王民濤，謝克明

（1.中國平煤神馬集團(tuán)，河南平頂山467000；2.鄭州電力高等?？茖W(xué)校，鄭州450004）

1 內(nèi)?？刂评碚摰亩x

內(nèi)模控制理論的原理，源于20世紀(jì)90年代末期黑箱理論的深化，是以控制對象的結(jié)果反推實現(xiàn)條件的過程，并建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對結(jié)果進(jìn)行預(yù)估，形成快速響應(yīng)機(jī)制。

由于常規(guī)控制理論的局限，典型控制回路的組態(tài)與參數(shù)整定及使用效果不夠理想，主要表現(xiàn)在整定周期長、抗干擾能力差等方面。針對這些不足，筆者在新建項目中，利用新穎的內(nèi)?？刂评碚摚晒Φ乜朔艘陨蠁栴}，保證了生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定和產(chǎn)品質(zhì)量的提升。文中針對基于內(nèi)?？刂评碚摰牡湫涂刂苹芈返膮?shù)整定加以分析。

2 典型回路的基本控制方案

2.1 工藝要求

在某大型化工項目中，原料混合罐D(zhuǎn)160作為加氫反應(yīng)器R310的給料緩沖，在整個生產(chǎn)過程中占有重要的地位。能否保證氫氧化鈉（NaOH）、乙醇（EtOH）與己二腈（AND）以一定的比例進(jìn)入D160，將直接影響到最終產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，工藝要求：

1）氫氧化鈉流量qm2與己二腈流量qm1保持一定的比例關(guān)系。

2）乙醇流量qm3與qm1保持一定的比例關(guān)系。

3）D160的液位穩(wěn)定在一定高度。

4）泵P164A及P164B都停時，己二腈、氫氧化鈉、乙醇進(jìn)料閥全關(guān)。

5）保證最終產(chǎn)品的濃縮生產(chǎn)穩(wěn)定連續(xù)。

2.2 基本控制方案

根據(jù)上述工藝要求，采用兩個單閉環(huán)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)及一個單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使qm2與qm1，qm3與qm1保持一定比例關(guān)系。雙閉環(huán)比值調(diào)節(jié)回路如圖1所示。

單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過控制己二腈進(jìn)料閥控制D160液位的穩(wěn)定，如圖2所示。

圖1 雙閉環(huán)比值調(diào)節(jié)回路示意

圖2 液位閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意

3 控制回路調(diào)節(jié)器PID參數(shù)整定

調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定是根據(jù)已定的控制方案確定調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)（比例度δ、積分時間TI及微分時間TD）值，使系統(tǒng)能獲得好的調(diào)節(jié)質(zhì)量。

在第一期裝置中，由于PID參數(shù)的設(shè)置不是十分合理，控制效果較差，常需要人工干預(yù)。控制發(fā)散，操作人員常將控制器打到手動狀態(tài)，使閥位的輸出保持在一個定值，降低了自控率和控制效果。通常被控對象越復(fù)雜，控制器越常處于手動狀態(tài)，基礎(chǔ)PID回路參數(shù)整定不合理，最終產(chǎn)品的控制趨勢常常出現(xiàn)不理想的狀態(tài)，影響了產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)，同時也不利于節(jié)能降耗。

3.1 內(nèi)?？刂萍夹g(shù)及其應(yīng)用

3.1.1 PID整定過程

首先，按常規(guī)PID控制算法有以下3種類型：

其次，將以上PID控制的基本類型轉(zhuǎn)化為替代模型，即先進(jìn)控制模型和混合控制模型，根據(jù)內(nèi)?？刂评碚摚茖?dǎo)出更新型內(nèi)模-PID整定方法，如圖3所示。

圖3 內(nèi)模-PID整定過程示意

內(nèi)模-PID整定一般在先進(jìn)控制站中實施，也可以直接放在操作站中，此時操作站可以稱為先進(jìn)控制站。在現(xiàn)場，內(nèi)模-PID整定控制一般是在已經(jīng)正常運行的DCS上添加先進(jìn)控制的功能，為了現(xiàn)場的穩(wěn)定操作、安全等原因，一般另辟一塊區(qū)域運行內(nèi)模-PID整定控制軟件。

過程數(shù)據(jù)存儲在趨勢數(shù)據(jù)中，為了獲得這些數(shù)據(jù)，該方案基于OPC（OLE for Process Contro1）接口標(biāo)準(zhǔn)，編寫一個和集散系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的軟件接口，并建立模型，將內(nèi)模-PID整定控制運算后的結(jié)果，傳給實時控制系統(tǒng)。最后，通過軟件包模塊確立控制器參數(shù)優(yōu)化整定軟件包，如圖4所示。

圖4 控制器參數(shù)優(yōu)化整定軟件包

3.1.2 內(nèi)?？刂扑璧奈锢憝h(huán)境

在該裝置的DCS中，利用工程師站下裝PID參數(shù)自整定軟件包和數(shù)據(jù)接口軟件包，即該工程師站既充當(dāng)OPC服務(wù)器，又充當(dāng)內(nèi)模-PID整定控制站。

3.1.3 控制對象特性的獲取方法

無論是閉環(huán)和開環(huán)控制回路均可進(jìn)行辨識。辨識可以采用開環(huán)（控制器處于手動）階躍輸入的方式。在該裝置中，由于回路數(shù)較多，PID調(diào)節(jié)器參數(shù)初始整定不良，一個回路的波動將導(dǎo)致其他回路受影響，甚至造成整個裝置控制的不穩(wěn)定。因此，新的控制方法一般采用開環(huán)辨識（有控制器存在），保證辨識信號對生產(chǎn)的影響最小。辨識輸入信號為給定值的擾動，為了解決閉環(huán)可辨識性問題，選用求解速度快的隨機(jī)數(shù)直接搜索算法，根據(jù)已知的控制器參數(shù)，求解出對象的特性。

該方法整定的PID參數(shù)具有解耦能力，即能夠形成有效的大閉環(huán)回路、較強(qiáng)的擾動抑制功能，從而以運算的結(jié)果作為給定值，滿足整個控制回路參數(shù)的自動調(diào)整。

該實例中，通過內(nèi)模-PID整定后的參數(shù)值見表1所列。

表1 內(nèi)模-PID整定后的參數(shù)值

4 效果分析

改進(jìn)后的控制方案（相對于第一期裝置），實際控制效果表明，可以保證裝置控制的可靠性。采用先進(jìn)內(nèi)?？刂评碚摻M態(tài)和整定控制器的參數(shù)，響應(yīng)速度快、超調(diào)小或無超調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)，現(xiàn)場應(yīng)用的效果如圖5所示。

圖5 內(nèi)模理論應(yīng)用效果示意

由圖5中可以看出，完成一個調(diào)節(jié)周期不大于50 s，最大超調(diào)值不超過3%，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。該較復(fù)雜的多控制回路中，各項性能指標(biāo)已達(dá)到很好的程度。

［1］ 高偉.計算機(jī)分散控制系統(tǒng)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005：1-35.

［2］ 解懷仁，楊彬彥.石油化工儀表控制系統(tǒng)選用手冊［M］.北京：中國石化出版社，2004：94-133.

［3］ 王錦標(biāo).現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)［J］.化工自動化及儀表，1997，（02）：3-7.

［4］ 龔成龍，丁兆奎.集散控制與現(xiàn)場控制的比較及對FCS技術(shù)的展望［J］.淮海工學(xué)院學(xué)報，2000（03）：37-40.

［5］ 董武，戴毅.建筑工業(yè)自動化及儀表［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：67-98.

［6］ 成玉清.DCS應(yīng)用中的不足分析及對策淺論［J］.自動化博覽，2003（20）：80-83.

［7］ 王常力，廖道文.集散型控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京：清化大學(xué)出版社，1997：75-89.

［8］ 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設(shè)計手冊［M］.3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：678-1024.

［9］ 王驥程.化工過程控制工程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991：210-257.

［10］ 劉洋，王欽若.基于內(nèi)?？刂频腜ID參數(shù)整定及仿真［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：144-184.