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高效的控制,需要有效的反馈

来源:控制工程网2015.08.03阅读 3948

  利用反馈实现闭环回路,可以改善包装业、过程工业以及客户定制设备的控制、测量和监视。检查实际输出条件,调整输出指令控制工程网版权所有,有助于设备自动适应不断变化的外部条件。虽然在初始阶段,开环系统确实能够节省成本,但受制于其低效和不可重复性,后期会给业主带来更高的生命周期成本。
  反馈回路的组态有很多种方式,但都具有同样的基础特性。从某种类型的控制器输出信号,驱动设备,来改变受控变量。返回到控制器的这些变量的测量结果就是反馈信号。控制器会比较变量设定值和实际测量值之间的偏差,并适当调整输出,减小偏差,实现闭环回路系统。与之相比,开环回路则不对这些受控变量进行测量,只是强制控制器按照某种方式运行,没有任何反馈。
  在过程工艺中,完成反馈回路的闭环控制具有其优势。采用适当的设计技巧和技术可以改善新建或改造项目中反馈应用的闭环回路控制。
  表1  为何要实现闭环控制?

  实现闭环
  简单的离散反馈系统,比如监测气缸行程的传感器,或者是在设备间使用离散信号交换而不是时钟来调节控制器的输出等,可以改善控制和监视功能。如果设计得当,在过程工艺中采用闭环反馈回路同样适用。
  “闭环回路控制包括测量、计算校正”,这是全世界教科书的内容。书中对拉普拉斯变换以及其它相关的函数,都有非常详尽的研究,以便用于解释和改善闭环控制。有大量的文献来描述闭环控制系统的特性和优点,但是闭环控制的研究已经超越了理论研究的范围,延伸到包括确定反馈的优势、以及在特定的机器运行和过程中的应用反馈。
  反馈的优势
  在闭环回路中使用反馈,可以通过自动调节控制器的输出,减少偏差来改善控制。这有助于减少动态扰动的影响。反馈还可以增加不稳定过程的稳定性,确保控制回路的可重复性和可靠性。表1列出了在离散或过程控制中增加闭环反馈的主要原因。
  一直以来,在很多过程工艺中,都是通过操作员调节控制器输出,减少偏差,来实现手动“微调”。按照目前的传感器和控制技术,很多类似的开环控制都可以利用控制器和反馈来改善运行。
  为了实现优化控制,可能需要对控制回路参数进行连续调整,从而减少反馈回路中的人工介入,进而大大降低工艺参数波动,由此实现持续改进。这些调整可以通过各种不同的回路调节软件算法或程序实现,也可以由经验丰富的运营人员完成。很多情况下,会同时用到这两种方法:运行人员评估回路调节软件推荐的变化量CONTROL ENGINEERING China版权所有,然后根据实际情况作出判断后付诸实施。
  在24/7全天候运行中使用反馈,可以减少过程波动和变化,而这在交接班的时候尤其容易发生,因为不同的运行人员会在手动回路控制中输入自己的参数。它还可以减少所需运行人员的数量,或者允许运行人员或其它车间人员将精力集中到诸如优化运行等领域上面。
  由于在控制器中具有反馈和变化控制功能,因而可以实现自动控制,这样过程工艺的可重复性以及输出质量都将大大提高。


图1  为集中化自动控制系统提供反馈,可以为各种不同的机器设备和过程工艺实现闭环控制。本文所有图片和表格来源:AutomationDirect

  设计闭环回路系统
  在过程控制和测量应用中,很多种类型的反馈设备都能够实现帮助实际输出匹配期望输出的功能。反馈传感器测量会很多变量,如温度、流量、压力、液位、重量和位置等等。每个变量都可以由很多种类型的传感器、变送器和检测器来感知和测量。反馈设备类型众多,而且其价格和性能又大相径庭,因此必须仔细选择。表2中列出了一些常用规格设备的检查清单,在选择反馈传感器时,可以当做指导手册使用。
  一旦选中某种传感器(比如温度传感器),测量范围经常是最首要的需求。为不可预知的变化或过程升级留出足够的测量空间非常重要,但是也没有必要留的太多,因为这会反过来影响精度、增加成本。如果传感器测量范围选择恰当,那么大多数其它要求都可以满足。不管传感器是变送器的一部分,还是使用了信号调节装置,反馈传感器的精度和分辨率都是需要仔细考虑的其它重要要求。
  传感器方面的考量
  有两种主要类型的感应装置:模拟量和数字量(或者称之为智能传感器)传感器。
  使用模拟量传感器时,感应装置输出的分辨率以及在控制器端相应的模拟量输入,都必须慎重考虑。任何时候只要可能,最好使用比较常用的12位分辨率,因为这样可以降低费用,提高标准化。升级到更高的16位或20位分辨率的装置和输入www.cechina.cn,当然是可能的,但是一般没有这个必要。
  事实上,当需要更高的分辨率时,一般情况下最好使用数字式或智能传感器。这些设备通过高速或高分辨率数字链路连接到控制器上。尽管比模拟量传感器昂贵,但是仍然要比超高精度的模拟量传感器及输入卡件要经济实惠。然而,即使是高速数字通信网络,仍然不能满足模拟量的传输速度要求,因此回路所要求的响应时间,要比模拟量快很多。


图2  压力、液位、流量和温度传感器能够测量期望值和实际值之间的差异或偏差,使得控制更接近于设定值。

  表2 反馈选择检查清单

  分辨率需求
  在应用中,如果一个温度传感器具有0到100℃的测量范围和<0.02℃的分辨率,那么使用12位模拟量输入卡件就能满足所期望的精度了。再举个例子,某个压力变送器具有11位的分辨率。用变送器的总量程除以2048,就可以得到在变送器模拟量输出端所期望看到的相应变化。对于通常的0到100psi的压力转换,100/2,048 = 0.05,那么对于每一个0.05psi的压力变化,传感器的输出会相应的改变一次。这个水平的分辨率对于大多数应用来讲已经足够了,尤其是对那些整个系统的测量和控制经常发生变化的情况来讲更是如此。
  如果有多个反馈设备,那么反馈输出信号在任何时候都要尽可能的保持一致。将4 -20 mA、0 -20 mA、0 - 5 V dc、 0 - 10 V dc、 +/-10 V dc、热电偶和热电阻信号混在一起,会增加控制系统的复杂性。反馈输出信号可以固定为某一通用的信号水平,比如4 -20 mA信号,或者使用中继设备将其它信号转换成4 -20 mA信号。
  根据环境来确定适当的反馈设备,是一个十分重要的设计考虑因素。恶劣的化学物质可以很快的损坏设计不合理的设备,腐蚀性的液体和气体会加速标准反馈设备的退化。利用耐腐蚀性表格,加上咨询经验丰富的供应商以及将不同的规格书与环境比较,来选择这些反馈设备,是非常好的一个实践经验。例如,一个设备如果满足NEMA 4X规格,那么它就适用于NEMA中所列出的室外区域的应用。
  关键过程的反馈,必须仔细描述,小心定义;经常需要冗余和故障安全的反馈技术。如果故障时www.cechina.cn,设备或工艺过程必须持续运行,那必须考虑备用系统或冗余的反馈控制措施;同样,如果在故障工况下,设备或工艺过程必须自动停机,也必须考虑备用系统或冗余的反馈控制措施。同时还应审查动态响应,或者信号响应时间。对大多数应用来讲,典型的动态响应为:0.5秒内到达整个变化范围的50%。某些传感器响应的快一点或慢一点,都会影响到反馈回路的性能。低速动态变化可以使过程更平滑,改善系统的稳定性;过于快速的响应有可能会导致回路变得不稳定。
  实践中的反馈
  尽管在大多数工程专业中都会教授传感器反馈和闭环控制知识控制工程网版权所有,但是仍有些人会选择不用传感器,以便节省前期的资金,而经常忽略闭环控制所带来的长期收益。提升效率,减少过程浪费,是控制系统的反馈所带来的实实在在的收益。尽管相对于前期费用来讲,很难去评估所带来的收益,但是仍然需要仔细的去计算和考虑。
  运用得当,反馈可以改善精度,增加产量,提高质量。利用反馈传感器,可以将灌装设备料斗的压头稳定并维持在某一水平,这是提高精度的一个非常简单的解决方案。提供持续和可调节的配料供应,可以提高产品的质量。精心的自动控制给料,可以减少溢出,提高产品产量,所需的变化量可以通过闭环回路的控制和适当的反馈实现。
  可编程逻辑控制器(PLC)或者可编程自动控制器(PAC)为很多闭环系统提供逻辑控制,以及大量的组态选择。智能继电器以及低成本的可编程逻辑控制器可以被组态成按照设定程序自动响应。按照时间百分比来控制接触器加热元件,就是简单闭环控制回路的一个例子。尽管这种类型的反馈和控制在很多应用领域都可使用,但是它不能对输入扰动以及更复杂的行为进行响应,比如PID控制和高级控制方法。
  高端PLC
  高端PLC具有内置的PID控制,这样就可以提供更高等级的控制,在PID参数设置得当的情况下更是如此。PID控制的输出一般被送到模拟量输出通道,或者作为时间比例送到数字量输出通道。在模拟量控制中,输出还可以送到另外一个回路,作为设定值来实现串级控制。
  在设计控制系统时,反馈和闭环回路系统可以显著提高性能。识别可以改进反馈的区域,优化设备运行和过程控制。从各种不同的过程控制和测量传感器中仔细选择,确保每个回路的参数设置正确。遵循这些步骤,可以改善机器和过程的运行,减少人员需求,提高质量。 (作者:Bill Dehner)

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