控制回路整定優(yōu)化指改善控制回路的性能，以從中獲得最佳性能?？刂苹芈氛▋?yōu)化往往采用試湊法進(jìn)行，但這通常是無(wú)效的，并且很少能獲得真正的最佳回路性能。通過遵循最佳實(shí)踐，可以系統(tǒng)且有效的進(jìn)行控制回路整定優(yōu)化。
1、了解您的過程
看起來(lái)顯而易見根本不需要特別指出，但是人們往往很想通過整定PID參數(shù)來(lái)解決控制問題，而不考慮更廣泛的過程。過程知識(shí)可提供有關(guān)控制目標(biāo)、要使用的整定規(guī)則、要執(zhí)行的診斷測(cè)試以及進(jìn)行整定的過程條件的指導(dǎo)。有關(guān)過程需要知道的信息包括：過程類型(自衡對(duì)象或積分對(duì)象)、純滯后時(shí)間和時(shí)間常數(shù)的比、過程增益或動(dòng)態(tài)特性是否會(huì)在不同的操作條件下發(fā)生變化、所使用的最終控制元件的類型及其特性、過程的干擾以及是否可測(cè)、過程變量超調(diào)或者快速變化的調(diào)節(jié)器輸出可能會(huì)產(chǎn)生的負(fù)面影響。
2、確定控制目標(biāo)
確定控制目標(biāo)需考慮以下幾點(diǎn)：
①回路應(yīng)快速執(zhí)行還是緩慢執(zhí)行？
②超調(diào)是否可以容忍？
③PID調(diào)節(jié)器輸出是否可以盡可能變化？
④調(diào)節(jié)器設(shè)定值是否經(jīng)常變化？
⑤回路是否必須克服過程干擾？
控制目標(biāo)將決定要使用的PID參數(shù)整定方法的類型?？刂颇繕?biāo)可以是快速的設(shè)定值跟蹤或快速的干擾消除、過程變量零超調(diào)、對(duì)設(shè)定值變化的特定過程響應(yīng)、最小調(diào)節(jié)器輸出變化以及調(diào)節(jié)器輸出沒有超調(diào)。例如：緩沖罐液位回路應(yīng)該整定以最大程度地減少調(diào)節(jié)器輸出變化，同時(shí)將液位保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。
3、檢查控制策略
借助工藝管道儀表流程圖檢查控制策略設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)是否支持以上確定的控制目標(biāo)？是否需要并正確應(yīng)用串級(jí)、前饋、比值和其他控制策略？有耦合控制回路嗎？如果是這樣，如何處理？在干擾，非線性和其他細(xì)微差別的廣泛過程中，控制策略應(yīng)支持控制目標(biāo)。例如：如果實(shí)際需要比值控制，那么簡(jiǎn)單的反饋控制回路將做的很糟糕。僅當(dāng)副回路比主回路快得多時(shí)，才應(yīng)使用串級(jí)控制。干擾除直接影響通過最終控制元件的流量(需要串級(jí)控制)外，應(yīng)使用前饋控制來(lái)補(bǔ)償。如果檢查正確，控制策略有助于控制回路的穩(wěn)定性和響應(yīng)性。反之，情況則相反。
4、現(xiàn)場(chǎng)檢查
檢查過程設(shè)備的尺寸和布局，以及儀表和最終控制元件(例如調(diào)節(jié)閥、擋板或調(diào)速泵)的狀況和位置。需要確認(rèn)一切狀況都良好且位于正確的位置。通過設(shè)備的大小，能夠大致了解該過程對(duì)調(diào)節(jié)器輸出變化的響應(yīng)速度有多快。這些知識(shí)將有助于階躍測(cè)試。
5、檢查測(cè)量設(shè)備
確保過程測(cè)量滿足需求。變送器的量程是否合適？這是針對(duì)當(dāng)前條件的最佳傳感技術(shù)嗎？設(shè)備安裝正確嗎？
6、評(píng)估濾波的使用
檢查是否正在使用變送器阻尼或過程變量濾波。如果需要，應(yīng)在控制系統(tǒng)中進(jìn)行濾波，以簡(jiǎn)化其整定并方便更換變送器，而不必?fù)?dān)心設(shè)備本身的濾波。檢查過程變量的時(shí)間趨勢(shì)，并確定是否需要濾波以及需要多少濾波。如果使用過程變量濾波器，則應(yīng)檢查其時(shí)間常數(shù)，以確保其設(shè)置適當(dāng)且顯著小于主要過程時(shí)間常數(shù)。
7、測(cè)試最終控制元件
最終控制元件工作不正常會(huì)損害控制回路性能，并會(huì)否定正確的調(diào)節(jié)器PID參數(shù)整定方法。典型的問題包括死區(qū)、靜摩擦、非線性流動(dòng)曲線和定位器問題。這些問題可能看起來(lái)與整定問題非常相似，如果問題出在控制閥上，那么一個(gè)不了解情況的整定人員可能會(huì)花費(fèi)很多時(shí)間進(jìn)行徒勞的整定。在嘗試進(jìn)行任何整定之前，應(yīng)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的過程測(cè)試以檢測(cè)和診斷最終控制元件問題。為了獲得最佳控制性能，必須解決這些問題。同樣，最終的控制元件問題可能會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試結(jié)果，并導(dǎo)致計(jì)算出完全不正確的整定參數(shù)。
8、查看PID調(diào)節(jié)器配置
調(diào)節(jié)器提供了多種選擇，可以針對(duì)各種情況優(yōu)化其性能。即使操作員突然修改設(shè)定值，也可以在內(nèi)部對(duì)設(shè)定值進(jìn)行爬坡調(diào)整或?yàn)V波以獲得平滑的控制響應(yīng)。設(shè)定值更改也可以與比例和微分控制模式無(wú)關(guān)。外部積分反饋可防止在不利條件下出現(xiàn)積分飽和，并且變化率約束可保護(hù)下游的敏感設(shè)備。在整定調(diào)節(jié)器之前，請(qǐng)檢查調(diào)節(jié)器PID控制算法和可配置的調(diào)節(jié)器選項(xiàng)。
9、選擇合適的整定方法
與普遍的看法相反，調(diào)節(jié)器PID參數(shù)整定是科學(xué)而不是藝術(shù)。可以根據(jù)控制目標(biāo)、過程特性和適當(dāng)?shù)恼ㄒ?guī)則快速而準(zhǔn)確地完成回路整定?？梢酝ㄟ^在PID調(diào)節(jié)器輸出中進(jìn)行階躍變化并從所得到的過程響應(yīng)中進(jìn)行測(cè)量來(lái)確定過程特性。盡管試湊法整定很流行，但它只能作為不得已的手段使用，例如處理過程非常易變，以致無(wú)法獲得可用的階躍測(cè)試數(shù)據(jù)。作為根據(jù)階躍測(cè)試結(jié)果手動(dòng)計(jì)算整定參數(shù)的替代方法，回路整定軟件提供了許多有用的功能，例如過程特征的辨識(shí)、針對(duì)不同整定目標(biāo)產(chǎn)生整定參數(shù)、提供預(yù)期回路響應(yīng)的仿真、分析控制回路的魯棒性以及更多。但是，整定軟件只是一種工具，擅長(zhǎng)使用階躍測(cè)試數(shù)據(jù)和整定規(guī)則手動(dòng)整定調(diào)節(jié)器的人可能也會(huì)發(fā)現(xiàn)整定軟件很難使用。
10、通過多次階躍測(cè)試進(jìn)行模型辨識(shí)
模擬可以是100%可重復(fù)的，但實(shí)際過程卻并非如此。過程干擾、相互耦合的控制回路、非線性和運(yùn)行條件都會(huì)影響過程特性。如果由于某種原因過程響應(yīng)不正常，則僅一步測(cè)試進(jìn)行的整定可能會(huì)導(dǎo)致整定設(shè)置不佳。必須進(jìn)行多步測(cè)試，以獲得過程特征的“平均”測(cè)量值，并了解它們?cè)谡l件下會(huì)發(fā)生多少變化。
11、適應(yīng)非線性和變化的過程特征
安裝的最終控制元件的流量特性通常不是線性的。此外，許多工藝的特性會(huì)在不同的工藝條件(產(chǎn)量、使用中的設(shè)備、催化劑濃度、pH等)下發(fā)生變化。控制閥和擋板可能必須使用定位器進(jìn)行線性化，并且變化的過程特性可能需要持續(xù)整定調(diào)節(jié)制器PID參數(shù)(稱為增益調(diào)度或自適應(yīng)整定)。
12、驗(yàn)證并測(cè)試新值
將新計(jì)算出的調(diào)節(jié)器設(shè)置與調(diào)節(jié)器中的設(shè)置進(jìn)行比較，并確保數(shù)字上的任何較大差異都是合理且恰當(dāng)?shù)摹?shí)施并測(cè)試新的調(diào)節(jié)器設(shè)置。確保整定調(diào)節(jié)器與所控制的過程動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)一致，并滿足回路的總體控制目標(biāo)。首先，讓回路穩(wěn)定下來(lái)并評(píng)估其在穩(wěn)定條件下的性能。它會(huì)振蕩嗎？PID調(diào)節(jié)器輸出是否變化太多？如果回路應(yīng)響應(yīng)設(shè)定值更改，請(qǐng)進(jìn)行設(shè)定值更改，并查找是否有不必要的超調(diào)、振蕩或PID調(diào)節(jié)器輸出變化過多等。如果回路用于克服干擾，則將調(diào)節(jié)器短暫地置于手動(dòng)狀態(tài)，將輸出更改幾個(gè)百分點(diǎn)，然后立即將控制器置于自動(dòng)狀態(tài)，這模擬了干擾。再次，檢查是否有不必要的超調(diào)、振蕩，控制器輸出變化過多。整定后幾天，請(qǐng)定期監(jiān)視調(diào)節(jié)器的性能，以驗(yàn)證在不同過程條件下的性能提升。
13、保留記錄
記下以前的PID調(diào)節(jié)器設(shè)置，新設(shè)置以及更改日期和時(shí)間。應(yīng)保留對(duì)控制回路的所有更改的電子或紙質(zhì)日志。將先前的調(diào)節(jié)器設(shè)置留給操作員，以防操作員想恢復(fù)到原來(lái)的設(shè)置而找不到您。如果新設(shè)置不起作用，則您可能錯(cuò)過了上述流程的一步或多步工作。
如果遵循這些做法(包括維修故障設(shè)備和更改控制策略)無(wú)法滿足所需的控制目標(biāo)，則可以將模型預(yù)測(cè)控制作為一種可能的解決方案進(jìn)行研究。最后的，也許是最昂貴的選擇是修改工藝設(shè)備，但這很少需要。在大多數(shù)情況下，上述控制回路整定優(yōu)化流程都能解決控制回路存在的問題。
作者：馮少輝博士(現(xiàn)從事先進(jìn)控制工作，有一線十幾年工作經(jīng)歷，真正理論聯(lián)系實(shí)際的過程控制專家)
