自整定控制的应用

发布时间：2008-02-24 作者：Vance VanDoren, Ph.D.

　　自整定PID控制器的用户们正经历着挑战与成功并存的过程。

　　回路整定是既是科学也是艺术。一个经过完善整定的反馈控制回路可以快速并且安全地消除过程变量和极点之间的误差，但是要让控制器在激进与耐心之间具有一个平衡的话就需要有一定程度的技术及经验。
　　幸运的是各种不同的比例-积分-微分回路的简单的整定技术已经被自动整合到商业用的控制器中。需求性“自动整定”功能会模仿一位知识渊博的控制工程师在回路第一次使用时对其进行的整定操作。一旦回路完全运行时，冗余的“自整定”控制器也可以不停地更新它们自己的整定常数。
　　尽管这两种方法在工业过程控制用户中都得到了一定的认可，但是需求性自动整定功能更为流行。Peter Wellstead是爱尔兰汉密尔顿学院SFI研究教授，同时也是工程师实用手册第四版(B巐a G. Lipt噆, ed, CRC press, 2006) “自整定控制器”的两个作者之一。他解释道：“我在自整定控制器的理论上下了很大功夫，并且在80年代及90年代早期致力于研究一些商业用的自整定产品。在此之后，自整定才成为主流。”现在许多控制器都已经有其标准形式了。
　　Wellstead说道：“我所经手设计的产品包括两种。对于普通的回路整定，它们简单地应用带有阶跃测试和二阶脉冲的需求性整定，而不是一直来配合通常的操作数据；对于特殊的回路，它们会变得与现有的控制系统的特性高度吻合。这种情况下，我注意到大多数为高难度过程提供系统整定及诊断服务的公司，都由公司中富有经验的员工使用复杂的自整定功能。这只有在高价产业中才有价值，或者将回路维护外包出去以降低技能要求。”
　　Wellstead补充道，需求性自动整定技术更为流行是因为“仪器公司的工程师不喜欢闲置整定所需的额外的复杂算数和算法。应当应用更为简单的算法，这是如自整定本身一样必要的性能，甚至对于最基础的回路控制器也一样需要。最终用户也倾向于自己来进行重新整定。”

　　挑战
　　英维思公司的首席应用工程师Lew Gordon，认为应用商业用自整定控制技术可以弥补一些技术上的缺陷。“大多数先进的DCS平台都具有自整定能力。这些程序对控制器当前的性能进行评估并且修正其整定常数，以使在一次重置后能得到一个理想的暂态响应。”
　　然而，“这个是难度很大的挑战，”他说道。“适配器必须假定所有它所见到的所有行为都是它的变化所产生的结果。于是，由于其它变量通过回路互换在回路内所产生的周期性振荡，就可以很容易的让算法陷入迷茫。”
　　当试着同时控制液体的温度和流速时，Gordon亲身经历了这个问题。“任何持续的振荡将导致温度以同样的频率变化。在温度控制器上的自整定器将会试着通过解除温度控制器的整定来停止温度的变化，当然这非但不会成功还可能导致更糟的温度控制。基于此，自整定器需要使用近距离的监控并且不能很长一段时间内都无人关注。”　　

　　如果流入罐子中介质的流速开始振荡的话，那么由于低温混合物以振荡的流速流入容器内高温介质中，
因此罐子内部的温度也会随之振荡。一个用来调节罐子内部温度的自整定温度控制器就会错误
的假定这些振荡是由于其自身动作所引起的，从而解除其整定。

　　减少差异
　　其他应用自整定控制技术的用户的运气会好点。比如Lubrizol公司，在德克萨斯州的Deer Park的工厂就是使用艾默生过程管理公司的DeltaV insight的自整定功能，来帮助他们在生产中添加不同的燃料及机油。　　

　　降低过程变量的差异性，将使产品的一致性更高并使过程的操作更接近于其限制区域内。
　
　　消除超调量可能使过程变量达到极点所需的时间延长，但是它可以降低过程驱动的执行器的磨损。

　　包括水溶液，有机物，液体，固体及气相的产品通过不同的物理和化学工具成批地生产出来。“这真是一个相当复杂的间隙反应，而且也很保持客户对产品一致性的要求。”Fred Gregory说道，他是Lubrizol公司的首席工程师及过程改进小组的领导人。“任何我们可以使产品的一致性提高的措施都能帮助我们在市场中更有竞争力。”
　　为了降低他们温度和压力控制回路的差异性，Lubrizol公司使用InSight动态回路整定来作为艾默生公司的一个试点项目。“我们所需要的就是，能够在不需要任何操作员或控制工程师去启动自动整定功能的情况下，动态地对闲置的系统进行整定。”控制工程师George Lin说道。
　　Lubrizol公司德州工厂的工程经理Bruce Johnson补充道，“我们选择InSight是由于其能动态模拟过程增益、死区时间及时间常数的性能良好。”它在控制器内部使用嵌入式学习算法。“工程师不用担心使用新的技术。他只需要将学习开关启动就可以了。”艾默生过程管理公司产品市场经理John Caldwell说道。
　　由于Lubrizol公司知道操作员不容易接受新的技术，他们对于使用自整定控制器相当谨慎，以保证工厂运行一切顺利，没有任何变化或产量降低。Efran Hernandez，Lubrizol公司的过程控制工程师，注意到“从操作员来说他们关心的是他们需要一切都在控制中，”因此Lubrizol公司安装了监控功能以便操作员自己可以使用或不使用自适应控制技术。但是据Hernandez说，“我们找出了那些永远用不上的东西。”
　　事实上，据Hernandez所说，“就在我们开始为Beta测试采集数据之后，我们注意到回路差异性有了改进。在此之前，每次我回顾我们厂的历史，我发现许多回路都是闲置着的。在我们开始使用艾默生公司推荐的基线整定后，所有的事情看起来都好多了。”
　　过程的差异性减少了25%到50%。这不但改进了产品的一致性，它还使得响应变得更快捷，这就导致了工厂生产力提升了。

　　控制温度
　　在一个小得多的范围里，自整定控制也用来控制电子玻璃吹制炉和退火炉的温度。化学工程师及玻璃吹制师Richard Huntrods发现富士电机的PXR系列PID控制器在维持理想的温度、以及其每种不同的规格可以缓慢的改变温度方面，有着非常好的性能，所有的规格都不需要手动整定。
　　Huntrods替换了一个标准的PID控制器，因为该控制器不能根据他在烧制、吹制及退火的不同阶段过程中所需保持不同的极点值。他说“新的控制器需要一些时间来进行自整定，这点让我有点担心。将锅炉再次通电后，在控制器实际到达1850°F极点位置前，实际温度已经大约降到了1850°F。”
　　然而在使用了一些日子后，他注意到“你可以看到控制器慢慢地调整到正确的设置，当我第一次使用它时，温度通常会相对于设定值来说是超调，这是由于温度在变成最终温度前会有很短的时间内发生骤升。但是当达到最终温度后，控制器的响应通常都在几度之内。”
　　自整定控制器通常被认为具有良好的抗干扰性。Huntrods注意到“玻璃吹制中的一个问题就是你必须每隔十分钟就开启一次锅炉为了将一批一批的玻璃拿出来。在炉门关闭之后锅炉的性能是非常重要的。你需要一个很好的响应时间。当冷态的玻璃元件放入锅炉内锅炉的温度也会急速的降低。”
　　但是一旦控制器找到一套良好的整定常数，温度波形在一次波动之后就可以渐近地达到设定值，而不是超调或是停滞。这就将温度响应时间降到最低，并降低了Huntrods的操作成本。
　　“加热的元件正接近它们所能提供的最大温度值，因此必须对PID曲线进行优化，以避免超调，”Huntrods 解释道。“富士控制器就能知道施加多大的功率需要多长的时间，而不是简单地在我开门时将功率调至最大。这就大大提高了元件的寿命。加热元件通常只能维持使用几个月，而现在却已经用到了第三年。”他说道。

　　退火也是如此
　　Huntrods为了在退火炉工作时保持其温度在920°F，他也使用富士公司的自整定控制器。当他将这些完成时，他每一个小时降低100°F直到变为室温。
　　不同于锅炉，退火炉在其温度上升的过程中不需要经过一系列的温度阶段，因此对于其达到920°F设置值的响应要求会相对低一些。但是在退火炉门打开的时候，控制器必须对其后续地一系列温度波动进行响应，这时就会产生超差。“但是最终的响应相当迅速，不会产生超差。整定过程也同样相当迅速。”Huntrods说道。
　　Huntrods报告说他遇到过将富士公司的控制器也迷惑住的情况。“我有一次发现加热元件并没有真实地对锅炉进行加热。”他发现振荡一直在持续，因此他必须手动地将控制器关闭，再重新开启。
　　尽管如此，总的来说，Huntrods认为他的自整定控制器是值得对其的投入的。除了提供了高效率及低操作成本外，它们节省了他以前花在整定其他传统的PID控制器上的时间和精力。他说他更喜欢花时间在吹制玻璃上。