过程控制入门（7）| 控制回路优化最佳实践

控制回路整定优化是指根据所用PID算法、开环过程特性和期望闭环响应速度来确定PID参数的过程。控制回路整定优化能改善控制回路的性能，实现装置更安全、更高效地运行。很多工程师往往采用试凑法进行控制回路整定优化，但试凑法效率很低，并且很少能获得真正的最优性能。虽然PID参数整定非常重要，但是PID参数整定只是控制回路优化过程中的一部分工作。通过遵循斯穆茨博士提出的控制回路优化最佳实践，可以系统且有效地进行控制回路整定优化。

了解过程

人们往往很想通过PID参数整定来解决所有过程控制问题，而不考虑更广泛的工艺和设备改造。因为过程控制问题的根源可能在工艺或设备，所以实际上PID参数整定甚至包括控制方案设计仍不能解决所有问题。过程知识可提供有关控制目标、闭环响应速度、要执行的诊断测试以及进行整定的过程条件的指导。

确定控制目标

需考虑以下几点：控制目标将决定λ的选择。控制目标可以是快速的设定值跟踪或干扰抑制、设定值阶跃响应无超调、对设定值阶跃变化的特定过程响应、最小控制器输出变化以及控制器输出没有超调等。

检查控制策略

检查控制策略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、超驰、分程、阀位等复杂控制策略？有耦合控制回路吗？如果是这样，如何处理？在干扰、非线性等千差万别的广泛过程中，控制策略应支持控制目标。即使使用一样的变量但是需求和条件不同可能有完全不同的控制策略。判断控制策略是否合理是控制回路优化的关键步骤。

现场检查

检查过程设备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安装正确。确保过程测量满足需求。

评估滤波的使用

检查是否正在使用变送器或过程变量滤波。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。有时候滤波时间可以设置的比较大，判断滤波时间是否太大的准则是：使用滤波后是否可以使用更强的PID参数。如果滤波时间很大同时PID参数还是不能改善，则可能是传感器或者控制方案有问题。

测试最终控制元件

最终控制元件工作不正常会根本性损害控制回路性能，并可能影响对Lambda整定方法的信心。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。

查看控制器配置

控制器提供了多种选择，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。采用比例和微分先行，则设定值阶跃变化与比例和微分控制模式无关。在整定控制器之前，请检查控制器算法和选项。

选择合适的λ

与普遍的看法相反，PID参数整定是科学而不是艺术。通过在控制器输出中进行阶跃变化，并从所得到的过程响应曲线中进行测量来确定过程特性。再根据控制目标、过程特性和Lambda整定方法快速而准确地完成PID参数整定。尽管试凑法整定很流行，但它只能作为不得已的手段使用，例如过程非常易变，以致无法获得可用的阶跃响应曲线。

通过多次阶跃测试进行模型辨识

模拟仿真时都是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，则仅根据一次阶跃测试进行的整定可能会导致控制性能不佳。必须进行多次阶跃测试，以获得过程特性的“平均”测量值，并了解它们在正常条件下会发生多少变化。

适应非线性和变化的过程特性

安装的最终控制元件的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、设备、催化剂浓度、pH等）下发生变化。调节阀和挡板可能必须使用定位器进行线性化。变化的过程特性可能需要持续整定控制器参数。

验证并测试新值

将新计算出的PID控制器参数与已有参数进行比较，并确保参数的较大变化都合理且恰当。实施并测试新的PID控制器参数，确保整定的控制器与所控制的过程动态协调一致，并满足控制回路的总体控制目标。

控制器输出卡限

为了确保控制回路能安全运行，如有安全方面的限制可以进行控制器输出卡限。控制器输出卡限一般不是操作员的权限，频繁修改控制器输出卡限是控制方案或PID参数有问题的表现。

保留记录

记下以前的PID控制器参数、新参数以及更改的日期和时间。应保留所有控制回路更改的电子或纸质记录。将原来的PID控制器参数留给操作员，避免操作员想恢复到原来的参数时找不到。

如果新参数不起作用，则可能错过了上述控制回路整定优化流程的一步或多步工作。如果遵循这些做法无法实现期望的控制目标，则可以考虑将控制方案设计变更或者模型预测控制作为可能的解决方案进行研究。最后，最昂贵的选择是维修或更换工艺设备，但这一般很少需要。在大多数情况下，遵循上述流程就能解决控制回路存在的问题。“大多数控制问题实际上都是工艺问题”。如果工艺和设备有问题控制回路优化的努力也可能没有效果，“如果手动不行，自动也不行”。

来源：公众号仪表圈

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