王良瑾

摘 要：PID參數(shù)的優(yōu)化問題在石油化工行業(yè)中一直以來都是自動控制領(lǐng)域研究的重點，比例、積分、微分這三個參數(shù)的取值直接影響控制效果。傳統(tǒng)的PID參數(shù)大多由工程技術(shù)人員通過不斷試湊方法來進行優(yōu)化，對于一些復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，難以滿足控制精度的要求。本文針對以上問題，著重介紹基于模型控制，在延遲焦化裝置成功實施PID參數(shù)整定優(yōu)化，并分析對比前后效果。通過參數(shù)優(yōu)化大大提高了裝置自控率。

關(guān)鍵詞：PID；模型控制；整定優(yōu)化；自控率

1、前言

中國石化某個煉油廠的延遲焦化裝置設(shè)計加工能力為140萬噸/年，DCS系統(tǒng)采用橫河電機有限公司提供的基于WINDOWS-XP的大型DCS系統(tǒng)，操作站采用通用PC機，控制站采用全冗余熱備份結(jié)構(gòu)，是目前世界上最先進的大型DCS系統(tǒng)之一。

除了水力除焦部分設(shè)置單獨的PLC系統(tǒng)進行控制，其它部分都在橫河CS3000系統(tǒng)實現(xiàn)檢測與控制，自動控制回路包括單回路控制、串級控制、分程控制、選擇控制等，一共有101個回路。

2、傳統(tǒng)PID參數(shù)優(yōu)化的現(xiàn)狀

當(dāng)前，國內(nèi)的主要煉油化工廠都使用集散控制系統(tǒng)（DCS）進行監(jiān)控，其中大部分控制回路采用PID控制。PID在DCS上的應(yīng)用極大提高控制和管理的水平，降低了勞動者的工作強度，但目前仍存在諸多問題，如：PID參數(shù)整定困難、控制效果難以控制、自控率普遍不高等。

2.1、PID控制算法固定

其中KC、Ti、Td 分別是比例參數(shù)P、積分參數(shù)I、微分參數(shù)D。實際上，隨著被控對象的不同，響應(yīng)時間也有所不同，其PID控制的形式也應(yīng)該是有差異的，而目前的DCS系統(tǒng)組態(tài)方式并沒有體現(xiàn)出來。

2.2、 PID參數(shù)整定不合理

在現(xiàn)場生產(chǎn)中，由于操作人員對PID控制原理認識不到位，常常根據(jù)個人經(jīng)驗給定PID參數(shù)，導(dǎo)致控制器參數(shù)設(shè)置不是最優(yōu)，使得控制效果比較差或者控制發(fā)散，需要人工干預(yù)或者手動控制。另外，PID參數(shù)一旦組態(tài)設(shè)置完成后，操作人員往往只是在參數(shù)附近進行小改動，很少根據(jù)現(xiàn)場工況變化進行適當(dāng)調(diào)節(jié)，無法滿足實際調(diào)節(jié)要求。

3、基于模型優(yōu)化PID參數(shù)

3.1、目的與意義

作為魯棒控制之一的基于模型優(yōu)化控制既有具有魯棒穩(wěn)定性，又具有控制性能的優(yōu)點，控制性能要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)人工試調(diào)PID控制?；谀Ｐ蛢?yōu)化控制的PID控制器，不僅保持了傳統(tǒng)PID控制的特點，而且具有基于模型優(yōu)化控制的一切優(yōu)點，結(jié)構(gòu)簡單，整定方便，并有利于采用現(xiàn)代控制硬件（如DCS）來實現(xiàn)。基于開環(huán)及閉環(huán)辨識得到的模型整定PID參數(shù)克服了傳統(tǒng)PID參數(shù)的憑經(jīng)驗整定的缺陷，PID參數(shù)通過模型辨識及參數(shù)優(yōu)化計算得到。

3.2、實施步驟

（1）模型辨識

模型辨識既可通過開環(huán)辨識也可通過閉環(huán)辨識獲取對象的數(shù)學(xué)模型。開環(huán)模型辨識采用基于最小二乘法的直接辨識法。此方法能夠直接得到模型的傳遞函數(shù)參數(shù)，無需經(jīng)過其他轉(zhuǎn)換，辨識精度高，時域誤差和頻域誤差都較小。閉環(huán)辨識采用粒子群優(yōu)化算法（PSO）辨識過程的動態(tài)模型，需要采集在給定的輸入下控制系統(tǒng)的輸入和輸出信號，且設(shè)定值變化較小，即可辨識出過程模型。模型辨識過程對生產(chǎn)基本無影響。

（2）設(shè)計基于模型優(yōu)化PID控制器

該控制器的設(shè)計是基于模型辨識得到的過程模型和一個用于魯棒特性的低通濾波器。基于模型優(yōu)化PID控制器只有一個調(diào)節(jié)參數(shù)，即濾波器常數(shù)，這使得該控制器的在線整定十分容易。整定后的PID控制回路具有模型優(yōu)化控制的特點，既保證穩(wěn)定性，又具有快速跟蹤設(shè)定值和克服擾動的特性。

（3）在DCS實現(xiàn)基于模型優(yōu)化PID參數(shù)的控制

將DCS上的PID參數(shù)修改為優(yōu)化整定后的參數(shù)，則控制器為基于模型優(yōu)化PID控制器。在DCS上實現(xiàn)基于模型優(yōu)化PID控制，相應(yīng)的DCS控制系統(tǒng)具有基于模型優(yōu)化控制的特性。

4、在延遲焦化裝置應(yīng)用的效果

4.1、采集數(shù)據(jù)

延遲焦化DCS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)已擁有一臺OPC服務(wù)器，作為DCS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)分發(fā)節(jié)點，向DCS外部網(wǎng)絡(luò)提供生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。OPC服務(wù)器的設(shè)計規(guī)范符合C/S結(jié)構(gòu)，可以使用一臺OPC服務(wù)器為多臺OPC客戶端提供生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，且CS3000系統(tǒng)的OPC服務(wù)器無點數(shù)（Items）的授權(quán)限制，在理論上可以支持數(shù)萬條過程數(shù)據(jù)的同步讀取，因此，支持PHD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與PID參數(shù)整定工作站共用一臺OPC服務(wù)器進行數(shù)據(jù)采集。

在延遲焦化機柜間的OPC服務(wù)器旁邊放置PID參數(shù)整定工作站，但由于OPC服務(wù)器的網(wǎng)路端口已連接到PHD Buffer，所以無法直接通過網(wǎng)線把兩臺機連接起來進行通訊。在OPC服務(wù)器于PHD Buffer之前增加一臺路由器，其中一路仍與PHD Buffer通訊，另一路與PID參數(shù)整定工作站通訊，最后使用OPC client軟件進行讀取并導(dǎo)出數(shù)據(jù)，如圖1所示。

4.2、實施步驟

（1）對測試范圍內(nèi)的控制回路做階躍測試，即在的工藝允許的范圍內(nèi)改變設(shè)定值三到四次，然后通過 OPCclient 端采集實時數(shù)據(jù)；

（2）利用采集到的實時數(shù)據(jù)進行模型辨識，得到生產(chǎn)過程數(shù)學(xué)模型；

（3）根據(jù)數(shù)學(xué)模型使用內(nèi)模控制方法整定 PID 參數(shù)，并進行仿真；

（4）投用整定后的 PID 參數(shù)，查看控制效果，將新 PID 參數(shù)控制效果與原參數(shù)效果比對，確定最終控制器參數(shù)。

需要注意的地方是，通過優(yōu)化得到控制參數(shù)CO=100/ PB （1+TdS+1/TiS），投用到 CS3000 控制系統(tǒng)的參數(shù)為 PB，微分時間Td，積分時間Ti，這三個參數(shù)與軟件整定到的參數(shù)有以下關(guān)系： PB =100/KC ；Td = Td；Ti = Ti。

4.3、優(yōu)化情況

延遲焦化裝置需要優(yōu)化PID參數(shù)的自控回路共有99 個，其中有19個回路是需要重點參數(shù)整定。以FIC1140回路為例子，整定前 PID 參數(shù)為；P=180，I=20，D=0； 整定后 PID 參數(shù)為：P=90，I=16，D=0。從表2中可看出 ，無論是穩(wěn)定性能還是動態(tài)性能，PID參數(shù)優(yōu)化后的控制效果與優(yōu)化前相比都得到了顯著改善。

5、結(jié)論

通過對延遲焦化裝置進行PID參數(shù)優(yōu)化整定，使得裝置自控率大幅提高，達到了98%以上?？刂菩Ч蠓嵘?，裝置運行平穩(wěn)，大大降低了操作人員的勞動強度，使得操作人員能把更多的精力用于安全生產(chǎn)上，確保裝置的長安穩(wěn)運行。更重要的是，讓操作人員深刻體會到自動控制的優(yōu)勢，不但調(diào)節(jié)穩(wěn)定，而且響應(yīng)速度快、控制精度高，徹底改變之前手動比自動控制平穩(wěn)的理念。

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