鐘國(guó)院，臧春華，孔慶儒

（1.陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司，陜西 榆林 719319；2.沈陽化工大學(xué)，遼寧 沈陽 110142；3.沈陽華控科技發(fā)展有限公司，遼寧 沈陽 110179）

比例-積分-微分（PID）控制器是工業(yè)上采用最多的控制器，能夠提供有利的成本效益比。PID 控制器只有3 個(gè)參數(shù)，但如果沒有系統(tǒng)的方法，要找到適合當(dāng)前回路的控制參數(shù)并不容易，大量PID 控制器的參數(shù)設(shè)定不精確導(dǎo)致控制效果不佳，即在自動(dòng)模式下運(yùn)行的回路在手動(dòng)模式下產(chǎn)生的變化小于在自動(dòng)模式下產(chǎn)生的變化。整定規(guī)則大致有：依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)時(shí)控制曲線，動(dòng)態(tài)調(diào)整適配參數(shù)；早期的臨界比例度、衰減震蕩法；基于模型的Ziegler-Nichols[1]、IMC[2]、SIMC[3]、Lambda[4]等方法；現(xiàn)代智能算法迭代求解，如粒子群算法、人群搜索算法、蝙蝠算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及智能算法改進(jìn)等。

SIMC 方法基于Ziegler-Nichols 等的PID 整定方法，屬于經(jīng)典內(nèi)模法的改進(jìn)，在流程工業(yè)的PID調(diào)整中應(yīng)用廣泛。Ziegler-Nichols 規(guī)則會(huì)對(duì)積分過程產(chǎn)生非常好的干擾響應(yīng)，但在其他情況下會(huì)導(dǎo)致非常激進(jìn)的設(shè)置，并且對(duì)于具有主要延遲的過程，會(huì)產(chǎn)生較差的性能；IMC 規(guī)則對(duì)積分過程的干擾響應(yīng)較慢，但是對(duì)設(shè)定點(diǎn)變化給出很好的響應(yīng)。文中主要介紹軟件使用的內(nèi)模法對(duì)一階時(shí)滯模型整定規(guī)則。

對(duì)PID 控制器的整定規(guī)則應(yīng)該滿足適用性廣泛，工程師容易記憶，抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。依據(jù)對(duì)象模型整定參數(shù)的方法是整定的主要方法，基于控制回路的控制動(dòng)作總結(jié)其內(nèi)部模型，是模型辨識(shí)技術(shù)研究的熱點(diǎn)，同時(shí)模型對(duì)回路的描述可作為PID 參數(shù)整定的數(shù)學(xué)依據(jù)，內(nèi)模法基于模型參數(shù)對(duì)PID 參數(shù)計(jì)算，在應(yīng)用及理論研究方面較為廣泛。

1 內(nèi)模整定方法描述

內(nèi)模法主要基于過程對(duì)象的內(nèi)部模型對(duì)PID控制器參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，利用對(duì)象期望的閉環(huán)響應(yīng)，系統(tǒng)方框圖見圖1 所示過程，其中，g=為被控對(duì)象的動(dòng)力學(xué)特性數(shù)學(xué)描述，c=kc為PID 控制器，ys為系統(tǒng)期望設(shè)定值，y 為實(shí)際測(cè)量值，d 為干擾，gd為干擾通道傳遞函數(shù)模型，基于系統(tǒng)期望閉環(huán)響應(yīng)的內(nèi)模法推薦PID 整定公式見式（1）。

圖1 系統(tǒng)方框圖

式中，整定因子為τi，通過調(diào)整τc來調(diào)整kc、Ti。

2 模型獲取及降階

對(duì)歷史數(shù)據(jù)利用最小二乘法辨識(shí)高階ARX 模型，然后對(duì)模型進(jìn)行降階處理。首先將DCS 采集數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)提取、異常值剔除、濾波等數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后利用最小二乘法建立系統(tǒng)性，其中ARX 模型參數(shù)階次可以由工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)定。

在流程工業(yè)中，由于工況復(fù)雜多變，固定模型無法描述整個(gè)動(dòng)態(tài)過程，因此對(duì)模型精度的要求較低，可對(duì)模型進(jìn)行降階處理，降階的模型在工業(yè)使用及參數(shù)整定具有便利性，利于實(shí)施，文中主要介紹對(duì)自衡對(duì)象的降階（如常見的溫度、壓力、流量等控制變量）。一階純滯后模型的價(jià)值在于捕獲了對(duì)控制非常關(guān)鍵的動(dòng)態(tài)過程行為的核心特征，這對(duì)控制非常關(guān)鍵。當(dāng)控制器輸出變化時(shí)，一階純滯后模型可以基本描述被測(cè)變量響應(yīng)。一階純滯后模型相對(duì)準(zhǔn)確地描述了被測(cè)變量響應(yīng)的方向、大小、快慢和純滯后。形式如式g=對(duì)其表征見圖2。

圖2 一階滯后傳遞模型含義圖

增益是一個(gè)描述控制輸出導(dǎo)致被測(cè)變量變化幅度的模型參數(shù)，增益可以通過用被測(cè)變量變化除以引起該變化的控制器輸出變化得到。

時(shí)間常數(shù)描述了控制器輸出變化時(shí)被測(cè)變量的響應(yīng)速度。時(shí)間常數(shù)等于過程改變后被測(cè)變量到達(dá)總變化量63.2%所需的時(shí)間，時(shí)間常數(shù)越小，過程越快。

純滯后時(shí)間是指從控制器輸出的階躍變化到被測(cè)變量顯示出對(duì)該變化的清晰初始響應(yīng)的時(shí)間。純滯后是指由于對(duì)象的測(cè)量環(huán)節(jié)、傳輸環(huán)節(jié)或其他環(huán)節(jié)出現(xiàn)的滯后現(xiàn)象。計(jì)算方法如下。

θ：施加ΔMV 時(shí)刻至PV 值開始有響應(yīng)時(shí)刻所用時(shí)間；

T：PV 值開始響應(yīng)時(shí)刻至PV 值為（PV1+0.632×ΔPV）所用時(shí)間。

3 干燥工序應(yīng)用

3.1 干燥工藝簡(jiǎn)介及分析

陜西北元化工集團(tuán)有限公司110 萬t/a PVC 裝置干燥工序采用日本智索公司的干燥工藝，工藝采用臥式多室加熱沸騰床干燥器。干燥流程：離心機(jī)分離出的濕物料經(jīng)破碎機(jī)破碎后進(jìn)入布料打散機(jī)，均勻打散后進(jìn)入干燥床前部；空氣過濾器過濾后的清凈空氣經(jīng)空氣預(yù)熱器（用母液水預(yù)熱）預(yù)熱后，由鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)空氣加熱器（用蒸汽加熱）升至一定溫度后進(jìn)入干燥床底部風(fēng)室。物料在干燥床內(nèi)被熱風(fēng)吹起呈流化沸騰狀態(tài)，與熱風(fēng)進(jìn)行傳熱傳質(zhì)；同時(shí)，干燥床內(nèi)熱管通有飽和蒸汽和熱水，間接與濕物料進(jìn)行傳熱，物料中的水分被加熱蒸發(fā)脫除。干燥床內(nèi)的濕熱空氣從床頂由干燥引風(fēng)機(jī)引出，經(jīng)旋風(fēng)分離器后排入廢氣洗滌塔，被分離下來的固態(tài)物料返回干燥床。物料在干燥床內(nèi)沸騰，達(dá)到一定高度時(shí)從干燥床末端溢流口流出，經(jīng)旋轉(zhuǎn)下料器由一次引風(fēng)機(jī)引至旋風(fēng)分離器，分離下來的物料經(jīng)旋轉(zhuǎn)下料器送至成品振動(dòng)篩，篩分后進(jìn)入輸送料斗，由旋轉(zhuǎn)下料器送至二次輸送管線，由二次輸送風(fēng)機(jī)（羅茨鼓風(fēng)機(jī)）送至成品料倉，進(jìn)行包裝入庫。

PVC 生產(chǎn)過程中，干燥過程決定著最終產(chǎn)品品質(zhì)，由聚合釜的物料經(jīng)過汽提塔進(jìn)入離心槽，離心槽物料為干燥工段的初始物料，起到緩沖及儲(chǔ)存的作用。

（1）物料流。來自汽提塔的物料儲(chǔ)存于離心槽，離心槽的物料由1#離心機(jī)、2#離心機(jī)、3#離心機(jī)的共同作用進(jìn)入干燥床，干燥床分為一床和二床，其中一床分為一床一室、一床二室，物料在風(fēng)的作用下，呈沸騰狀由一床向二床移動(dòng)實(shí)現(xiàn)干燥，由下料器進(jìn)入下一工序。

（2）能量流。由離心機(jī)進(jìn)入干燥床的物料在床溫及熱風(fēng)的作用下進(jìn)行烘干，主要的過程變量包括離心機(jī)電流、進(jìn)床蒸汽總管溫度、進(jìn)床蒸汽壓力、一床一室上部溫度、一床一室中部溫度、一床一室下部溫度、一床二室上部溫度、一床二室下部溫度、二床上部溫度、二床下部溫度、進(jìn)一床總風(fēng)量、進(jìn)一床二室風(fēng)量、進(jìn)二床風(fēng)量、進(jìn)一床熱風(fēng)溫度、進(jìn)二床熱風(fēng)溫度、一床上部壓力、二床下部壓力等。通過PID 調(diào)節(jié)的主要被控變量包括離心機(jī)電流、進(jìn)床蒸汽壓力、一床二室下部溫度、二床下部溫度、進(jìn)一床總風(fēng)量、進(jìn)一床二室風(fēng)量、進(jìn)二床風(fēng)量、進(jìn)一床熱風(fēng)溫度、進(jìn)二床熱風(fēng)溫度等。通過PID 控制器控制的回路，參數(shù)的合理性影響控制效果。對(duì)于能量體系，干燥床采用了蒸汽列管加熱的方式，蒸汽管道直徑較大；熱風(fēng)采用蒸汽加熱的方式，蒸汽管道直徑較小，因此，主要的能量來源于進(jìn)床蒸汽控制。

（3）氣相流。進(jìn)入床的物料由熱風(fēng)及列管加熱實(shí)現(xiàn)熱交換，烘干水分及風(fēng)量由干燥床上部排出。簡(jiǎn)化的工藝流程見圖3。

圖3 干燥工序簡(jiǎn)圖

主要控制變量如下。

離心槽液位：為防止雜質(zhì)超標(biāo)帶來的影響，離心槽液位需要控制在指定區(qū)間。

離心機(jī)電流：3 臺(tái)離心機(jī)電流決定干燥床進(jìn)料速率，進(jìn)料速率影響一床及二床床壓，床壓是保證設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

風(fēng)速：風(fēng)量速率決定物料呈現(xiàn)的沸騰狀態(tài)，風(fēng)量控制波動(dòng)小，沸騰狀均勻，間接影響床壓。

床溫：床內(nèi)溫度有多個(gè)控制過程變量，關(guān)鍵的控制回路為一床二室及二床下部溫度，溫度屬于大滯后且受到物料特性、床壓等多個(gè)因素影響。溫度控制得平穩(wěn)可以提升產(chǎn)品的品質(zhì)。

風(fēng)溫：熱風(fēng)溫度對(duì)保持干燥床內(nèi)溫度起到補(bǔ)充作用，熱風(fēng)溫度的平穩(wěn)可提升床溫控制。

3.2 控制分析

（1）一床二室下部溫度控制回路

一床二室下部溫度具有大滯后、耦合的特點(diǎn)，3臺(tái)離心機(jī)進(jìn)料量加大或者下料器開度降低，床壓增加，料層加厚，一床二室下部溫度降低；來自一床一室的物料溫度較低時(shí)，一床二室下部溫度降低；進(jìn)一床二室風(fēng)溫降低，一床二室下部溫度降低；風(fēng)量減小造成熱交換降低，一床二室下部溫度降低，同時(shí)多種因素具有較長(zhǎng)時(shí)間的滯后作用，對(duì)溫度造成極大的影響。

（2）二床下部溫度控制回路

二床下部溫度與一床二室下部溫度控制難點(diǎn)類似，具有大滯后、耦合的特點(diǎn)。由一床進(jìn)入二床的物料溫度直接影響二床下部溫度，一床物料溫度較低時(shí)，二床下部溫度降低；下料器開度較小時(shí)物料在二床料層加厚，同時(shí)二床下部溫度較低；總蒸汽閥門開度較小時(shí)，二床下部分配的能量較少，二床下部溫度較低；進(jìn)二床的風(fēng)量溫度較低或者風(fēng)量較小時(shí)，二床下部溫度也會(huì)降低，每個(gè)影響過程具有較長(zhǎng)的滯后時(shí)間。

（3）蒸汽總管壓力控制回路

蒸汽總管是為維持床溫提供能量的關(guān)鍵，蒸汽壓力加大時(shí)，總能量加大，一床二床在床壓、風(fēng)量及風(fēng)溫相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，溫度上升，蒸汽總管的壓力控制還受到蒸汽品質(zhì)的影響以及母管能量分配影響。

（4）床壓控制

床壓可以表征床內(nèi)物料的負(fù)荷，物料量多，料層厚，床壓較高。離心機(jī)進(jìn)料量加大、下料量減小造成床壓升高，同時(shí)進(jìn)床風(fēng)量減小時(shí)，床壓也會(huì)增加，在多數(shù)情況需要滿足二床床壓低于一床，需要對(duì)進(jìn)床的風(fēng)量進(jìn)行合理的配比控制。

3.3 工藝技術(shù)要點(diǎn)

3.3.1 獲取對(duì)象運(yùn)行特性

對(duì)象運(yùn)行特性是對(duì)當(dāng)前回路運(yùn)行規(guī)律的概括，要對(duì)回路進(jìn)行控制器參數(shù)設(shè)計(jì)需要采集其設(shè)定值（Set Value，SV）、檢測(cè)輸出值（Process Value，PV）、操縱變量輸出值（Manipulation Value，MV）等關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，依據(jù)數(shù)據(jù)信息宏觀把握對(duì)象運(yùn)行指標(biāo)量綱、被控對(duì)象工藝要求輸入的上下限值（MSH、MSL）、輸出上下限值（SH、SL）以及當(dāng)前回路對(duì)工藝的重要性。對(duì)于干燥工段的優(yōu)化控制需要采集關(guān)鍵被控變量的相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 關(guān)鍵被控變量及待采集數(shù)據(jù)

3.3.2 分析對(duì)象特性

被控對(duì)象大致分為3 種特性：（1）輸入激勵(lì)階躍增加或減少，對(duì)象輸出趨于新的穩(wěn)態(tài)值波動(dòng)；（2）輸入激勵(lì)階躍增加或減少，對(duì)象輸出以斜率形式變化；（3）輸入激勵(lì)階躍增加或減少，對(duì)象輸出以來回波動(dòng)形式變化。（1）和（2）是線性對(duì)象，（3）存在非線性，針對(duì)于（3），若過程調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)可將其區(qū)間線性化進(jìn)行控制器變參數(shù)設(shè)計(jì)。對(duì)于干燥工段的優(yōu)化控制表1 的關(guān)鍵變量均屬于（1），即符合自衡對(duì)象特點(diǎn)。

3.3.3 整定過程

將表1 采集的關(guān)鍵變量SV、PV、MV 數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，利用最小二乘法辨識(shí)高階ARX 模型，降階為一階滯后傳遞函數(shù)模型，利用內(nèi)模法對(duì)模型進(jìn)行PID 參數(shù)計(jì)算，由于建模過程存在模型誤差，針對(duì)回路運(yùn)行情況需要對(duì)PID 參數(shù)進(jìn)行微調(diào)以適用于當(dāng)前回路動(dòng)力學(xué)過程。

3.4 布署及實(shí)施

大時(shí)間滯后及多種變量的耦合作用對(duì)控制是不利的，因此，對(duì)于干燥工段，上層采用先進(jìn)控制系統(tǒng)作為總控制器，PID 控制回路作為先進(jìn)控制的下一級(jí)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。利用沈陽華控科技發(fā)展有限公司自主開發(fā)的PID 回路整定及自整定軟件，對(duì)關(guān)鍵回路進(jìn)行評(píng)估與參數(shù)自整定。

3.4.1 實(shí)施軟件

（1）FinData

FinData 是流程工業(yè)數(shù)據(jù)庫，具有工業(yè)大數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析等功能。FinData 主要包括通過OPC通訊協(xié)議采集DCS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫中；數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；采用視頻和AI 技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，然后上傳到云端，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制器性能分析，快速進(jìn)行控制回路再優(yōu)化；集成常用的人工智能算法，分析優(yōu)化生產(chǎn)過程。

（2）LoopSenser

LoopSenser 是回路評(píng)估與整定系統(tǒng)，基于FinData 采集的歷史數(shù)據(jù)，利用回路評(píng)估算法、模型辨識(shí)算法和PID 自整定算法，實(shí)現(xiàn)控制回路的性能評(píng)估與整定。LoopSenser 主要包括PID 控制回路評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)控制回路非常關(guān)鍵的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，包括閥門全開和全關(guān)的時(shí)間（飽和度）、測(cè)量值振蕩次數(shù)和測(cè)量值偏離設(shè)定值程度（偏離度）等進(jìn)行評(píng)估，最后給出生產(chǎn)線、工段和各回路的評(píng)估結(jié)果；PID 自整定系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行模型辨識(shí)及降階處理，不對(duì)生產(chǎn)過程造成任何影響，依據(jù)模型自動(dòng)計(jì)算PID 控制器參數(shù)，軟件執(zhí)行架構(gòu)見圖4。

圖4 沈陽華控回路評(píng)估與整定系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3.4.2 軟件技術(shù)要點(diǎn)

接入OPC 服務(wù)器交換機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)按照規(guī)定時(shí)間進(jìn)行回路評(píng)估，回路分?jǐn)?shù)低于理想約定分?jǐn)?shù)（如60 分），對(duì)回路數(shù)據(jù)預(yù)處理后進(jìn)行模型辨識(shí)、模型降階、PID 參數(shù)計(jì)算，給出推薦的整定區(qū)間。在此過程中不涉及測(cè)試信號(hào)對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行干擾，采用外掛式主機(jī)不對(duì)操作員站及工程師站的運(yùn)行造成計(jì)算負(fù)荷。對(duì)于干燥工段的優(yōu)化控制，將表1 關(guān)鍵變量數(shù)據(jù)量進(jìn)行采集，首次布署軟件后運(yùn)行4 h 以上，軟件自動(dòng)對(duì)回路進(jìn)行評(píng)估、辨識(shí)回路模型及控制器參數(shù)，后續(xù)參與整定的為分?jǐn)?shù)低于理想約定分?jǐn)?shù)的回路。

3.4.3 運(yùn)行效果分析

利用LoopSenser 辨識(shí)及整定結(jié)果對(duì)控制回路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，列舉2 個(gè)回路。

一床二室下部溫度回路（2TIC2235）：軟件推薦的PID 控制器弱作用強(qiáng)魯棒性參數(shù)設(shè)置為P：25，I：450，控制效果見圖5。

圖5 一床二室下部溫度回路優(yōu)化與未優(yōu)化控制效果

二床下部溫度回路（2TIC2229）：軟件推薦的PID 控制器弱作用強(qiáng)魯棒性參數(shù)設(shè)置為P：10.87，I：643，控制效果見圖6。

分析如下，2TIC2229 與2TIC2235 回路類似，未使用優(yōu)化參數(shù)之前回路對(duì)設(shè)定值跟隨效果較弱，偏離溫度設(shè)定值較大，較長(zhǎng)時(shí)間無法回落到設(shè)定值溫度；優(yōu)化參數(shù)后，測(cè)量值與設(shè)定值的差值較小，在設(shè)定值附近小范圍波動(dòng)，與設(shè)定值偏差較小，利于干燥床工況的穩(wěn)定，2TIC2235 波動(dòng)情況降低了約80%，2TIC2229 波動(dòng)情況降低了約70%。

4 結(jié)語

干燥床的優(yōu)化控制具有多種難點(diǎn)，滯后時(shí)間較長(zhǎng)，滯后時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)，工段變量之間存在強(qiáng)的耦合關(guān)聯(lián)，先進(jìn)控制系統(tǒng)計(jì)算的設(shè)定值作為PID 控制的上一級(jí)，沈陽華控LoopSenser 回路評(píng)估與整定系統(tǒng)基于高階模型降階的低階模型計(jì)算PID 控制器參數(shù)，提升了整定參數(shù)的便利性和適用性，良好的控制效果說明了方法的有效性。

圖6 二床下部溫度回路優(yōu)化與未優(yōu)化控制效果