魏 亮 范華平 于 濤

(中國(guó)石油天然氣股份有限公司北京油氣調(diào)控中心,北京 100007)

PID控制以其算法簡(jiǎn)單、實(shí)用，不需要精確的數(shù)學(xué)模型，且控制效果滿(mǎn)足生產(chǎn)要求的特點(diǎn)，在工業(yè)過(guò)程控制中成為應(yīng)用最為廣泛的控制策略之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前工業(yè)控制器中有90%以上是PID控制器[1]。依托數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，對(duì)輸油管道進(jìn)出站壓力采用PID控制在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)十分普遍，PID控制對(duì)輸油管道瞬變流控制[2]、維持壓力穩(wěn)定、降低控制難度和保障管道安全具有重要的作用。但由于目前PID控制在長(zhǎng)輸管道領(lǐng)域方面沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，且不同管道的設(shè)備不同、PID控制器參數(shù)配置不同，不同管道的PID控制效果與運(yùn)行中遇到的問(wèn)題也不盡相同。為此，筆者對(duì)輸油管道PID控制原理與影響控制效果的因素進(jìn)行分析，試探性提出輸油管道PID壓力控制的標(biāo)準(zhǔn)，以期對(duì)輸油管道PID參數(shù)整定和PID壓力控制效果評(píng)測(cè)提供實(shí)際依據(jù)。

1 PID壓力控制系統(tǒng)組成①

現(xiàn)用的輸油管道PID控制系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括上位機(jī)壓力設(shè)定、PID控制器、閥位控制模塊和壓力檢測(cè)回路4個(gè)部分。

圖1 輸油管道PID控制系統(tǒng)組成

上位機(jī)壓力設(shè)定是調(diào)控中心或站控人員向PID控制器下發(fā)指令的部分；PID控制器為壓力控制的核心，集成在站控PLC中，并與PLC中的模/數(shù)轉(zhuǎn)換及輸入/輸出接口等模塊配合工作；閥位控制模塊負(fù)責(zé)接收PID控制器計(jì)算出的閥位數(shù)據(jù)，控制調(diào)節(jié)閥閥芯的位移；壓力檢測(cè)回路是PID控制系統(tǒng)的反饋通道，將被控制點(diǎn)的壓力經(jīng)過(guò)測(cè)量、變送發(fā)送到PID控制器。

輸油管道PID控制系統(tǒng)包含進(jìn)站和出站壓力控制系統(tǒng)，每個(gè)控制系統(tǒng)在站控PLC中都對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的PID控制器。對(duì)于不同的輸油站場(chǎng)，進(jìn)站和出站壓力控制是可選的：首站僅設(shè)出站壓力PID控制系統(tǒng)，末站僅設(shè)進(jìn)站壓力PID控制系統(tǒng)，中間站一般設(shè)PID選擇性控制系統(tǒng)。

2 PID控制系統(tǒng)工作原理

2.1 系統(tǒng)工作流程

圖2 PID控制回路結(jié)構(gòu)框圖

2.2 數(shù)學(xué)模型

PID控制器是對(duì)壓力偏差信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，是“利用偏差，糾正偏差”的智能模塊，其以調(diào)節(jié)閥閥位為輸出的數(shù)學(xué)模型如下[3]：

(1)

(2)

式中Cv(t)——PID控制器計(jì)算出的閥位；

e(t)——壓力誤差；

KC、TI、TD——比例增益、積分時(shí)間和微分時(shí)間；

KP、KI、KD——比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。

式(1)、(2)在本質(zhì)上是相同的，均包括比例、積分和微分控制部分，在站控系統(tǒng)普遍采用的AB PLC中可以靈活選擇以上任意一種表達(dá)式。筆者以式(2)為例進(jìn)行闡述。

在壓力控制系統(tǒng)中，為減少系統(tǒng)波動(dòng)，一般不采用微分控制部分，因此輸油管道PID壓力控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

(3)

其中，KP、KI均大于0。對(duì)于進(jìn)站壓力控制有e(t)=pv(t)-ps(t)；對(duì)于出站壓力控制有e(t)=ps(t)-pv(t)。

2.3 PID參數(shù)對(duì)壓力控制的影響

在管道現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)相同的情況下，PID控制器的效果由KP和KI兩個(gè)參數(shù)共同決定，PID整定的過(guò)程即確定KP和KI的過(guò)程[5]。目前PID整定方法主要有理論計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)試湊法，理論計(jì)算法需要大量的計(jì)算，且計(jì)算結(jié)果還需要進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)修正[6]。因此長(zhǎng)輸管道PID整定選擇經(jīng)驗(yàn)試湊法。

3 PID控制效果分析

影響PID壓力控制效果的因素較多，主要有管道工藝、運(yùn)行工況、自動(dòng)控制參數(shù)和人為因素。管道工藝包括站內(nèi)管道口徑、調(diào)節(jié)閥流量特性、站內(nèi)管線長(zhǎng)度及站內(nèi)摩擦阻力等；運(yùn)行工況包括油品物性、上下游壓力平穩(wěn)程度、調(diào)節(jié)閥閥位區(qū)間及調(diào)節(jié)閥旁通閥開(kāi)度等；自動(dòng)控制參數(shù)包括PID控制器參數(shù)、站控PLC掃描周期、PID控制器計(jì)算周期、壓力采樣精確度及電液伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)特性等；人為因素有壓力調(diào)整幅度及壓力調(diào)整時(shí)間間隔等人為誤差。

不同因素對(duì)PID壓力控制效果的影響程度也是有差異的。站內(nèi)管道長(zhǎng)度、管道口徑、油品物性及摩擦阻力等因素主要影響壓力波的傳播速度，進(jìn)而影響PID控制“快”的效果，但站內(nèi)壓力傳播時(shí)延較小、壓力損失較小，且對(duì)同一條管道某固定站場(chǎng)而言以上因素都是基本固定不變的，是PID控制器需要適應(yīng)的，因此以上因素對(duì)PID控制效果的影響程度較小。調(diào)節(jié)閥站控PLC掃描周期、執(zhí)行機(jī)構(gòu)特性及調(diào)節(jié)閥流量特性等是按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定的，因此對(duì)PID控制效果影響程度也較小。上下游壓力平穩(wěn)程度及壓力采樣精確度等對(duì)壓力控制“穩(wěn)”的效果影響較大，管道初始狀態(tài)不平穩(wěn)或者壓力檢測(cè)失真，容易造成調(diào)節(jié)閥在PID控制器的作用下頻繁動(dòng)作，導(dǎo)致管線壓力無(wú)法平穩(wěn)，甚至誘發(fā)事故。壓力調(diào)整幅度、壓力調(diào)整時(shí)間間隔、閥位區(qū)間及旁通閥開(kāi)度等屬于動(dòng)態(tài)因素，隨時(shí)都可能變化，因此對(duì)壓力調(diào)整“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”的效果具有綜合影響，壓力調(diào)整幅度過(guò)大或時(shí)間間隔較短容易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)過(guò)快，造成管線壓力波動(dòng)，甚至嚴(yán)重水擊；等百分比調(diào)節(jié)閥位于低閥位區(qū)間時(shí)，PID壓力調(diào)整較快，影響穩(wěn)定性；旁通閥開(kāi)度過(guò)大會(huì)降低PID控制器在整個(gè)壓力控制系統(tǒng)中的作用。PID控制器參數(shù)對(duì)壓力調(diào)整“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”的效果具有綜合影響，并且是最主要的因素，因此需要設(shè)置的參數(shù)主要包括比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI及死區(qū)壓力值等，合理的參數(shù)設(shè)置與PID程序能夠克服其他各種因素對(duì)壓力調(diào)節(jié)的影響，保證輸油管道壓力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”的目標(biāo)。

4 PID壓力控制的標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用

PID壓力控制系統(tǒng)的控制過(guò)程分為動(dòng)態(tài)過(guò)程和穩(wěn)態(tài)過(guò)程。對(duì)輸油管道壓力控制來(lái)講，動(dòng)態(tài)過(guò)程是指在測(cè)量點(diǎn)壓力基本穩(wěn)定的情況下，PID控制器接收到新的壓力設(shè)定值或測(cè)量點(diǎn)壓力受到干擾而波動(dòng)時(shí)，壓力值從初始值到最終值的過(guò)程，也叫瞬態(tài)過(guò)程；穩(wěn)態(tài)過(guò)程是指在新的壓力設(shè)定值或擾動(dòng)下，當(dāng)時(shí)間趨于無(wú)窮時(shí)，測(cè)量點(diǎn)壓力波動(dòng)的表現(xiàn)方式。

4.1 PID壓力控制標(biāo)準(zhǔn)

為便于對(duì)PID控制器的實(shí)際控制效果進(jìn)行分析，筆者選取了多條在役原油管道多個(gè)站場(chǎng)的PID控制器進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與調(diào)控運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出了輸油管道調(diào)節(jié)閥PID參數(shù)整定標(biāo)準(zhǔn)。

PID壓力響應(yīng)曲線如圖3所示?？梢?jiàn)，壓力趨勢(shì)在人為壓力調(diào)整或受到壓力干擾后，被控點(diǎn)的壓力趨勢(shì)是收斂的，并以壓力設(shè)定值ps為收斂值，高頻等幅振蕩與發(fā)散均不符合穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；延遲時(shí)間Td為實(shí)際壓力pv變化到壓力調(diào)整區(qū)間一半時(shí)所需要的時(shí)間，約15～30s；上升時(shí)間Tr為實(shí)際壓力從初始?jí)毫χ祊0第一次調(diào)整到壓力設(shè)定值ps時(shí)所需要的時(shí)間，約30～100s；峰值時(shí)間Tp為實(shí)際壓力經(jīng)過(guò)ps到達(dá)第一個(gè)峰值(一般也是最大峰值)時(shí)所需要的時(shí)間，約50～180s；調(diào)節(jié)時(shí)間Ts為實(shí)際壓力到達(dá)并保持在ps±20kPa范圍內(nèi)所 需要的最短時(shí)間，約60～200s；穩(wěn)態(tài)誤差e為經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的選用需滿(mǎn)足：初始狀態(tài)，被測(cè)點(diǎn)壓力穩(wěn)定或小幅波動(dòng)；|ps-p0|≤0.2MPa，即壓力調(diào)整幅度需限制在0.2MPa以?xún)?nèi)；壓力調(diào)整時(shí)，調(diào)節(jié)閥閥位高于10%；調(diào)節(jié)閥旁路無(wú)流量。

圖3 PID壓力響應(yīng)曲線

Ts時(shí)間之后，實(shí)際壓力與ps之差的絕對(duì)值，即壓力偏移量，要求e≤20kPa；超調(diào)值σ為實(shí)際壓力偏離ps的最大壓力值，需控制在50kPa以?xún)?nèi)。

4.2 PID壓力控制標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用

從多條在役管道的PID壓力控制試驗(yàn)中提取數(shù)據(jù)，繪制的壓力響應(yīng)曲線如圖4所示，對(duì)各曲線提取的特征數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

a. 小超調(diào)、等幅振蕩壓力響應(yīng)曲線

b. 高頻率、大超調(diào)、等幅振蕩壓力響應(yīng)曲線

c. 慢速響應(yīng)、收斂趨勢(shì)壓力響應(yīng)曲線

d. 滿(mǎn)足生產(chǎn)運(yùn)行需求的壓力響應(yīng)曲線 圖4 壓力響應(yīng)曲線

可以看出，圖4a的動(dòng)態(tài)特性基本滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，但是最終壓力呈等幅振蕩，不符合穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；圖4b從上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間來(lái)看，調(diào)節(jié)速率過(guò)快，且超調(diào)值過(guò)大，最終壓力呈等幅振蕩，不符合標(biāo)準(zhǔn)；圖4c是收斂的，超調(diào)值與穩(wěn)態(tài)誤差在生產(chǎn)允許的范圍內(nèi)，但是壓力調(diào)節(jié)的速率太慢，影響生產(chǎn)運(yùn)行效率；圖4d是收斂的，超調(diào)值與穩(wěn)態(tài)誤差在生產(chǎn)運(yùn)行的范圍內(nèi)，且壓力調(diào)節(jié)速率適中，滿(mǎn)足生產(chǎn)運(yùn)行需求。

表1 特征數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

輸油管道PID壓力控制對(duì)輸油管道平穩(wěn)運(yùn)行和風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)具有重要作用，KP和KI是決定PID控制效果的重要參數(shù)，合適的KP和KI能夠增強(qiáng)PID控制器在管道設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)的可靠性。PID壓力控制標(biāo)準(zhǔn)的提出對(duì)PID控制效果做出了規(guī)范，在一定程度上可以作為判斷輸油管道PID控制效果是否令人滿(mǎn)意的依據(jù)。后續(xù)需要進(jìn)一步探討壓力響應(yīng)曲線與KP、KI之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)輸油管道不同壓力曲線下PID參數(shù)的調(diào)整方法，進(jìn)而為PID參數(shù)的整定提供依據(jù)。

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