基于模型優(yōu)化PID參數(shù)在延遲焦化的應(yīng)用

王良瑾

摘 要：PID參數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題在石油化工行業(yè)中一直以來(lái)都是自動(dòng)控制領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，比例、積分、微分這三個(gè)參數(shù)的取值直接影響控制效果。傳統(tǒng)的PID參數(shù)大多由工程技術(shù)人員通過(guò)不斷試湊方法來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于一些復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，難以滿足控制精度的要求。本文針對(duì)以上問(wèn)題，著重介紹基于模型控制，在延遲焦化裝置成功實(shí)施PID參數(shù)整定優(yōu)化，并分析對(duì)比前后效果。通過(guò)參數(shù)優(yōu)化大大提高了裝置自控率。

關(guān)鍵詞：PID；模型控制；整定優(yōu)化；自控率

1、前言

中國(guó)石化某個(gè)煉油廠的延遲焦化裝置設(shè)計(jì)加工能力為140萬(wàn)噸/年，DCS系統(tǒng)采用橫河電機(jī)有限公司提供的基于WINDOWS-XP的大型DCS系統(tǒng)，操作站采用通用PC機(jī)，控制站采用全冗余熱備份結(jié)構(gòu)，是目前世界上最先進(jìn)的大型DCS系統(tǒng)之一。

除了水力除焦部分設(shè)置單獨(dú)的PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制，其它部分都在橫河CS3000系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與控制，自動(dòng)控制回路包括單回路控制、串級(jí)控制、分程控制、選擇控制等，一共有101個(gè)回路。

2、傳統(tǒng)PID參數(shù)優(yōu)化的現(xiàn)狀

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的主要煉油化工廠都使用集散控制系統(tǒng)（DCS）進(jìn)行監(jiān)控，其中大部分控制回路采用PID控制。PID在DCS上的應(yīng)用極大提高控制和管理的水平，降低了勞動(dòng)者的工作強(qiáng)度，但目前仍存在諸多問(wèn)題，如：PID參數(shù)整定困難、控制效果難以控制、自控率普遍不高等。

2.1、PID控制算法固定

其中KC、Ti、Td 分別是比例參數(shù)P、積分參數(shù)I、微分參數(shù)D。實(shí)際上，隨著被控對(duì)象的不同，響應(yīng)時(shí)間也有所不同，其PID控制的形式也應(yīng)該是有差異的，而目前的DCS系統(tǒng)組態(tài)方式并沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)。

2.2、 PID參數(shù)整定不合理

在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中，由于操作人員對(duì)PID控制原理認(rèn)識(shí)不到位，常常根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)給定PID參數(shù)，導(dǎo)致控制器參數(shù)設(shè)置不是最優(yōu)，使得控制效果比較差或者控制發(fā)散，需要人工干預(yù)或者手動(dòng)控制。另外，PID參數(shù)一旦組態(tài)設(shè)置完成后，操作人員往往只是在參數(shù)附近進(jìn)行小改動(dòng)，很少根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況變化進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，無(wú)法滿足實(shí)際調(diào)節(jié)要求。

3、基于模型優(yōu)化PID參數(shù)

3.1、目的與意義

作為魯棒控制之一的基于模型優(yōu)化控制既有具有魯棒穩(wěn)定性，又具有控制性能的優(yōu)點(diǎn)，控制性能要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)人工試調(diào)PID控制?；谀Ｐ蛢?yōu)化控制的PID控制器，不僅保持了傳統(tǒng)PID控制的特點(diǎn)，而且具有基于模型優(yōu)化控制的一切優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整定方便，并有利于采用現(xiàn)代控制硬件（如DCS）來(lái)實(shí)現(xiàn)?；陂_(kāi)環(huán)及閉環(huán)辨識(shí)得到的模型整定PID參數(shù)克服了傳統(tǒng)PID參數(shù)的憑經(jīng)驗(yàn)整定的缺陷，PID參數(shù)通過(guò)模型辨識(shí)及參數(shù)優(yōu)化計(jì)算得到。

3.2、實(shí)施步驟

（1）模型辨識(shí)

模型辨識(shí)既可通過(guò)開(kāi)環(huán)辨識(shí)也可通過(guò)閉環(huán)辨識(shí)獲取對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。開(kāi)環(huán)模型辨識(shí)采用基于最小二乘法的直接辨識(shí)法。此方法能夠直接得到模型的傳遞函數(shù)參數(shù)，無(wú)需經(jīng)過(guò)其他轉(zhuǎn)換，辨識(shí)精度高，時(shí)域誤差和頻域誤差都較小。閉環(huán)辨識(shí)采用粒子群優(yōu)化算法（PSO）辨識(shí)過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型，需要采集在給定的輸入下控制系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)，且設(shè)定值變化較小，即可辨識(shí)出過(guò)程模型。模型辨識(shí)過(guò)程對(duì)生產(chǎn)基本無(wú)影響。

（2）設(shè)計(jì)基于模型優(yōu)化PID控制器

該控制器的設(shè)計(jì)是基于模型辨識(shí)得到的過(guò)程模型和一個(gè)用于魯棒特性的低通濾波器?；谀Ｐ蛢?yōu)化PID控制器只有一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，即濾波器常數(shù)，這使得該控制器的在線整定十分容易。整定后的PID控制回路具有模型優(yōu)化控制的特點(diǎn)，既保證穩(wěn)定性，又具有快速跟蹤設(shè)定值和克服擾動(dòng)的特性。

（3）在DCS實(shí)現(xiàn)基于模型優(yōu)化PID參數(shù)的控制

將DCS上的PID參數(shù)修改為優(yōu)化整定后的參數(shù)，則控制器為基于模型優(yōu)化PID控制器。在DCS上實(shí)現(xiàn)基于模型優(yōu)化PID控制，相應(yīng)的DCS控制系統(tǒng)具有基于模型優(yōu)化控制的特性。

4、在延遲焦化裝置應(yīng)用的效果

4.1、采集數(shù)據(jù)

延遲焦化DCS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)已擁有一臺(tái)OPC服務(wù)器，作為DCS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)分發(fā)節(jié)點(diǎn)，向DCS外部網(wǎng)絡(luò)提供生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)。OPC服務(wù)器的設(shè)計(jì)規(guī)范符合C/S結(jié)構(gòu)，可以使用一臺(tái)OPC服務(wù)器為多臺(tái)OPC客戶端提供生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，且CS3000系統(tǒng)的OPC服務(wù)器無(wú)點(diǎn)數(shù)（Items）的授權(quán)限制，在理論上可以支持?jǐn)?shù)萬(wàn)條過(guò)程數(shù)據(jù)的同步讀取，因此，支持PHD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與PID參數(shù)整定工作站共用一臺(tái)OPC服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

在延遲焦化機(jī)柜間的OPC服務(wù)器旁邊放置PID參數(shù)整定工作站，但由于OPC服務(wù)器的網(wǎng)路端口已連接到PHD Buffer，所以無(wú)法直接通過(guò)網(wǎng)線把兩臺(tái)機(jī)連接起來(lái)進(jìn)行通訊。在OPC服務(wù)器于PHD Buffer之前增加一臺(tái)路由器，其中一路仍與PHD Buffer通訊，另一路與PID參數(shù)整定工作站通訊，最后使用OPC client軟件進(jìn)行讀取并導(dǎo)出數(shù)據(jù)，如圖1所示。

4.2、實(shí)施步驟

（1）對(duì)測(cè)試范圍內(nèi)的控制回路做階躍測(cè)試，即在的工藝允許的范圍內(nèi)改變?cè)O(shè)定值三到四次，然后通過(guò) OPCclient 端采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

（2）利用采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型辨識(shí)，得到生產(chǎn)過(guò)程數(shù)學(xué)模型；

（3）根據(jù)數(shù)學(xué)模型使用內(nèi)模控制方法整定 PID 參數(shù)，并進(jìn)行仿真；

（4）投用整定后的 PID 參數(shù)，查看控制效果，將新 PID 參數(shù)控制效果與原參數(shù)效果比對(duì)，確定最終控制器參數(shù)。

需要注意的地方是，通過(guò)優(yōu)化得到控制參數(shù)CO=100/ PB （1+TdS+1/TiS），投用到 CS3000 控制系統(tǒng)的參數(shù)為 PB，微分時(shí)間Td，積分時(shí)間Ti，這三個(gè)參數(shù)與軟件整定到的參數(shù)有以下關(guān)系： PB =100/KC ；Td = Td；Ti = Ti。

4.3、優(yōu)化情況

延遲焦化裝置需要優(yōu)化PID參數(shù)的自控回路共有99 個(gè)，其中有19個(gè)回路是需要重點(diǎn)參數(shù)整定。以FIC1140回路為例子，整定前 PID 參數(shù)為；P=180，I=20，D=0； 整定后 PID 參數(shù)為：P=90，I=16，D=0。從表2中可看出 ，無(wú)論是穩(wěn)定性能還是動(dòng)態(tài)性能，PID參數(shù)優(yōu)化后的控制效果與優(yōu)化前相比都得到了顯著改善。

5、結(jié)論

通過(guò)對(duì)延遲焦化裝置進(jìn)行PID參數(shù)優(yōu)化整定，使得裝置自控率大幅提高，達(dá)到了98%以上。控制效果大幅提升后，裝置運(yùn)行平穩(wěn)，大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使得操作人員能把更多的精力用于安全生產(chǎn)上，確保裝置的長(zhǎng)安穩(wěn)運(yùn)行。更重要的是，讓操作人員深刻體會(huì)到自動(dòng)控制的優(yōu)勢(shì)，不但調(diào)節(jié)穩(wěn)定，而且響應(yīng)速度快、控制精度高，徹底改變之前手動(dòng)比自動(dòng)控制平穩(wěn)的理念。

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