湯志彪 黃曉才

（江西省計(jì)量測(cè)試研究院，江西南昌 330002）

1.引 言

在流程工業(yè)中，由于過(guò)程機(jī)理復(fù)雜，工況運(yùn)行變化較大，導(dǎo)致數(shù)學(xué)建模較為困難。同時(shí)，在實(shí)際化工過(guò)程控制中，有些操作參數(shù)的調(diào)整在很大程度上仍依賴(lài)人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工調(diào)整。自近十多年來(lái)，人們把傳統(tǒng)PID控制與模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等人工智能技術(shù)相結(jié)合，形成智能PID，并應(yīng)用于流程工業(yè)中。

2.幾種典型的智能控制技術(shù)及智能PID

智能控制技術(shù)的主要內(nèi)容包括模糊控制、基于知識(shí)的專(zhuān)家控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遺傳算法等相應(yīng)的理論與技術(shù)。

智能PID就是智能控制技術(shù)與常規(guī)PID相結(jié)合，它不依賴(lài)系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)具有較好的魯棒性，并具有較好的自學(xué)習(xí)性能。其原理方框圖如下：

圖1 智能PID自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的原理方框圖

這類(lèi)控制參數(shù)為自學(xué)習(xí)型，其Δu能根據(jù)上述規(guī)則，自動(dòng)修改智能PID控制器的各組PID的Kp，Ki，Kd三個(gè)參數(shù)。設(shè)計(jì)此類(lèi)控制器可通過(guò)PLC結(jié)合人工智能及經(jīng)驗(yàn)來(lái)予以實(shí)現(xiàn)。

3.智能PID應(yīng)用于流程工業(yè)控制的可行性

化工過(guò)程具有很大的不確定性，具有連續(xù)性強(qiáng)、規(guī)模大的特點(diǎn)，直接移植現(xiàn)代控制理論往往存在許多困難。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型控制策略都是在考慮過(guò)程的不確定性前提下提出的，控制策略應(yīng)具有自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、魯棒控制強(qiáng)等性能。

復(fù)雜化工生產(chǎn)過(guò)程的智能控制主要包括兩個(gè)方面：?jiǎn)卧?jí)和系統(tǒng)級(jí)。單元級(jí)的智能控制主要指將智能引入單一的自動(dòng)控制裝置，如專(zhuān)家控制器、模糊PID控制器、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制器等。系統(tǒng)級(jí)的智能控制是指化工生產(chǎn)全過(guò)程的自動(dòng)化，包括正常的操作功能自動(dòng)化、為異常情況提供檢測(cè)、重新規(guī)劃過(guò)程操作來(lái)處理異常。

數(shù)學(xué)模型是研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本依據(jù)，分析和研究一個(gè)控制系統(tǒng)的性能是否滿(mǎn)足要求，首先要建立它的數(shù)學(xué)模型。

流程工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般使用的模型不超過(guò)二階，且一般為非振蕩環(huán)節(jié)。其工作環(huán)境惡劣，且大多數(shù)學(xué)控制模型為非線性，即用常規(guī)PID控制器難以對(duì)其控制，應(yīng)選用智能PID對(duì)其進(jìn)行控制。以下將結(jié)合具體應(yīng)用實(shí)例，探討了智能PID在化工過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

4.智能PID控制在流程工業(yè)控制中的應(yīng)用舉例

某石化公司煤氣混合工藝如下圖所示：

圖2 煤氣混合工藝流程圖

總管A送來(lái)焦?fàn)t煤氣經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥V1、V3送至混合煤氣管道，總管B送來(lái)高爐煤氣經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥V2、V4送至混合煤氣管道。兩種煤氣混合后加壓并送往用戶(hù)。

在此，主要針對(duì)調(diào)節(jié)閥V3進(jìn)行控制，其他三個(gè)閥的動(dòng)作則根據(jù)實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)工況實(shí)行邏輯控制策略，以協(xié)調(diào)V2的熱值，流量串級(jí)控制。而V2的熱值、流量串級(jí)控制是根據(jù)能量守恒原理進(jìn)行的：

F1——焦?fàn)t煤氣流量；

其次，要在具有公共空間的區(qū)域內(nèi)，保證社區(qū)人群的支持。要充分發(fā)揮我國(guó)地方行政組織的作用，保留并支持社區(qū)的大力發(fā)展。社區(qū)的支持能夠?yàn)槲幕瘎?chuàng)意產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需要的文化活動(dòng)提供支撐。通過(guò)場(chǎng)景對(duì)社區(qū)居民文化的審美及消費(fèi)習(xí)慣的持續(xù)培養(yǎng)，會(huì)帶動(dòng)整個(gè)城市對(duì)文化創(chuàng)意的普遍關(guān)注，幫助城市活力的培養(yǎng)。

F2——高爐煤氣流量；

Q1——焦?fàn)t煤氣熱值（統(tǒng)計(jì)值）；

Q2——高爐煤氣熱值（統(tǒng)計(jì)值）；

通過(guò)對(duì)高爐煤氣流量F2在線測(cè)量，可調(diào)節(jié)焦?fàn)t煤氣，流量F1滿(mǎn)足

在實(shí)際運(yùn)行中，高爐、焦?fàn)t煤氣實(shí)際熱值都將偏離統(tǒng)計(jì)值Q2、Q1，調(diào)節(jié)焦?fàn)t煤氣F1時(shí)，可能會(huì)影響高爐煤氣瞬時(shí)流量F2，嚴(yán)格按（2）式關(guān)系調(diào)節(jié)焦?fàn)t煤氣流量，很難滿(mǎn)足給定熱值要求，即光靠調(diào)節(jié)流量，不能解決問(wèn)題，還必須把熱值信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，形成熱值閉環(huán)，進(jìn)行熱值調(diào)節(jié)，亦即形成以熱值調(diào)節(jié)為外環(huán)、流量調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于很難對(duì)控制對(duì)象建立精確數(shù)學(xué)模型，因此，串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用智能PID控制算法及PID算法。

令e（n）表示離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻的誤差值，e（n－1）、e（n－2）分別表示前一個(gè)和前兩個(gè)采樣時(shí)刻的誤差，則有

圖3 典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線

當(dāng)|e（n）|＞M1時(shí)，說(shuō)明誤差的絕對(duì)值已經(jīng)很大。這時(shí)，不論誤差變化趨勢(shì)如何，都應(yīng)考慮控制器的輸出應(yīng)按最大（或最小）輸出，以達(dá)到迅速調(diào)整誤差，使誤差絕對(duì)值以最大的速度減小。此時(shí)，它相當(dāng)于實(shí)施開(kāi)環(huán)控制。

此時(shí)，如果|e（n）|＜M2，說(shuō)明盡管誤差朝絕對(duì)值增大方向變化，單誤差絕對(duì)值本身并不很大，可考慮控制器實(shí)施一般的控制作用，只要扭轉(zhuǎn)誤差的變化趨勢(shì)，使其朝誤差絕對(duì)值減小方向變化，控制器輸出為：

當(dāng) e（n）Δe（n） ＜ 0 、Δe（n）Δe（n － 1） ＞ 0 或者e（n）=0時(shí)，說(shuō)明誤差的絕對(duì)值朝減小的方向變化，或者已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。這時(shí)，可考慮保持控制器輸出不變。

當(dāng) e（n）Δe（n）＜ 0 、Δe（n）Δe（n －1）＜ 0 時(shí)，說(shuō)明誤差處于極值狀態(tài)。如果此時(shí)誤差的絕對(duì)值較大，即|e（n）|＞M2，可考慮實(shí)施較強(qiáng)的控制作用，則有：

如果此時(shí)誤差的絕對(duì)值較小，即|e（n）|＜M2，可考慮實(shí)施較弱的控制作用，即：

式中em（n）——誤差e的第n個(gè)極值；

u（n）——第 n次控制器的輸出；

u（n－1）——第n－1次控制器的輸出；

k1——增益 放大系數(shù)，k1＞1；

k2——抑制系數(shù)，0＜k2＜1；

M1、M2——設(shè)定的誤差界限，M1＞M2；

n——控制周期的序號(hào)（自然數(shù)）。

其工作流程圖如下：

圖4 在線工作流程圖

在圖3中，Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ、…區(qū)域，誤差朝絕對(duì)值減小的方向變化。此時(shí)，可采取保持等待措施，相當(dāng)于實(shí)施開(kāi)環(huán)控制。Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ、…區(qū)域，誤差朝絕對(duì)值增大的方向變化。此時(shí)可根據(jù)誤差的大小分別實(shí)施較強(qiáng)或者一般的控制作用，以抑制動(dòng)態(tài)誤差。

5.結(jié)束語(yǔ)

流程工業(yè)對(duì)過(guò)程控制的要求越來(lái)越高，各種先進(jìn)的控制策略不斷出現(xiàn)，但不會(huì)淘汰基本控制規(guī)律，而是互為補(bǔ)充。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊智能控制相結(jié)合就是流程工業(yè)控制的一個(gè)典型進(jìn)展。再例如，PID控制盡管歷史悠久，但它反映了簡(jiǎn)單輸出反饋的最基本規(guī)律，事實(shí)上，在絕大多數(shù)工業(yè)過(guò)程中，PID控制回路仍占全部控制回路的85%以上。流程工業(yè)也將充分利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，來(lái)實(shí)施智能PID控制，更好地為化工過(guò)程工業(yè)控制服務(wù)，提高生產(chǎn)效率。

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