反馈控制器尽了最大努力

什么是反馈控制器?

反馈控制器测量流程的输出，然后根据需要操纵输入，将流程变量驱动到所需的设定值。控制器对操作员启动的设定值变化以及由外力引起的过程变量的随机扰动作出反应。它一遍又一遍地重复这个测量-决定-驱动序列，直到过程变量与设定值匹配为止。

不幸的是，说起来容易做起来难。过程的惯性使控制器无法立即改变过程变量，因此控制器必须满足于“足够接近”，至少在近期内是这样。确切的接近程度取决于控制器的设计方式，而设计通常基于过程变量和设定值之间的松弛程度，对于特定应用程序是可接受的。

反馈控制的实际例子

例如，考虑一个烘烤过程，在烤箱里的面团必须加热而不烧焦。当操作人员在批处理开始时提高烤箱温度时，控制器必须将热量调高到足以达到所需的烘焙温度，但不能过度。在这个应用程序中，close等同于有限的超调，或“尽可能接近设定值而不超过太多”。

相比之下，在寒冷的天气里给豪华车内部加热，对速度的要求比精度更高。驾驶汽车的人通常希望车内温度尽快达到舒适的范围，即使这意味着汽车的温度控制器必须迅速提高温度，以至于超过设定值。这里，close等于最小上升时间，或者“尽可能快地接近设定值”。

紧密度可以用目标函数或性能度量来量化，这些指标可以用单个统计数据来显示过程变量与设定值匹配的程度。有多种性能度量可供选择，这取决于“关闭”的哪种定义最适合特定应用程序。“基本性能度量”图形显示了经常在设定值频繁变化的应用程序中使用的四种更直接的性能度量。

反馈控制器设计

相反，所选择的性能度量决定了如何设计控制器以实现所需的闭环结果。烘烤应用程序所需的最小超调要求控制器调到对其操作过程的方式特别保守。对于汽车温度应用，控制器必须调整为更积极的，以实现最快的上升时间。

当选择的性能度量带有一组公式时，这是一个相当简单的计算，这些公式将过程的可观察特征直接转换为控制器设置。例如，经典的齐格勒-尼克尔斯整定规则使用过程的最终增益和最终周期来生成PID参数，这些参数将赋予控制器在响应设定值变化时产生¼衰减比的能力。

不幸的是，这通常没有那么容易。大多数性能度量需要更广泛的计算来确定将提供最佳结果的调优参数。第二张图中显示的综合性能测量是主要的例子。

试错

设计一个控制器来优化这些性能指标通常包括一个过程的数学模型、一个离线模拟程序和一个迭代的试错测试。设计人员首先猜测一组可能产生最优结果的调优参数，然后在流程模型上配置这样调优的控制器的模拟。

设计师接下来用一系列指定的设定值变化和扰动来模拟真实闭环系统预期经历的任何条件来练习模拟闭环系统。在第一次迭代结束时，设计人员使用模拟测试生成的过程变量值计算性能度量。对于第二次迭代，设计师调整初始调优参数集，以便在相同模拟条件下重复测试时产生更小的性能测量值。

这是棘手的部分。如何改进调优参数并不总是显而易见的。这样做需要在循环调优方面有丰富的经验，或者需要某种优化算法，可以根据以前的测试结果做出有根据的猜测。

无论是手动还是在计算机指导下，设计师重复这个试错过程，直到性能指标没有进一步的降低。最后一组调优参数可以加载到实控制器中，使实际过程变量在实际操作条件下接近设定值。

基本绩效指标

这个条形图显示了一个过程变量(黑线)对设定值变化(绿线)的响应，在这种情况下，控制器被调优为特别积极地尽快消除两者之间的松弛。四个不同的绩效指标的价值可以从这个图表通过测量过程变量的第一和第二高峰多远超过定位点(分别为A和B),选点的数量改变了(C),所需的时间(D)过程变量达到选点选点后第一次改变,和所需的时间(E)过程变量来适应范围内5%的定位点(阴影区域)。即:

超调(百分比)= 100 A/C
衰减比= B/A
上升时间= D
沉淀时间= E

综合绩效衡量

=绝对误差积分

=误差平方积分(ISE)

=时间绝对误差积分(ITAE)

这些性能测量都考虑了在t秒的采样周期内每次时间t发生的过程变量和设定值之间的误差e(t)。对控制器进行调优以使这些量最小化，会为闭环系统产生不同的性能特征。例如，最小化ITAE会使控制器更加努力地消除t秒采样周期结束时发生的错误，特别是过程变量对设定值变化或扰动响应的尾部。

答案本质上是技术性的还是商业性的?

虽然控制策略有许多技术方面，但我们不要忘记，还有许多商业或业务因素也在推动讨论。英维思运营管理业务价值解决方案副总裁彼得·马丁(Peter Martin)始终牢记这一点，并鼓励流程人员根据高管团队真正重要的事情来考虑他们的活动。他说:“当每个循环产生的响应都能满足持续的业务目标时，流程就处于控制之中。它通常涉及一个概念性级联策略，主要循环集中于最大化盈利能力和其他业务目标，次要循环是工厂的传统流程循环。传统上，优化器用于满足主循环的需求，但业务速度的提高使这变得不切实际。展望未来，实时控制理论将应用于整个实时业务控制系统中的业务变量和过程变量。”

也许把运行流程的循环视为业务考虑的次要因素有点让人失望，但这就是制造业的现实，马丁一直鼓励工程师们避免忽视这一事实。你要问自己的问题是，你是否知道这些商业目标是什么。世界上几乎没有一个加工制造设施不受全球大宗商品价格、能源可用性和成品市场变化的影响。这些事情确实推动了商业的发展速度。

——彼得·韦兰德

关键概念

• 决定一个循环是否运行良好取决于该循环在更大的进程上下文中期望做什么。
• 不同类型的过程需要不同的控制策略。将它们匹配起来可能很棘手。
• 最终，你必须确定答案是否真的是技术上的，或者是否有更大的驱动因素在起作用。

Vance VanDoren，博士，体育，是控制工程贡献内容专家。联络他的地址是controleng@msn.com．

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