过程控制器调优指南
这本材料解决了许多读者询问如何计算调优参数。用户应该明白，本材料不是过程控制循环分析和调优的正式培训的替代品，而是作为介绍或复习。Control Engineering将此信息作为一种服务提供，并且不保证其对特定应用程序的有用性(另见8月新闻中的摘要)。”)。
R《控制工程》杂志最近的文章论述了提高控制回路性能的方法(见99年2月、77页、99年5月、91页和99页)。在每篇文章中，都解释了与收集和分析过程变量信息有关的信息，但是很少提供如何使用这些信息来计算控制器调优值。这并不是一个疏忽，计算控制器调优值需要了解控制器所使用的算法的大量信息。
基本上有三种类型的算法在使用:理想，并行和串联。理想的算法一般只能在教科书中找到。并行控制算法有三个独立的(并行)计算，分别是比例(增益)、积分和导数。并行计算结构的一个优点是其中一个值的变化不会影响其他两个值。缺点是很难手动调优。串联控制算法的构造使得一个计算的输出是下一个计算的输入的一部分，因此“上游”计算的变化会影响“下游”计算。这通常被称为控制器调优交互。串联控制算法是模拟和数字控制器中最常用的控制算法。
| 比例术语定义 比例频带% = 100/比例增益 |
|
| 比例增益(比例增益) | 获得 |
| 1% | 100.0 |
| 10％ | 10．0 |
| 50％ | 2.0 |
| 100％ | 1.0 |
| 500% | 0.2 |
| 1000% | 0．1 |
| 来源:Control Engineering，数据来自Techmation Inc.。 | |
| 用于控制器积分设置的单位的比较 | |||
| 每重复秒数 | 每秒重复次数 | 每重复分钟 | 每分钟重复次数 |
| 1 | 1.00 | 0.0167 | 60.0 |
| 5 | 0.20 | 0.0833 | 12.0 |
| 10 | 0．10 | 0.1667 | 6．0 |
| 60 | 0.0166 | 1.0 | 1.0 |
| 120 | 0.0083 | 2.0 | 0．5 |
| 240 | 0.00417 | 4.0 | 0.25 |
| 480 | 0.00208 | 8．0 | 0.125 |
| 1000年 | 0.0010 | 16.6667 | 0.06 |
| 来源:Control Engineering，数据来自Techmation Inc.。 | |||
PID控制器在误差反馈上操作，当PV和SP之间存在差异时，输出通常具有特征。然而，控制器在误差信号上操作并不总是有利的。通常的做法是允许控制器对SP变化和负载(PV)变化做出不同的响应。重要的是要了解SP和PV改变时哪些算法变量会受到影响。连续过程通常有PV负载变化，而批处理过程往往有更多的SP变化。根据控制器的使用方式，算法如何对SP和PV变化做出反应，以及如何确定/计算调优常数，可以让控制器以一种方式比另一种方式表现更好。
技术库包含计算控制器调优值的各种方法。收集和分析过程数据的最有效和一致的方法之一是使用来自ControlSoft (Cleveland, O.)、Techmation (Scottsdale, arizona .)或ExperTune (Hubertus, wisconsin .)等公司的软件。此外，大多数控制系统制造商提供各种控制回路分析和调谐软件。当软件不可用时，可以应用一些有用的指导方针。
| 极限灵敏度法 目标是实现一个边缘稳定的控制器响应 (见边际稳定反应图) |
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| 闭环(自动回路) | |
| 测试1 |
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| 测试2 |
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| 测试3 |
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| 重复测试，直到记录到稍微稳定的反应。 | |
| 来源:控制工程 | |
一旦获得一个边缘稳定的响应，所有必要的信息来计算可用的控制器调谐常数是可用的。下表提供了用于确定P(比例)、PI(比例和积分)和PID(比例、积分和导数)控制器的可用调优常数的有用指南。
| 确定“可用”控制器设置 | |
控制器的假设:
|
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| 仅成比例(P)控制器 | 将控制器中的最终增益设置乘以0.56。 结果将提供自动控制，但可能会产生PV到SP的偏移。为了消除/减少偏移量，引入积分(I)。 |
| 比例积分(PI)控制器 | 1.将控制器中的最终增益设置乘以0.45。 2.将最终周期乘以0.83。 |
| PID (Proportional, Integral, and Derivative)控制器 | 1.将控制器中的最终增益设置乘以0.67。 2.将最终周期乘以0.50。 3.将'最终周期乘以0.125。 |
| 重复 | (比例增益*偏移量)的计算。 |
| 每分钟重复次数 | 控制器在一分钟内会执行多少次(比例增益*偏移量)计算? |
| 每重复分钟 | 控制器执行1 (Proportional GAIN * OFFSET)计算需要多少时间(以分钟为单位)? |
| (D)注意事项 | 当PV远离SP时，导数作用只发生一次。 导数作用于变化率。如果PV变化率是由“噪声”引起的，导数可能会导致过度修正。在噪声带大于0.25%的过程中，绝对不要使用导数。控制回路可能有显著的噪声是压力和流量。当搅拌或飞溅发生时，液位也会发出噪声。 |
| 来源:控制工程 | |
反应曲线(开环)法
当一个控制器被放置在自动调节常数，产生循环，在失控响应的边缘，许多人变得非常紧张。对于这些神经类型，一种称为开环(手动循环)反应曲线测试的方法可能压力较小(见CE, 5月99日，第99页)。
开环测试的理念是从一个稳态过程开始，对最终的控制元素进行一步变化，并记录PV的结果。开环测试产生的信息是回路死时间和回路时间常数。用户必须准确地确定T2和T3的时间，T2是PV第一次开始移动的点，T3是PV达到总PV变化的63.2%的点。在开环测试之后，记录的信息应该与下面的开环测试结果图非常相似。
进行和记录开环测试的一个附带好处是建立了一个循环签名，以供将来确定过程是否发生了更改时参考。例如，如果环路特征是热交换器上的温度控制器，环路特征的显著变化可能表明热交换器正在失去效率。
使用开环测试的结果来计算控制器调谐常数需要用PV的百分比变化除以CO的百分比变化来获得开环增益。公式(OLG * P(增益)= IG)采用开环增益(OLG)和控制环固有增益(IG)。重新排列项后，公式变成IG除以OLG = P(增益)。
在计算控制器调优常数时，考虑以下准则:
| 如果控制回路固有增益为1，开环增益为4; | 那么控制器所需的比例增益是1除以4或0.25。(在控制器P常数中放置0.25) |
| 规则# 1:如果循环死时间小于或等于 | 那么开环增益乘以过程增益等于1。 |
| 推论# 1:如果循环死时间约为 | 那么开环增益乘以过程增益等于0.5 |
| 推论2:如果循环死时间大于或等于循环时间常数; | 那么开环增益乘以过程增益等于0.25。 |
| 注意:控制器扫描时间至少要比循环时间常数快8倍。 | |
| 规则# 2:积分时间(IT)应等于循环时间常数(LTC)。 | 我T =当LTC每分钟重复一次时。 |
| 规则# 3:求导时间应该小于或等于 | |
| 来源:Control Engineering，数据来自Techmation Inc.。 | |
整合的过程
积分过程是那些在手动模式下仅设置一个CO就能产生稳定(平衡)PV的过程。液位、批温度、批压力和酸碱度槽是积分过程的例子。在水平的例子上展开，在手动控制回路中，只有一个CO设置允许进入容器的液体量与离开容器的液体量完全相等。任何其他CO设置都会导致水平PV向上或向下积分。
为集成流程收集数据最好使用开环测试来完成。
找到容器/过程输入等于容器/过程输出的平衡点。
在CO设置中进行10%到20%的更改。
在PV集成了3%到5%后，将CO输出改变回平衡点值。
在相反的方向重复第二步。
重复第三步。
在两个方向上进行测试的原因是，一些循环(即加热和冷却)可能会在每个方向上产生不同的斜率。在这种情况下，应该使用较小的斜率来确定控制器调谐常数，以防止环路不稳定。当产生意想不到的图形时，可能的原因是控制阀的阻力或间隙。试图调整这样的循环几乎是不可能的，因为控制器试图克服可能会随着时间变得更糟的机械缺陷。
集成过程通常产生最好的整体结果，中等响应调整常数，允许一些超调。在积分过程中应用导数时要谨慎。如果在控制阀中发现“过度”迟滞，只使用慢PI调谐常数。
积分过程的控制器调谐常数应利用高增益和慢积分(每分钟重复次数小)。
级联控制回路
级联控制循环在试图对缓慢移动的变量保持严格控制时是有效的。例如，使用级联到流量控制器的液位控制器可以紧密地保持锅炉的液位。
为了有一个有效的级联控制策略，二次回路的动态必须至少比主回路快五倍。(动态定义为循环死时间乘以循环时间常数。)
调优级联控制循环:
将二次回路置于自动回路(将二次回路与主回路断开)。
进行测试和调整二次回路。
在Remote SP中放置二次回路(连接二次回路和主回路)。
进行测试和调优主回路。
注意:确保二级回路没有设定值限制或不必要的分配告警。
当开始调整流程中的所有循环时，从原材料端到最终产品端，从流量开始，然后是压力，然后是液位，然后是温度，最后是剩余的部分。
与流行的观点相反，控制循环调优是一门科学。但它从分析回路中的每个组件开始，以确保回路中的每个设备都能够以最佳状态运行(参见CE, 2月99日，第77页)。一旦设备准备好，方法就已经开发出来，并被反复证明是有效的，但这需要知识和耐心。让每个控制循环都处于最佳状态的回报是至少5%的质量和生产改进，最高可提高25%。
| 联系信息: | ||
| ControlSoft公司。 锡达路14077号，圣200 俄亥俄州克利夫兰44118 216/397 - 3900 |
Techmation Inc .) 8070号E.摩根大道150号 斯科茨代尔，AZ 85258 602/968 - 9946 |
ExperTune Inc .) 4734 Sonseeahray博士。 Hubertus, WI 53003 262/628 - 0088 |
评论?电子邮件dharrold@cahners.com
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