基于PID控制器的化工過程自動控制方法研究

梁代華 楊茂平 陳玉虹 周昌林

摘 要：在化工領(lǐng)域，通過開展過程自動化控制，有利于提高化工生產(chǎn)的安全性，提高生產(chǎn)效率?；诒壤?積分-微分控制器（PID）是一種穩(wěn)定、可靠的控制器，將其應(yīng)用于化工過程自動控制中，可以提高化工過程的整體自動控制水平。以化工過程中常用的溫度儀表為例，分析基于PID控制器的化工過程自動控制方法，研究提出了一種基于多模穩(wěn)態(tài)PID溫度自整定方法，并在Matlab 中建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方針模擬分析。仿真結(jié)果顯示，所輸出的結(jié)果十分穩(wěn)定，噪聲較小，精度較高，具備一定的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：化工;過程自動控制;PID控制器

中圖分類號：?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-5922（2022）03-0162-05

Research on automatic control method of chemical process based on PID controller

LIANG Daihua，YANG Maoping，CHEN Yuhong，ZHOU Changlin

（Sichuan Province Greatwall Security Affairs Co.，Ltd.，deyang 618000，China）

Abstract：In the field of chemical industry， the development of process automation control is conducive to improve the safety of chemical production and improve production efficiency. Proportion Integration Differentiation （PID） based controller is a stable and reliable controller， and its application in automatic control of chemical process can improve the overall automatic control level of chemical process. This paper analyzes the automatic control method of chemical process based on PID controller by taking the temperature instrument commonly used in chemical process as an example. In this paper， a temperature self-tuning method based on multi-mode steady PID is proposed， and the corresponding mathematical model is established in Matlab for policy simulation analysis. The final simulation results show that the output results are very stable， low noise， high precision， and have certain practical application value.

Key words：chemical industry; automatic process control; the PID controller

近年來，我國的化工行業(yè)得到了快速的發(fā)展，各種工藝和流程的技術(shù)水平也得到了顯著的提高。其中，在各種化工裝置中，自動控制的地位日漸凸顯。目前，化工領(lǐng)域，在對各種裝置實(shí)施自動化控制的時(shí)候，

對比例-積分-微分控制器（PID）的應(yīng)用較多。它是一種十分重要的控制技術(shù)，將其應(yīng)用于化工領(lǐng)域，有利于提高化工過程的自動控制水平，更好地促進(jìn)各項(xiàng)生產(chǎn)活動的順利、高效開展[1]。

1 化工過程自動控制與PID控制器

化工過程自動控制是化工行業(yè)發(fā)展的重要趨勢和方向，通過不斷提高化工過程自動控制水平，可以有效提高各種工藝參數(shù)的操作精度，促進(jìn)最終產(chǎn)品質(zhì)量的提升。自動控制模式下，各種化工過程也可以更為穩(wěn)定、安全，減少各種生產(chǎn)安全問題的出現(xiàn)。同時(shí)，也可以大大地減輕工作人員的勞動強(qiáng)度，提高工作效率的同時(shí)，也可以有效避免各種人為因素對化工生產(chǎn)過程以及最終產(chǎn)品的影響[2]。如果將 u（t）定義為控制輸出，則參照PID算法，相應(yīng)的控制情況可以按照如下的公式予以表示：

u（t）-MV（t）

=Kpe（t）+Ki∫t0e（τ）dτ+Kdde（t）dt

PID控制中，可以采用3種控制的部分組合，即P控制、PI控制、PD控制或者是三者的組合;真正意義上的PID控制，我們可以籠統(tǒng)地稱之為PID控制規(guī)律。采取這種控制規(guī)律的控制器，可以稱為PID控制器。PID控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

PID控制器其實(shí)就是使用PID算法的控制器，它是綜合了比例放大（P）、積分運(yùn)算（I）以及微分運(yùn)算（D）的綜合算法控制器。常見的工業(yè)4大參數(shù)：溫度、壓力、液位、流量，在控制上已經(jīng)很成熟;從經(jīng)驗(yàn)上，PID參數(shù)可以按照一定的范圍取值，以減少調(diào)節(jié)的時(shí)間，具體如表1所示。一般而言，溫度存在滯后性，所以需要用到微分，其他的控制幾乎是實(shí)時(shí)性的，沒有必要使用微分。

2 化工儀表自動控制方法

2.1 化工儀表自動控制現(xiàn)實(shí)需求

在化學(xué)工藝流程中，時(shí)常需要使用一定的化工儀表，以實(shí)現(xiàn)對相關(guān)的參數(shù)情況進(jìn)行檢測，并結(jié)合工藝流程情況以及生產(chǎn)的實(shí)際需求，將參數(shù)調(diào)整到適宜的狀態(tài)。為了提高各種儀表的使用效率，確保各種化工工藝的順利、安全、高效率開展，可以應(yīng)用一定的自動控制技術(shù)[3]?；x表包含多種不同的類型，常見的類型包括物位儀表、流量儀表，以及溫度儀表和壓力儀表。其中，溫度儀表是一種應(yīng)用十分普遍的化工儀表。在很多化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生過程中，對溫度條件有著十分嚴(yán)苛的要求。為確保反應(yīng)效果，還需要將相應(yīng)的反應(yīng)溫度控制在一個(gè)相對固定的狀態(tài)或者范圍之內(nèi)。為便于工作人員對反應(yīng)溫度進(jìn)行觀察和控制，需要借助一定的溫度儀表。但是，傳統(tǒng)化工行業(yè)溫度測量儀表在自整定方面存在一定的問題和不足，表現(xiàn)出精度較低，抗干擾能力較差等。針對這一情況，需要應(yīng)用一定的技術(shù)手段，以改善溫度儀表的實(shí)際應(yīng)用效果。在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，PID技術(shù)的應(yīng)用十分重要的內(nèi)容，對維持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。PID技術(shù)的主要原理是針對不同控制對象的實(shí)際情況，結(jié)合其具體數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)等方面的情況進(jìn)行調(diào)解，從而滿足人們工作的需要。這種技術(shù)又稱為調(diào)節(jié)器或是控制器，主要應(yīng)用在對比例、微分控制的工程項(xiàng)目中，當(dāng)然在其他領(lǐng)域也有其具體的應(yīng)用。

在對PID技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用的過程中，PID控制器的參數(shù)整定是需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。在對相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行整定的過程中，具體的整定方法有3種：臨界比例度法、衰減曲線法、經(jīng)驗(yàn)法。在進(jìn)行PID控制器參數(shù)整定的過程中，可以應(yīng)用的方法有很多[4]。參照不同的方法，結(jié)合一定的公式進(jìn)行計(jì)算，便可以得出具體的PID控制器的參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果。但是，在實(shí)際應(yīng)用過程中，在進(jìn)行調(diào)試的時(shí)候，需要參照以往的實(shí)際情況和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，大致的設(shè)定出一定的經(jīng)驗(yàn)值。之后，結(jié)合具體的調(diào)節(jié)效果對相應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行修改，直到得出最佳的結(jié)果。

2.2 傳統(tǒng)溫度測量儀表自整定模型

傳統(tǒng)模式下化工行業(yè)的溫度測量儀表的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，系統(tǒng)輸入以字母r來表示;系統(tǒng)輸出用字母y 來表示;字母d 代表系統(tǒng)的擾動;P（s）則代表儀表在測量溫度過程中的固有頻率特性;M（s）代表儀表在測量溫度過程中的固有頻率特性;Q1（s）和Q2（s）分別代表儀表的多模測量控制系數(shù)和容錯(cuò)性控制系數(shù)。在保持穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)下，整個(gè)系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。如果出現(xiàn)一定的情況擾動，導(dǎo)致系統(tǒng)失去平衡狀態(tài)，便會通過閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)自行調(diào)節(jié)。通過一定的調(diào)節(jié)，促使系統(tǒng)逐步調(diào)整為新的平衡狀態(tài)。但是，這一控制系統(tǒng)模式下，控制的精度不高，容易出現(xiàn)一定的偏差，可靠性也較差。另外，還容易出現(xiàn)溫度漂移等問題。

2.3 基于PID控制器的多模穩(wěn)態(tài)溫度參數(shù)自整定模式

2.3.1 多模穩(wěn)態(tài)溫度參數(shù)PID控制器

在化工行業(yè)的日常生產(chǎn)過程中會涉及到多種復(fù)雜的化學(xué)工藝，例如酸化和蒸餾以及冷凍和堿化等等。在不同的化學(xué)工藝流程中，考慮到生產(chǎn)的需求，對溫度和壓強(qiáng)等的要求也各不相同。因此，在化學(xué)工藝中，經(jīng)常會出現(xiàn)各種高壓、高溫的反應(yīng)環(huán)境。在具體的化學(xué)反應(yīng)中，這些不同的反應(yīng)環(huán)境會直接影響到相應(yīng)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生情況以及最終的反應(yīng)效果。同時(shí)，在過高的溫度或者過大的壓強(qiáng)下，還可能會導(dǎo)致一定安全事故的出現(xiàn)。因此，在化工工藝中，還需要借助一定的儀器來嚴(yán)格的控制相應(yīng)的反應(yīng)參數(shù)，將反應(yīng)條件控制在一個(gè)合理、安全的范圍之內(nèi)?；瘜W(xué)工藝中，涉及到大量不同的參數(shù)，其中溫度是十分常見且重要的參數(shù)之一。在化工領(lǐng)域中，為確保各種化學(xué)反應(yīng)可以按照規(guī)定順利完成，還需要借助一定的溫度儀表來進(jìn)行及時(shí)的化學(xué)反應(yīng)中溫度監(jiān)測。結(jié)合具體的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟日{(diào)整，以確保整個(gè)化學(xué)反應(yīng)的順利完成。因此，在這一過程

中，對各種溫度儀表的要求較高[5]。相應(yīng)的溫度儀表應(yīng)當(dāng)具備良好的精度，可靠性高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。但是，通過對各種常用的化工行業(yè)電氣儀表進(jìn)行分析可以了解到，其中的一些溫度儀表存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差、純在溫度漂移及失真等問題。因此，在化工工藝中，還需要借助一定的儀器來嚴(yán)格控制相應(yīng)的反應(yīng)參數(shù)，將反應(yīng)條件控制在一個(gè)合理、安全的范圍之內(nèi)。隨著時(shí)代的發(fā)展，化工產(chǎn)業(yè)不斷升級，各種自動控制技術(shù)也開始被越來越多的應(yīng)用于化工工藝參數(shù)的控制之中。針對各種溫度儀表，積極的對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高其自整定水平，也成為了科研人員的重點(diǎn)研究對象。在化工行業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)過程中，在進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)際操作的時(shí)候，如果應(yīng)用傳統(tǒng)的技術(shù)，則容易出現(xiàn)各種難題，包括無法掌握控制對象的數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵要素。在應(yīng)用其他一些控制技術(shù)的時(shí)候，也可能會出現(xiàn)無效的情況。為了妥善解決上述問題，可嘗試應(yīng)用PID技術(shù)。PID技術(shù)的應(yīng)用范圍較廣，這項(xiàng)技術(shù)的起源在上世紀(jì)，具有一定的穩(wěn)定性、可靠性，

且具備結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷等優(yōu)點(diǎn)。在具體的應(yīng)用過程中，可以結(jié)合生產(chǎn)和工作現(xiàn)場的實(shí)際情況，參照以往的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并借助一定的PID控制器來對具體對象的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行一定的調(diào)解和控制。通過科學(xué)的調(diào)節(jié)和控制，促使工業(yè)自動化控制系統(tǒng)能夠保持安全、穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)[6]。在本文的研究中，結(jié)合化工行業(yè)溫度測量儀表的特點(diǎn)以及生產(chǎn)實(shí)際情況的需求，設(shè)計(jì)了多模穩(wěn)態(tài)溫度參數(shù)PID控制器。該控制器的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在這一系統(tǒng)中，s 代表的是系統(tǒng)輸入溫度參數(shù)的控制量。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)一定的擾動，相應(yīng)的參數(shù)會發(fā)生一定的改變。在對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行分析的時(shí)候，可以借助一定的溫度參數(shù)傳遞函數(shù)，即圖中的G0（s）e-τs。進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)膫鬟f函數(shù)用GC（s）表示，計(jì)算方式：

Y（s）R（s）=

Gc（s）G0（s）e-τs1+Gc（s）Gm（s）+Gc（s）Go（s）e-τs-Gm（s）e-tm

化工領(lǐng)域中，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，涉及到的反應(yīng)條件十分復(fù)雜，受到復(fù)雜生產(chǎn)情況的影響，有時(shí)會出現(xiàn)無法完全掌握被控對象具體情況的問題，包括被控對象的各項(xiàng)參數(shù)以及具體結(jié)構(gòu)等等。或者出現(xiàn)無法獲得精確數(shù)學(xué)模型的情況，且使用其他技術(shù)進(jìn)行控制的難度較大。在出現(xiàn)上述問題的時(shí)候，需要工作人員借助一定的生產(chǎn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)試的方式來對系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行確定。這一情況下，使用PID控制器最為適宜[7]。應(yīng)用該控制器，可以對化工生產(chǎn)中涉及到的多種不同的變量進(jìn)行動態(tài)的觀察和測量，得出各種客觀的數(shù)據(jù)信息，為相應(yīng)的工藝管理提供所需的參考依據(jù)，以保證相應(yīng)工藝的安全性與反應(yīng)效率。PID控制技術(shù)屬于多項(xiàng)變量控制技術(shù)，將其應(yīng)用于化工領(lǐng)域之中，可以促進(jìn)化工生產(chǎn)水平的不斷提升，更加凸顯自動化控制技術(shù)的先進(jìn)性和實(shí)用性。

2.3.2 溫度參數(shù)自整定

結(jié)合上文的PID控制器基礎(chǔ)上，對化工工藝中的溫度參數(shù)實(shí)施自整定，得出儀表控制適應(yīng)度函數(shù)的計(jì)算方式。結(jié)合上文的分析情況進(jìn)行處理，設(shè)置不同的指標(biāo)。其中，儀表的最大靈敏度，以ω（k）∈Rn表示;τ是測量環(huán)節(jié)、傳輸環(huán)節(jié)或其他環(huán)節(jié)出現(xiàn)滯后的時(shí)間;儀表的溫度擾動誤差矩陣以A、B、C、D、F1、F2表示。按照上述指標(biāo)設(shè)定，則可以得出溫度儀表自整定過程中的計(jì)算公式：

x（k+1）=（A+ΔA1）x（k）+（B+ΔB1）Kx（k-τk）+F1ω（k）z（k）=Cx（k）+DKx（k-τk）+F2ω（k）

2.3.3 溫度儀表仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證本次研究中所提出的自動控制方法的效果，在本次研究中，結(jié)合上文所提出的電氣儀表自整定方法，進(jìn)行了必要的驗(yàn)證，以驗(yàn)證其應(yīng)用情況。選用的驗(yàn)證工具是MATLAB，驗(yàn)證中首先利用MATLAB建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，對未進(jìn)行自整定的情況以及實(shí)施自整定的情況分別進(jìn)行相應(yīng)的仿真模擬分析[8]。經(jīng)模擬分析與處理，最終可以得到未進(jìn)行自整定和進(jìn)行自整定的測量誤差仿真結(jié)果。所得出的具體結(jié)果如圖4所示。

通過對圖4中的結(jié)果進(jìn)行分析和比較可以觀察到，在未進(jìn)行自整定的情況下，溫度儀表在應(yīng)用過程中會出現(xiàn)相對較大的誤差。同時(shí)，在誤差的具體幅值變化情況方面，還呈現(xiàn)出十分明顯的不穩(wěn)定的情況。但在應(yīng)用本文所提出的自動控制模式下，實(shí)施自整定的溫度儀表誤差情況進(jìn)行分析之后可以發(fā)現(xiàn)，在完成溫度儀表的自整定處理之后，仍然存在一定的測量誤差;但與未進(jìn)行自整定處理的結(jié)果相比較存在顯著減小的情況;在誤差幅值方面，也得到了明顯的改善。通過觀察圖4中的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相應(yīng)的誤差幅值總體呈現(xiàn)出相對較為穩(wěn)定的狀態(tài)。綜合分析上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，通過自整定之后，獲得了理想的應(yīng)用效果，有效降低了測量誤差，并維持了相對平穩(wěn)的誤差幅值波動狀況。上述結(jié)果可以表明，在實(shí)際溫度儀表的應(yīng)用過程中，借助自動控制下的自整定處理，相應(yīng)的溫度儀表測量誤差顯著降低，可以為工作人員提供更為精確的溫度數(shù)值測量結(jié)果。這對提高工藝流程中的溫度控制精確性，確保生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，以及提高生產(chǎn)的安全性等具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。另外，通過仿真研究以及結(jié)果分析還觀察到，與傳統(tǒng)方法相比較，本次研究中所提出的控制方法具備良好的抗干擾能力，所輸出的結(jié)果十分穩(wěn)定，噪聲較小，精度較高，并有效的避免了溫漂問題的出現(xiàn)。即表明，此次研究所提出的控制方法是有效的。

3 結(jié)語

在化工領(lǐng)域，在實(shí)現(xiàn)化工過程自動控制，不斷提高自動控制水平的過程中，可以積極的嘗試應(yīng)用PID控制器。在本文的研究中，以化工領(lǐng)域常用的溫度儀表為例，結(jié)合傳統(tǒng)模式下的各種化工溫度儀表粗存在的精度差、抗干擾能力不足以及輸出不穩(wěn)定等問題，提出了一種基于多模穩(wěn)態(tài)PID溫度自整定方法。在研究中，還在Matlab 中建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方針模擬分析。最終的仿真結(jié)果顯示，所輸出的結(jié)果十分穩(wěn)定，噪聲較小，精度較高，并有效

的避免了溫漂問題的出現(xiàn)，可有效解決系統(tǒng)的溫度漂移等問題，具備一定的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。從化工生產(chǎn)未來發(fā)展趨勢來看，自動化的控制技術(shù)將會得到越來越廣泛的應(yīng)用，本文所提出的基于多模穩(wěn)態(tài)PID溫度自整定方法，也具備一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值?？傊?，PID技術(shù)是一項(xiàng)極其重要的技術(shù)，在企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)具有極大的調(diào)解作用和影響，應(yīng)該得到有關(guān)人員的重視，加大推廣力度，針對不足的地方也要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，從而讓這項(xiàng)技術(shù)更好的為化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展服務(wù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 熊中剛，劉忠，霍佳波，等.基于積分分離式PID控制算法的機(jī)械自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，33（1）：138-143.

[2] 王欣瑞，盧雁.關(guān)于PID控制技術(shù)在工業(yè)自動控制中的應(yīng)用研究[J].電子測試，2021（5）：109-110.

[3] 唐平建，孫澤林，宋鵬.基于模糊PID的液壓自動調(diào)平與升降控制系統(tǒng)研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2021，42（2）：189-193.

[4] 劉永紅，李珂.寬負(fù)荷區(qū)間PID比例自適應(yīng)主動尋優(yōu)技術(shù)[J].熱力發(fā)電，2021，50（2）：144-149.

[5] 許樂，莫愿斌，盧彥越.基于改進(jìn)海鷗優(yōu)化算法的PID控制器參數(shù)優(yōu)化[J].機(jī)床與液壓，2021，49（16）：17-23.

[6] 洪瑤，康建宏，符策基.基于PID方法的傾斜隧道中火災(zāi)煙氣控制數(shù)值模擬[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，50（4）：701-708.

[7] 杜彬.黃海生.基于PLC的化工儀器自動控制研究[J].粘接，2021，48（10）：132-136.

[8] 婁勇.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制技術(shù)在氯化工藝控制中的應(yīng)用[J].粘接，2020，43（9）：50-53.