)。通過改變閉環(huán)時(shí)間常數(shù)，控制器速度可以變得更快或更慢。
由于控制器的積分時(shí)間被設(shè)置為和過程時(shí)間常數(shù)相等，IMC有一個(gè)缺陷。 如果過程時(shí)間常數(shù)較長(zhǎng)，則意味著控制器的積分時(shí)間也比較長(zhǎng)—長(zhǎng)的積分時(shí)間會(huì)導(dǎo)致從擾動(dòng)中恢復(fù)的時(shí)間比較長(zhǎng)。
正確整定PID控制器，不是一個(gè)簡(jiǎn)單的過程，但是它是提高過程產(chǎn)量、質(zhì)量和安全性的最好的方法之一。通過改進(jìn)PID整定，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，可以安全的將設(shè)定值設(shè)定在限值附近，同時(shí)降低過程值的波動(dòng)，從而減少過程的低效率。
然而，采集數(shù)據(jù)和執(zhí)行所有的數(shù)學(xué)模型，可能非常困難而且是耗時(shí)的。幸運(yùn)的是，先進(jìn)的軟件能夠簡(jiǎn)化PID整定，降低可能發(fā)生的錯(cuò)誤。
不管PID回路的整定是手動(dòng)，還是借助于回路整定軟件，每個(gè)控制回路性能提升都會(huì)帶來整個(gè)過程工廠整體性能的巨大改進(jìn)。
（轉(zhuǎn)載）
