最佳阀门位置控制-两个PID控制器和阀门

格雷格：本专栏文章的主要目标之一是展示由从业人员开发的简单解决方案，这些解决方案可解决各种挑战，从而从控制系统以及流程中获得最大的收益。在这里，我们展示了如何首先大大提高控制阀的可调范围和灵敏度，然后进行优化只需添加一个或多个PID控制器即可完成该过程，而无需任何其他硬件或软件。通常，这是一个配置更改，一旦您了解了真正的需求，就可以在几天之内完成，这就是我们的目标。我们从乔治·巴克比（George Buckbee）开始，他在过程控制方面具有丰富的经验，目前是从您的PID中获得最大收益的来源，正如他在许多演讲和论文中所看到的。乔治（George）是ISA研究员，也是《精通分离范围控制》这本书的作者。他是美卓性能解决方案小组的负责人。

阀门位置控制和超驰控制可以极大地改善阀门和过程性能。您可以实现这些结果而不会产生振荡，扰乱其他循环或干扰主过程PID控制器执行其工作的能力。解决的挑战是阀门静摩擦和反冲，已安装的流量特性，相互作用，干扰以及优化和相关PID控制器的不当调节。

乔治，您如何实施阀门位置控制？

乔治：添加阀门位置控制（VPC）是即使在广泛的操作范围内也能获得精确控制的极好方法。使用常规PID和单个阀，可能难以精确控制。控制阀会表现出静摩擦，反冲和其他非线性，这些非线性会在整个操作范围内变化。

一种常见的情况涉及两个控制器，一个控制器操纵大型阀门，另一个控制器操纵小型阀门。小阀配置为正常的PID控制回路，以将测得的过程变量控制到其设定值。具有大阀门的控制器成为阀门位置控制器或VPC。在第二个控制器中，小阀的信号作为过程变量（受控变量）提供。通常将设定点设置为其最期望的节气门位置。这样，控制器正在调节过程流量，以使小型，精密的阀门保持在其操作范围的中间。对于滑杆阀，设定值约为50％，但对于旋转阀，由于安装流量特性在60度旋转以上会变平，因此设定值可能为30％。

与标准的PID控制相比，这种安排具有多个优点。首先，通过移动小阀门以减小干扰，并仅移动大阀门以使小阀门保持在良好的节流范围内，可以显着增加精确控制下的有效操作范围。该解决方案比分程控制要好得多，在分程控制中，您大多数时候都试图移动大阀门。由于间隙和静摩擦是阀门容量的百分比，因此移动小阀门更为精确。同样，小阀更可能是带有隔膜定位器的滑动杆阀，该阀杆的反冲和静摩擦百分比远小于带有活塞致动器的旋转阀，后者通常用于大型阀。此外，还可以避免在分割范围点出现不连续性和非线性。

格雷格：您用于阀门位置控制的PID结构和调节规则是什么？

乔治：带小阀的主控制器完成了大部分工作，并迅速移动以保持过程的稳定和受控。VPC的移动速度要慢得多。其目标是使主控制器保持在良好的控制范围内。主控制器应调整为快速响应。应该使用带有PI或PID方法的主动调整。应该通过仅P，PI或仅I控件更宽松地调整VPC，以避免交互。VPC的速度至少应比主控制器慢五倍。可以使用Lambda调整，匹配频率响应或使用诸如“相对响应时间”之类的多种方法来完成此操作。

可能还有其他考虑，例如希望通过VPC限制大阀门的运动。在一种情况下，我们试图通过限制一个位于岛上的48英寸阀门的运动来延长阀门寿命。您可以使用纯P控制来减少行程，或者在过程允许的情况下实施间隙操作VPC。

格雷格：有几个VPC挑战需要解决。对于VPC操纵的大阀门，气门间隙和静摩擦尤其是个问题。阀门的大运动可以通过自适应调整来抑制，在该调整中，对于VPC设定值的可容忍偏移（例如，间隙作用），增益几乎为零。对于信号方向的正负变化，可以分别通过等于死区的增量和减量来补偿反冲。你被粘住了。但是，在解决另一个挑战（大的干扰（可能导致主控制器操纵小阀门的阀门用尽））时，通过在VPC输出中添加前馈信号来抢先定位大阀门，可以增加小变化的增益前馈信号以使其通过分辨率极限。两个阀门的定位器都不应使用积分作用，而应采用积极的比例作用进行调整，以程度地减小死区和VPC所见的分辨率极限。如果对最终封盖元件的实际位置（例如，实际的阀塞，球或阀瓣的位置）有良好的回读，则可以在VPC中打开外部重置反馈（例如，动态重置极限）以停止极限循环。请注意，对于设计用于紧密关断的旋转阀，轴位置反馈通常不能很好地指示实际球或阀瓣位置，原因是球或阀瓣至阀杆和阀杆至执行器轴的密封阻力高且间隙大。带有整体铸造阀杆和花键轴与轴的连接的球或盘可程度地减少轴缠绕所产生的反冲。请参阅“控制对话”功能文章“ 如果对最终封盖元件的实际位置（例如，实际的阀塞，球或阀瓣的位置）有良好的回读，则可以在VPC中打开“动态重置极限”以停止极限周期。请注意，对于设计用于紧密关断的旋转阀，轴位置反馈通常不能很好地指示实际球或阀瓣位置，原因是球或阀瓣至阀杆和阀杆至执行器轴的密封阻力高且间隙大。带有整体铸造阀杆和花键轴与轴的连接的球或盘可程度地减少轴缠绕所产生的反冲。请参阅“控制对话”功能文章“ 如果对最终封盖元件的实际位置（例如，实际的阀塞，球或阀瓣的位置）有良好的回读，则可以在VPC中打开“动态重置极限”以停止极限周期。请注意，对于设计用于紧密关断的旋转阀，轴位置反馈通常不能很好地指示实际球或阀瓣位置，原因是球或阀瓣至阀杆和阀杆至执行器轴的密封阻力高且间隙大。带有整体铸造阀杆和花键轴与轴的连接的球或盘可程度地减少轴缠绕所产生的反冲。请参阅“控制对话”功能文章“ 请注意，对于设计用于紧密关断的旋转阀，轴位置反馈通常不能很好地指示实际球或阀瓣位置，原因是球或阀瓣至阀杆和阀杆至执行器轴的密封阻力高且间隙大。带有整体铸造阀杆和花键轴与轴的连接的球或盘可程度地减少轴缠绕所产生的反冲。请参阅“控制对话”功能文章“ 请注意，对于设计用于紧密关断的旋转阀，轴位置反馈通常不能很好地指示实际球或阀瓣位置，原因是球或阀瓣至阀杆和阀杆至执行器轴的密封阻力高且间隙大。带有整体铸造阀杆和花键轴与轴的连接的球或盘可程度地减少轴缠绕所产生的反冲。请参阅“控制对话”功能文章““如何不会影响控制性能的阀门和定位器 ”，以避免这种问题的增加，原因是强调容量，泄漏和成本，而不是阀门响应。

应将应用于每个PID输出的信号特性用于线性化已安装的流量特性，这对于旋转阀而言往往是非常非线性的。这有助于反馈和前馈控制。即使在阀门线性化之后，VPC的调整仍然是一个挑战，因为由VPC发起的任何变化都必须通过主PID闭环响应来工作，然后才能将其视为小阀门位置的相应变化，该变化是阀门的受控变量。 VPC。因此，除了过程的开环响应外，VPC调整还取决于主要的PID调整。这意味着应首先调整主PID以提供快速响应。然后，对VPC进行调整，以提供比主PID至少慢五倍的闭环响应。这可以对应于VPC Lambda是主要PID Lambda的五倍。对于接近积分和真正积分的过程，λ是停顿时间（停止因过程输入上的负载干扰而引起的过程偏移的时间）。在某种程度上，这些有关首先调整下部环路以获得快速响应，然后调整上部环路以获得较慢的平滑响应五倍的规则类似于级联控制。但是，在VPC情况下，上部VPC回路中的严格控制并不重要。如果重新调整了定位器或主PID，则必须重新调整VPC。这些有关首先调整下部环路以获得快速响应，然后调整上部环路以获得较慢的平滑响应五倍的规则类似于级联控制。但是，在VPC情况下，上部VPC回路中的严格控制并不重要。如果重新调整了定位器或主PID，则必须重新调整VPC。这些有关首先调整下部环路以获得快速响应，然后调整上部环路以获得较慢的平滑响应五倍的规则类似于级联控制。但是，在VPC情况下，上部VPC回路中的严格控制并不重要。如果重新调整了定位器或主PID，则必须重新调整VPC。

通常，VPC的目标是对异常情况进行快速，平稳的逐步优化。前馈和非线性自适应调整（例如，当小阀接近所需节气门范围的末端时，VPC增益较高）可用于帮助防止小阀耗尽。方向速度限制（通过在VPC上设置不同的上下设定点速率限制，并打开外部重置反馈（例如，动态重置限制））是一种强大的工具。

在许多应用中，VPC可以通过将主PID控制阀推至或最小节气门位置并有回旋余地的方式来优化过程。在几乎所有情况下，都可以使用阀的信号被推到极限来代替阀的实际位置作为VPC的控制变量。请注意，如果将信号表征应用于VPC输出，则阀信号就是表征器输出。文章“ 不要忽视APC中的PID”（《管制》，'11年11月，第39页）就如何程度地减少原动机，冷却器和冷却塔的能源，所购燃料和试剂的成本以及如何使反应器和塔的生产率化提供了重要指导。

对于这些应用，通过方向速度限制，前馈和自适应调整来处理异常情况的能力更大，因为在大多数情况下，阀门被推到尽可能远的打开或关闭的位置，而不会影响主PID的能力严格控制。

当要优化的阀位不止一个时，例如几个下游进料阀或压力和温度阀时，通过将多个VPC输出作为信号选择器的输入来使用优先控制，该信号选择器的输出是上游主PID设定点，即正在优化。如果设定点被最大化和最小化，则分别使用低和高信号选择器。超驰控制器应使用外部复位反馈，以便在选择VPC之前暂停积分作用。哈罗德·韦德（Harold Wade）推荐了用于超驰控制的位置算法，以便控制点由超驰PID PV相对于其有效比例带（由PID增益设置）的位置确定。有关覆盖控制以及PID算法功能和功能（包括复位结束）的更多信息，基本和调节控制-系统设计和应用，第三版，以及Karl Astrom和Torre Hagglund的ISA书籍，PID控制。

优先控制是顺序的，因为一次仅选择一个优先控制器。对于同时优化，更复杂的过程性能目标以及对交互和干扰的更好处理，应考虑模型预测控制（MPC）及其线性程序优化器。但是，MPC需要特殊的软件和专业知识。更快，更便宜的解决方案通常是VPC和覆盖控制，这可以成为MPC证明更广泛，更智能的解决方案的起点。有关PID控制的实际考虑的更多信息，请参阅我的动量新闻书，《调节和控制回路性能》，第四版，并了解使应用程序成功的原因，请参见麦格劳-希尔（McGraw-Hill）2019年过程/工业仪器和控制手册（第六版），介绍了50位行业的专业知识。