優化控制回路性能 提高工廠生產效益
http://www.moduwu.com 2010-07-15 08:30 《中華工控網》原創
導讀：現代工業過程中采用了大量的控制回路，這些回路在初期一般都具有良好的性能。但如果沒有定期維護，其性能會隨著時間的推移而下降 ，從而可能導致產品質量降低、不合格產品和操作成本增加等問題。只有那些得到良好設計、維護的過程控制回路才能真正為生產過程帶來長期、穩定和可靠的效益。因此，需要通過一些方法來方便地評估各個控制回路的性能。目前國內對該領域研究相對較少，尚處于起步階段。
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導致控制回路性能不佳的原因
研究表明，實際工業中有60%的控制器存在性能方面的問題。那么導致這些控制回路性能不佳的原因是什么呢？
最常見的導致控制回路性能不佳的原因是控制器整定不佳且缺少維護。據悉，在工業過程自動控制系統中90%以上的控制器是PID控制器。這些控制器經過多年的運行，執行器和被控對象的動態特性由于磨損等原因發生變化，如若得不到及時的維護，控制回路的性能便會下降。
其次是由于傳感器或執行器的故障、不合適的輸入/輸出配對或者裝置/組件設計不合理導致控制回路性能不佳。尤其是缺少前饋或前饋補償不足，若處理不當，外部的擾動會使回路的性能惡化。自由度不足、過程強非線性、缺乏對大時延的補償引起的控制結構問題也會導致控制回路性能不佳。
主要從事過程先進控制與優化的中國科學技術大學自動化系薛美盛副教授指出，控制回路性能評估是保持工業過程中控制回路高效經濟運行的一項重要技術，根據運行數據的統計特性，分析估計出控制回路的工作狀態。其主要目的是提供在線自動運行程序，通過對運行數據的分析，為維護人員提供控制回路的工作狀況。
國內外控制回路研究及應用現狀
關于控制回路性能評估方面的研究，最早可追溯到上個世紀70年代。1978年，DeVries和Wu提出了性能評估的思想。1989年，Harris提出了基于最小方差控制的性能指標，為單變量控制回路的性能評估奠定了基礎。此后，隨時性方法引起業界的關注，成為控制回路性能評估最基本的方法。
1993年，Stanfelj等將最小方差控制性能評估方法推廣到了單變量的前饋和反饋控制回路中。1995年，Tyler和Morari修正和推廣了Harris指標，并將其應用于不穩定系統和非最小相位系統。1996年，Harris等把單變量最小方差控制準則引入到了多變量控制系統中，利用多變譜因子分解和多變量丟番圖方程的解來描述多變量控制系統的性能。
近10年來，業界提出了許多控制回路性能評估的方法。這些方法能夠滿足在工作閉不條件下，不需要附加測試信號，監測控制回路并及時指出該回路是否需要重新整定。2002年，Grimble提出了廣義最小方差基準，將控制信號幅度引入目標函數中。2007年，Harris等將最小方差控制基準推廣到一類非線性單變量系統中，并給出了操作數據估計性能上界的Volterra序列近似法。
控制回路性能評估是控制領域中較新的一個研究分支，吸引了越來越多的目光。但國內對該領域研究相對較少，尚處于起步階段。具有代表性的研究包括孫金明等的通過對常規操作數作數據按擬合模型，估計PID實現的最小方差及其相應的PID控制器參數。李剛提出多擾動動態下的PID控制回路性能評價標準等等。
控制回路性能評估的應及產品
控制回路性能評估的方法被方法應用于煉油、石化和其他化工領域，在造紙過程中也可以見到一些應用的案例。基于最小方差的性能評估技術已經成熟，并已成為日常生產中使用的標準方法。市場上已有一些控制回路性能評估與監視軟件。
Honeywell的Loop Scout作為一款全面的回路工作流管理軟件，包括了回路分析功能、閥門診斷功能、以強大控制理論為基礎的調節功能以及針對PID控制器的選擇性技術。該軟件能夠收集流水線中過程量、節點、控制器輸出以及控制回路組態方面的數據，然后產生各條回路的性能報告。專業級的指導工具會引導新用戶解讀這些數據，并且提供額外的測試用來確定是維護方面存在問題、調節方面存在問題還是控制方案自身就有問題。
Rockwell的RSLoop Optimize專門用來對Allen-Bradley PLC-5、SLC 500以及Logix控制器中的PID回路作分析和調節，可以起到提高流程的穩定性、提高產量和最大化生產效率的目的。
ABB的Optimize IT Loop Performance Manager幫助控制工程師和流水線操作人員在ABB及其競爭對手的系統中，對控制回路進行啟動、診斷、維護等操作。
B&R的Automation Studio通過自動設置所有閉環控制參數來實現更為快捷的溫度控制回路的調試。該軟件利用選擇庫功能塊來處理閉環溫度控制，直觀的用戶界面允許使用者輕松選擇溫度范圍和溫度傳感器的類型，并且定義溫區需求，無需額外的程序就可實現溫度控制回路的優化處理。
目前，市場上關于控制回路性能評估的軟件商品種類繁多。這些回路狀態監控、診斷工具都能夠提供自動和手動調整、分析回路的功能；監控生產線上的每條回路，而且不區分平臺或制造廠商；執行非干擾式、持續式的在線性能分析；提供專門的回路狀態指標，例如誤差分布、絕對誤差、過程變量積分以及經濟性影響；將回路狀態報告發送到工廠的每個商業層，并通過網絡傳播出去。不管是受益于回路優化技術的改進還是其他的原因，在過程工業中，控制回路性能確實得到了提升。（頑石）
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