基于改進(jìn)PID算法的原油蒸餾過(guò)程控制

張凱 張一弛 黃岡師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院

基于改進(jìn)PID算法的原油蒸餾過(guò)程控制

張凱 張一弛 黃岡師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院

原油產(chǎn)品蒸餾儀由流量檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、功率調(diào)節(jié)模塊和視頻監(jiān)控模塊四部分組成。對(duì)于過(guò)程控制系統(tǒng)，需要使用到數(shù)字PID控制器，其控制算法主要分為位置式和增量式PID控制算法，這兩種算法具有相關(guān)性。改進(jìn)的PID算法為分段變?cè)鲆嬖隽渴絇ID算法，其中將1500W的額定功率設(shè)置成蒸餾儀的所需功率。進(jìn)行原油蒸餾時(shí)，加熱功率的范圍應(yīng)維持在額定功率的40%～80%之間。原油產(chǎn)品在蒸餾過(guò)程中的各個(gè)階段都有不同的增益KP，確保KP、TI和TD值的選取，這樣才能完成初餾階段的任務(wù)，對(duì)確定剩余兩個(gè)階段的增益值也有幫助。

原油蒸餾；增益；增量式PID；控制；算法

1 測(cè)控系統(tǒng)

原油產(chǎn)品蒸餾儀由流量檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、功率調(diào)節(jié)模塊和視頻監(jiān)控模塊四部分組成。

視頻監(jiān)控模塊的作用主要體現(xiàn)在檢測(cè)初鎦點(diǎn)方面上，系統(tǒng)會(huì)對(duì)第一滴蒸餾液的落下進(jìn)行檢測(cè)提醒，同時(shí)記錄初餾時(shí)間。流量檢測(cè)模塊對(duì)量筒餾出液高度不間斷地檢測(cè)，同時(shí)進(jìn)行流量計(jì)算，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以通信模式輸送至上位機(jī)[1]。溫度檢測(cè)模塊對(duì)蒸餾瓶的液體溫度和油氣溫度時(shí)刻監(jiān)控，同樣將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)同步到上位機(jī)中。搜集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)上位機(jī)的接收處理后，以控制算法為基礎(chǔ)公式模型進(jìn)行蒸餾儀加熱功率的精密調(diào)節(jié)，使蒸餾機(jī)內(nèi)每分鐘的流量都能夠符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2 被控對(duì)象分析

原油蒸餾溫度會(huì)在蒸餾過(guò)程中伴隨燒瓶?jī)?nèi)油液的減少而提高。常用階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行被控對(duì)象控制特性的研究。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，將1500W作為原油蒸餾儀的額定加熱功率。在加熱功率發(fā)生階躍前，流量產(chǎn)生變化時(shí)加熱功率也會(huì)隨時(shí)間改變，即有增加段和平穩(wěn)段。階躍響應(yīng)發(fā)生后，加熱功率會(huì)根據(jù)時(shí)間的變化對(duì)流量進(jìn)行分類，分為流量增加、平穩(wěn)和減少這3個(gè)階段。電爐為油液的蒸發(fā)提供能量，其產(chǎn)生的熱量主要使油液升溫，同時(shí)也為油液到油氣的蒸發(fā)轉(zhuǎn)變提供能量和對(duì)外環(huán)境散熱。蒸發(fā)相變過(guò)程占據(jù)了蒸餾的大部分時(shí)間。

在加熱功率發(fā)生階躍后，這三部分熱量都會(huì)隨之增加。蒸餾流量此時(shí)會(huì)隨著增加較多的蒸發(fā)相變熱量而明顯增加，同時(shí)油液在蒸發(fā)相變時(shí)所需的熱量與加熱功率所提供的蒸發(fā)相變熱量，會(huì)隨著混合物中輕組分的蒸發(fā)以及混合物的沸點(diǎn)的升高而逐步達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，這時(shí)流量平衡段便出現(xiàn)了。蒸餾還在繼續(xù)著，但能夠蒸發(fā)的組分卻變得越來(lái)越少，此時(shí)出現(xiàn)的是流量減少段。

被控對(duì)象的變質(zhì)量和變物性的特點(diǎn)導(dǎo)致了在加熱蒸餾的過(guò)程中，每段的功率控制信號(hào)的增益都不是相同的，流量要保持基本穩(wěn)定就必須改變加熱功率。而以上過(guò)程中，信號(hào)反饋信息的及時(shí)處理與調(diào)整可以穩(wěn)定蒸餾流量的平衡，對(duì)于無(wú)形誤差也可以隨時(shí)糾正，將擾動(dòng)的可能性降到最低。

3 有關(guān)控制算法的運(yùn)算

（1）相關(guān)的增量式PID控制算法內(nèi)容。對(duì)于過(guò)程控制系統(tǒng)，需要使用到數(shù)字PID控制器，其控制算法主要分為位置式和增量式PID控制算法，這兩種算法具有相關(guān)性，推導(dǎo)內(nèi)容為位置式向增量式PID控制算式轉(zhuǎn)變?？刂扑闶街械南禂?shù)與采樣的周期T、積分的時(shí)間常數(shù)TI、增益值KP和微分時(shí)間常數(shù)TD的內(nèi)容都有關(guān)聯(lián)。由推算關(guān)系可知，計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)采樣周期T為恒定值，造成KP、TI和TD3個(gè)值3次測(cè)量時(shí)有差別。增量式算法在應(yīng)用的時(shí)候，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作量就是計(jì)算機(jī)輸出的控制增量Δu(k)。這樣不僅可以加快執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)速度，對(duì)于出現(xiàn)的“死區(qū)”還有一定的避讓作用。例如在求執(zhí)行機(jī)構(gòu)于k時(shí)刻時(shí)的實(shí)際位置u(k)時(shí)，會(huì)應(yīng)用到控制量的增量求和方法。

（2）改進(jìn)的PID算法分析。改進(jìn)的PID算法為分段變?cè)鲆嬖隽渴絇ID算法，其中將1500W的額定功率設(shè)置成蒸餾儀的所需功率。進(jìn)行原油蒸餾時(shí)，加熱功率的范圍應(yīng)維持在額定功率的40%～80%之間。進(jìn)行蒸餾的原油產(chǎn)品，其增量式PID算法只采用一組KP、TI、TD值進(jìn)行計(jì)算難免會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致不同區(qū)域內(nèi)流量的大小不一的情況發(fā)生，只有一部分的流量符合既定的要求。要解決這個(gè)問(wèn)題，就要分段使用有差異的增益KP及時(shí)間數(shù)TI和特別是上文中關(guān)于階躍響應(yīng)曲線的分析，可結(jié)合實(shí)際蒸餾中的情況進(jìn)行合適的KP、TI、TD值的確定。根據(jù)對(duì)油液的操作情況可對(duì)蒸餾過(guò)程進(jìn)行階段區(qū)分，分為初餾點(diǎn)前、初餾點(diǎn)～58mL液位處、58mL液位～停止液位3個(gè)階段。如果只是對(duì)油品的合格性做檢查，只要取餾出液于70mL處；而要對(duì)油品的全餾程進(jìn)行檢驗(yàn)，需要使停止液位停留在到90mL或者95mL處。原油產(chǎn)品在蒸餾過(guò)程中的各個(gè)階段都有不同的增益KP及時(shí)間常數(shù)TI和TD?？梢赃M(jìn)行手動(dòng)操作，確保KP、TI和TD值的選取，這樣才能完成初餾階段的任務(wù)，對(duì)確定剩余兩個(gè)階段的增益值也有幫助。在得到取值后可由改進(jìn)的分段式變?cè)鲆嬖隽靠刂品ㄟM(jìn)行適宜的KP、TI、TD值的細(xì)微參數(shù)調(diào)整[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

基于改進(jìn)PID算法，提出了對(duì)原油蒸餾過(guò)程中的分段變?cè)鲆嬖隽渴絇ID控制算法的控制，并以實(shí)驗(yàn)的形式證明了方法的可行性和有效性。通過(guò)本文可明確有關(guān)原油蒸餾儀的工作行為，蒸餾油品過(guò)程中相關(guān)變質(zhì)量與變物性的差異性。采用單一的加熱功率，流量、時(shí)間之間的關(guān)聯(lián)曲線趨近于P型。初餾時(shí)間與蒸餾流量對(duì)于單一加熱功率有著很大的限制作用，要滿足正常需求很困難，此時(shí)引進(jìn)改進(jìn)PID算法中分段變?cè)鲆嬖隽渴椒椒?，可以憑借自身特性應(yīng)用于各種領(lǐng)域的蒸餾過(guò)程，消除了單一加熱功率的限制問(wèn)題。

[1]張強(qiáng)，王前虹，白宵麗，等．基于DMC-PID的循環(huán)流化床鍋爐床層溫度控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．化工自動(dòng)化及儀表，2009，36（6）：63-66.

[2]方鑫，黨宏社．高速模糊PID溫度控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．化工自動(dòng)化及儀表，2009，36（6）：75-77.

[3]愈忠原，陳一民．工業(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[M]．北京：北京理工大出版社，1995.

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.4.041