在自動(dòng)化實(shí)施中，控制工程師需要掌握增加回路整定性能和可靠性的最佳實(shí)踐，包括提高效率、控制器增益以及了解回路交互等。

控制工程師經(jīng)常會(huì)面臨對(duì)回路整定的質(zhì)疑和擔(dān)憂。對(duì)此通常沒(méi)有現(xiàn)成答案，除非時(shí)間寬?？梢赃M(jìn)行分步測(cè)試或研究回路過(guò)往的調(diào)試記錄。

利用以下準(zhǔn)則，控制工程師可以判斷回路整定是否合適，或者如果它是造成性能問(wèn)題的根本原因，那么就應(yīng)制定或建議適當(dāng)?shù)淖兏?/p>

01不要在流量回路上浪費(fèi)時(shí)間。將調(diào)節(jié)設(shè)置為0.25/0.25/0.0，然后進(jìn)行下一步工作。花費(fèi)更多時(shí)間通常沒(méi)有太大意義的，因?yàn)檫^(guò)程增益通常會(huì)隨閥門位置的不同而變化。

相對(duì)較小的增益（總的理想流量控制器增益為1.0）反映在閥門開(kāi)度較小時(shí)的操作，通常此時(shí)的實(shí)際流量響應(yīng)最大。閥門開(kāi)度較大時(shí)，較短的積分時(shí)間就可以彌補(bǔ)差異，通常在幾分鐘內(nèi)就可以將流量增加到設(shè)定值點(diǎn)，這通常比調(diào)節(jié)過(guò)程的其余部分要快得多。

當(dāng)在過(guò)程環(huán)境中需要及時(shí)調(diào)節(jié)任何回路時(shí)，同時(shí)將控制的不穩(wěn)定性降低到最小時(shí)，這通常是最應(yīng)該考慮的因素。大而慢的閥門，可能需要更長(zhǎng)的復(fù)位時(shí)間；偶爾有些回路可能需要更小的增益，特別是如果它們?cè)陂y門開(kāi)度非常小的工況下運(yùn)行。

02

不要在液位回路上浪費(fèi)時(shí)間。將調(diào)節(jié)設(shè)置為1.0/響應(yīng)時(shí)間/0.0，然后進(jìn)行下一步工作。在液位控制環(huán)境下，響應(yīng)時(shí)間是在沒(méi)有任何控制響應(yīng)的情況下應(yīng)干擾的平均時(shí)間，從設(shè)定點(diǎn)（通常為50％）開(kāi)始，到完成填充（或清空）所需花費(fèi)的大致時(shí)間。例如，煉油工藝典型的響應(yīng)時(shí)間為：小水箱1到3分鐘，桶5到15分鐘，大水箱30到60分鐘（或更長(zhǎng)）。如果發(fā)生嚴(yán)重干擾、溢出、或者未填充滿可能會(huì)造成嚴(yán)重后果，則需使用較大的增益而不是較小的積分時(shí)間（液位回路上的過(guò)度積分作用是造成過(guò)程振蕩的最常見(jiàn)原因）。液位回路增益很少有超過(guò)2.0的。無(wú)論液位是否為級(jí)聯(lián)流動(dòng)，此液位調(diào)節(jié)指南均適用。

Level是一個(gè)積分器，通常是非線性的，因此比例控制可提供最可靠的長(zhǎng)期整體性能。在基于模型的控制下，有幾種常見(jiàn)的替代策略，例如偏差增益、喘振控制調(diào)節(jié)和水箱庫(kù)存的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。但是，這些方法都沒(méi)有增加價(jià)值或提高可靠性。

03

不要在溫度、壓力、組份等方面浪費(fèi)時(shí)間，除非它們已經(jīng)與流量（有時(shí)是壓力）級(jí)聯(lián)。如果沒(méi)有級(jí)聯(lián)，實(shí)施級(jí)聯(lián)是下一個(gè)最佳步驟。級(jí)聯(lián)將線性化過(guò)程響應(yīng)，從而在整個(gè)操作量程內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳可靠調(diào)節(jié)。在沒(méi)有流量計(jì)的情況下，可以根據(jù)閥門特性來(lái)表征控制器輸出；然而，這種技術(shù)帶來(lái)了一些不確定性和漏洞，是次優(yōu)的選項(xiàng)。

04

在壓力、溫度和組份回路上投入時(shí)間，使其與流量（有時(shí)是壓力）級(jí)聯(lián)。除了線性化過(guò)程響應(yīng)之外，級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)允許從兩個(gè)或多個(gè)運(yùn)行點(diǎn)處的過(guò)程數(shù)據(jù)精確地確定回路增益。

05

由于工藝條件可能會(huì)發(fā)生變化，將增益設(shè)置為所觀察到的增益值的1/2到3/4，以保持長(zhǎng)期穩(wěn)定和可靠的性能，由于種種原因，可以預(yù)見(jiàn)這種情況會(huì)發(fā)生在大多數(shù)回路中。將積分設(shè)置為等于過(guò)程響應(yīng)時(shí)間，該過(guò)程響應(yīng)時(shí)間通過(guò)使用分步測(cè)試、過(guò)程體驗(yàn)或歷史數(shù)據(jù)偏差來(lái)確定。與傳統(tǒng)的誤差最小化或1/4幅度衰減標(biāo)準(zhǔn)（例如Zeigler-Nichols）的建議相比，略小的增益和更長(zhǎng)的積分時(shí)間具有顯著的長(zhǎng)期性能優(yōu)勢(shì)，直到超出過(guò)程時(shí)間限制為止。

06

不要使用微分。微分是一種通過(guò)使用更大增益和復(fù)位來(lái)減少總誤差的方法，然后依靠微分來(lái)制動(dòng)。這就像加速，然后在接近停車標(biāo)志時(shí)剎車，以便更快的到達(dá)目的地。在大多數(shù)工業(yè)過(guò)程控制應(yīng)用中，都需要考慮過(guò)程速度限制，最小化過(guò)沖和振蕩以及始終保護(hù)過(guò)程穩(wěn)定性時(shí)，微分作用是不合適的。

許多現(xiàn)代調(diào)節(jié)軟件包經(jīng)常推薦將微分設(shè)置為非零，這是一種缺乏經(jīng)驗(yàn)的表現(xiàn)。基于模型的多變量控制算法在實(shí)現(xiàn)“誤差最小化”或“利潤(rùn)最大化”方面所做的一樣，但是正如在單回路控制中一樣，通常需要放棄激進(jìn)的調(diào)節(jié)以提供長(zhǎng)期可靠的性能。除了傳統(tǒng)的由于變送器導(dǎo)致的噪聲或不穩(wěn)定性引起的大微分突變的問(wèn)題之外，這也是需要注意的事項(xiàng)。

07

控制器增益嚴(yán)重依賴于量程。例如，壓力控制器的量程為每平方英寸0到1000PSIG（使用現(xiàn)代智能變送器），需要的增益比量程范圍為900到1000PSIG的同一控制器大10倍（在過(guò)去的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常使用類似的回路，在實(shí)際運(yùn)行區(qū)間具有更高的準(zhǔn)確度），以對(duì)給定誤差提供相同的控制響應(yīng)。如果不理解這種差異，就不愿意接受更大但功能相同的增益值。一般來(lái)講，對(duì)于大量程的溫度和壓力控制器，每100至200單位量程的增益通常為1.0。

08

了解回路交互。當(dāng)一個(gè)回路的動(dòng)作強(qiáng)烈影響其它回路時(shí)，用戶需決定哪個(gè)回路應(yīng)該正常整定，哪個(gè)需要減少增益和增加重置時(shí)間。這樣做，從技術(shù)上需要使用諸如“解耦”之類的方法，并且需要改變過(guò)程增益的現(xiàn)實(shí)，會(huì)破壞任何此類回路，因此通常沒(méi)有實(shí)際的可靠選擇來(lái)調(diào)節(jié)一組交互回路中的所有回路以獲得及時(shí)響應(yīng)。

交互回路的速度要求與傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)規(guī)則具有相似的基礎(chǔ)。例如，次級(jí)回路應(yīng)該失諧至比主回路（高優(yōu)先級(jí)）至少慢3到5倍。在多變量控制中，這一基本規(guī)則一直被忽視。這經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致性能不穩(wěn)定并最終導(dǎo)致性能下降，除非涉及到的所有模型保持高度準(zhǔn)確，這幾乎不現(xiàn)實(shí)。

09

當(dāng)需要嚴(yán)密控制時(shí)，大膽增加增益并謹(jǐn)慎復(fù)位。有一種觀點(diǎn)，太大的增益可能會(huì)導(dǎo)致震蕩，并且由于重置是以時(shí)間為單位，較短的設(shè)置可能會(huì)帶來(lái)更快的控制。實(shí)際上，比例控制動(dòng)作是瞬時(shí)的，過(guò)多的復(fù)位，特別是在與太小的增益相結(jié)合時(shí)，是過(guò)程振蕩的最常見(jiàn)原因。因此，在需要更嚴(yán)格控制的情況下，使用更大的增益（直到實(shí)際平均過(guò)程增益的極限）并更準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)積分（注意不要使其小于實(shí)際過(guò)程響應(yīng)時(shí)間）。

01了解何時(shí)使用以及不使用前饋。當(dāng)對(duì)主要干擾有了充分的理解，當(dāng)模型（增益、響應(yīng)時(shí)間和死區(qū)時(shí)間）由于任何原因未能及時(shí)發(fā)生顯著變化，并且需要確保避免達(dá)到硬過(guò)程限制或者獲得更多收益或避免巨額虧損時(shí)，前饋可能是有利的。

如果不滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，特別是如果無(wú)法準(zhǔn)確的知道模型動(dòng)態(tài)（響應(yīng)時(shí)間和死區(qū)時(shí)間），則應(yīng)避免使用前饋。每個(gè)前饋模型都需要工程實(shí)施、可靠性和維護(hù)成本，在基于模型的多變量控制中批量使用前饋時(shí)已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)。成功的回路整定，意味著最小化返工、失諧、重新調(diào)節(jié)、重新建模等。在理解傳統(tǒng)的單回路整定工具和方法（如Ziegler-Nichols）時(shí)，同樣依賴于對(duì)過(guò)程操作性能標(biāo)準(zhǔn)的理解。當(dāng)忽略過(guò)程操作視角時(shí)，回路整定通常會(huì)在返工周期中被重視（參見(jiàn)圖1），而不是在實(shí)際所需的階段實(shí)施。

圖1：現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常提高回路整定工作的優(yōu)先級(jí)，并分配大量的財(cái)務(wù)和人力資源，以補(bǔ)救諸如手動(dòng)回路、頻繁應(yīng)用回路整定來(lái)處理擾動(dòng)或停機(jī)所帶來(lái)的影響，以利用最新的、最有希望的工具和技術(shù)，“重新設(shè)計(jì)”降級(jí)的多變量控制器等。不幸的是，從過(guò)程操作的角度來(lái)看，重要的因素往往被忽視。圖片來(lái)源：APCPerformanceLLC

另一個(gè)重要的方面是，基于模型的控制調(diào)節(jié)所需注意的影響事項(xiàng)，與傳統(tǒng)回路整定類似，例如可變過(guò)程增益的影響、交互的影響、前饋的自由裁量權(quán)以及利用強(qiáng)大的調(diào)節(jié)來(lái)最大化過(guò)程可靠性。

最初，人們認(rèn)為基于模型的控制超越了大部分問(wèn)題，但是性能下降、模型維護(hù)和生命周期短等經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)揭示了這些原則如何仍然適用。使用這些回路整定技巧可以幫助打破返工周期，提高成功率，并為大多數(shù)回路帶來(lái)多年可靠的免維護(hù)過(guò)程控制性能。

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