PID控制回路評(píng)估與優(yōu)化研究

王玉芹

（國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司，寧夏銀川 750004）

寧夏煤業(yè)百萬噸級(jí)烯烴智能制造新模式項(xiàng)目2016年列為智能制造新模式應(yīng)用試點(diǎn)項(xiàng)目，包括100萬t/a 裂解、45萬t/a PE、60萬t/a PP、15萬t/a 合成氨及公用工程。在這個(gè)項(xiàng)目中充分發(fā)揮了“產(chǎn)、學(xué)、研、用”相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，通過聯(lián)合項(xiàng)目攻關(guān)團(tuán)隊(duì)建設(shè)，完成了百萬噸級(jí)烯烴智能制造新模式的研究和推廣應(yīng)用。項(xiàng)目建設(shè)過程中應(yīng)用并集成優(yōu)化了大量國內(nèi)國際先進(jìn)技術(shù)，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)和新模式。其中PID 控制回路的應(yīng)用與分析優(yōu)化技術(shù)取得了良好的效果。

1 技術(shù)簡(jiǎn)介

百萬噸級(jí)烯烴裂解裝置是石化領(lǐng)域集成度最高的裝置之一，整個(gè)裝置共設(shè)計(jì)500多回路，其模式涵蓋選擇控制+分程+超弛分程、分程+超弛、分程+高低選以及標(biāo)準(zhǔn)PID 等，涉及到的過程物料集成度以及熱集成度都很高，耦合嚴(yán)重，給回路參數(shù)的優(yōu)化造成了很大難度。為實(shí)現(xiàn)全裝置回路有效管理及參數(shù)優(yōu)化，采用PID 性能評(píng)估及優(yōu)化技術(shù)，該技術(shù)方法主要分為MVC 評(píng)估方法、LQG 分析方法、頻率分析等，對(duì)裝置所有回路信息進(jìn)行提取、分類、評(píng)估、辨識(shí)、分級(jí)，并生成一系列模型，形成新的PID 參數(shù)，應(yīng)用綜合指標(biāo)策略進(jìn)行統(tǒng)一評(píng)估并在web 端進(jìn)行展示管理，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)回路統(tǒng)一管理、優(yōu)化，提升了裝置回路級(jí)別管路運(yùn)行水平。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 MVC

MVC 全稱是最小方差控制，將最小方差作為控制器性能基準(zhǔn)，來進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，它是理想狀態(tài)下的控制回路動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在PID 性能評(píng)估中，可以用來衡量當(dāng)前PID 控制性能的優(yōu)劣。該技術(shù)的基本思路是把目標(biāo)回路表示成以下模型：

2.2 LQG

LQG 是另外一種基于子空間辨識(shí)方法的性能評(píng)估方法，相比MVC 方法同時(shí)考慮了過程輸出yt的方差和過程輸入（控制變量）ut的方差影響：

通過求解最優(yōu)狀態(tài)反饋控制律，得到控制變量ut、過程輸出yt方差的關(guān)系點(diǎn)。通過改變關(guān)鍵參數(shù)λ，即可擬合出系統(tǒng)性能曲線，從而求出當(dāng)前控制方案的性能指標(biāo)。

PID 整定技術(shù)采用了一種全面的基于模型的方法來設(shè)計(jì)PID 控制器，能夠根據(jù)不同的PID 控制結(jié)構(gòu)（常規(guī)PID、微分先行PID、比例微分先行PID）切換對(duì)應(yīng)的整定算法。其核心思想采用基于內(nèi)模控制（IMC）的方法實(shí)現(xiàn)。圖1是內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)圖。

圖1 內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)圖

閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

對(duì)于高級(jí)用戶，PID 整定軟件還提供了動(dòng)態(tài)性能的需求。算法可以根據(jù)用戶提出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求，轉(zhuǎn)化成增益裕度和相位裕度的要求；然后，算法再根據(jù)兩者的要求，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的PID 三個(gè)參數(shù)。最終，使得閉環(huán)系統(tǒng)的控制性能符合用戶的期望。另外，對(duì)于歷史數(shù)據(jù)缺乏的情況，PID 整定軟件提供了交互式整定的功能。用戶可以不需要測(cè)試，通過在線的指定系統(tǒng)響應(yīng)的特征點(diǎn)來實(shí)時(shí)地得到PID 參數(shù)。

3 技術(shù)特點(diǎn)

可視化的PID 評(píng)估優(yōu)化技術(shù)居國內(nèi)先進(jìn)水平，使專業(yè)化的基礎(chǔ)回路管理維護(hù)工作更加便捷、標(biāo)準(zhǔn)化。該技術(shù)的應(yīng)用使單個(gè)回路優(yōu)化時(shí)間從平均2h 縮短到5min 以內(nèi)，提升了工作效率。

以PID 優(yōu)化技術(shù)為基礎(chǔ)，通過多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)全工況負(fù)荷升降，在百萬噸煤基烯烴二期裂解裝置上進(jìn)行了整體應(yīng)用，降低了生產(chǎn)的波動(dòng)，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，充分挖掘裝置的工藝和設(shè)備能力，以更加接近于裝置約束條件下可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)升降負(fù)荷、“卡邊”優(yōu)化控制，使生產(chǎn)條件推向最優(yōu)工況邊界，實(shí)現(xiàn)裝置長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷，高效、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。

4 實(shí)施效果

實(shí)現(xiàn)對(duì)回路的實(shí)時(shí)有效管理，便于管理人員實(shí)時(shí)掌控裝置運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)定位運(yùn)行不佳回路并準(zhǔn)確識(shí)別其原因（如參數(shù)不合適或參數(shù)需優(yōu)化等）；對(duì)運(yùn)行性能不佳回路進(jìn)行實(shí)時(shí)滾動(dòng)優(yōu)化，并及時(shí)提供當(dāng)前最優(yōu)的PID 參數(shù)，供管理人員參考。

工廠追求的是裝置經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的最佳化，即產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品收率及裝置能耗、物耗等各個(gè)方面協(xié)調(diào)最優(yōu)化。在實(shí)際生產(chǎn)過程中需要對(duì)各種指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮和優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

充分利用APC 和PID 控制技術(shù)，建立了生產(chǎn)操作自動(dòng)化平臺(tái)。

4.1 通過PID控制器陣列實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制

脫甲烷塔主要目的是脫去甲烷，進(jìn)行甲烷和C2和C2以上組分的分割。脫甲烷塔中含有H2，分離溫度最低。脫甲烷塔切割精度直接關(guān)系到乙烯塔產(chǎn)品質(zhì)量深冷及相關(guān)單元的穩(wěn)定控制。通過先控應(yīng)用實(shí)現(xiàn)上下游平衡解耦，達(dá)到降低塔頂甲烷氣體中乙烯損失、降低塔釜甲烷雜質(zhì)含量，同時(shí)控制脫甲烷塔回流罐液位的穩(wěn)定。當(dāng)控制對(duì)象存在耦合時(shí)會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)品質(zhì)下降，在控制對(duì)象G（S）和PID 控制器陣列間插入前置模型P（S）進(jìn)行解耦。表1為脫甲烷塔子控制器矩陣結(jié)構(gòu)。

表1 脫甲烷塔子控制器矩陣結(jié)構(gòu)

R（S）、U（S）和M（S）的關(guān)系如圖3所示。

圖3 R（S）、U（S）和M（S）的關(guān)系

4.2 PID控制器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

完成了對(duì)大滯后數(shù)據(jù)的控制以及測(cè)量信息不完全的解決方案，通過擴(kuò)充或補(bǔ)償來解決生產(chǎn)過程出現(xiàn)的一些問題。

例如丙烯精餾塔的主要產(chǎn)品是高純度聚合級(jí)丙烯，丙烯精餾塔的進(jìn)料中主要包括丙烯和丙烷，二者沸點(diǎn)非常接近，分離的塔頂高純度丙烯產(chǎn)品的純度要求較高，降低塔釜的丙烯濃度。需要達(dá)到的具體控制目標(biāo)為降低裝置能耗、提高丙烯產(chǎn)量、減少丙烯分離塔塔底的丙烯損失。丙烯塔子控制器矩陣結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 丙烯塔子控制器矩陣結(jié)構(gòu)

通過智能工廠的實(shí)施和應(yīng)用使得該廠的烯烴收率和能耗水平均達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，運(yùn)行成本降低了33.25%，能源利用率提高了10.6%，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。其中PID 優(yōu)化的APC 先進(jìn)控制系統(tǒng)貢獻(xiàn)達(dá)15%以上。