積分分離PID算法在丙酮廢液處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

王流青，倪偉

(淮陰工學(xué)院 自動化學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

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積分分離PID算法在丙酮廢液處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

王流青，倪偉

(淮陰工學(xué)院 自動化學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

基于丙酮廢液處理系統(tǒng)中溫度控制系統(tǒng)具有參數(shù)時變、控制難度大以及穩(wěn)定性低的特點，采用積分分離PID控制算法，設(shè)計了基于PLC的溫度控制系統(tǒng)，并運(yùn)用Matlab軟件提供的Simulink工具箱對所設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試。調(diào)試結(jié)果表明：該設(shè)計消除了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高了控制精度并有效地增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

丙酮廢液處理系統(tǒng) 積分分離PID算法 可編程控制器 Matlab軟件

丙酮廢液處理系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛研究和應(yīng)用。丙酮廢液精餾過程中溫度的控制是重中之重，一般丙酮廢液精餾系統(tǒng)的溫度控制采用傳統(tǒng)的PID控制方法，該方法在特定的使用情況下具有良好的控制效果，但系統(tǒng)在啟動、結(jié)束或大幅度調(diào)整設(shè)定值時，系統(tǒng)輸出大的偏差會造成積分積累，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至?xí)l(fā)較大的震蕩，這在實際運(yùn)行中是不允許的[1-2]。為實現(xiàn)丙酮廢液處理系統(tǒng)的精確控制和調(diào)節(jié)的要求，提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，筆者采用積分分離PID控制方法結(jié)合S7-300PLC設(shè)計丙酮廢液精餾過程的溫度控制系統(tǒng)，既具有實現(xiàn)方便、編程簡單、控制靈活和超調(diào)量小的特點，又能有效地改善控制精度和響應(yīng)時間[3]。

1 系統(tǒng)工藝流程

丙酮廢液處理系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，廢液通過進(jìn)料泵P101經(jīng)原料預(yù)熱器E101送到丙酮精餾塔T101，精餾塔塔頂餾出物通過塔頂冷凝器E103，冷卻部分導(dǎo)入回流罐V103，氣體部分送至尾氣冷凝器E105，回流罐中一部分回流液通過SV110調(diào)節(jié)閥送回塔頂實現(xiàn)對塔頂溫度的控制，另一部分經(jīng)過塔頂冷卻器E106冷卻后送至丙酮儲罐V104，其中丙酮精餾塔T101塔底溫度由再沸器E104結(jié)合導(dǎo)熱油SV102調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。

2 溫度控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要控制參數(shù)包括進(jìn)料溫度、進(jìn)料流量、塔頂溫度、塔釜溫度、成品冷卻溫度、塔頂冷凝溫度、尾氣冷凝溫度等，其中精餾塔塔釜溫度與塔頂溫度是直接影響丙酮產(chǎn)品純度的關(guān)鍵參數(shù)[4-5]。限于篇幅，筆者僅對塔釜溫度控制加以介紹。由于丙酮精餾過程溫度的滯后時間常數(shù)和慣性時間常數(shù)均較大，采用單獨(dú)的單回路回饋控制容易引起系統(tǒng)的較大震蕩，因而此處采用串級控制，如圖2所示[6]。圖2中：主控參數(shù)為塔釜溫度，以副調(diào)節(jié)器TIC108、調(diào)節(jié)閥SV102、再沸器E104和副變送器TT108組成副控制回路，主調(diào)節(jié)器和主變送器分別為TIC102和TT102，其中能引起塔釜溫度變化的主要擾動有導(dǎo)熱油溫度、進(jìn)料溫度和進(jìn)料流量。

該串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的作用各有側(cè)重。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，且主控參數(shù)(塔釜溫度)允許波動范圍很小，要求實現(xiàn)無余差，因而需采用PID調(diào)節(jié)器，并且該設(shè)計采用積分分離PID算法；副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用，且副控參數(shù)(再沸器溫度)的設(shè)置也是為了保證主控參數(shù)塔釜溫度的控制精度，可以有一定的余差，因而副調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)器。

圖1 系統(tǒng)工藝流程示意

圖2 串級控制結(jié)構(gòu)示意

3 積分分離PID算法

傳統(tǒng)的PID控制算法中，積分環(huán)節(jié)是為了消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，以提高控制精度，但在系統(tǒng)啟動、結(jié)束或大幅度調(diào)整設(shè)定值時，在短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出與設(shè)定值之間靜差很大，造成PID運(yùn)算的積分積累，可能導(dǎo)致控制失效或后續(xù)控制嚴(yán)重超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)的震蕩。在實際生產(chǎn)過程中，這些都可能引發(fā)嚴(yán)重后果[7]。

積分分離PID控制算法的設(shè)計思想：當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定值與實際輸出值偏差較大時，取消積分環(huán)節(jié)，避免上述情況發(fā)生；當(dāng)被控量輸出值與系統(tǒng)設(shè)定值接近時，引入積分控制，實現(xiàn)消除靜差、提高控制精度的功能[8]。

主調(diào)節(jié)器積分分離PID算法流程如圖3所示，r(k)和y(k)分別為塔釜溫度的給定值和測量值，具體實現(xiàn)步驟如下：

1) 根據(jù)實際情況，設(shè)定積分分離限定值β>0。

2) 當(dāng)|e(k)|>β，即偏差值較大時，取消積分環(huán)節(jié)，采取PD控制，確保系統(tǒng)能快速響應(yīng)。

3) 當(dāng)|e(k)|≤β，即偏差值較小時，采取PID控制，保證系統(tǒng)的控制精度，也可避免產(chǎn)生較大的超調(diào)。

積分分離PID控制算法表示為

Δu(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+αKIe(k)+

KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

圖3 積分分離PID算法流程示意

4 PLC控制程序設(shè)計

在本次設(shè)計中，采用結(jié)構(gòu)化軟件編程方法，按照不同功能將PLC程序劃分為以下功能模塊：初始化(包含默認(rèn)參數(shù)設(shè)置模塊)、氮?dú)獯祾?、丙酮精餾、報警處理、精餾塔過壓、急停處理、模擬量處理、氣動閥處理、管道排空處理及測試模式等功能模塊。塔釜溫度控制系統(tǒng)在丙酮精餾功能模塊中設(shè)計完成，通過LAD指令SUB_R，ABS及COMP≤R對系統(tǒng)測量值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，積分限定值通過COMP≤R指令設(shè)定，其輸出值用來判斷是否執(zhí)行積分環(huán)節(jié)。串級控制回路由2個PID功能塊FB41組構(gòu)成，主調(diào)節(jié)器采用PID控制，副調(diào)節(jié)器采用簡單的P控制。PID功能塊的數(shù)據(jù)分別存儲在數(shù)據(jù)塊DB41和DB42中，主控制器PID模塊的輸出作為副控制器PID模塊的設(shè)定值，2個PID功能塊都具備手/自動選擇功能，并可以選擇是否使用P，I，D控制環(huán)節(jié)。

圖4 系統(tǒng)動態(tài)仿真模型示意

5 系統(tǒng)調(diào)試

采用Matlab自帶的Simulink工具箱對所設(shè)計溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行PID在線調(diào)試，調(diào)試得到的KP1，KI，KD，KP2以及積分限值β作為PLC控制程序各參數(shù)值。調(diào)試時，設(shè)置設(shè)定值為56℃，塔釜溫度檢測值為30℃，積分限值β由表1確定，可以看出取β=14℃時系統(tǒng)調(diào)整時間最短，調(diào)試效果最佳，同時可以確定積分分離PID各參數(shù)值分別為KP1=150， KI=2.2， KD=635， β=14℃， KP2=1.5。調(diào)試結(jié)果如圖5所示。其中，圖5a)所示為普通PID算法所測試出的結(jié)果，從曲線趨勢看出控制系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的超調(diào)，且存在穩(wěn)態(tài)誤差，而圖5b)所顯示的測試結(jié)果表明，積分分離PID控制算法有效地抑制了積分環(huán)節(jié)的作用，能夠精確地對控制對象進(jìn)行有效控制。

表1 積分限值β對系統(tǒng)的影響

a) 常規(guī)PID算法測試曲線 b) 積分分離PID算法測試曲線

6 結(jié)束語

文中設(shè)計了基于積分分離PID控制算法的溫度控制系統(tǒng)，結(jié)合S7-300PLC成功將積分分離PID算法引入到丙酮廢液處理系統(tǒng)，并采用Matlab建模仿真。調(diào)試結(jié)果表明：該設(shè)計既能夠消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，又能有效地抑制超調(diào)量，同時該設(shè)計還具有響應(yīng)時間短、控制精度高的特點，能實現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)實用價值。

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本刊啟用在線投稿系統(tǒng)

本刊啟用了在線投稿系統(tǒng)，網(wǎng)址：http: //www.syhgzdh.com,歡迎廣大作者踴躍投稿。(本刊編輯部)

Application of Integral Separation PID Algorithm in Acetone Waste Liquid Treatment System

Wang Liuqing, Ni Wei

(College of automation, Huaiyin Institute of Technology, Huaian, 223003, China)

s：Based on characteristics of parameters time-varying, difficult to control and low stability for temperature control system in acetone waste liquid treatment system, temperature control system based on integral separation PID control algorithm is designed with application of Integral Separation PID control Algorith. Simulation test is conducted for designed temperature control system with simulink toolbox provided by Matlab software. The results show the system can be applied to eliminate system steady-state error, improve control precision and efficiently enhance system stability.

acetone waste treatment system; integral separation PID algorithm; PLC; Matlab software

王流青(1991—)，男，江蘇揚(yáng)州人，現(xiàn)就讀于淮陰工學(xué)院，在讀研究生，主要從事化工過程自動化方向的研究工作。

TP273

B

1007-7324(2016)05-0037-04

稿件收到日期：2016-05-01，修改稿收到日期：2016-07-22。