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牛人总结:控制工程师必备的10个回路整定技巧

来源:控制工程网2019.08.02阅读 2299

  控制工程师经常会面临对回路整定的质疑和担忧。对此通常没有现成答案www.cechina.cn,除非时间宽裕可以进行分步测试或研究回路过往的调试记录。
  利用以下准则,控制工程师可以判断回路整定是否合适,或者如果它是造成性能问题的根本原因,那么就应制定或建议适当的变更。
  1.不要在流量回路上浪费时间。将调节设置为0.25/0.25/0.0,然后进行下一步工作。花费更多时间通常没有太大意义的,因为过程增益通常会随阀门位置的不同而变化。
  相对较小的增益(总的理想流量控制器增益为1.0)反映在阀门开度较小时的操作,通常此时的实际流量响应最大。阀门开度较大时,较短的积分时间就可以弥补差异,通常在几分钟内就可以将流量增加到设定值点,这通常比调节过程的其余部分要快得多。
  当在过程环境中需要及时调节任何回路时,同时将控制的不稳定性降低到最小时,这通常是最应该考虑的因素。大而慢的阀门,可能需要更长的复位时间;偶尔有些回路可能需要更小的增益,特别是如果它们在阀门开度非常小的工况下运行。
  2.不要在液位回路上浪费时间。将调节设置为1.0/响应时间/0.0,然后进行下一步工作。在液位控制环境下,响应时间是在没有任何控制响应的情况下应干扰的平均时间,从设定点(通常为50%)开始控制工程网版权所有,到完成填充(或清空)所需花费的大致时间。例如,炼油工艺典型的响应时间为:小水箱1到3分钟,桶5到15分钟,大水箱30到60分钟(或更长)。
  如果发生严重干扰、溢出、或者未填充满可能会造成严重后果,则需使用较大的增益而不是较小的积分时间(液位回路上的过度积分作用是造成过程振荡的最常见原因)。液位回路增益很少有超过2.0的。无论液位是否为级联流动,此液位调节指南均适用。
  Level是一个积分器,通常是非线性的,因此比例控制可提供最可靠的长期整体性能。在基于模型的控制下,有几种常见的替代策略,例如偏差增益、喘振控制调节和水箱库存的动态优化。但是,这些方法都没有增加价值或提高可靠性。
  3.不要在温度、压力、组份等方面浪费时间,除非它们已经与流量(有时是压力)级联。如果没有级联控制工程网版权所有,实施级联是下一个最佳步骤。级联将线性化过程响应,从而在整个操作量程内实现最佳可靠调节。在没有流量计的情况下,可以根据阀门特性来表征控制器输出;然而,这种技术带来了一些不确定性和漏洞,是次优的选项。
  4.在压力、温度和组份回路上投入时间,使其与流量(有时是压力)级联。除了线性化过程响应之外,级联结构允许从两个或多个运行点处的过程数据精确地确定回路增益。
  5.由于工艺条件可能会发生变化控制工程网版权所有,将增益设置为所观察到的增益值的1/2到3/4,以保持长期稳定和可靠的性能,由于种种原因,可以预见这种情况会发生在大多数回路中。将积分设置为等于过程响应时间,该过程响应时间通过使用分步测试、过程体验或历史数据偏差来确定。与传统的误差最小化或1/4幅度衰减标准(例如Zeigler-Nichols)的建议相比,略小的增益和更长的积分时间具有显着的长期性能优势,直到超出过程时间限制为止。
  6.不要使用微分。微分是一种通过使用更大增益和复位来减少总误差的方法,然后依靠微分来制动。这就像加速,然后在接近停车标志时刹车,以便更快的到达目的地。在大多数工业过程控制应用中,都需要考虑过程速度限制,最小化过冲和振荡以及始终保护过程稳定性时,微分作用是不合适的。
  许多现代调节软件包经常推荐将微分设置为非零,这是一种缺乏经验的表现。基于模型的多变量控制算法在实现“误差最小化”或“利润最大化”方面所做的一样,但是正如在单回路控制中一样,通常需要放弃激进的调节以提供长期可靠的性能。除了传统的由于变送器导致的噪声或不稳定性引起的大微分突变的问题之外,这也是需要注意的事项。
  7.控制器增益严重依赖于量程。例如,压力控制器的量程为每平方英寸0到1000 PSIG(使用现代智能变送器),需要的增益比量程范围为900到1000 PSIG的同一控制器大10倍(在过去的设计中,经常使用类似的回路,在实际运行区间具有更高的准确度),以对给定误差提供相同的控制响应。如果不理解这种差异,就不愿意接受更大但功能相同的增益值。一般来讲,对于大量程的温度和压力控制器,每100至200单位量程的增益通常为1.0。
  8.了解回路交互。当一个回路的动作强烈影响其它回路时,用户需决定哪个回路应该正常整定,哪个需要减少增益和增加重置时间。这样做,从技术上需要使用诸如“解耦”之类的方法,并且需要改变过程增益的现实www.cechina.cn,会破坏任何此类回路,因此通常没有实际的可靠选择来调节一组交互回路中的所有回路以获得及时响应。
  交互回路的速度要求与传统的级联规则具有相似的基础。例如,次级回路应该失谐至比主回路(高优先级)至少慢3到5倍。在多变量控制中,这一基本规则一直被忽视。这经常会导致性能不稳定并最终导致性能下降,除非涉及到的所有模型保持高度准确,这几乎不现实。
  9.当需要严密控制时,大胆增加增益并谨慎复位。有一种观点,太大的增益可能会导致震荡,并且由于重置是以时间为单位,较短的设置可能会带来更快的控制。实际上,比例控制动作是瞬时的,过多的复位,特别是在与太小的增益相结合时,是过程振荡的最常见原因。因此,在需要更严格控制的情况下,使用更大的增益(直到实际平均过程增益的极限)并更准确地调节积分(注意不要使其小于实际过程响应时间)。
  10.了解何时使用以及不使用前馈。当对主要干扰有了充分的理解,当模型(增益、响应时间和死区时间)由于任何原因未能及时发生显着变化,并且需要确保避免达到硬过程限制或者获得更多收益或避免巨额亏损时,前馈可能是有利的。
  如果不满足这些标准,特别是如果无法准确的知道模型动态(响应时间和死区时间),则应避免使用前馈。每个前馈模型都需要工程实施、可靠性和维护成本,在基于模型的多变量控制中批量使用前馈时已经强调了这一点。
  成功的回路整定,意味着最小化返工、失谐、重新调节、重新建模等。在理解传统的单回路整定工具和方法(如Ziegler-Nichols)时,同样依赖于对过程操作性能标准的理解。当忽略过程操作视角时,回路整定通常会在返工周期中被重视(参见图1),而不是在实际所需的阶段实施。

图1:现场经常提高回路整定工作的优先级,并分配大量的财务和人力资源,以补救诸如手动回路、频繁应用回路整定来处理扰动或停机所带来的影响,以利用最新的、最有希望的工具和技术,“重新设计”降级的多变量控制器等。不幸的是,从过程操作的角度来看,重要的因素往往被忽视。图片来源:APC Performance LLC

  另一个重要的方面是,基于模型的控制调节所需注意的影响事项,与传统回路整定类似,例如可变过程增益的影响、交互的影响、前馈的自由裁量权以及利用强大的调节来最大化过程可靠性。
  最初,人们认为基于模型的控制超越了大部分问题,但是性能下降、模型维护和生命周期短等经验已经揭示了这些原则如何仍然适用。
  使用这些回路整定技巧可以帮助打破返工周期,提高成功率,并为大多数回路带来多年可靠的免维护过程控制性能。(作者:Allan Kern)

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