積分分離PID算法在甘油蒸餾中的應(yīng)用

王偉 倪偉 鐘群(淮陰工學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院， 江蘇 淮安 223001)

積分分離PID算法在甘油蒸餾中的應(yīng)用

王偉 倪偉 鐘群(淮陰工學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院， 江蘇 淮安 223001)

針對(duì)粗甘油精煉過程中甘油蒸餾釜溫度控制系統(tǒng)具有慣性大、滯后嚴(yán)重的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種采用積分分離PID算法的釜溫控制系統(tǒng)。使用MATLAB軟件自帶的Simulink仿真環(huán)境，構(gòu)建釜溫控制系統(tǒng)模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了控制精度，減小了超調(diào)量。

蒸餾釜；溫度控制；積分分離；MATLAB

粗甘油精煉過程中，為保證最終成品甘油的高純度，甘油蒸餾工藝對(duì)蒸餾釜溫度控制作出了較高的要求。而釜溫控制系統(tǒng)具有慣性大、滯后嚴(yán)重的特點(diǎn)，若采用傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)，其執(zhí)行元件不能對(duì)被控制量的變化做出快速反應(yīng)，當(dāng)短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大偏差時(shí)，在積分項(xiàng)作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的振蕩，控制量u將超出限制范圍，引起積分失控，很難達(dá)到滿意的控制效果[1-2]。因此，為了解決積分失控和提高控制質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一種基于S7-200 Smart PLC結(jié)合積分分離PID算法的釜溫控制系統(tǒng)，既具有控制靈活、超調(diào)量小、實(shí)現(xiàn)容易的特點(diǎn)，又能有效地改善了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和控制精度，更大程度上保證了甘油蒸餾的溫度條件。

1 甘油蒸餾工藝

甘油蒸餾工藝流程如圖1所示，粗甘油進(jìn)入處于真空狀態(tài)下的T101蒸餾釜中，在導(dǎo)熱油加熱下汽化，釜頂少量冷凝液經(jīng)過V102旋液分離器分離回流至蒸餾釜中，而過濾后的甘油蒸氣將進(jìn)入逐級(jí)冷凝工藝環(huán)節(jié)。其中蒸餾釜T101的溫度由進(jìn)釜的導(dǎo)熱油SV101調(diào)節(jié)閥控制。釜底的有機(jī)鹽、無機(jī)鹽、難揮發(fā)的其他雜質(zhì)等高沸點(diǎn)組分將進(jìn)入到重組分釜提煉處理。

圖1 甘油蒸餾工藝示意圖

2 釜溫控制系統(tǒng)

甘油蒸餾釜溫度控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，由S7-200 SMART控制器、蒸餾釜、溫度傳感器、溫度變送器、電磁調(diào)節(jié)閥等幾個(gè)部分組成。系統(tǒng)的控制原理為：溫度傳感器將采集到的甘油蒸餾釜溫度信號(hào)，經(jīng)過溫度變送器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，模擬量輸入模塊將送進(jìn)來的電流信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，S7-200 SMART控制器將采集的溫度值與設(shè)定的溫度值做比較，算出偏差值，并經(jīng)過控制算法運(yùn)算得出輸出控制量，該輸出量再經(jīng)過模擬量輸出模塊D/A轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，傳送給電磁調(diào)節(jié)閥，控制調(diào)節(jié)閥的開度以調(diào)節(jié)流向蒸餾釜的導(dǎo)熱油流量，達(dá)到控制釜溫的目的[3]。

圖2 蒸餾釜溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 積分分離PID算法

在常規(guī)的PID數(shù)字控制器中引入積分環(huán)節(jié)的目的，主要是為了消除靜態(tài)誤差、提高控制精度。但在系統(tǒng)啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度調(diào)整設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)輸出的控制量在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的偏差，造成PID運(yùn)算的積分積累，控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能的最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，引發(fā)控制失效，并可能造成后續(xù)控制過程嚴(yán)重超調(diào)，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。

為了解決上述問題，系統(tǒng)采用積分分離PID控制算法。積分分離的基本原理：當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分環(huán)節(jié)，避免超調(diào)量的增大；當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，再加入積分控制作用，以消除靜差，提高控制精度[4]。具體實(shí)現(xiàn)如下：

根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定積分分離限值ε＞0；

當(dāng)|e(k)|＞ε，即偏差值較大時(shí)，采用PD控制，取消積分項(xiàng)作用，使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)，改善動(dòng)態(tài)品質(zhì)；

當(dāng)|e(k)|≤ε，即偏差值較小時(shí)，采用PID控制，提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度。

積分分離PID控制算法表示為：

式中：KP為比例系統(tǒng)；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)；T為采樣時(shí)間，β為積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)。

釜溫控制系統(tǒng)的積分分離PID算法流程如3所示，其中r(k)和y(k)分別為蒸餾釜釜溫的給定值和測(cè)量值。

圖3 積分分離PID算法流程圖

4 系統(tǒng)仿真與分析

利用Matlab軟件提供的Simulink工具箱對(duì)所設(shè)計(jì)的基于積分分離PID算法的釜溫控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。根據(jù)測(cè)量的溫度曲線，畫圖和計(jì)算，得出被控對(duì)象釜溫傳遞函數(shù)為G(s)=1/(240s+1) e^(-60t)。把溫度給定值設(shè)定為186℃，積分限值ε設(shè)為18。在Simulink中構(gòu)建了如圖4所示的釜溫控制系統(tǒng)模型。

圖4 釜溫控制系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)溫度變化仿真曲線如圖5所示，積分分離PID控制系統(tǒng)溫度變化仿真曲線如圖6所示。從仿真結(jié)果可以直觀看出，采用傳統(tǒng)PID算法的溫度控制系統(tǒng)有較大的超調(diào)，需要較長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定。而采用積分分離PID算法的溫度控制系統(tǒng)超調(diào)小，響應(yīng)速度快，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。

圖5 傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)溫度變化曲線

圖6 積分分離PID控制系統(tǒng)溫度變化曲線

5 結(jié)語(yǔ)

為了解決粗甘油精煉中蒸餾釜溫度控制系統(tǒng)慣性大、滯后嚴(yán)重的問題，本文設(shè)計(jì)了基于積分分離PID算法的釜溫控制系統(tǒng)，并使用Matlab軟件進(jìn)行建模仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)相比傳統(tǒng)的PID控制方式，能夠有效地抑制超調(diào)量，提高響應(yīng)速度，消除靜差，滿足甘油蒸餾工藝對(duì)釜溫的精確控制要求，且方法簡(jiǎn)單，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1]楊久紅,王小增.積分分離PID控制算法的電阻爐溫度控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2012，20(1):66-69.

[2]王蕊,苗寶增,王秀英.造紙生產(chǎn)積分分離PID串級(jí)溫度控制器[J].生產(chǎn)實(shí)踐,2009，28(6):70-72.

[3]王春雷,鄧遠(yuǎn)超,費(fèi)凌.反應(yīng)釜溫控系統(tǒng)的積分分離PID算法及仿真[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2009，(04):70-72.

[4]李昂.積分分離PID控制算法在PLC爐溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013，21(24):54-58.

Application Of Integralseparation PID Algorithm In Glycerine Distillation

Wang Wei,Ni Wei,ZhongQun(College Of Automation,HuaiyinInstitude of Technology,Huaian Jiangsu 223001)

According to the characteristics of larger inertia and serious hysteresis of the glycerine distillation temperature control system in the process of crude glycerol re fi ning,a kettle temperature control system based on integral separation PID algorithm is designed.UsingSimulink environmentwhich built in MATLAB software,the model of kettle temperature control system is constructed and simulated,the results show that the design enhancesthe stability of the system,improves the control accuracy and reduces overshoot.

distillation kettle; Temperature control; Integral separation; MATLAB

王偉(1991-)，男，江蘇宿遷人，現(xiàn)就讀于淮陰工學(xué)院，在讀研究生，專業(yè)方向:化工過程自動(dòng)化。