选择最佳的过程控制
在设计新流程时，执行一些决策约束是很重要的。阻碍的一个关键领域是选择先进的过程控制技术。选择PID，模型预测控制，或其他东西不应该决定，直到项目已经合格和合理的目标已经建立。
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在设计新流程时，执行一些决策约束是很重要的。阻碍的一个关键领域是选择先进的过程控制技术。选择PID，模型预测控制，或其他东西不应该决定，直到项目已经合格和合理的目标已经建立。忽视这一基本原则导致公司浪费了大量的时间和金钱。
在选择先进的过程控制技术时，有三个方面很重要:
过程特性;
工艺操作目标;而且
系统和应用安全。
将这些观点与本系列中涉及的主要过程控制技术进行比较，可以得出一个合适的结论。
工艺特点
首先，所有的基本仪器都必须处于良好的状态。有故障的变送器和最终执行器是大多数过程控制问题的根源。给定良好的基本仪表，提高控制性能的主要障碍是可变的过程特征和相互作用的过程变量。
可变的过程增益和动态挑战每一个控制器。两者通常随生产速度和产品质量设定值而变化。通常，这些问题可以用本系列早期文章中讨论的基本补偿技术来解决。如果交互不是一个问题，这些基本技术可能是最好的方法。
死区补偿结构可以集成到传统的控制方案中，DCS厂商提供的一些PID算法具有死区控制模式。然而，使用死区时间补偿的系统的性能随着过程中死区时间调整值与实际死区时间差值的增加而迅速下降。
当过程变量之间的相互作用也是问题的一部分时，先进的前馈和解耦控制技术成为可能的选择。然而，这些技术很快就会被更大的问题、具有复杂动态响应的过程、长死时间或约束限制所淹没。在这些情况下，模型预测控制将提供优越的控制性能。
模型预测控制器(MPC)最终依赖于一个准确的过程模型来获得良好的控制，与所有控制器一样，变化的过程特征会降低它们的性能。但是，MPC控制器的性能限制也可以用适用于基本调节控制的相同技术来补偿。此外，MPC包通常可以在多个模型之间切换或在操作过程中调整它们的模型。
然而，在线适应必须谨慎应用。在缺乏充分的、数据丰富的激励的情况下，适应很容易使模型退化，而不是改进模型。
对于过程工业中的控制，对负载扰动的良好响应比对设定值变化的良好响应更重要。前馈结构可以很好地抑制实测扰动，但实测扰动才是真正的问题。由于无法测量，只有当它们开始将被控制的变量从控制点驱赶出去时，它们的影响才会显现出来。
每一种控制技术都必须依靠反馈来在不可测扰动后恢复到期望的工作点，而MPC算法中的自动回归项在抑制不可测扰动方面优于传统控制。此外，预测误差可以提供额外的前馈输入，以改善动态响应。
一般来说，基于规则的控制不能提供与更先进的技术相媲美的控制性能，但当测量过于稀疏或其他不寻常的条件阻止使用更多的数学算法时，可以是最佳选择。
流程操作目标
传统上，控制系统的运行目标已表示为在操作员输入的设定点稳定运行。高级控制需要更广阔的视野，体现在与最大经济效益相关的参数中。约束和优化成为主要概念。
多个约束条件
过程约束为控制问题增加了额外的控制变量。传统的PID控制设计通过使用成熟的技术(如自动选择器和阀门位置控制器)来满足这些要求。
这些方案的性能是有限的，因为它们在遇到约束之前不会采取行动，因此过程可能会超出和/或围绕约束限制循环。传统PID系统在约束条件下的控制能力较差。
MPC控制器在控制约束方面做得更好。因为MPC可以预测未来的行为，所以可以预测与约束的碰撞。作为响应，可以应用控制移动，使流程在约束限制下休息，就像船接近码头一样。
MPC控件还可以容纳只需要保持在定义范围内的变量，而不是特定的设定点。通过对未来值的预测，MPC可以决定是否在当前执行中应用控制努力，以避免未来违反这些限制。
优化的好处
传统的PID控制在给定的工作点调节过程，但不确定其工作点。几乎所有的工艺都有经济上的激励，使其运行在一个最佳点上，这取决于与原料和公用事业成本相比，产品的价值。此外，对于线性系统，该最佳工作点总是位于两个或多个过程约束的交点。
由于传统的控制在约束条件下表现不佳，它们通常在过程约束条件的安全一侧的一定距离上操作，因此远离最佳工作点。这可能是一个代价高昂的限制。
MPC控制器的实现通常(但不一定)包括一个优化器，它使用流程模型和相关成本因素来确定流程的优化工作点。然后优化器与控制器通信，控制器可以通过控制律中的项向该点驱动，该项对偏离该目标的偏差做出响应。这样的行动可以为用户提供显著的经济利益。
系统和应用安全
与传统控制系统相比，追求最大经济效益的控制系统将如履薄冰。然而，安全和保障始终是设计的基本和关键元素。
优雅的转换
将流程置于高级系统的控制之下并不是永久的。在任何实际的应用程序中，总会出现问题——通常迟早都会出错。过程变量超出了范围。传感器坏了。变送器无法校准。关键设备故障。出现了先进系统无法处理的情况。在这种情况下，高级控制系统必须安全地离线，直到情况恢复正常，高级系统才能重新投入使用。
传统系统中独立运行的零碎部件具有标准的初始化、反计算和无颠簸传输特性。在应用传统PID控制时，工程师必须像设计控制问题本身一样小心地设计和配置这些特性。在使用前馈、自动选择器、多输出、开关等高级设计的更复杂的应用中，这些过渡的适当设计可能与总体控制策略一样复杂，甚至更复杂。这些函数中的错误很难隔离和调试，因为它们通常是罕见的和短暂的。在线下和完全在线之间的渐进、零碎的过渡可能很难顺利进行。
MPC实现也需要这些特性。但MPC的高度集成特性提供了一个优势。回算和握手信号可以标准化和自动配置。转换中所有变量同时出现的特性更容易做到无颠簸。
MPC实现提供了一个额外的优势，这得益于控制器中进程模型的可用性。由于控制器维护输入和输出变量的历史，它可以使用这个模型来提供一个预测的测量值，如果发射器应该脱机。这种预测在很长一段时间内都不可信，但在临时情况下尤其有用，如校准或清洗，允许控制器在现场测量临时不可用时正常工作。
容错
传统控制的软件和硬件都很完善，具有非常高的安全性。操作系统和应用软件(包括配置工具)非常健壮。这种硬件和软件安全已经发展到平台和通信是容错的地步，包括冗余处理器和网络，即使其中一个出现故障，也能提供不间断的性能。定期生成的备份文件在重新启动和自动重新启动后仍然存在是常态。
用于MPC的软件还不太先进。直到最近，MPC需要分布式控制系统无法提供的计算能力，需要复杂的设计和两个系统之间必要的通信工程。网络通信标准和打包集成设计正在迅速缩小这一差距。随着基于模型控制的应用成为高性能系统的规范，该技术的容错能力将与传统方法相匹配。
实现管理
在几个方面，实现一个先进的控制系统与实现一个传统的控制系统有很大的不同。
前端工程vs后端工程-传统的控制系统是通过连接大量相互独立，但相互作用的块函数来组装的。在项目的调试过程中，它的设计经常会被改变。虽然这些更改可能是混乱的来源，导致文档错误和项目延迟，但由小型独立元素组成的环境所提供的灵活性具有优势。当控制需求在项目开始时没有很好地定义，并且需要解决未预料到的约束和其他未认识到的问题时，这种灵活性是非常有用的。
相比之下，基于模型的控制器更加集成，并且在项目后期很难更改。出于这个原因，mpc在最初的项目阶段需要更多的纪律。它们的设计应该推迟，直到收集了尽可能多的关于流程交互的信息。系统设计应该在开始系统实施之前进行高度详细的设计。
建模与调优pid控制器是通用函数，不特定于任何进程行为。调优控制器是将控制器调整为特定应用程序的活动。从本质上讲，一个调谐良好的控制器的最终设置反映了它所控制的过程的稳态和动态特性。通常，调优是调试控制系统的最后一步。
mpc的情况正好相反。应用该控制器的第一步是通过执行PRBS测试(概率随机位序列)来获取过程特性数据，并建立动态过程模型。成功很大程度上取决于这种模式的质量。使用坏模型的控制器将表现不佳，但这在系统调试之前可能不明显。
应该尽一切努力避免这种情况，因为重新测试是非常昂贵和耗时的。如果在测试和调试之间的过程中有很大可能发生重大的物理或操作变化，则项目不应继续进行。
成本及进度传统PID控制系统通常比先进的MPC设计更便宜，实现速度更快，原因如下:
不需要正式的工艺测试;
平台和沟通问题较少;而且,
使用标准的工具可以更快地实现简单的设计。
MPC应用程序的实现通常更加昂贵，原因如下:
需要额外的前期测试;
可能会有重大的沟通问题需要解决，这可能需要定制编程;而且,
用户可能通常不熟悉实现过程和工具。
然而，在大型应用中，PID控制系统必须包括复杂的解耦和约束处理，这是MPC系统的标准，这些差异可能很快消失。此外，在适当的应用中，工艺优化的好处将很快收回与高级控制相关的任何额外成本。
培训、文档和可维护性这个问题在最后讨论，因为培训、文档和可维护性将最终决定系统的长期成功。培训和文档编制往往没有足够的时间和金钱来完成工作。它们被推迟到项目结束时，当资源耗尽时，优先考虑的是让系统在线，关闭项目，然后继续前进。
PID控制是一项为操作人员和控制工程师所熟悉的成熟技术。一般来说，操作人员了解操作模式——手动、自动、远程和本地——并知道如何使用它们。实现和维护PID控制的工具也很熟悉，一个设计和维护良好的系统将具有很高的服役系数。
MPC也是一种成熟的技术，尽管没有PID成熟。然而，在石油和天然气行业之外，人们对它的了解并不多。因此，决定应用这项技术通常意味着对工程师和操作人员进行额外的培训。
在应用基于模型的控制时，工程师和操作员将遇到许多新概念，而他们对控制系统的大部分知识将不得不忘记并重新学习。技术术语中的重叠尤其令人困惑。还必须学习实现和维护控制器的新工具和技术。
更重要的是，该技术改变了操作员与控制系统之间的关系。在PID控制下，操作员更多地是在持续的基础上参与-输入设定值，将控制系统的部分放入或退出自动控制，在必要或需要时手动帮助。这些控件的性能取决于操作人员使用它们的好坏。
mpc和优化器更依赖于它们自己。运算符不能用于单独的循环。所有东西都在一个控制器中，这个控制器可以控制，也可以不控制。操作符通常不输入设定值，因为该角色由优化器承担。相反，操作员扮演更重要的流程管理人员角色，输入高和低流程约束，限制控制器和优化器的操作，同时让控制器采取必要的操作。当然，在任何时候，操作人员都可以摆脱MPC，回到传统控制或手动控制。然而，当货币政策委员会运行时，它需要更多的“放手”操作。
在这种情况下，培训和文档是至关重要的。培训为操作员提供了熟悉度和信心。大多数经验丰富的操作员有理由为控制过程的能力感到自豪。如果没有训练，一些人会认为任何新系统都是威胁。其他人可能不急于学习新的工具和技术。许多人主要关心的是安全稳定的操作，可能不急于接受一个将过程带入风险条件的新策略。培训可以为这种新的操作方式提供桥梁。
从测试数据开发过程模型的一个优点是，它能够提供模拟，可用于调试前培训操作人员。操作员可以提前很好地接受培训，并可以对设计和实现做出有用的贡献，特别是在人机界面方面。
文档提供可维护性。随着时间的推移，一些条件将不可避免地发生变化，对配置甚至基本设计的修改可能成为必要。如果没有良好的设计和配置文档，进行这些更改是困难的，甚至是不可能的。新的操作员和工程师可能不能很好地了解系统，从而做出必要的改变。其结果将是一个昂贵的系统被废弃和抛弃，而它所能提供的好处也失去了。
一路帮助
本系列涵盖了先进控制项目的技术和管理范围。它的目标是帮助控制工程师和管理人员有效地执行项目，使成本最小化，长期效益最大化。这一目标是通过高效地实施一个系统来实现的，该系统使用最具成本效益的技术，并在项目完成后很长时间内保持运行，产生效益。
要实现这一目标，需要很好地理解各种控制技术的能力、优势和局限性。同时，成功还取决于理解过程控制中的人为因素，以及先进控制系统的实施将如何改变操作员和控制工程师的角色和责任。
在先进控制系统的应用中，测试已投入使用的系统的经济性能是一个相对较新的要求。如果操作得当，用户和供应商都能从中受益。
最后，开始应用先进的控制系统和有效的项目管理，极大地增加了项目圆满结束的可能性。选择正确的项目并适当地管理其执行，同时提供高质量的培训和文档，这将为长期的成功提供基础，以及源源不断的经济效益，这将证明项目的成本是合理的。
| 作者信息 |
| 卢·戈登(Lew Gordon)是英维思的首席应用工程师; |
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