當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)有過(guò)程控制問(wèn)題時(shí)才需要解決。如何知道問(wèn)題是否是過(guò)程控制問(wèn)題呢？這是進(jìn)行過(guò)程控制改進(jìn)的首要問(wèn)題。一般說(shuō)來(lái)，操作工能夠操作，而且需要操作工高頻操作的操縱變量，都包含操作經(jīng)驗(yàn)都需要知識(shí)自動(dòng)化。
如果操作工不能在中控室完成操作，往往是工藝或設(shè)備問(wèn)題。如果中控室能操作但是操作頻次較低，就不是主要矛盾。解決非主要矛盾不符合工程原則，而且需要的投資可能更大。
如果是工藝、設(shè)備問(wèn)題，則應(yīng)該工藝工程師和設(shè)備工程師想辦法。如果是缺少儀表導(dǎo)致操作工不能操作，則應(yīng)該儀表工程師想辦法。如果能操作且高頻，則表明過(guò)程控制需要完善。
過(guò)程控制改進(jìn)的工程方法可以考慮：
1、定義被控變量并配對(duì)
在一個(gè)控制問(wèn)題中，可用的操縱變量往往是確定和已知的。給這些操縱變量配對(duì)不同的被控變量就構(gòu)成了控制方案。被控變量首先要體現(xiàn)工藝的需求，并基于已有的測(cè)量。工藝需求常常是已有的流量、液位、溫度、壓力等直接測(cè)量。但是也可能是間接的組合關(guān)系，例如沒(méi)有組分測(cè)量使用溫度代替。使用已有變量組合成新變量也是常用間接關(guān)系，例如氧煤比、回流比、摩爾比、溫差、壓差、總流量等。機(jī)理模型軟測(cè)量和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)軟測(cè)量也是常用的間接被控變量。其實(shí)本質(zhì)上所有的測(cè)量都是間接的。
操縱變量和被控變量一般應(yīng)該有直接的因果關(guān)系。但是實(shí)際上即使只有間接關(guān)系也可以進(jìn)行配對(duì)。閥位控制就是比較典型的使用另一個(gè)控制回路的控制器輸出作為過(guò)程變量，而且控制回路的操作手段和被控變量沒(méi)有直接因果關(guān)系。這兩者的因果關(guān)系存在的前提是另一個(gè)回路投自動(dòng)。
在定義被控變量并進(jìn)行配對(duì)的過(guò)程。就是把復(fù)雜的控制問(wèn)題簡(jiǎn)單化的過(guò)程。在配對(duì)中既要盡可能地滿足控制要求又不能浪費(fèi)操縱變量。如果控制要求比操縱變量多，則需要按優(yōu)先級(jí)放棄不合理控制要求，如果控制要求比操縱變量少，則要進(jìn)行必要的挖潛優(yōu)化。控制器輸出也可以做被控變量。
定義被控變量的過(guò)程，是把條件和需求匹配起來(lái)的過(guò)程。被控變量定義不合理導(dǎo)致的控制不能投用和高頻操作，往往需要對(duì)工藝需求本質(zhì)的深刻理解。
2、確定控制方案
如果配對(duì)后，都是一個(gè)被控變量和一個(gè)操縱變量的單回路，則控制方案自動(dòng)形成。根據(jù)至簡(jiǎn)至優(yōu)原則，控制方案設(shè)計(jì)階段，不考慮前饋或串級(jí)等控制性能提升的方案。
如果配對(duì)后，出現(xiàn)多個(gè)被控變量和一個(gè)操縱變量配對(duì)。可能的方案是被控變量的合并，例如選擇控制、總量控制。當(dāng)被控變量不能合并時(shí)只能超馳控制。但是一定要注意，超馳控制是為異常工況準(zhǔn)備的，如果兩個(gè)被控變量都需要控制，超馳控制只是看起來(lái)有效。
如果配對(duì)后出現(xiàn)一個(gè)被控變量和多個(gè)操縱變量配對(duì)。可能的方案就比較多需要根據(jù)情況仔細(xì)甄別：兩個(gè)設(shè)定值的分級(jí)控制、特殊分程的分配控制、按順序使用的分程控制和閥位控制。使用比值控制也可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)被控變量控制多個(gè)操縱變量，例如支路平衡。
一定要特別注意一點(diǎn)，筆者的經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)控制方案出現(xiàn)分程+超馳時(shí)往往說(shuō)明控制方案還沒(méi)有做到至簡(jiǎn)至優(yōu)。不是方案有問(wèn)題就是設(shè)計(jì)沒(méi)有必要。
3、性能改進(jìn)、組態(tài)實(shí)施及整定
在核心基本控制方案完成后，在正式組態(tài)前。需要考慮一個(gè)改進(jìn)：如果有明確的干擾影響，要考慮必要前饋或串級(jí)性能改進(jìn)。例如三沖量控制、溫度串級(jí)控制、液位串級(jí)控制等。把前饋和串級(jí)放在第三步是為了確保控制方案設(shè)計(jì)的至簡(jiǎn)至優(yōu)。
在進(jìn)行控制方案設(shè)計(jì)中，要盡可能使用控制系統(tǒng)已有的標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)控制方案。而且要精通控制系統(tǒng)組態(tài)技術(shù)細(xì)節(jié)，把事情做正確。避免量程、正反作用、連接等明顯錯(cuò)誤。
把事情做正確的最后一步是要使用合適的PID參數(shù)。在進(jìn)行PID參數(shù)整定過(guò)程中，嚴(yán)格意義上應(yīng)該由前到后，由外到內(nèi)，先整定高優(yōu)先級(jí)控制回路。這樣是為了減少外部條件變化對(duì)過(guò)程的影響，也是為了減少?gòu)V義對(duì)象的不確定性。
最后，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜多變，等控制方案投用后要持續(xù)觀察，如果出現(xiàn)了周期性振蕩或者操作干預(yù)的情況，要重新分析根因持續(xù)改進(jìn)。有的工藝情況復(fù)雜多變，控制方案設(shè)計(jì)很難一蹴而就。
4、結(jié)束語(yǔ)
在進(jìn)行控制設(shè)計(jì)中，最重要的一點(diǎn)是：充分利用一些手段但是不增加投資。如果通過(guò)管理改進(jìn)、程序完善、參數(shù)整定或者方案設(shè)計(jì)能解決的問(wèn)題，再差的解決方案也能夠理解。如果不能解決問(wèn)題就必須反思是方案的問(wèn)題、設(shè)備的問(wèn)題還是工藝的問(wèn)題。如果找不到根因就不能至簡(jiǎn)至優(yōu)地解決問(wèn)題。
在進(jìn)行控制方案設(shè)計(jì)中一個(gè)基本原則：除非必要不改變已有的條件包括工藝、設(shè)備、儀表、方案。
一般說(shuō)來(lái)，如果人手動(dòng)能控制的，自動(dòng)一定能控制。如果問(wèn)題非常復(fù)雜，人類解決問(wèn)題的方法論就是把問(wèn)題進(jìn)行拆分簡(jiǎn)化，變量配對(duì)就是拆分簡(jiǎn)化問(wèn)題。如何在時(shí)間尺度進(jìn)行分層，如何在空間尺度進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分離，如何通過(guò)重新定義變量重構(gòu)問(wèn)題。這三個(gè)問(wèn)題是復(fù)雜控制方案設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。
作者：馮少輝博士
相關(guān)閱讀
◆過(guò)程控制工程師的成長(zhǎng)之路
◆馮恩波談解決過(guò)程控制問(wèn)題的方法
