控制工程师的十大调谐技巧

要提高设施中的循环调优性能和可靠性，需要遵循的最佳实践包括提高效率、控制器增益和了解循环交互。

通过Allan Kern, APC Performance LLC 2018年10月30日

控制工程师经常面临以下问题和担忧循环优化．通常，没有现成的答案，除非有时间进行步骤测试或研究循环过去的性能记录。

通过应用以下准则，控制工程师可以判断是否有适当地调整了循环或者它可能是性能问题，然后做出或推荐适当的更改。

注意:调优以“增益/积分/导数”的格式给出，其中增益(或比例控制)基于范围的百分比，积分(或重置)以每次重复的分钟为单位，导数以分钟为单位。术语“阀门”可以指任何最终控制装置。

1.不要把时间浪费在流循环上

将调优设置为0.25/0.25/0.0，然后继续。花费更多的时间通常是没有意义的，因为工艺增益通常会随着阀门位置本身的变化而变化。相对较小的增益(总体理想流量控制器增益为1.0)反映了在低阀门开度下的操作，此时实际流量响应通常最大。在较高的阀门开度下，较短的积分时间将弥补差异，通常在几分钟(如果不是几秒钟)内使流量达到设定值，这通常比其他过程要快得多。在调优任何循环时，这通常是最重要的考虑因素——在过程的上下文中要及时，同时尽量减少控制不稳定的可能性。大型、慢速阀门可能需要更长的复位时间;偶尔循环可能需要更小的增益，特别是当它们在非常低的阀门开度下运行时。

2.不要在关卡循环上浪费时间

将调优设置为1.0/响应时间/0.0 -然后继续。在液位控制环境中，响应时间是在没有任何控制响应的情况下，容器从设定值(通常为50%)开始完全填满(或清空)所需的近似时间。典型的精炼过程响应时间为:开机1 - 3分钟，桶5 - 15分钟，罐30 - 60分钟(或更长)。

在可能出现严重干扰的情况下，或者在过度或不足填充的潜在后果很严重的情况下，使用较大的增益而不是较短的积分(电平回路上的过度积分作用是过程振荡的最常见来源)。电平回路增益应该很少大于2.0。无论级别是否级联到流，此级别调优指南都适用。电平是一个积分器，通常是非线性的，因此比例控制提供了最可靠的整体长期性能。有几种常见的替代策略，如间隙增益、喘振控制调谐和基于模型控制的船舶库存动态优化。然而，这些方法都没有增加价值或更可靠。

3.不要在温度、压力、成分等方面浪费时间。

除非它们已经级联到流动(有时是压力)。如果没有级联，那么实现级联是下一个最好的步骤。级联将线性化过程响应，从而允许在整个操作范围内进行最佳可靠的调谐。在没有流量计的情况下，可以根据阀门特性来确定控制器输出的特性;然而，这种技术有一些不确定因素和漏洞，远远不是最佳实践。

4.花时间在压力、温度和成分循环上

投资于流级联的循环(有时是压力)。级联结构除了使过程响应线性化外，还允许从两个或多个工作点的过程数据精确确定环路增益。(练习:在一个普通的加热器温度/燃气流量级联．)

5.将增益设置为观察到的增益的大约1 / 2到3 / 4

由于许多原因，在大多数循环中都可能发生潜在的工艺条件变化，从而保持长期稳定可靠的性能。将积分设置为流程响应时间，该响应时间由使用阶跃测试、流程经验或历史数据(长端错误)确定。与传统的误差最小化或四分之一振幅衰减标准(如zeigler - nichols将推荐的标准)相比，较小的增益和较长的积分具有显著的长期性能优势，直到超出过程及时性考虑的程度。

6.不要使用衍生动作。

导数是一种通过使用更激进的增益和重置来减少总误差的方法，然后依靠导数来踩刹车。这就像你加速，然后在接近停车标志时用力刹车，以便稍早到达那里。在大多数工业过程控制应用中，当观察过程速度限制时，导数动作是不合适的，最大限度地减少超调和振荡，并在任何时候保护过程稳定性都是至关重要的。许多经常推荐非零导数设置的现代调优软件包都缺乏经验。基于模型的多变量控制算法做同样的事情来实现“误差最小化”或“利润最大化”，但结果的侵略性行为，如在单回路控制中，通常需要退出以提供长期可靠的性能。这一警告是对由于发射机噪声或不稳定性导致的较大导数颠簸的传统担忧的补充。

7.控制器增益很大程度上依赖于量程。

例如，一个压力控制器的跨度为0到1000每平方英寸压力表(PSIG)(使用现代智能变送器)将需要一个增益大于相同的控制器跨度900到1000 PSIG(因为这样的回路在过去经常被设计，在实际操作区域内具有更高的精度)提供相同的控制响应给定的误差10倍。如果不了解这种差异，就不愿意接受更大但功能等效的增益值。作为一个宽松的指导方针，对于大跨度温度和压力控制器，增益通常为每100到200个单位的跨度1.0。

8.注意循环交互。

当一个回路的动作强烈影响其他回路时，用户需要决定哪个回路应该正常调谐，哪个回路应该降低增益并增加复位时间。通常没有实际可靠的选项来调整一组交互循环中的所有循环以获得及时的响应，这是由于这样做的技术要求，使用诸如“解耦”之类的技术，以及改变过程收益的现实，这破坏了任何此类方案。相互作用回路的速度准则与传统的级联规则有着相似的基础，只是方向相反。

例如，次要循环应该被调为比主循环(高优先级)慢至少三到五倍。这一基本规则在多变量控制中历来被忽视和忽略。这经常导致不稳定的性能，并最终导致性能下降，除非所有涉及的模型都保持高度精确，而这很少是现实的。

9.在需要严格控制时，增益要大胆，复位要谨慎。

有一种观点认为，增益太大可能会导致循环，而且由于重置是以时间为单位的，所以更短的设置可能会带来更快的控制。在现实中，比例控制的作用是瞬时的，过多的复位，特别是与太小的增益相结合，是过程振荡的最常见原因。因此，在需要更严格控制的地方，使用更大的增益(直到实际平均过程增益的极限)并更准确地调整积分(注意不要使其小于实际过程响应时间)。

10.了解什么时候使用前馈，什么时候不使用前馈。

当一个主要的干扰被很好地理解时，当它的模型(增益、响应时间和死区时间)由于任何原因不会及时发生显著变化时，当保证避免触及硬过程限制或获取大量收益或避免大量损失时，前馈是有利的。当不满足这些条件时，特别是模型动力学(响应时间和死区时间)不可靠地知道时，应该避免前馈。每一个前馈模型都伴随着工程、可靠性和维护成本，这是在基于模型的多变量控制中大量使用前馈模型所强调的。

成功的循环调优——定义为最小化返工、失谐、返回、重塑等——依赖于对过程操作性能标准的理解，就像了解传统的单回路调优工具和方法(如齐格勒-尼克尔斯)一样。当流程操作透视图被忽略时，循环调优通常会陷入返工的循环中(图1)，而不是按照应该的方式进行。

另一个重要的结论是，基于模型的控制仍然受制于大多数与传统循环调谐相同的调谐警告，例如可变过程增益的影响、相互作用的含义、前馈的酌情权，以及在基础层中保留具有鲁棒调谐的级别控制以最大化过程可靠性。

最初，人们认为基于模型的控制超越了大多数这些问题，但是诸如性能下降、模型维护和较短的生命周期等经验已经揭示了这些原则如何仍然适用。使用这些指导方针可以帮助打破返工周期，提高成功率，并为大多数循环带来多年可靠的免维护过程控制性能。

艾伦·克恩APC顾问是谁APC绩效有限公司．编辑:Emily Guenther，副内容经理，控制工程， CFE传媒，eguenther@cfemedia.com．