自调优控制的应用

循环调优既是一门科学，也是一门艺术。一个调优良好的反馈控制回路可以快速安全地消除过程变量和设定值之间的误差，但是赋予控制器侵略性和耐心的必要平衡需要一定程度的技能和经验。

幸运的是，各种简单的比例-积分-导数(PID)回路的调谐技术已经自动化并被纳入商业控制器。按需“自动调优”函数模拟了一个有知识的控制工程师在第一次调试循环时可能采取的调优步骤。一旦循环完全运行，动态的“自调优”控制器还可以继续更新自己的调优常数。

如果进入罐内的进料流量开始振荡，当冷进料与温进料以振荡流量混合时，罐内内容物的温度也会发生振荡。配置为调节储罐内温度的自调谐温度控制器(TIC)会错误地认为是它的动作导致了这些振荡，并相应地调整自己。

虽然这两种方法都在工业过程控制用户中获得了一定程度的接受，但按需自动调优已被证明是两者中更受欢迎的。Peter Wellstead是爱尔兰Hamilton研究所的SFI系统生物学研究教授，也是《仪器工程师手册》(Bela G. Lipták, ed, CRC出版社，2006)第四版“自调谐控制器”一章的合著者。他解释说:“我确实在自调谐控制器理论方面做了很多工作，并在80年代和90年代初研究了一些商业自调谐产品。在此之后，自我调整成为主流。”现在许多控制器都将其作为标准功能。

“我参与设计的产品似乎有两种走向。对于一般的循环调优，它们被简化为使用测试步骤或脉冲双态按需调优，而不是使用正常的运行数据连续调整，”Wellstead说。“对于特殊的回路，它们已经变得高度适应手中控制系统的特殊性。在这种情况下，我注意到为困难过程提供系统调优和诊断服务的公司几乎都有相当复杂的自调优功能，这些功能由公司训练有素的员工使用。这些只有在高价值的工厂，和/或需要外部承包商进行循环维护的地方才有价值。”

Wellstead补充说，按需自动调优之所以盛行，是因为“仪器公司的工程师对实时调优所需的额外数学和算法复杂性不满意。可以使用更简单的算法。即使是在非常基本的循环控制器上，自我调优也是必要的功能。最终用户也喜欢自己选择重新调优点的想法。”

挑战

英维思首席应用工程师卢•戈登(Lew Gordon)也认为，商用自调谐控制技术的采用受到了该技术缺陷的影响。“大多数先进的DCS平台都具有自调优功能。这些例程评估控制器的当前性能，并修改其调优常数，以实现在扰动后理想的瞬态响应。”

然而，“这是一项艰巨的挑战，”他表示。适配器必须假设它看到的任何行为都是它所做更改的结果。因此，这样的算法很容易被通过与其他变量相互作用而进入循环的循环振荡所混淆。”

减少过程变量的可变性将产生更一致的产品，并允许过程更接近其约束条件。

戈登在试图控制液体的温度和流速时，亲自遇到了这个问题。“流量的任何持续振荡都会导致相同频率的温度变化。温度控制器上的自调谐器会试图通过取消对温度控制器的调谐来阻止温度变化，但没有成功，导致温度控制更差。出于这些原因，自我调谐器需要在密切监督下使用，不应该长时间无人看管。”

减少可变性

其他用户在应用自调优控制技术时运气要好得多。例如，路博润公司(Lubrizol Corporation)就利用艾默生过程管理公司(Emerson Process Management)提供的DeltaV InSight自调谐功能，帮助其位于德克萨斯州Deer Park的工厂生产各种燃料和发动机油添加剂。

涉及水相、有机相、液体相、固体相和气相的产品批量生产，具有不同的物理和化学性质。“这是一个相当复杂的批量反应，很难保持客户要求的一致性，”路博润首席工程师兼工艺改进小组负责人弗雷德·格雷戈里(Fred Gregory)说。“只要我们能让产品更加一致，就能帮助我们在市场上竞争。”

为了减少温度和压力控制回路的可变性，路博润将InSight的动态回路调优作为艾默生的beta测试站点。控制工程师George Lin说:“我们需要的是一种可以动态地调整系统，而不需要操作员或控制工程师在那里为你启动自动调整。”

Lubrizol德州工厂的工程经理Bruce Johnson补充道:“我们选择InSight是因为它能够动态模拟过程的增益、死时间和时间常数。”它使用嵌入在控制器中的学习算法。“工程师不必担心配置新技术。他只是打开了学习的开关，”艾默生过程管理公司(Emerson Process Management)产品营销经理约翰•考德威尔(John Caldwell)表示。

路博润在实施自调整控制器方面非常谨慎，因为他们知道，只有在工厂顺利运行、没有中断或产量损失的情况下，运营商才会接受这项新技术。路博润过程控制工程师Efran Hernandez指出:“从操作的角度来看，他们需要进行控制，因此路博润安装了监控功能，允许操作人员自行启用或禁用自适应控制技术。但根据埃尔南德斯的说法，“我们发现这根本没有必要。”

消除超调量可以延长过程变量达到设定值所需的时间，但它也减少了驱动过程的执行器的磨损。

事实上，Hernandez说:“在我们开始在beta测试中收集数据后，我们几乎立即注意到循环的可变性有所改善。以前，每次我查阅我们的植物历史，到处都有很多循环。在我们开始使用爱默生推荐的基线调优后，一切都开始变得更好了。”

工艺可变性降低了25%至50%。这不仅提高了产品的一致性，还使反应速度更快，从而增加了工厂的产能。

控制温度

在更小的范围内，自调谐控制也已被用于调节电动玻璃吹制炉和退火炉的温度。化学工程师出身的玻璃艺术家Richard Huntrods发现，富士电机PXR系列PID控制器在保持所需温度和根据他的规格上下调节方面都做得很好，所有这些都不需要任何手动调整。

Huntrods取代了一个标准PID控制器，该控制器无法在烹饪、吹气和退火过程的不同阶段保持所需的各种设定值。“新的控制器需要一些时间进行自我调整，这让我有点害怕。在重新打开炉子后，温度下降到1825华氏度左右，然后控制器才真正启动，将温度恢复到1850华氏度的设定值。”

然而，在一天的使用后，“你可以看到控制器慢慢地拨到正确的设置，”他指出。“当我第一次打开它时，温度经常会超过设定值，因为在达到最终温度的过程中，每隔几分钟就会上升一次。但当达到最终温度时，控制器的反应在几度之内。”

自整定控制器也证明了其抗干扰能力。Huntrods指出，“吹制玻璃的一个问题是，你必须每隔十分钟左右就打开熔炉，把一堆玻璃取出来。炉门关闭后炉膛的性能至关重要。你需要很好的反应时间。当低温玻璃元件加入熔炉时，温度也会急剧下降。”

但一旦控制器找到一组良好的调谐常数，温度曲线将在扰动后渐近地达到设定值，而不是超调和节流。这最大限度地缩短了温度响应时间，降低了Huntrods的运营成本。

Huntrods解释说:“加热元件的运行接近其最大值，因此PID曲线需要优化以避免超调。”“富士控制器知道要用多少功率，用多长时间，而不是简单地在我打开门的时候就开足马力。这真的延长了我的元素的寿命。”他说，通常可以持续几个月的加热元件现在已经进入了第三个年头。

退火了

Huntrods还为他的退火器使用了一个富士自调谐控制器，在他工作时将温度保持在920华氏度。一天的工作结束后，他将温度以每小时100华氏度的速度降低，直到达到室温。

与熔炉不同的是，退火器在加热时不经过一系列的温度步骤，因此在到达920°F设定值时，它的响应相当粗糙。但当控制器对随后的温度扰动作出反应时，只要退火门打开，超调量就会消失。Huntrods说:“最终的反应非常快，但不会过度。“调音也非常快。”

Huntrods报告说，他遇到的情况似乎混淆了富士控制器。“我曾经遇到过这样的情况，加热元件实际上并没有给炉子加热。”他还看到了持续的振荡，他必须手动关闭控制器，然后再重新打开。

总的来说，Huntrods认为他的自调谐控制器是值得投资的。除了更高的效率和更低的运行成本之外，它们还节省了他以前手动调优传统PID控制器所花费的时间和精力。他说他宁愿花时间吹玻璃。

作者信息

Vance VanDoren是控制工程。可以在……找到他Vance@control.com．

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