Lambda整定PID参数在过程控制回路中有效吗

2021/11/7 1:01:52 人评论 次浏览 分类:过程控制  文章地址:/tech/4020.html

Lambda整定提供非振荡响应,其响应时间(Lambda)由工厂设定。七个工业实例说明了该方法的相关性和简单性。Lambda整定PID参数在过程控制回路中有效吗吗?—Mark T.Coughran

PID是目前工业过程中最常见的反馈控制算法。许多控制工程师被要求选择P、I和D调节器的调节参数。我们经常面临这六个常见挑战中的一个或多个:


|考虑到这些挑战,寻找最佳PID参数的系统和实用方法是什么?不要把你自己与神秘的统计数据混淆;使用你对工厂的了解。从回路目的、可能与其他回路的耦合以及过程对控制器的响应能力(过程动态)开始。例如,实际上过程工业中几乎没有控制回路,其目的是振荡。为了满足工厂的生产目标,防止回路之间的相互作用,大多数回路需要在一定时间内作出响应。学习哪些回路需要快速,哪些需要缓慢,将使您的调优工作对设备更有价值。最后,过程动态(手动响应)将限制您做出闭环(自动)响应的速度。

lambda 调优在数千个控制回路中被证明是成功的,这些控制回路涵盖了以下过程控制应 用程序:
1、连续和批处理过程中的反馈控制回路(图1)。
基础反馈控制回路
图1 基础反馈控制回路

2、所有制造商提供的所有类型的PID调节器-DCS、PLC、单回路、气动。
3、物理过程,包括流量、压力(液体和气体)、液位(液体和固体)、温度(热交换、混合、反应)和成分(密度、pH、烟囱O2、溶解氧等)。
4、过程工业,包括化工、炼油、石油天然气、电力、生命科学、纸浆和造纸、金属和采矿以及管道。
5、改造工厂优化、新工厂工厂启动、控制系统设计和仿真以及教育的环境。

Lambda整定概念

Lambda整定是一种与内?刂坪湍P驮げ饪刂葡喙氐幕谀P偷姆椒āK澈蟮氖褂昧慵愕窒词迪炙璧谋栈废煊Α5牵τ酶梅椒ǎ绻墓潭屎弦韵氯魏文P停蛑恍枰虻サ乃惴(如图2所示):
a、一阶
b、积分器
c、积分器,一阶滞后
d、积分器,一阶超前
e、积分器,非最小相位
f、二阶,过阻尼
g、二阶,欠阻尼
h、二级,超前
i、二阶,超前超调
j、二阶非最小相位

每个过程模型包括纯滞后。类型a、f和j是自衡对象;也就是说,对于输出阶跃,PV最终会达到一个新值。过程动态模型通常通过手动模式(开环)下的阶跃测试来辨识。阶跃测试也有助于识别过程响应中的非线性,例如控制阀中的死区,这可能是比发现的调节器整定更大的问题。

我们假设图1中的PID调节器块包含一个PID算法。工艺块包括最终控制元件或副回路、要控制的工艺(化学、液压、热能等)和传感器/变送器。Lambda整定对设定值变化和负载干扰提供非振荡响应。选择响应时间(Lambda或λ)以适合控制策略和单元生产目标。您工厂中的大多数过程将适用一阶模型或积分器模型模拟。

图2 两个最简单和最常见的流程响应的lambda优化方法


图2所示的过程模型内置于一些控制系统调整工具中。理想的工具包括过程模型识别、Lambda优化算法、Lambda选择建议以及预测的设定值和负载响应。


工艺装置示例

让我们来看几个来自过程工厂的例子。在每个例子中,Lambda都有明确的物理意义。我们从稳定过程动态开始。图3显示了流程回路的典型结果。
天然气液体通过控制阀进入脱丙烷塔的闭环流量控制
图3 天然气液体通过控制阀进入脱丙烷塔的闭环流量控制

PID调节器在DCS中执行。过程模型为一阶加纯滞后时间。纯滞后时间(出现在开环和闭环中)主要是由于控制阀响应的非线性。


调节器整定的鲁棒性考虑到过程动态学(过程增益、纯滞后时间和时间常数)可能在其他过程条件下发生显著变化。对于鲁棒性来说,选择lambda等于纯滞后时间的倍数是明智的。注:在上述情况下,我们选择了λ=3×τ。

从储罐泵入烯烃装置丙烯压缩机的润滑油的压力控制
图4 从储罐泵入烯烃装置丙烯压缩机的润滑油的压力控制


保持油压对机组运行至关重要。压力通过一个旁路控制阀将部分流量送回储液罐来控制。PID在气动控制器中执行,油直接连接到控制器传感元件,输出(3~15PSIG)进入旁路阀上的气动定位器。


这个例子表明,如果开环过程响应很快,并且工厂需要快速的回路响应,我们可以使闭环响应非?臁5胱⒁猓颐茄≡竦腖ambda值也不小于3×τ。


积分过程通常对工厂的性能和盈利能力至关重要。对于积分过程,很难猜测比例和积分设置的组合不会引起振荡。需要一种系统的整定方法来获得稳定性和性能。第一个积分过程示例是没有流量副回路的液位控制器。

油田采出水处理罐液位控制
图5 油田采出水处理罐液位控制


以前的整定会在自动模式下引起较大的振荡,因此操作员会将液位控制器保持在手动模式。对于此处显示的Lambda整定数据,在负载扰动后,液位PV最初返回到SP;因此流入略大于流出。然后在负载流(流出)上出现一个阶跃;注意流入响应平稳增加。停止时间或Lambda是指PV达到最大偏差并开始返回到SP的时间。达到稳定状态后,将不会出现振荡。


我们选择Lambda=240,以使液位PV远离针对大扰动时的警报限值。对于需要严格级别控制的应用程序,可以选择较小的Lambda值。例如,在锅炉汽包水位控制中,PV警报与SP非常接近。


下一个积分过程示例来自不同的过程行业和更小的容器。

2升生物反应器中的溶解氧(DO)控制
图6 2升生物反应器中的溶解氧(DO)控制


PV测量为溶液的饱和百分比。DO控制器的输出进入一个流量副回路,该回路将氧气(O2)喷射到生物反应器中,并调节lambda=20秒。CO2流入反应器以控制酸碱度;然而,它也会取代氧气,使CO2成为负荷变量。过程模型(手动测量)是积分器。PID控制器在DCS中执行。


选择的lambda将在这个批处理应用程序中保持DP足够接近SP,因为文化的发展-以及氧气需求的变化。它还符合串级规则,即 λMASTER>>λSLAVE


到目前为止,对于积分过程,我们只检查了负载响应。如果调节器是任何默认的标准PID类型,在调节器中使用积分作用,并且如果是积分过程,那么任何整定方法都会导致设定值阶跃超调。

炼油厂汽油加氢装置反应器压力控制
图7 炼油厂汽油加氢装置反应器压力控制


PID调节器在标准结构的DCS中执行,输出到反应器出口的控制阀。过程模型(在手动模式下测量)是积分器。


原来的整定导致PV上出现一个±1PSIG的循环。周期上的尖角表明调节周期因控制阀中的死区而变得复杂。仔细检查显示死区约为控制器输出的0.7%。使用λ=110秒的Lambda整定可以消除大的整定周期;我们只剩下死区引起的小极限周期。为了测试Lambda整定回路的稳定性,操作人员无法进行载荷步骤。然而,它们可以方便地修改设定值。PV在大约110秒内穿过SP,并在返回非线性极限循环之前进行小的超调。


如果SP超调是工厂的一个问题,那么在现代调节器中,可以通过选择一个备用PID结构或添加一个设定值滤波器来很容易地防止超调。另一方面,对于许多积分过程,包括这里显示的四个例子-设定值很少改变。


最后的图形示例显示了一个调优良好的缓冲罐液位调节器。您对这个回路的主要贡献是认识到控制需要缓慢●!然后Lambda调优提供了一种直接而简单的方法来实现这一点。

供应脱丙烷塔的缓冲罐中天然气液体的液位控制
图8 供应脱丙烷塔的缓冲罐中天然气液体的液位控制


液位调节器输出串级到缓冲罐出口上的一个流量副回路,图3的Lambda=10。干扰是流入油箱的流量。过程模型是积分器。PID控制在DCS中执行。


原来的整定是快速和振荡的;相反,Lambda整定没有系统振荡,除非负载振荡。在这种情况下,我们选择了一个大的Lambda来吸收变化性;也就是说,将被操纵变量的变化最小化。Lambda=3000是最慢的调整,它将使PV远离最坏情况下流量变化的警报。注意,尽管在工厂启动期间,进水量发生了很大变化,但仍有稳定的流出量。


通过串级控制实例,指出了防止主从回路相互作用的必要性。Lambda优化是唯一明确提供此要求的方法;我们只需选择λMASTER>λSLAVE。另一种需要回路解耦的常见物理耦合类型涉及串联的多个控制阀。例如,一个化工厂的工艺水的压力从2500磅/平方英寸降至600磅/平方英寸,第二个压力从600磅/平方英寸降至150磅/平方英寸,然后是一个流量回路。为了使所有的循环都能自动运行并具有良好的系统性能,我们选择了分别为6秒、30秒和80秒的Lambda值。


总结

欧宝娱乐登入仪表已经演示了Lambda整定在几个具有不同类型的PID调节器和不同的控制目标的过程工厂的应用。在每种情况下,我们都获得了一个平稳的响应,相应的响应时间(lambda或λ)-在0.6到3000秒之间。该方法考虑了过程对控制调节器(过程动态)的响应能力、回路的目的以及与其他回路的耦合。

对于我们最初的问题,“Lambda整定PID参数在过程控制回路中有效吗?”您现在应该可以回答 “是”。最重要的用户需求是根据单元目标和过程约束选择响应时间λ。公式很简单,有培训和工具。但是如果你想要一个振荡响应或者任意的响应时间,你需要寻找不同的方法。
作者:冯少辉博士(现从事先进控制工作,有一线十几年工作经历,真正理论联系实际的过程控制专家)

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