董永兵，燕麗梅，白靜

(陜西北元化工集團股份有限公司，陜西 榆林 719319)

PID單回路控制在化工生產控制領域應用最為廣泛，陜西北元化工集團股份有限公司化工分公司(以下簡稱“北元化工”)聚氯乙烯生產能力110萬t/a，燒堿生產能力80萬t/a，為連續(xù)生產的化工控制過程，其內部90%以上為經典的單回路控制，因此PID參數(shù)的整定在控制過程中格外重要。

1 衡量控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標[1]

在單回路控制領域內，常用穩(wěn)定性、準確性、快速性來衡量一個控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。

1.1 穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是指控制系統(tǒng)在受到擾動后其運行能保持在有限邊界的區(qū)域內或恢復到原平衡狀態(tài)的性能，即在外加干擾后，經過PID調節(jié)，測量值可以回歸到設定值附近，而不是隨時間遠離設定值。在過程控制中，所有的被控過程必須是一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，才不會發(fā)生生產安全事故。

1.2 準確性

準確性是指被控參數(shù)在進入穩(wěn)態(tài)后測量值與設定值之間的偏差，當偏差越小，說明控制系統(tǒng)的準確性越好。

1.3 快速性

快速性是指當被控對象受到外界擾動后，偏離設定值經過PID調節(jié)后又重新回歸到設定值的這段時間的長短，快速性越好，證明控制系統(tǒng)的性能越優(yōu)良。

2 比例度、積分時間、微分時間對控制性能的影響

比例度、積分時間、微分時間直接決定比例、積分、微分作用的強弱，從而影響單回路控制的穩(wěn)定性、準確性、快速性。

2.1 比例度對控制系統(tǒng)性能的影響[2]

控制器的輸出與輸入的偏差成正比：ΔP=(1/δ)e。比例控制的特點：控制及時，但不能克服余差。比例作用太強，會引起振蕩和不穩(wěn)定，用比例度δ來表示其作用強弱，δ越小，比例控制作用越強。適用于調節(jié)通道滯后較小、負荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統(tǒng)。δ越小，比例作用越強，快速性越好，準確性越好，穩(wěn)定性越差。

2.2 積分時間對控制系統(tǒng)性能的影響[2]

2.3 微分時間對控制系統(tǒng)性能的影響[2]

控制器的輸出與偏差的變化成正比：ΔP=TD(de/dt)。微分控制的特點：對干擾的出現(xiàn)有一定的預估性，能夠超前控制，對恒定不變的偏差沒有控制作用，不能單獨使用；對滯后大的對象有很好的效果，使控制過程的動態(tài)偏差減小、調節(jié)時間縮短、余差減小，但微分作用過強，會引起振蕩。用微分時間TD來表示其作用的強弱，TD越大，微分作用越強。TD越大，快速性越好，準確性越好，穩(wěn)定性越差。

3 PID參數(shù)整定在電解裝置生產過程中的應用

在正常生產過程中，當更換調節(jié)閥、季節(jié)性氣溫變化較大或工藝工況發(fā)生變化后，北元化工經常須對PID參數(shù)進行優(yōu)化，從而使工藝指標回歸正常。

3.1 優(yōu)化PID參數(shù)，使電解槽氯氫壓差回歸控制范圍

2022年4月,為電解裝置A線某處更換完閥門執(zhí)行機構與定位器后，A線氯氫壓差波動明顯變大，由之前的2.012～2.315 kPa波動變?yōu)?.876～2.456 kPa。隨即對PID參數(shù)進行優(yōu)化，將比例度由125調為110，微分時間由5調為8后，氯氫壓差波動明顯變小，范圍為2.015～2.326 kPa。

3.2 優(yōu)化PID參數(shù)，使原氯總管壓力穩(wěn)定

2022年4月，為電解裝置C線更換完原氯調節(jié)閥定位器后，C線原氯總管壓力波動明顯變大，波動范圍為94.6～96.1 kPa，給合成爐氯氫配比控制帶來嚴重困擾，導致氯化氫純度下降。隨即在線優(yōu)化PID參數(shù)，將比例度由60改為65后，原氯總管壓力波動明顯降低，為95.1～95.4 kPa。

3.3 優(yōu)化PID參數(shù)，使電解槽進槽鹽水流量波動變小

2022年5月，為電解裝置D線A槽更換完閥門氣缸后，陽極進槽流量波動明顯變大，上下波動范圍約4 m3/h。隨即在線整定PID參數(shù)，將比例度由150改為250，積分時間由0.6改為0.65后，陽極進槽流量波動變?yōu)?.5 m3/h。

4 PID評估與整定系統(tǒng)在聚合裝置生產過程中的應用

在工業(yè)生產中，主要通過臨界比例度法、衰減曲線法和經驗湊試法進行PID參數(shù)整定。前兩種整定方法是基于外來干擾的響應曲線，須給被控參數(shù)施加一個外來階躍擾動，在實際生產過程中在線整定PID參數(shù)顯然是不適用的；經驗湊試法在實際生產過程中對整定人員的經驗要求較高?；谏鲜銮闆r，北元化工在氯乙烯聚合裝置試用了某公司PID評估與整定系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要具備PID整定功能與PID評估功能。

控制回路評估整定項目所設計的軟件包括FinData和LoopSenser。其中FinData通過OPC與DCS OPCserver進行通信，用于數(shù)據(jù)的采集與存儲；LoopSenser進行控制回路評估與整定。整體軟件部署方便快捷，日常操作簡單，不會帶來操作上的負擔。

4.1 PID整定功能

4.1.1 PID整定原理[3]

該PID整定系統(tǒng)的主要原理是通過OPC通信協(xié)議采集DCS的數(shù)據(jù)，并存儲到歷史數(shù)據(jù)庫中，將采集到的測量值(PV)、設定值(SV)、閥門開度值(MV)在PID整定系統(tǒng)內根據(jù)遞推最小二乘法進行模型辨識與降階后，近似得到現(xiàn)場實際被控對象放大系數(shù)K、時間常數(shù)T、滯后時間τ，對辨識到的模型與實際模型進行擬合度對比。若模型擬合度較高，則證明優(yōu)化整定后的PID參數(shù)更適用于現(xiàn)場工況。

4.1.2 PID整定參數(shù)試驗情況

(1)回路2FIC1121B(C線聚合釜B副回路流量調節(jié))調試。

原始參數(shù):

P:200；I:60。

軟件推薦參數(shù)：

P(弱)：149.73；I(弱)：9；

P(強)：63.71；I(強)：9。

實際輸入?yún)?shù)：

P：160；I：10。

效果分析：副回路跟隨特性明顯變好，主回路聚合釜溫度變化不太明顯。

(2)回路2FIC1126F(催化劑注水流量調節(jié))調試。

原始參數(shù)：

P：400；I：60。

軟件推薦參數(shù)：

P：400；I：4。

實際輸入?yún)?shù)：

P：400；I：15。

效果分析：催化劑注水流量控制回路波動有所變小，波動范圍由782 ～815 L/h變?yōu)?95～806 L/h(設定值800 L/h)。

(3)回路2FIC1122C(攪拌密封水流量)調試。

原始參數(shù)：

P：200；I：20。

軟件推薦參數(shù)：

P(弱)：328.27；I(弱)：6；

P(強)：88.72；I(強)：6。

實際輸入?yún)?shù)：

P：180；I：15。

效果分析：攪拌密封水流量控制回路波動范圍由656～741 L/h變?yōu)?85～705 L/h(設定值700 L/h)，波動范圍明顯變小。

(4)回路2FIC1002(冷水槽入口流量調節(jié))調試。

原始參數(shù)：

P：150；I：20。

軟件推薦參數(shù)：

P(弱)：238.67；I(弱)：8；

P(強)：108；I(強)：8。

實際輸入?yún)?shù)：

P：120；I：15。

效果分析：冷水槽入口流量波動范圍由115～129 m3/h變?yōu)?25～136 m3/h(設定值為130 m3/h)?？梢钥闯觯赫{整前，測量值始終小于設定值，存在固定負余差；調整后，測量值在設定值附近波動，曲線性能有所變好。

4.2 PID評估功能

該PID評估與整定系統(tǒng)還可以對生產系統(tǒng)的單回路控制曲線進行分析。通過算法提取出輸出響應曲線的衰減比、最大超調量、調節(jié)周期和余差等一系列性能參數(shù)，對曲線性能進行分析，然后對PID參數(shù)的匹配情況進行打分，得分在80分以上的控制回路在生產規(guī)程中可以準確、快速地跟蹤設定值，能夠很好地抵抗外界干擾。在實際使用中，可以根據(jù)回路得分情況對控制回路的PID參數(shù)進行適當?shù)恼{整。

在生產線評估界面中，包含如下信息：

(1)生產線選擇，用于選擇不同生產線，對控制回路的PID參數(shù)進行評估。

(2)1 h/24 h選擇，用于選擇1 h評估結果或者24 h評估結果。

(3)時間選擇，用于選擇指定時間的評估結果。

(4)定位按鈕，點擊該按鈕，顯示“(3)”時間的評估結果。

(5)最新按鈕，點擊該按鈕，顯示最新評估結果。

(6)生產線自控率，給出生產自控率。

(7)生產線分數(shù)分布，給出生產線各分數(shù)回路數(shù)量。

(8)工段1自控率，該生產線工段1的自控率。

(9)工段1分數(shù)分布，給出該生產線工段1各分數(shù)回路數(shù)量。

(10)工段2自控率，該生產線工段2的自控率。

(11)工段2分數(shù)分布，給出該生產線工段2各分數(shù)回路數(shù)量。

(12)在該界面可以同時顯示兩條生產線。

通過對界面不同功能的選擇，可以自動生成報表，方便進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。

5 結語

PID整定在化工生產過程中非常重要。PID評估與整定系統(tǒng)一方面在一定程度上可以指導PID參數(shù)整定，優(yōu)化單回路控制系統(tǒng)的性能；另一方面可以自動生成報表，對現(xiàn)有PID回路進行評分，自動計算出生產線的自動控制投用率。