曾維偉 丁 路 康維嵐 李 皓 張家成 武宇卓

1. 中國石油天然氣集團公司塔里木油田分公司, 新疆 庫爾勒 841000;2. 北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責任公司, 北京 100007;3. 中國石油運輸有限公司, 新疆 烏魯木齊 830014

0 前言

PID控制算法在工業(yè)生產(chǎn)控制中占有極大比重,在實際生產(chǎn)運行中對PID控制算法有諸多的改進,這些改進通常是對積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)進行處理;通常對積分項的處理方法有積分分離法、抗飽和積分法。實際生產(chǎn)運行中的PID控制算法通常為增量式PID算法,抗飽和積分法在增量式PID算法中又不易于實現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況,對浙江中控DCS的PID功能塊加以改進，以滿足現(xiàn)場的實際生產(chǎn)需求、減少PID參數(shù)整定的工作量。

1 ECS-700系統(tǒng)簡介

ECS-700系統(tǒng)作為中控最新和功能最強的DCS系統(tǒng),集成了比較成熟的PID控制功能模塊,其中PID算法[1]實現(xiàn)為:

un+1=un+Δun+1

(1)

式中:un+1為第n+1次的輸出；un為第n次的輸出；Δun+1為第n+1次的增量。

式(1)為增量式PID算法,中控DCS系統(tǒng)中對積分項的處理為:當誤差|en|>ε時,切除積分作用[2],并對比列項進行補償,此時的補償系數(shù)為f,補償后的比列系數(shù)為:

(2)

控制系統(tǒng)誤差越大,積分作用越強,導致系統(tǒng)振蕩劇烈、調(diào)節(jié)時間過長[3]。為避免此現(xiàn)象引入補償系數(shù)f，但實際應用效果并不好。

2 控制對象簡介

圖1為乙二醇單元工藝流程。本文的控制對象為一個三相分離器(圖1中二級分離器)的乙二醇水溶液和輕烴的界位,此分離器工藝流程:富天然氣(未脫水脫烴)經(jīng)過一級換熱器降溫→一級分離器→二級換熱器→丙烷壓縮機制冷降溫→二級分離器進行分離(富乙二醇、天然氣、輕烴分離)[4]。

圖1 乙二醇單元工藝流程

乙二醇作為脫水劑其流程為:乙二醇水溶液經(jīng)過循環(huán)泵去往各個加注點→丙烷壓縮機→二級分離器→乙二醇再生裝置[5-6]。乙二醇的循環(huán)量通常是穩(wěn)定的,進入分離器的乙二醇水溶液的流量也是穩(wěn)定的,從理論上講只要控制分離器的乙二醇出口流量調(diào)節(jié)閥的開度(調(diào)節(jié)閥開度波動理應很小)界位就會很平穩(wěn)。但實際運行中液位波動和調(diào)節(jié)閥的波動較大,故認為是控制回路中所采取的控制律不能滿足現(xiàn)場實際生產(chǎn)需求而造成的影響,因此以中控ECS-700 PID常規(guī)功能塊為基礎[7],對其進行改進使控制回路中的控制律能夠滿足實際的生產(chǎn)需求。

3 控制策略

本文采用增量式PID控制算法[8]:

u=up+ui+ud

(3)

un+1=un+Δun+1

(4)

式中:u為PID的輸出；up、ui、ud分別為比例、積分、微分的輸出；un+1、un、Δun+1分別為PID算法離散后的第n+1次輸出、n次輸出、n+1次的增量。

對微分項進行不完全微分處理[9],對積分項進行積分分離處理:

(5)

(6)

式中:Td、Ti、T、T*分別為微分時間、積分時間、采樣周期、一階濾波時間常數(shù),s;k為積分分離的判斷因子；e、e′分別為誤差和誤差的變化率1,當|e|′<0時k=0,否則k=1。

要在DCS中實現(xiàn)上述算法需要對其進行離散處理,采樣周期為1 s,聯(lián)立式(3)～(6)可得其離散后表達形式[10]:

(7)

式中:kp為比列系數(shù)；en、en+1分別為第n次誤差和n+1次誤差。

4 Matlab仿真

對本文所述界位控制系統(tǒng)進行仿真需要知道各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)[13],需要對控制對象進行系統(tǒng)辨識、建模。對此系統(tǒng)精確建模具有一定的困難,且本章的仿真只是對本文的控制策略進行定性分析,因此簡化建模的部分環(huán)節(jié)。

此系統(tǒng)界位H大小受進液量Q1和出液量Q2影響,二級分離器的醇腔底面積為A,則H與Q2的微分數(shù)學關(guān)系為[14]:

(8)

對式(8)進行拉式變換:

(9)

醇和烴的分離過程可視為一個二階環(huán)節(jié)[15],則進液量Q1與H的傳遞函數(shù)為:

(10)

式中:T1、T2為二階環(huán)節(jié)中的時間，s；H為界位高度，m；A為底面積，m2;Q1為進液量，m3/h；H′為H的求導數(shù)。

調(diào)節(jié)閥的流量特性為等百分比,因此調(diào)節(jié)閥的開度V與出口流量的關(guān)系為:

Q2=C1eC2V

(11)

DCS中的控制器輸出與閥開度的關(guān)系可視為一階環(huán)節(jié):

(12)

式中:T4為一階環(huán)節(jié)的時間常數(shù),s。

變送器環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為:

(13)

式中:T5為一階環(huán)節(jié)的世界常數(shù),可視為變送器的阻尼系數(shù)，s。

控制系統(tǒng)的離散時間為1 s,當|en|-|en+1|<0時，將積分作用切除,依照此思路搭建圖2所示的Simulink仿真[16]。

圖2 Simulink仿真

運用了Matlab Function函數(shù)在Simulink仿真中實現(xiàn)了PID的各項功能[17]，圖2中的常數(shù)1、2、3分別為kp、Ti、Td的取值，kp、Ti、Td為PID的控制參數(shù)。圖3～6為仿真的實驗結(jié)果,藍色線為容器的界位、棕色線為控制器的輸出、粉紅色的線為設定值與反饋值之間的誤差。圖3、圖5為傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)下的輸出曲線,圖4、圖6為采用了本文所述的改進PID積分分離控制算法后在相同的PID控制參數(shù)下的輸出曲線。

在仿真中發(fā)現(xiàn)由于傳統(tǒng)PID控制器的參數(shù)選擇不當而引起系統(tǒng)振蕩時,對積分環(huán)節(jié)采取本文所述的控制策略時能夠有效抑制系統(tǒng)振蕩,當傳統(tǒng)PID參數(shù)整定值選取量比較合適時[18],采用本文的控制策略能進一步減少超調(diào)量，同時控制器的輸出也更加平穩(wěn)。當然通過大量的仿真發(fā)現(xiàn),改進后的算法控制算法在仿真過程中也暴露了缺點:誤差消除速度可能非常緩慢。此時需要對判據(jù)進行修正:|en|-|en+1|<ε停止積分作用,其中ε<0。

圖3 kp=5,Ti=10,Td=10,未進行積分切除

圖4 kp=5,Ti=10,Td=10,進行積分切除

圖5 kp=5,Ti=20,Td=10,未進行積分切除

圖6 kp=5,Ti=20,Td=10,進行積分切除

5 在ESC-700系統(tǒng)中的應用

根據(jù)判據(jù)|en|-|en+1|<0停止積分作用，在ECS-700中整個控制回路的控制器部分算法實現(xiàn)見圖7。

圖7 中控DCS功能塊圖

圖7中“JFQC”為用戶自定義功能塊,其源程序見圖8。

圖8 功能塊腳本程序

本文的控制對象為一個三相分離器的醇腔界位,當采用中控自帶的PID功能塊時,其界位變化見圖9藍色曲線(黑色曲線為調(diào)節(jié)閥的實際運行開度,紅色曲線為界位的設定值)。

當控制器經(jīng)過本文所述改進后,其界位的變化見圖10藍色曲線(黑色曲線為調(diào)節(jié)閥的實際運行開度,紅色曲線為界位的設定值)。

本文所述的控制策略在低溫分離器(三相分離器)的乙二醇界位控制應用過程中能夠獲得更平穩(wěn)的界位,調(diào)節(jié)閥的開度波動更小,對下游流程的擾動更小。從仿真曲線和實際運行效果來看,本文所述的控制策略能夠有更小的超調(diào)量、更短的調(diào)節(jié)時間和波動更小的穩(wěn)態(tài)特性。

圖9 改進前的控制曲線

圖10 改進后的控制曲線

6 結(jié)論

當誤差的絕對值有開始變小的趨勢時切除積分作用，從而消除因引入積分項而造成的調(diào)節(jié)滯后。這一改進在某油氣場所三相分離器的界位控制調(diào)節(jié)中取得了良好的控制效果,同時也減少了大量整定PID參數(shù)的工作。在仿真過程中同時發(fā)現(xiàn),積分分離算法在某些情況下會造成系統(tǒng)消除誤差的時間變長,需要對切除積分作用的判據(jù)進行修正,其修正形式為|en|-|en+1|<ε停止積分作用,其中ε<0,但在本場站的實際運行并未明顯發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。