【知识普及】PID控制器整定软件如何优化工业流程？
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2017年3月刊，原标题为：克服控制回路优化的挑战
良好的控制回路优化可以提高产品质量、增加产量，并将与生产相关的废弃物量降到最少。
多年以来，在成功应用优化软件之前，人们都必须要先稳定工艺流程。因为大多数工业流程都显示出一定程度的震荡行为，稳定状态的先决条件意味着优化软件只有在那些已经具备合理控制的回路中才能应用。
换句话说，对于生产环境来说，首先需要的就是软件，而优化软件很多时候在正常的动态生产环境下都失效了。最近在流程建模方面的进步消除了对稳定状态的需求，而允许使用比例-积分-微分（PID）控制器优化软件来修正典型工业应用场合出现的嘈杂的和震荡的行为。
关于PID回路整定的文章经常发表，这些文章一如既往地引用一些研究结果来宣扬性能改善以及经济收益。无论是来自于实验性研究还是趣闻轶事，它们都已经清楚地表达了整定PID可以显著地改善一家生产设施的性能。既然有了这么多非常明确的证据，为什么这些制造业界还要经常地提醒我们？
考虑一下英国的“能源效率最佳范例项目”所发表的一些研究结果。那是其“投资控制–利润回报”指南将PID整定与实质性和可持续性的经济收益进行分析，通过周期性PID整定可实现生产产量增加2%到5%， 能源消耗减少5%到15%，以及其他的好处（请见图1）。看到了如此高水平的收益，估计有人可能会期待制造商赶快跑着去附近出售整定软件的店里吧。
图1：“能源效率最佳范例项目”研究指出，通过定期的PID整定能带来显著的经济收益。本文图片来源：Control Station
自动化供应商们早已经制造出了一大批用于简化过程整定和PID控制优化的工具。有一体化的自动整定器，也有零部件市场的产品，还有大量可选的软件。不幸的是，恶魔总是存在于数据当中。来自于典型工厂的典型工艺数据通常是高度动态的。那数据是嘈杂的，是震荡的。这些属性已经让不止一款软件程序在整定失败的暗礁上沉没。
稳定工艺过程
整定PID控制回路是以使用逐级测验数据对工艺模型进行计算开始的。随着关于第一阶模型和更高阶模型的优点的争论愈演愈烈，几乎所有的供应商都认为在他们所定义的整定程序开始之前都需要一个稳定的或安定的工艺过程。讽刺的是，这样的要求触及了事件的核心。在一个被变迁过程所主宰的世界里（请见图2），对于稳态的要求毫无依据。
图2：在稳态条件下同时对开始和结束进行测试的时候。传统的整定工具对工艺流程的动态模型很精确。由于日常工厂运行中没有引入稳态条件，传统的整定工具在计算精确的模型方面困难重重。
在实践者的眼中，整定PID回路的软件展现了挑战性、高度动态的变量。不过软件历来需要实践者在软件正常工作之前稳定回路的动作。当涉及到回路整定时，大多数人会证明稳定一个工艺过程是很困难的部分。在排除可行性的前提下，如果很容易达到稳定的状态，手动整定方式基本上都足够了。除此以外，通过要求用户完成困难的整定部分，软件的价值理所当然地在讨论的问题之列。
无论对这种讽刺置之不理还是作出响应，过程模型和控制器整定技术都得到了发展。特别是一个由选定的自动化公司组成的小组已经解决了因为稳态要求所产生的难题。为了实现这一点，它们已经使整定软件可以实现其最初的承诺。
建模方面的进步
众多自动化供应商都提供具有被称为“非稳态（NSS）”模型特性的PID整定解决方案，建模的过程使用他们的可编程逻辑控制器(PLC)或者其分布式控制系统（DCS）。此种创新在2008年首次进入自动化领域，即使从那以后都不怎么为人所知，它还是一直不断地发展着。该创新消除了对稳态的要求，最终使用户可以在其嘈杂的、震荡的、甚至是长时间死区时间的工艺过程中改进其控制（请见图3）。
图3：配置有非稳态（NSS）模型的整定软件消除了对稳态的需求，并且已经展示在对于工业过程制造方面很常见的高度动态变量的精确模型当中。这些是应用到图2中所示的测试中的NSS模型的图表。
想一下NSS模型所产生的影响。首先，它消除了稳定一个工艺过程的负担。配备有NSS的软件需要连续冲击试验的数据，这些数据包括控制输出以及与过程中的任何表面噪声不同的过程变量信号。仅凭那一个因素就可以显著地减少一个工厂在整定一个PID控制回路上所花费的时间和精力，这意味着不再需要对一个回路的控制进行修补，或者抑制其他上游以及可能干扰的过程。
现在想一下那些关键的回路，对于它们来说稳定工艺过程会被看做是没有成功希望的。那些回路通常是被认为经济上太过重要或技术上太具有挑战性，以至于不能适用于软件程序的稳态条件。通过一个类似的独特的连续冲击试验，这些回路的表现最终可以通过NSS模型的应用而得到改善。
克服回路整定的挑战
最后，需要考虑工艺过程所具有的特殊超长的死区时间或时间常数的特性。应该可以理解的是一项从稳态到另一个稳态的测试要求会超出大多数运行人员的耐心极限，可是对于软件来说就不是问题。出于各种原因，异常缓慢的系统始终影响着传统整定软件产品的建模能力。
在使用开环工艺的时候，NSS建模功能可以与使用闭环工艺数据时一样好。更重要的是，它在整个工业应用领域里都创造出精确的模型，包括非集成的诸如温度或压力这样的回路，以及诸如料位、浓度这样的集成工艺过程，甚至还包括诸如间歇温度的伪集成工艺过程。
正如一些研究报告所分享的，通过PID控制器整定所带来的性能和经济效益的提升会很显著（请见图4）。调整一个工厂内的管理控制器可以带来产品质量和产量的提高。可以降低能源消耗以及与生产相关的浪费。其效果是提高一家工厂的收入潜能的同时增加其利润率。考虑到加工制造业竞争的属性，那些收益意义重大。
图4：非稳态（NSS）建模已经让加工制造商改善了对复杂回路的控制，并实现了意义重大的经济效益。最近，其与控制回路性能监控（CLPM）方案在内部的集成为全厂范围内创造了工艺过程优化的新的良机。
幸运的是，整定软件最大的缺陷已经得到了解决。具备了适应嘈杂的、过渡的以及震荡数据的能力，对于之前挑战太大的控制回路来说，整定软件已经可以应用其中，并产生积极效果。
作者：Damien Munroe