调节控制是高级过程控制的基础
每个人都知道，地基不好，什么都建不起来;当在基本的监管控制之上增加高级过程控制时，情况尤其如此。
W蚂蚁一流的先进过程控制?首先，要做好基本的监管控制。
字典上对优化的定义可能是:“在给定的一组条件下给出最佳结果的策略。”“对于实践控制工程师来说，优化通常意味着高度理论化的练习，这与现实世界无关，因为现实世界中管道泄漏、传感器堵塞、泵空化和阀门卡住。
运行中的工厂的优化需要整合工艺知识，以最大限度地提高生产率，包括注意现场设备、控制策略适用性、控制器调优，以及在尽可能低的实施水平上明智地使用基本调节控制(BRC)——级联、反馈、前馈、比率、领先/滞后等。在此基础上构建有效的先进过程控制系统。
最大限度地提高投资回报率一直是工厂管理的重要目标。然而，购买控制设备、变送器和装有最新先进控制软件的数字控制系统并不能保证良好的控制。如果没有管理、理解和优化以匹配这些采购的控制目标，那么ROI就很差。
控制系统功能
过程控制系统通过一系列复杂的加工步骤和控制技术将原材料和能源转化为可用的产品。就其本身而言，工厂过程不产生水平、流量或温度，这些变量的引入代表了旨在确保生产效率、效率和/或生产高质量产品的操作约束。
一个工厂要想以最低的成本生产出高质量的产品，就需要一个由人员、系统和设施整合在一起的结构，并建立在管理承诺的基础上。
其中最重要的管理挑战是成本控制、产品质量、符合政府法规和实现生产进度目标。认识到并接受稳健过程控制对整体经营结果的价值的经理为他们的公司获得竞争优势。然而，许多管理人员被过去从控制系统投资中改善过程性能的承诺“烧伤”，这些承诺从未实现。结果往往是控制系统没有得到充分利用。
从当前安装的控制系统的可用能力中获得最大优势，需要一种组织理念，以实现预期结果的方式授权、支持和组织。仅仅购买先进的硬件和软件并不能确保成功;没有管理层的承诺，任何系统优化计划都注定要失败。成功需要有效地管理人员、设施和系统，共同实现既定的目标。(见CE(关于集成人员、设施和系统的文章)。
人与系统
对于任何成功的优化过程，系统的基础设施必须到位，提供培训和工具，以便合格的人员能够成功地开展活动，从而达到确定的目标和目的。数字控制系统、图形显示器、智能变送器、人工智能等高科技设备在工作场所的引入，不仅没有减少，反而增加了对人才培训的要求。(见CE， 2000年8月，“发展智力资本”。
有效地优化过程控制系统的调节功能需要了解存在于回路之间和回路之间的静态和动态因素。
在大学课程中，控制论是典型的抽象数学。一旦离开学校，控制工程师很快就会忘记所学的知识，过程控制是在计算机上进行的特别的不参考支配动态系统行为的理论的基础。
在过去的16年里，Techmation (Scottsdale, arizona .)的顾问已经在2700多个运行工厂工作过，测试、分析和改进了数万个控制回路的动态运行特性。在此期间，程序和数据分析技术已经发展并完善为一个知识库，在理论和现实世界实践之间架起了桥梁。
由于流程操作是动态的，因此在顾问完成并离开后，客户员工能够将控制系统保持在已实现的优化水平是非常重要的。
为了确保客户员工的熟练程度达到令人满意的水平，顾问将课堂理论与实际经验相结合，形成一个过程审核和改进团队。
按照课堂上关于如何高效和有效地使用个人计算机测试和分析过程数据的指导，审核组在顾问的监督下，应用识别、审计、测试、分析和优化的方法，为APC奠定坚实的基础。下面是Techmation的方法。
识别包括设计和执行识别关键测量和控制回路的测试。
审计使用测试数据来确定所有测量和循环的准确性和能力。该小组纠正审计过程中发现的问题，如校准和阀门错误。对关键回路进行测试以确定安装特性。当发现安装特性高度非线性时，特别是在正常工作范围内，问题得到纠正。
在需要的地方，控制器算法被重新编程和重新调优以满足控制要求。如果审核测试表明已安装的控制策略不符合目标，审核小组将设计、实施、测试并记录新策略以满足规定的控制目标。审计报告完成后，提供过程人员可用于维护系统完整性的“能力签名”
分析和优化包括使用审计阶段后收集的新数据，以确定哪些变化或新的控制策略可以改善单元控制。在此阶段，重点是确定单元优化策略和系统配置实现方法。
通过遵循识别、审计、测试、分析和优化方法，并将正式的课堂培训与实际经验相结合，在顾问的指导下，用户可以优化监管控制系统并确保其保持优化状态。
过程控制设备，策略
一个设计糟糕的控制策略，不准确的测量，和功能不良的控制阀将导致低于最佳控制。
控制系统测试通常记录一些与设备相关的问题，这些问题需要在调节控制系统动态运行优化之前解决。试图通过调整PID(比例/积分/导数)和控制器中的过滤器设置来掩盖设备问题，通常是训练、时间限制和管理承诺问题的反应。事实上，多达50%的循环需要一些维护或配置更改，然后才能调优循环以提供最小的方差调节控制。
调节控制由两种类型的控制功能组成，可以组合成几乎无限多的配置。两种类型的调节控制是:反馈和前馈。
反馈控制可以配置为级联，选择，比率，和任何数量的其他类型的控制方案。所有反馈控制的实现都有一个共同点。被控制的过程变量测量值与称为设定值的参考值进行比较，偏差导致控制器的纠正动作。简而言之，反馈控制只允许纠正错误后它们被检测到。调节控制需要传递函数的知识，它描述了控制器输出的变化和被控制变量的响应之间的动态关系。简化的一阶模型、经验法则过程和基于简化规则的自调优控制器可以为控制应用中的许多动态复杂过程提供最佳的调节控制解决方案，但这种情况并不多。
前馈控制测量负载扰动，并在负载扰动影响被控变量之前引入动态补偿的校正动作。前馈控制回路的整定不仅需要了解负载扰动传递函数，还需要了解过程传递函数。要准确地获得系统动力学的必要知识，唯一的方法是在运行条件下测试已安装的系统，以获得准确表示过程响应的时域数据。为了得到最佳的控制方案，必须将时域数据精确地转换到频域。
控制系统的调节部分的功能是在面对变化的条件时减少可变性。如果没有有效的调节控制系统，每一个连续的单元操作都会产生变化，这些变化会在整个过程中累积，并反映在最终产品质量和生产总成本上。为了生产统一的产品，始终以最低的成本满足客户的需求，必须建立监管控制系统，以最大限度地减少整个加工周期的差异。
一个现代化的工厂可能有成千上万个控制回路。先进的控制系统不能像设计的那样运行，除非这些回路大部分处于自动控制状态。调节控制回路提供四种功能:
允许进程在选定的目标上运行;
尽量减少负载扰动的影响;
减少原材料变异性的影响;而且
提供安全高效的启动、操作和关闭过程。
因此，调节控制系统的功能是最大化动态条件下的产品均匀性。
管理控制器
PID是最常见的反馈控制器，已经使用了60多年，但还没有被任何实现标准覆盖。事实上，没有两个数字控制系统以相同的方式实现PID控制，这使得整定方法和计算变得复杂。例如，数字控制器制造商为PID控制器编写软件，使用理想的、串联的或并行的算法配置。由于PID实现算法的差异，根据实现的算法类型，循环调优参数可以显著不同，以完成相同的任务。更令人困惑的是，控制器调优单位可以用不同的单位和时域表示，例如:
比例设置为增益、百分比比例带或节流范围;
积分设置为每次重复的秒数，每秒重复数，每次重复数分钟，每分钟重复数，或者在某些情况下，每次重复扫描率和每次扫描率重复数;而且
以秒、分或扫描速率表示的导数项。
更复杂的是，一些制造商允许最终用户选择控制器算法和调优单元。如果前面的内容还不足以创建一个足够的整定迷宫，添加导数滤波器常数设置，PID的位置或速度数字实现，PID的配置，PI-D, I-PD设定值响应和PV滤波选项，很容易理解为什么“简单”整定会令人困惑。
相反，多年来，已经开发了许多特殊的线性和非线性版本的PID控制器，以提供更好的控制特定过程。例如，非线性PID控制器算法可以消除高达30%的快速控制环路中的粘滑循环。
其他特殊的控制器算法用于水平系统的平均控制，消除积分过程中的滞后循环，防止使用滤波时的超调，以及批量控制的条件积分配置，仅举几例。
了解如何正确地实现这些反馈控制器算法是重要的，以确保最小方差控制。事实上，调节控制器的关键考虑因素是用训练有素的眼睛了解存在的复杂情况，以应用适当的技术和解决方案。
测试调节循环
试图实现“整体产品质量”，使用SPC(统计过程控制)和符合ISO质量标准，忽略控制环的细节，例如:
正确配对受控和有影响的测量;
控制阀的滞回、粘滑、通径;而且
测量质量、信号失真问题、控制算法、信号滤波、系统配置和调节控制系统的调整。
审计经验反复表明，监管控制系统是可行的，但没有提供最佳控制。研究结果表明，典型的调节控制系统对最终产品的不均匀性贡献高达50%。通过使用调节控制系统对数万个单元操作进行测试，可以始终揭示已安装的动态和回路调谐信息，识别设备问题、工艺回路的安装特性以及耦合回路的相对增益。
在确定的各种问题中，有几个问题反复出现在三个大类之一:控制阀、测量和控制策略。
控制阀问题
粘滑运动自行车测试表明，当控制器根据安装的循环动力学进行调整时，高达30%的旋转和高摩擦截止阀在稳态工况下表现出产生粘滑循环的趋势。
控制阀的粘滑特性导致循环处于稳定状态，并可能在单元操作中产生过多的过程变异性。粘滑是由于控制阀中静态与动态摩擦的比例过大，执行机构中的气动刚度过大，以及阀门定位器的性能不佳。
控制器输出和被控过程变量的稳态循环是典型的粘滑循环。线性PID控制器测量设定值和过程变量之间的误差，并以控制器整定参数的函数速率斜坡控制器输出以纠正误差。在控制器输出中经过一个小而缓慢的斜坡变化后，阀门位置“跳跃”到一个新位置，流量超过设定值。错误位于设定值的另一侧，导致控制器再次倾斜输出以纠正错误。阀门再次“跳跃”到一个新的位置，循环重复。
为了消除粘滑循环，基于已安装的循环动力学，高摩擦阀通常需要比实际要求慢10至20倍的调整参数。
纠正这个非常常见的问题需要非线性PID算法，仅当误差在粘滑循环发生的范围内非常小时，才将控制器积分值设置为较小(较慢)的值。该算法已经安装在许多不同控制器品牌的数千个循环中，最终结果是拒绝快速负载扰动和平滑稳态运行。
磁滞-执行器或定位器安装装置上的连杆松动，加上阀门中的摩擦，会导致气动控制阀的滞回或死区。回路分析测试揭示了每个回路中滞回的归一化幅度。
在自调节回路中，通常可以容忍少量的滞后，但在积分回路中，如液位、大体积气动压力和批量温度回路，会导致连续的稳态循环。
消除积分回路中滞回循环的技术包括:
固定控制阀;
将积分循环级联放置，其中内循环是一个自我调节过程;或
一种误差平方积分控制算法的实现。
安装特点-没有控制回路完全线性安装特性。在大多数循环中，这种非线性安装特性可以在控制器调谐参数的计算中使用适当的增益裕度轻松处理。在某些情况下，回路中的安装特性是如此的非线性，在回路可以在所有系统负载条件下调整为最佳闭环响应之前，必须使回路成为线性。在这种情况下，使用软件(如Techmation的Protuner)以百分比记录控制器输出和以百分比记录测量变量。这些数据可以分析并用于确定凸轮特性，将导致线性响应。
图示显示了安装百分比相等的特性。与线性特性相比，当图中回路在低端行程随阀门调整时，回路在高端行程时将变得不稳定。相反，在高端阀门行程处调整回路将导致低端阀门行程处性能不佳。即使回路在所有负载下都保持稳定，非线性的安装特性也会导致闭环时间常数的变化。为了正常运行，APC闭环模型需要随着负载的变化而变化。
补偿凸轮是标准化安装特性的镜像。该图以图形和多项式方程的形式表明了凸轮特性，使其易于在控制器输出中实现或作为数字(智能)定位器中的数字凸轮实现。实现can将使过程线性化，循环调整将在所有负载条件下有效，并具有恒定闭环动态支持APC建模的额外好处。
其他问题阀门校准和阀门通径也是常见问题。
一家主要阀门制造商最近发布的一篇论文显示，多达70%的已安装测试阀门需要零点和跨度校准。
控制阀的零点和跨度不正确，会导致各种控制问题不容易解决。例如，如果阀门被校准为运行从10%到80%控制器输出的0%到100%行程，则存在潜在的积分上发条问题。上发条可能导致受影响变量的大而意外的超调和缓慢启动。
根据Techmation的经验，在已安装的应用中，多达30%的阀门尺寸过大，15%的阀门尺寸过小。由于缺乏灵活性，超大阀门通常性能较差;阀门尺寸过小可能导致生产瓶颈。
测量问题
过程控制工程师普遍理解的第一定律是，“你无法控制你无法测量的东西。”
在调节控制系统的测试中，精确测量被控制变量的障碍受到以下因素的阻碍:
发射机中所需的抗混叠滤波器常数没有设置或设置不当;
测量信号噪声过大;
使用不当或信号滤波过度;
测量滤波时PID控制器配置不正确;
测量传感器放置或安装不正确;而且
发射机校准和缩放不正确。
除非测量问题得到解决，否则最优的调节控制是不可能的，APC不能提供预期的系统性能提高。
控制策略问题
经验表明，多达17%的监管单位操作控制策略执行不正确，必须重新设计。下面的示例说明了重新设计控制柱压力的典型控制策略的结果。
最初的策略是使用一个分开的控制器来控制两个阀门。系统测试表明，使用原始策略的压力控制回路是非常非线性的。因为这个过程是一个质量平衡，它的动力学是积分的。如上图“PI控制下电平回路中典型闭环迟滞循环”图所示，阀门中的任何迟滞或死区都会导致稳态下的连续循环。为了保留原有的控制策略，并使其有效，需要在软件中线性化回路，并更换大型蝶阀，因为它不是精密控制阀。
新策略保留了现有的大型蝶阀，采用小型精密控制阀控制柱压。VPC(阀位控制器)控制大阀的位置，使小阀保持在范围内。VPC控制环路是一个自我调节的过程，不会因为滞后和死区而导致循环。调整正确后，新的控制策略使用现有的阀门提供精确的压力控制，在稳态下没有循环。
调控优化结果
控制策略实施不佳、设备故障、设置不当、安装不良、缺乏抗混叠滤波器和墨菲定律是需要现场系统分析测试来调整调节控制系统的条件。
在过去的几年里，一家大公司的工程师使用Protuner系统分析仪和从顾问那里学到的测试程序来优化许多设施的单元操作，但他们仍然有改进的空间。这阐明了认真和持续关注监管控制系统优化的根本需求，以确保实现经济的APC ROI。
基于对各个过程实际安装的动态传递函数的分析，确定了单回路和交互回路的调谐。调谐参数是根据具有足够增益和相位裕度的极点消除来确定的，并且阻尼因子要求是每个回路安装线性度的函数。
前馈调谐是基于过程和负载扰动的实际动态传递函数模型。
最终的结果是为该客户提供了更好、更安全、更高效的工厂运营。
先进的过程控制
采用先进的控制系统来控制过程，不是控制单个的液位、流量、压力或温度，而是控制与过程生产率或效率相关的每个变量。从先进的控制系统的观点来看，控制系统不是单回路控制，而是一个多变量包络被视为一个多边形，每边代表压力、温度等约束。在这个范围内，这个过程不断地使效率最大化。
在先进过程控制的一般范畴下，采用了大量的技术。最常见，但讨论最少的先进控制策略，是操作人员的知识和信心，监管控制系统的工作。在许多情况下，无论实施何种控制策略，操作人员都会将各个过程变量的设定值设置为“安全”，尽管不一定是最佳目标设定值。除非操作人员确信监管控制系统能够安全可靠地运行(在或接近过程极限)，否则操作人员安全系数通常会导致不理想的过程完整性。
另一种先进的或优化的控制策略是适当地应用调节控制，其设计和实现是为了最大限度地提高操作效率。
例子包括使用变速泵和相关的控制策略，以使控制系统更好地遵循需求。其他被广泛讨论的先进控制策略包括动态矩阵控制、模糊逻辑和多变量控制。它们都有几个共同点，包括一个明显的目标，即不断调整监管控制，以最大限度地提高流程的运营效率。因此，先进控制系统的成功与否直接取决于调节控制系统的功能好坏。
多年的经验证明，对控制系统的优化没有灵丹妙药。在某些情况下，高级控制包被作为减少可变性和提高效率的最终答案而出售，而没有充分考虑到底层监管控制系统的运行。这种性质的期望经常令人失望，并会给过程控制带来不合理的“黑眼圈”。
大多数调节控制系统在启动时都被调整为稳态运行，以掩盖与设计和设备相关的问题，或者因为缺乏对过程动态的了解。调整调节控制系统避免了“麻烦的振荡”，但几乎总是导致需要不断调整调节循环设定值，以克服由APC“引起”的扰动。
管理的洞察力和承诺，经过培训和激励的人员，适当的工具，以及控制系统监管部分的简单努力工作，构成了成功应用APC的必要基础。
在测试和分析管理循环期间获得的知识提供了开发、应用和调优APC模型所需的知识，并为持续的流程改进奠定了基础。
| David B. Ender是Techmation的创始人和总裁，在世界各地有近30年的故障排除经验。欲了解更多信息，请访问www.protuner.com 评论?电子邮件dharrold@cahners.com |
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