基于優(yōu)先級的PID控制回路維護管理

杜超，王門麟

（1.上海承飛航空特種設備有限公司，上海201613；2.北京化工大學 信息科學與技術(shù)學院，北京100029）

PID回路是工廠的基礎(chǔ)控制層，將成千的控制回路保持在最佳的健康狀態(tài)，可減小控制波動、提高質(zhì)量與產(chǎn)量、降低能源成本與原料消耗，直接影響工廠操作運營的效率與效益。在過去的10年中，PID控制回路技術(shù)取得了許多進展［1－5］，控制工程師現(xiàn)在可以跟蹤控制回路的績效，并能找出導致績效變化的根本原因，但缺乏明確的認定績效為優(yōu)秀、好、一般或差的工業(yè)最佳實踐方法與準則。

1 PID控制回路維護的需求分析

為了確保PID控制回路持續(xù)良好地運行并滿足其目標，操作人員需掌握恰當監(jiān)測PID控制回路績效的技術(shù)及維護基礎(chǔ)控制層的最佳實踐方法，因而有必要研究并探討出一套測量與監(jiān)測基礎(chǔ)控制層績效的準則與最佳實踐方法。大多數(shù)工廠的資源有限，并且操作運行存在許多約束。因此，考慮自動監(jiān)控控制回路的績效是獲得成功的關(guān)鍵［6－7］。

控制回路性能差的主要原因：閥門的性能問題，不恰當?shù)恼▍?shù)，不恰當?shù)目刂撇呗裕鄙儋Y源，缺少好的控制回路優(yōu)化程序，不能將PID的優(yōu)勢轉(zhuǎn)化成工藝流程的績效，缺乏工藝知識，缺乏監(jiān)測技術(shù)，缺乏高性能PID回路所必要的可實施的技術(shù)，工藝流程動態(tài)特性的改變或設備磨損［8］。

據(jù)估計，80%的控制回路以自動模式運行比以手動模式運行產(chǎn)生的方差與波動更大［9］。大約30%的PID控制回路由于諸如滯后、粘附、死區(qū)和非線性過程增益等非線性因素而產(chǎn)生振蕩［10］，控制回路維護較差以及效率降低，導致生產(chǎn)效益損失。當控制回路處于最佳運行狀態(tài)時，方差與波動最小，可以保持工藝流程按預定的規(guī)格生產(chǎn)，并減少浪費。不同工藝過程控制策略節(jié)約的相關(guān)生產(chǎn)成本見表1所列。

表1 不同工藝過程控制策略節(jié)約的生產(chǎn)成本

對于不同類型的工藝過程，PID控制回路的維護目標不同：對于蒸汽源，必須保持壓力在最小允許的偏差范圍內(nèi)，安全閥保持關(guān)閉狀態(tài)，必須嚴密整定PID控制器，以確?？刂浦髡羝吹牧髁靠刂崎y快速響應并動作，以消除波動的影響；對于物料混合的工藝流程，PID控制器必須同時以同樣的速度動作，以確保比率保持常數(shù)；對控制煙道過剩氧含量的PID控制器，通常PID的設定值置為低值，以提高爐燃料的效率，同時回路必須對氧氣濃度下降迅速作出反應，以避免燃料與空氣的混合物發(fā)生爆炸。

維護PID控制回路通常需要綜合考慮平衡穩(wěn)定性與快速響應之間的矛盾。穩(wěn)定性是指當工藝流程（主要是純滯后時間或工藝增益）變化時，控制回路保持穩(wěn)定的能力。為了監(jiān)測PID的績效，并根據(jù)條件的改變持續(xù)有效地進行維護，必須采用正確的維護管理指標體系與工作流程，以便可以實時地檢測、診斷并及時維護基礎(chǔ)控制層的控制回路。

2 控制回路的優(yōu)先級

隨著用于篩選閉環(huán)數(shù)據(jù)的分析技術(shù)的發(fā)展，通常情況下可以采用控制器的性能指標確定回路維護活動的優(yōu)先次序。為了確定所有PID控制回路維護的相對優(yōu)先級，有必要用回路的重要性對性能指標進行加權(quán)，如下式所示。

式中：P——優(yōu)先級；A——性能；B——重要性。

雖然控制回路性能評估技術(shù)已經(jīng)取得了極大的進展，但是確定控制回路重要性的方法仍然是定性和主觀的。將一個PID控制回路歸類為重要回路有以下幾種原因：1）能使過程操作更接近安全、環(huán)境和質(zhì)量制約的回路；2）需要快速響應設定值變化的回路；3）串級的副回路在行為上有必要與主回路具有一致性（閉環(huán)SP隨時間的響應）；4）難于維護或更換控制閥的回路，如因為工藝流程不允許中斷服務，或者沒有更換閥門的隔離措施或可供使用的旁路；5）回路的控制作用對其他經(jīng)濟性比較重要的回路帶來不可測干擾。

通?？刹捎每尚械臏蕜t確定回路的重要性，例如：依據(jù)工業(yè)應用的特征需求，甚至有可能依據(jù)每個重要性準則來評估每個回路的閉環(huán)性能，并從中獲得更復雜的如表2所列的加權(quán)優(yōu)先級。

表2 PID控制回路維護的優(yōu)先級

利用如表2所示方法排序的缺點是要求用戶額外提供“控制回路重要性”的信息。有利的是：通過定義控制回路的重要性，可以明確維護管理過程，并獲取相應的知識；潛力大的目標控制回路應有更高的優(yōu)先級。

3 確定控制回路重要性的ISM算法

為了確定控制回路的優(yōu)先級，有必要研究“控制回路重要性”的量化算法。為此考慮采用閉環(huán)響應數(shù)據(jù)，利用ISM算法獲得控制回路的解釋結(jié)構(gòu)來確定。

1）采集過程數(shù)據(jù)，對過程數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)標準化，所采用的數(shù)據(jù)標準化公式如下所示：

2）通過標準化數(shù)據(jù)建立偏相關(guān)系數(shù)矩陣。采用下式計算變量xi和yi相關(guān)系數(shù)：

進而可以得到相關(guān)系數(shù)矩陣r以及r的逆矩陣c，定義兩變量之間的偏相關(guān)系數(shù)如下式：

式中：i＝1，2，…，n，j＝1，2，m。根據(jù)Rij來構(gòu)建偏相關(guān)系數(shù)矩陣R。偏相關(guān)系數(shù)值的大小表示變量之間的關(guān)聯(lián)程度，見表3所列。

表3 偏相關(guān)系數(shù)的范圍以及相應的關(guān)系

3）通過計算偏相關(guān)系數(shù)矩陣中第i列的均值，可得到相關(guān)性的大小即回路的重要性的大小，如下式所示：

4 基于TE模型的驗證

4種原料（A，C，D，E）進入反應器中，同時反應物（A，C）混合物進入汽提塔，進而經(jīng)回流管道進入到反應器中；4種原料在反應器中進行放熱反應，產(chǎn)生產(chǎn)物（G，F(xiàn)以及副產(chǎn)物）；進而進入冷凝器冷卻成液態(tài)，其中的物質(zhì)包含了部分氣態(tài)以及液態(tài)，再進入氣液分離器，進行氣液分離。氣液分離器促使氣體回流到反應器中以及液體流入到汽提塔中。進入到汽提塔中的物質(zhì)進行氣體二次回流，得到最終產(chǎn)品，包含產(chǎn)品、副產(chǎn)品以及少量的原料。TE過程PID控制流程如圖1所示。

首先獲取如圖1中17個控制回路的測量值，利用公式（2）～（5）計算得到重要性的結(jié)果，見表4所列。從表4可知按照重要性自高到底的排序結(jié)果為 FIC1，GIC，F(xiàn)IC6，F(xiàn)IC8，9CIC，F(xiàn)IC9，LIC3，F(xiàn)IC7，TIC1，PIC1，TIC2，F(xiàn)IC4，LIC2，F(xiàn)IC3，F(xiàn)IC5，F(xiàn)IC2，LIC1。

圖1 TE過程PID控制回路

表4 TE過程控制回路優(yōu)先級分析結(jié)果

其次，按照接近約束極限作為排序準則，計算性能評估指標ISE（此處偏差值為計算得到的偏差除以設定值），得到性能評價結(jié)果，從表4可知，按照性能自差到好的排序結(jié)果為FIC1，F(xiàn)IC7，LIC3，LIC2，CIC，GIC，LIC1，F(xiàn)IC5，F(xiàn)IC4，F(xiàn)IC9，F(xiàn)IC6，F(xiàn)IC3，F(xiàn)IC2，F(xiàn)IC8，TIC2，PIC1，TIC1。最后按照表2中第1行的計算公式，計算出控制回路維護的優(yōu)先級，排序結(jié)果如圖2所示。

圖2 控制回路的優(yōu)先級示意

從圖2可知，需優(yōu)先維護的控制回路為FIC1與FIC7，排在第2梯隊需要維護的控制回路包括：CIC，LIC3與GIC回路，其他回路從優(yōu)先級來看可以暫時不考慮維護，與TE的實際過程操作要求相匹配。

5 結(jié)束語

提出了一種基于PID控制回路重要性及性能綜合確定PID控制回路維護優(yōu)先級的排序方法，可以方便地量化控制回路的綜合績效以及工藝操作的重要性，科學地給出控制回路維護的優(yōu)先級。工程師可以依據(jù)確定的優(yōu)先級，快速確定控制回路維護管理計劃，提高操作維護的效率以及有效性。

［1］?STR?M K J， H?GGLUND T， WALLENBORG A.Automatic Tuning of Digital Controllers with Applications to HVAC Plants［J］.Automatica，1993，29（93）：1333－1343.

［2］SCHEI T S.Automatic Tuning of PID Controllers Based on Transfer Function Estimation ［J］.Automatica，1994，30（94）：1983－1989.

［3］VODA A，LANDAU I.A Method for the Auto－calibration of PID Controllers［J］.Automatica，1995，31（01）：41－53.

［4］HO W K，LIM K W，XU W.Optimal Gain and Phase Margin Tuning for PID Controllers.［J］.Automatica，1998，34（98）：1009－1014.

［5］YUSOF R，OMATU S，KHALID M.Self－Tuning Pid Control：A Multivariable Derivation and Application ［J］.Automatica，1994（30）：1975－1981.

［6］王偉，張晶濤，柴天佑.PID參數(shù)先進整定方法綜述［J］.自動化學報，2000，26（03）：347－355.

［7］ASTROM K J，HAGGLUND T.PID Controllers：Theory，Design，and Tuning ［M］.2nd ed.New York：ISA 1995：59－70.

［8］JELALI M.An Overview of Control Performance Assessment Technology and Industrial Applications ［J］.Control Engineering Practice，2006，14（05）：441－466.

［9］張毅.控制回路的性能評估方法研究［D］.合肥：中國科學技術(shù)大學，2008.