在自動化實施中，控制工程師需要掌握增加回路整定性能和可靠性的最佳實踐，包括提高效率、控制器增益以及了解回路交互等。

控制工程師經(jīng)常會面臨對回路整定的質(zhì)疑和擔(dān)憂。對此通常沒有現(xiàn)成答案，除非時間寬?？梢赃M(jìn)行分步測試或研究回路過往的調(diào)試記錄。

利用以下準(zhǔn)則，控制工程師可以判斷回路整定是否合適，或者如果它是造成性能問題的根本原因，那么就應(yīng)制定或建議適當(dāng)?shù)淖兏?/p>

01不要在流量回路上浪費(fèi)時間。將調(diào)節(jié)設(shè)置為0.25/0.25/0.0，然后進(jìn)行下一步工作?；ㄙM(fèi)更多時間通常沒有太大意義的，因為過程增益通常會隨閥門位置的不同而變化。

相對較小的增益（總的理想流量控制器增益為1.0）反映在閥門開度較小時的操作，通常此時的實際流量響應(yīng)最大。閥門開度較大時，較短的積分時間就可以彌補(bǔ)差異，通常在幾分鐘內(nèi)就可以將流量增加到設(shè)定值點(diǎn)，這通常比調(diào)節(jié)過程的其余部分要快得多。

當(dāng)在過程環(huán)境中需要及時調(diào)節(jié)任何回路時，同時將控制的不穩(wěn)定性降低到最小時，這通常是最應(yīng)該考慮的因素。大而慢的閥門，可能需要更長的復(fù)位時間；偶爾有些回路可能需要更小的增益，特別是如果它們在閥門開度非常小的工況下運(yùn)行。

02

不要在液位回路上浪費(fèi)時間。將調(diào)節(jié)設(shè)置為1.0/響應(yīng)時間/0.0，然后進(jìn)行下一步工作。在液位控制環(huán)境下，響應(yīng)時間是在沒有任何控制響應(yīng)的情況下應(yīng)干擾的平均時間，從設(shè)定點(diǎn)（通常為50％）開始，到完成填充（或清空）所需花費(fèi)的大致時間。例如，煉油工藝典型的響應(yīng)時間為：小水箱1到3分鐘，桶5到15分鐘，大水箱30到60分鐘（或更長）。如果發(fā)生嚴(yán)重干擾、溢出、或者未填充滿可能會造成嚴(yán)重后果，則需使用較大的增益而不是較小的積分時間（液位回路上的過度積分作用是造成過程振蕩的最常見原因）。液位回路增益很少有超過2.0的。無論液位是否為級聯(lián)流動，此液位調(diào)節(jié)指南均適用。

Level是一個積分器，通常是非線性的，因此比例控制可提供最可靠的長期整體性能。在基于模型的控制下，有幾種常見的替代策略，例如偏差增益、喘振控制調(diào)節(jié)和水箱庫存的動態(tài)優(yōu)化。但是，這些方法都沒有增加價值或提高可靠性。

03

不要在溫度、壓力、組份等方面浪費(fèi)時間，除非它們已經(jīng)與流量（有時是壓力）級聯(lián)。如果沒有級聯(lián)，實施級聯(lián)是下一個最佳步驟。級聯(lián)將線性化過程響應(yīng)，從而在整個操作量程內(nèi)實現(xiàn)最佳可靠調(diào)節(jié)。在沒有流量計的情況下，可以根據(jù)閥門特性來表征控制器輸出；然而，這種技術(shù)帶來了一些不確定性和漏洞，是次優(yōu)的選項。

04

在壓力、溫度和組份回路上投入時間，使其與流量（有時是壓力）級聯(lián)。除了線性化過程響應(yīng)之外，級聯(lián)結(jié)構(gòu)允許從兩個或多個運(yùn)行點(diǎn)處的過程數(shù)據(jù)精確地確定回路增益。

05

由于工藝條件可能會發(fā)生變化，將增益設(shè)置為所觀察到的增益值的1/2到3/4，以保持長期穩(wěn)定和可靠的性能，由于種種原因，可以預(yù)見這種情況會發(fā)生在大多數(shù)回路中。將積分設(shè)置為等于過程響應(yīng)時間，該過程響應(yīng)時間通過使用分步測試、過程體驗或歷史數(shù)據(jù)偏差來確定。與傳統(tǒng)的誤差最小化或1/4幅度衰減標(biāo)準(zhǔn)（例如Zeigler-Nichols）的建議相比，略小的增益和更長的積分時間具有顯著的長期性能優(yōu)勢，直到超出過程時間限制為止。

06

不要使用微分。微分是一種通過使用更大增益和復(fù)位來減少總誤差的方法，然后依靠微分來制動。這就像加速，然后在接近停車標(biāo)志時剎車，以便更快的到達(dá)目的地。在大多數(shù)工業(yè)過程控制應(yīng)用中，都需要考慮過程速度限制，最小化過沖和振蕩以及始終保護(hù)過程穩(wěn)定性時，微分作用是不合適的。

許多現(xiàn)代調(diào)節(jié)軟件包經(jīng)常推薦將微分設(shè)置為非零，這是一種缺乏經(jīng)驗的表現(xiàn)。基于模型的多變量控制算法在實現(xiàn)“誤差最小化”或“利潤最大化”方面所做的一樣，但是正如在單回路控制中一樣，通常需要放棄激進(jìn)的調(diào)節(jié)以提供長期可靠的性能。除了傳統(tǒng)的由于變送器導(dǎo)致的噪聲或不穩(wěn)定性引起的大微分突變的問題之外，這也是需要注意的事項。

07

控制器增益嚴(yán)重依賴于量程。例如，壓力控制器的量程為每平方英寸0到1000PSIG（使用現(xiàn)代智能變送器），需要的增益比量程范圍為900到1000PSIG的同一控制器大10倍（在過去的設(shè)計中，經(jīng)常使用類似的回路，在實際運(yùn)行區(qū)間具有更高的準(zhǔn)確度），以對給定誤差提供相同的控制響應(yīng)。如果不理解這種差異，就不愿意接受更大但功能相同的增益值。一般來講，對于大量程的溫度和壓力控制器，每100至200單位量程的增益通常為1.0。

08

了解回路交互。當(dāng)一個回路的動作強(qiáng)烈影響其它回路時，用戶需決定哪個回路應(yīng)該正常整定，哪個需要減少增益和增加重置時間。這樣做，從技術(shù)上需要使用諸如“解耦”之類的方法，并且需要改變過程增益的現(xiàn)實，會破壞任何此類回路，因此通常沒有實際的可靠選擇來調(diào)節(jié)一組交互回路中的所有回路以獲得及時響應(yīng)。

交互回路的速度要求與傳統(tǒng)的級聯(lián)規(guī)則具有相似的基礎(chǔ)。例如，次級回路應(yīng)該失諧至比主回路（高優(yōu)先級）至少慢3到5倍。在多變量控制中，這一基本規(guī)則一直被忽視。這經(jīng)常會導(dǎo)致性能不穩(wěn)定并最終導(dǎo)致性能下降，除非涉及到的所有模型保持高度準(zhǔn)確，這幾乎不現(xiàn)實。

09

當(dāng)需要嚴(yán)密控制時，大膽增加增益并謹(jǐn)慎復(fù)位。有一種觀點(diǎn)，太大的增益可能會導(dǎo)致震蕩，并且由于重置是以時間為單位，較短的設(shè)置可能會帶來更快的控制。實際上，比例控制動作是瞬時的，過多的復(fù)位，特別是在與太小的增益相結(jié)合時，是過程振蕩的最常見原因。因此，在需要更嚴(yán)格控制的情況下，使用更大的增益（直到實際平均過程增益的極限）并更準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)積分（注意不要使其小于實際過程響應(yīng)時間）。

01了解何時使用以及不使用前饋。當(dāng)對主要干擾有了充分的理解，當(dāng)模型（增益、響應(yīng)時間和死區(qū)時間）由于任何原因未能及時發(fā)生顯著變化，并且需要確保避免達(dá)到硬過程限制或者獲得更多收益或避免巨額虧損時，前饋可能是有利的。

如果不滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，特別是如果無法準(zhǔn)確的知道模型動態(tài)（響應(yīng)時間和死區(qū)時間），則應(yīng)避免使用前饋。每個前饋模型都需要工程實施、可靠性和維護(hù)成本，在基于模型的多變量控制中批量使用前饋時已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)。成功的回路整定，意味著最小化返工、失諧、重新調(diào)節(jié)、重新建模等。在理解傳統(tǒng)的單回路整定工具和方法（如Ziegler-Nichols）時，同樣依賴于對過程操作性能標(biāo)準(zhǔn)的理解。當(dāng)忽略過程操作視角時，回路整定通常會在返工周期中被重視（參見圖1），而不是在實際所需的階段實施。

圖1：現(xiàn)場經(jīng)常提高回路整定工作的優(yōu)先級，并分配大量的財務(wù)和人力資源，以補(bǔ)救諸如手動回路、頻繁應(yīng)用回路整定來處理擾動或停機(jī)所帶來的影響，以利用最新的、最有希望的工具和技術(shù)，“重新設(shè)計”降級的多變量控制器等。不幸的是，從過程操作的角度來看，重要的因素往往被忽視。圖片來源：APCPerformanceLLC

另一個重要的方面是，基于模型的控制調(diào)節(jié)所需注意的影響事項，與傳統(tǒng)回路整定類似，例如可變過程增益的影響、交互的影響、前饋的自由裁量權(quán)以及利用強(qiáng)大的調(diào)節(jié)來最大化過程可靠性。

最初，人們認(rèn)為基于模型的控制超越了大部分問題，但是性能下降、模型維護(hù)和生命周期短等經(jīng)驗已經(jīng)揭示了這些原則如何仍然適用。使用這些回路整定技巧可以幫助打破返工周期，提高成功率，并為大多數(shù)回路帶來多年可靠的免維護(hù)過程控制性能。

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