常規(guī)PID控制在氯乙烯精餾中的應(yīng)用

高娟

【摘要】本文主要研究氛乙烯精餾工藝控制中容易出現(xiàn)的變量耦合問題，分析研究常規(guī)PID控制，設(shè)計常規(guī)PID控制方案期望解決耦合問題。

【關(guān)鍵詞】氛乙烯精餾 耦合 常規(guī)PID控制

一、氯乙烯精餾工藝的耦合問題

氯乙烯的提純主要操作就是精餾，在精餾整個過程中需要的設(shè)備包含氯化氫塔、低沸點塔、高沸點塔、氯化氫干燥器等設(shè)備，設(shè)備多，其中低沸塔目的是為了脫除低沸物，低沸物從塔頂餾出，塔釜中的是產(chǎn)品，對于高沸塔來說是為了脫除高沸物，塔頂餾出物是產(chǎn)品，塔釜是高沸物。整個生產(chǎn)工藝過程流程很長，反應(yīng)機理復(fù)雜，它具有復(fù)雜化工反應(yīng)過程一系列的典型特性[1]。

精餾塔又是個多輸入多輸出的對象，變量多，參數(shù)多，通過分析研究，精餾工藝中主要的工藝參數(shù)有低沸塔塔頂溫度、低沸塔塔釜溫度、低沸塔塔釜液位、低沸塔塔頂壓力、高沸塔塔頂溫度、高沸塔塔頂壓力、高沸塔塔釜液位、尾氣排空量、低沸塔再沸器加熱量、低沸塔塔頂冷劑量、高沸塔再沸器加熱量、高沸塔冷劑量、成品冷凝量、低沸塔到高沸塔的中間過料量等工藝參數(shù)，是典型的多輸入多輸出的復(fù)雜關(guān)聯(lián)系統(tǒng)[2]。除此以外還有涉及的控制方案有關(guān)裝置安全的壓力控制、有關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量的質(zhì)量控制、有關(guān)物料平衡的控制等很多控制方案。這些參數(shù)之間相互影響，關(guān)聯(lián)嚴(yán)重。各工藝參數(shù)相互影響、相互作用，這些變量中某一變量或某些變量的變化都為引起其他變量的變化，參數(shù)之間存在著強耦合關(guān)系，一個變量發(fā)生變化后，其他變量也會受影響發(fā)生變化，耦合問題是精餾工藝中常見的問題。

通過研究分析，氯乙烯精餾塔控制中有很多個控制回路，分別控制各個被控變量。這樣，幾個回路之間，就有可能造成相互影響、相互耦合，但是各個控制系統(tǒng)之間的耦合程度有不一樣，當(dāng)系統(tǒng)之間耦合程度比較嚴(yán)重時，控制系統(tǒng)就會無法正常工作，嚴(yán)重會導(dǎo)致生產(chǎn)事故。

二、常規(guī)PID原理

常規(guī)PID控制就是指對系統(tǒng)偏差進(jìn)行比例積分微分調(diào)節(jié)。其中比例環(huán)節(jié)是最基本的控制環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)具有消除余差的能力，在比例作用的基礎(chǔ)疊加積分作用，具有比例和積分優(yōu)點，控制反應(yīng)快，控制精度高，控制作用加強，抗外界干擾能力加強。而微分環(huán)節(jié)具有超前控制作用，可以克服系統(tǒng)的慣性滯后，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。三作用結(jié)合在一起，三作用參數(shù)設(shè)置合理，控制效果就很好。對于系統(tǒng)穩(wěn)定的單一變量的PID控制回路，如圖1所示。整定，使控制質(zhì)量達(dá)到最好。常規(guī)PID控制方案包括簡單控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)，其中復(fù)雜控制系統(tǒng)又包括串級控制、均勻控制、分程控制、比值控制、取代控制等控制系統(tǒng)，有手動、自動和串級控制等控制方法，控制參數(shù)為液位值、流量值、裝置壓力以及溫度等熱工量。這些控制系統(tǒng)設(shè)備投資少，系統(tǒng)簡單，控制直接，維修、維護少，投運和整定簡單，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及DCS的出現(xiàn)和DCS廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的，常規(guī)PID調(diào)節(jié)器從以常規(guī)控制儀表為主的硬PID成功地演變?yōu)橐攒浖K為主的軟PID調(diào)節(jié)器。這種控制方案能解決大量的生產(chǎn)控制問題，尤其是能滿足定值控制系統(tǒng)的要求，得到了廣泛的應(yīng)用。常規(guī)PID控制方案簡單，調(diào)試簡單，在工況穩(wěn)定的清況下，控制效果還不錯。

三、PID控制算法設(shè)計

為了更好地對精餾進(jìn)行工藝控制，結(jié)合簡化后的低沸塔單板精餾數(shù)學(xué)模型，研究低沸塔單板溫度和低沸塔塔釜液位為兩個主要工藝變量，給出了一個精餾塔兩變量PID控制系統(tǒng)圖，如圖2所示，通過PID調(diào)節(jié)可實現(xiàn)對低沸塔塔板溫度和塔釜液位兩變量系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。

常規(guī)PID控制系統(tǒng)，指利用調(diào)節(jié)控制器的控制參數(shù)比例度s、積分時間TI、微分時間Td對生產(chǎn)中某些固定參數(shù)（如溫度、壓力、液位、流量等）進(jìn)行控制的系統(tǒng)。這些控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)整定方便，適合化工生產(chǎn)中大部分定值控制系統(tǒng)。

常規(guī)PID控制是指確定控制方案的情況下，通過整定PID參數(shù)

溫度和液位控制系統(tǒng)由兩個PID控制器構(gòu)成，控制算法為

式中，T為采樣時間，error（k）=r1（k）-y1（k），error2（k）=r2（k）-y2（k）。

針對此兩輸入兩輸出的控制系統(tǒng)，首先將從被控對象的輸出采集到的測量值y1、y2分別與設(shè)定值r1、r2比較，得到兩個輸出回路的偏差error1、error2，然后根據(jù)PID控制算法計算出兩個控制信號u1、u2，經(jīng)過被控對象運算后輸出y1、y2。

利用仿真軟件Matlab[3]仿真運行，由于多變量回路之間耦合的存在，一個回路發(fā)生階躍變化時，另外一個回路隨之產(chǎn)生了耦合影響。合理調(diào)節(jié)PID參數(shù)，能夠使該雙輸入雙輸出系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)定，實現(xiàn)了一定的控制效果，但是由于耦合現(xiàn)象的存在，控制效果較差。

這種控制方案簡單，調(diào)試簡單，在工況穩(wěn)定的情況下，PID控制效果還不錯。因此目前仍在氯乙烯精餾工藝中廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭石子.聚氯乙烯生產(chǎn)與操作[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2007

[2]張軍.氯乙烯生產(chǎn)工藝中操作參數(shù)優(yōu)化研究[D].華東理工大學(xué).2013

[3]劉金琨.先進(jìn)PID控制及其Matlab仿真.北京：電子工業(yè)出版社，2003.