关于先进控制 点击：10492 | 回复：211
发表于：2004-02-28 00:29:00
楼主
我虽然在外国公司上班，但是我也是个爱国者，我希望我们国家的工控事业能得到很快的发展，并且逐渐赶上欧美。但是据我所知，国内针对先进控制还没有引起足够的重视，没有成形的产品。但是国外在这方面不但具有成熟的理论，而且有丰富的实践经验。对此我们不妨发扬拿来主义精神，取国外的长补我们的短，逐渐提高我们工控人员的素质，从而发展我们伟大祖国的工控事业。不知道大家对Controlsoft的先进控制算法如何评价，不过我个人觉得是非常优秀的。如何有谁想了解的话，不妨留下您的email，我这里有Controlsoft公司先进控制算法的应用实例（程序已经模块化了），应该能给大家带来帮助。
发表于：2004-08-05 09:36:00
77楼
工程控制用户的“万用表”
Atloop I型PID自动整定仪
Atloop I型PID自动整定仪
系统简介
基于Windows平台的Atloop II型PID自动整定仪是对原DOS平台下的1.0版本的改进，主要用于工业过程控制系统中，对PID调节器的参数进行自动整定，使得工业过程控制性能得到大幅度提高的一个工具。
AtloopII型PID自动整定仪包括EPP数据采集模块、功能强大的笔记本电脑和相应的自动整定软件包组成，可广泛应用于集散控制系统（DCS）、数字调节仪表、可编程调节器、工业PC等各种控制系统的PID调节器的PID参数整定。本系统已经在石油化工、电力、烟草、造纸等行业中获得了近20个成功应用实例。
现代工业过程的典型特点是大规模、连续性和自动化，生产装置的规模越来越大，设计越来越复杂、紧凑，从而造成控制回路日益增多，对控制品质的要求日益增高，一般的工业过程通常有几十甚至上百个控制回路，这些回路绝大多数采用PID调节器控制（即使是DCS等计算机控制系统，其中使用的调节算法仍大多是PID算法），因此PID调节回路的正常工作，是保证生产装置安全、平稳、长期、满负荷运行的基础，同时也是采用先进过程控制、操作优化、质量管理、节能环保等的基础。
PID参数的最佳整定是保证良好控制效果的前期，PID调节器的参数整定需要具有丰富经验的仪表工程师、过程工程师，而目前的普遍情况是相对于控制回路的日益增多，有丰富经验的仪表工程师、过程工程师却越来越少，这就造成许多控制回路运行效果不佳，甚至只能开环运行，串级回路也无法投运。我们在一些设备先进的企业多次发现：先进的DCS控制系统只被当作了超大“显示屏”，没有发挥作用，控制效果更不用说。据某厂调查，使用DCS系统后，仍有20~40%的回路无法闭环运行，控制效果不好的回路数目就更多了，其中大多数不是工艺设备的原因，而是PID调节器参数不是和，需要整定。
有鉴于此，科大创新自动化公司开发了Atloop自动整定软件包，用于对控制系统的PID调节器的P、I、D参数进行整定。AtloopII型PID自动整定仪包括EPP数据采集模块、功能强大的笔记本电脑和相应的自动整定软件包组成，可在被调节系统正常运行的条件下，采集其闭环运行的原调节器的输入、输出数据，然后利用软件求出最佳的P、I、D参数，就如有经验的仪表工程师、过程工程师似的，因而本自动整定仪表被过程工业用户称为“过程调节的万用表”。
本整定仪是将控制系统的输入输出采集以后，利用实际系统的输入数据激励各种可能的系统模型，并计算出模型输出与系统实际输出之间的相关系数，不断调整模型参数，搜索出对应于具有最大相关系数值的系统模型，再在此基础上，按照一定的性能指标设计出最佳的PID调节器参数，获得的参数由运行人员决定是否投入运行。
本产品具有原理简单、操作方便、整定结果鲁棒性强，特别是不需要系统闭环运行，无需施加扰动信号且使用过程对生产无任何影响等特点，不熟悉算法的人也可以很好地使用，最适合于工业过程控制的需要。
PID自动整定仪功能与用法
鉴于本整定仪使用范围广泛，需要将数据输入部分单独处理，因而本PID自动整定仪的主体为一台装有数据采集与回路整定软件的笔记本电脑和一个可以处理多种情况的数据采集模块——对于已有计算机控制系统的用户来说，则可以省略此外接模块。
使用的第一步是定时采集原调节器的输入输出数据对，对于已有计算机控制系统的情况，则可以利用计算机自身功能记录数据，然后手工进行一些修改。由于我们在使用数采模块采集数据时，所有的输入均采用隔离输入方式，特别是不需要加测试信号，无需开环运行，这样就不会对控制系统运行产生任何影响。
第二步是数据处理。对前一步取得的数据进行重采样、归一化、数据段选择、分析等处理，以利于后续步骤的进行。
第三步是模型辨识。由于任何一个工业过程控制对象均可以使用某种形式的数学表达式来描述，特别是可以使用输入/输出数据之间的传递函数模型来表示。因而对于一定的控制对象，描述函数是一定的，当输入数据流一定时，其输出数据流也就由模型和输入数据唯一确定下来了，所以输入输出数据流可以表示该过程的特性。
科大创新股份有限公司自动化分公司
中国科学技术大学工业自动化研究所
联系人：张俊年
电话：13329012016
电邮：zhangjunnian2004@163.com
发表于：2004-08-05 09:40:00
78楼
PID自动整定软件在催化裂化装置上的应用
（中国科学技术大学自动化系，安徽合肥，230026）
摘 要：本文在简要介绍了催化裂化装置后，阐述了PID自动整定软件在催化裂化装置上的应用。PID自动整定软件的应用，对装置的长期安全、稳定运行起到了重要的作用。
关键词：催化裂化装置，PID自动整定软件，UXL集散控制系统
1 前言
催化裂化是重质油轻质化的一个主要炼油工艺，催化裂化装置已成为我国炼油工业的支柱[1]。催化裂化装置能否能安全、平稳运行，直接关系到装置经济效益的好坏。为保证催化裂化装置的安全、平稳运行，除了加强管理外，采用计算机技术和先进控制技术十分必要。某催化裂化装置采用UXL集散控制系统控制，常规控制器为PID控制器，但部分控制回路由于工艺复杂，在加上控制器参数整定不十分理想，所以运行并不十分平稳。但人工整定PID参数十分费时费力，迫切需要PID参数的自动整定。
2 PID自动整定软件
PID自动整定软件AtLoop[2]由中国科学技术大学自动化系研制开发，可用于各种计算机控制系统PID控制器参数的自动整定。AtLoop由三个软件构成：相关系数辨识法PID自动整定软件（简称CCPID）、自适应PID（简称STPID）和继电反馈法PID自动整定软件（简称BBPID），分别适用于不同知识背景的用户和不同特性的控制回路。
CCPID针对工艺技术人员和操作工设计，使用运行简单，不懂辨识和控制算法的人员通过简单培训也能使用。软件首先采集系统闭环的输入/输出数据；并用实际的输入数据激励模型，然后计算实际输出和模型输出的相关系数，不断调整模型参数，采用坐标轮换法搜索对应于相关系数最大值的数学模型；PID控制器参数整定是极小化误差平方和控制量增量平方的和的累积和所组成的二次型性能指标。
由于建模和PID参数优化整定工作都是离线进行的，软件不对过程施加任何干扰。这种方法即使在回路噪声十分强烈时也可以获得较好的整定效果。
与传统的系统辨识算法不同，我们独立开发的相关系数辨识法更强调通过曲线拟合的思想建立系统的数学模型。相关系数辨识法建模的原理如图1所示。其基本原理和工作思路为[4]、[5]：采集回路实时运行数据，得到控制量 和系统输出 ；数据采集完成后，经过有效性检验和必要的处理，用控制输入序列 激励数学模型，得到模型输出 ；软件给出11种模型结构供用户选择，缺省值为一阶惯性加纯滞后模型；模型结构确定后，对一组模型参数可以得到一个模型输出序列 ，计算系统输出与模型输出之间的子样相关系数 ：
子样相关系数越大，系统输出与模型输出曲线拟合效果越好；采用坐标轮换法[6]取对应最大子样相关系数的模型参数，做为系统的数学模型参数。
2.2 PID参数最优整定
PID参数整定的目标函数是极小化如下二次型性能准则：
其中： 为权重因子， ，缺省值为 ，
对应紧控制， 对应松弛控制；
是过程增益估计值[4]；
；
， 为参考轨迹， 为模型响应；
为评价域， 为离散化采样时间， 为开环系统 过渡过程时间。
目标函数计算时，如果闭环系统不稳定，采用时域法；如果稳定，采用频域法[7]。采用Hooke-Jeeves模式搜索法优化PID参数[6]。
图1 相关系数辨识法原理图 图2 自适应PID原理图
相关系数辨识法在采集对象的输入输出数据后，离线进行建模、PID参数优化整定的工作，不对过程施加任何干扰。这种方法即使在回路噪声十分强烈时也可以获得较好的整定效果。自适应PID在线进行模型参数辨识和PID参数优化整定工作。辨识程序可以跟踪对象的缓慢变化，实时地完成模型更新、PID参数重新优化整定的工作。继电器反馈法对过程施加方波测试信号，根据测得的对象临界振荡周期和临界增益设计最优PID参数；可以快速的给出整定结果，适用于大批量回路的初始整定。
AtLoop PID自动整定软件有多个版本，小型机版本用FORTRAN 77J开发。微机版本用Quick BASIC开发，在DOS环境下运行，现已开发出Windows 95运行环境中的Visual C++版本。
AtLoop在丙烯腈装置、工业锅炉、焦化装置、丁辛醇造气装置等多套化工装置上应用了多年[2]，取得了十分可观的经济效益和社会效益。
3 应用环境
某催化裂化装置是一套老装置，90年代初进行了计算机改造，采用日本横河公司的UXL集散控制系统控制。UXL集散控制系统界面友好，操作简单方便，但系统投运后并不尽如人意，许多回路不能平稳运行，有的甚至长期打在手动状态。厂方通过有关途径和我们达成合作意向，在该装置上应用AtLoop PID自动整定软件。该装置的UXL集散控制系统由4台操作站（MOPS）和4台现场空制站（MFCD）组成，其硬件结构如图1所示：
MFCD 1# MFCD 2# MFCD 3# MFCD 4#
RS81 MOPS 1# MOPS 2# MOPS 3# MOPS 4#
图1 UXL集散控制系统硬件结构图
UXL集散控制系统的1号操作站（MOPS #1）的选择插件槽中配有RS81，RS81为遵循EIA RS-232C协议的4通道串行通讯接口卡，1号操作站通过RS81和PC机相连接。另外UXL的操作站上配有实时多任务BASIC，在1号操作站上占用一个BASIC进程XLSDATA,负责现场控制站的数据采集，再利用RS81卡第三口（PORT 3）和AtLoop PID自动整定软件实现双向通讯。XLSDATA可根据需要预先启动。AtLoop在PC机的DOS环境下运行，通过RS81向XLSDATA发出数据采集命令，并接收XLSDATA发送的过程数据。AtLoop获取的过程数据以数据文件形式存贮于PC机上。在数据采集完成后，可利用相关系数法进行建模和PID参数优化整定。得到最优PID参数后，为保证装置安全，最优PID参数经车间技术人员确认后，再实际投运。通过比较整定前后回路的控制效果或通过阶跃测试检验最优PID参数的可靠性和有效性。
4 软件应用
软件实际投入应用时，从稳定装置生产，提高装置的自动控制水平出发，同时考虑到回路的典型性和代表性，由车间同志指定需要整定的回路。整定的回路包括流量、液位、温度和压力等各种过程量的控制回路。这些回路有一部分为串级回路，或者整定前一直未能投自动。
表1为部分回路整定前后的PID参数及整定效果：
表1
回 路 原PID参数 整定后PID参数 整 定 效 果
FIC-202 分馏塔一中回流流量控制 350, 200, 0 260, 140, 0 由手动改投自动
FIC-211 分馏塔二中回流流量控制 250, 80, 20 144, 120, 0 阶跃测试平稳无超调
LIC-207 蒸汽发生器汽泡液面控制 30, 60, 0 200, 250, 0 运行平稳
LIC-302 解析塔塔釜液面控制 30, 12, 25 300, 200, 0 运行平稳
TIC-301 稳定塔第二层塔盘温度控制 25, 150, 1 250, 900, 0 由手动改投自动
PIC-303 稳定塔热旁路压力控制 20, 1800, 3 215, 800, 0 运行平稳
5 结束语
应用AtLoop PID自动整定软件，改善了催化裂化装置的操作稳定性，提高了装置的自动控制水平，对装置提高产量，增加装置处理能力，减少能量损耗，延长设备寿命，降低工人劳动强度，起到了重要作用。
参考文献
[1] 陆庆云，流化催化裂化，北京：中国石化出版社，1989
[2] 吴刚、薛美盛、张志刚等，AtLoop PID自动整定软件包－原理与算法，控制理论与应用，已录取待发表
[3] 中国石油化工集团公司，AtLoop PID自整定软件包开发和应用科学技术成果鉴定证书，1993
2.1 相关系数辨识法
3 自适应PID
自适应PID算法由模型参数辨识、辨识监督级、PID参数最优整定、控制器监督级等四部分组成，原理如图2所示[8]-[10]。本软件既可以用作一次性整定工具，也可以进行在线自校正PID控制。整定过程中不需要对回路施加任何扰动，并可以在闭环/开环状态下运行。
3.1 自适应PID算法
假设单输入单输出系统在稳态工作点附近可以用CARMA模型描述：
， 为过程纯滞后， 为采样周期。
采用带遗忘因子的递推增广最小二乘法在线估计模型参数。模型结构参数由用户设定，软件给出缺省值。
参数辨识收敛后，PID参数优化的目标函数和方法与相关系数辨识法相同。
3.2 监督级
AtLoop软件包设置了智能监督级，保证软件的正常运行。监督级包含一系列规则、判断、推理、决策等，是设计者经验和知识的总结。以自适应PID软件为例，设计了辨识监督级和控制器监督级[8]、[10]，其目的分别为：保证辨识的正常运行，判定参数估计是否收敛，以及收敛结果是否有物理意义；判断最优PID参数是否满足安全性的要求，决定是否投入最优PID参数，以及投运后控制效果评价与监督。
构造强有力的智能监督级是保证先进过程控制软件和操作优化软件长期、安全、有效运行的前提。由于被控对象和任务不同，最终构造监督级的原则只能是具体问题具体分析。AtLoop是一个通用软件，应用对象千变万化，因此只能初步构造智能监督级。
3.2.1 辨识监督级
辨识监督级由两部分组成，第一部分是保证辨识的正常运行，包括数据滤波、数据处理和信号激励性检验，以及 矩阵正定性的检验和保证，详细情况见参考文献[10]；第二部分是辨识收敛情况的判断和处理，包括参数收敛性判断和收敛结果的检验。
由于无法知道参数真值，所以通过估计参数的波动范围来检验参数的收敛性。参数收敛后，寻优得到一组PID参数，投用后如果控制器监督级判断实际控制效果改善，则认为第一次收敛成功，将模型参数赋给后备值。以后，由于系统运行渐趋平稳，信号持续激励性减弱，收敛性判断更加严格。
第一次收敛判定条件：连续20个采样周期， 参数波动都在 以内(相对值)， 参数波动都在 以内(相对值)，则认为辨识收敛，将20步估计的平均值作为参数估计值。
第二次及以后的收敛判定条件：连续40个采样周期， 参数波动都在 以内(相对值)， 参数波动都在 以内(相对值)，则认为辨识收敛，将40步估计的平均值作为参数估计值。
辨识收敛后，还要判断收敛结果的正确性，即所得模型是不是对象的合理描述。这一点，对特定的系统容易实现，对不同回路则很难。
首先，大多数石化过程不包含不稳定极点，极个别特例则属于很难用PID控制好的回路。因此，模型如果包含不稳定极点，则认为辨识失败。
其次，判断稳态增益是否合理。正过程的稳态增益应大于零；反过程的稳态增益应小于零；增益的绝对值应满足：1/20 稳态增益 20。如果违反这些条件，则认为辨识失败。
再次，判断模型时间常数是否合理，即：3 时间常数 1000 。
如果辨识失败， 矩阵赋初值 ，参数向量赋后备值，重新辨识；如果辨识成功，将参数估计值送PID最优整定模块。
3.2.2 控制器监督级
控制器监督级要保证寻优过程的正常运行，判断最优PID是否满足安全性要求，确定是否投用最优PID，投用后实际运行效果评价与监督。
寻优过程中，首先必须保证PID参数不能超出约束范围；其次，要设计一组合理的PID初值；再次，根据闭环稳定性检验，确定选择目标函数计算的时域法或频域法。
寻优结束后，必须判断最优PID是否符合安全性要求，例如：闭环稳定性、稳定裕量、参数是否越界等。
最优PID投用后，要判断实际运行效果是否比原PID控制有所改善，否则要切换到原参数。
4 继电反馈法
在回路中插入一个具有继电器特性的非线性环节，使控制量产生有限振幅的波动；当振荡稳定后，计算波动的周期和幅值，并估计系统临界振荡周期和临界增益；利用改进的Ziegler-Nichols公式设计PID参数[1]、[11]-[15]。继电反馈法适用于纯滞后较大、非线性较强等特性复杂的回路。软件包括测试和PID参数设计两部分。
4.1 继电反馈信号测试
测试过程包括继电信号的产生和施加、波形检测和计算两部分。测试时系统结构如图3所示。 为带滞环的理想继电器，使系统产生持续的有限幅度的振荡，其特性如图4所示， 为滞环宽度， 为幅值； 为积分环节，使系统仍然保持一定的调节作用。
图3 继电反馈法系统结构图 图4 带滞环继电器特性
记录20个采样周期的过程运行状况，将输出滤波、平均后作为设定值，滤波、平均后的控制量作为初值。这样做是为了尽量减少对过程的扰动。继电器信号的产生如下所示：
误差信号 。
继电器输出两次切换之间为一个 波(半波)，当连续三个 波(半波)宽度相差不超过平均值的 时，则认为振荡已经稳定。采用过零检测方法，计算波动周期 ；采用面积来估算波动幅度。这种方法可以减少干扰噪声的影响。
波动幅度
一个波动周期 内 的面积
4.2 临界振荡周期 、临界增益 的计算
图4所示带滞环继电器可以用描述函数分析。考虑到图3的系统结构，非线性环节和积分环节的综合增益为：
当系统产生高频振荡时，不失一般性，对象可以用积分加纯滞后模型近似：
可以得到临界振荡周期 和临界增益 ：
著名的Z-N公式(临界比例带法)最大的贡献或许是：根据最少的对象信息，如何设计较好的控制器。在工业环境中，很少采用Z-N公式整定PID，一个重要原因是：依照这种方法得到的控制器控制作用太强。因此，我们给出修正的Z-N公式整定PID参数。
算法中给出了一个用户可以调整的权系数 。以PI调节器为例，权系数 与增益裕量 和相位裕量 的关系为：
(13b)
其中： ，缺省值为0.1； 趋近于0时，对应紧控制； 趋近于1，对应松弛控制。
此时，依下式计算PI参数：
(14)
当 时，所得结果近似为Z-N公式。
5 软件的工程化设计
按照软件工程的思想，AtLoop软件包文档编制与编程同步进行。软件采用结构化设计方法，自顶向下和自下向上结合，模块化的积木式结构易于修改、扩充和理解[3]。
软件有两种版本，小型机版本采用FORTRAN 77编程；微机版本最初采用Quick BASIC编程，现已用C++语言移植到Windows 95下运行。
为了使AtLoop能够在各种系统下运行，我们研制了Honeywell的TDC-3000、横河CENTUM和 、DEC的VAX-4000系列、横河YEWCOM 7000、日立HIDIC-80等与微机的接口软硬件。
6 应用举例
AtLoop软件已经在几个大型工业装置上连续运行了五年时间，使用对象包括乙烯、催化裂化、丙烯腈、丁辛醇造气、工业锅炉、造纸机、加热炉等装置。
采用相关系数辨识法整定了四效蒸发器压力控制回路。图5为整定前运行曲线，压力波动剧烈，经常违反工艺约束。图6为整定后运行曲线，压力控制平稳。该回路的良好运行对整个四效蒸发器的平稳起了很大作用。
采用自适应PID整定和控制了氨汽提塔塔釜液位。图7为自适应PID初次投入时的运行曲线。图8为一年后的运行曲线。
采用继电反馈法整定了吸收塔吸收水温度控制回路。该回路纯滞后很大、增益很小，并伴随严重的非线性和时变特性。工艺要求控制在4℃到8℃之间。图9为整定前运行曲线，温度波动大，经常违反约束。图10为整定后运行曲线，温度波动长时间不超过0.5℃。该回路的平稳运行，对产品产量和质量的提高关系甚大。
AtLoop PID Auto-Tuning Software Package
---- theory and algorithm
WU Gang, XUE Meisheng, ZHANG Zhigang and SUN Demin
(Department of Automation, USTC·Hefei, 230026, P. R. China)
Abstract: The fundamental principles and industrial applications of PID Auto-Tuning Software Package----AtLoop are introduced in this paper. AtLoop can be applied for the auto-tuning of PID controller parameters in kinds of Distributed Control Systems and other computer control systems as well. The software package consists of three parts, each of which is suitable for different users and control goals. AtLoop has been successfully applied in several large-scaled industrial apparatuses for five years.
Key words: PID regulator, PID auto-Tuning, correlation coefficients, adaptive PID, relay feedback, advanced process control, system identification
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