重沸器爐溫控制系統(tǒng)PID參數(shù)調(diào)節(jié)

＊王盼 唐楚寒 張其勇 丁亮

（1.塔里木油田分公司 博大采油氣管理區(qū) 新疆 842008 2.貴州美瑞特環(huán)?？萍加邢薰?貴州 550010 3.西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院 四川 610000）

1.背景簡(jiǎn)紹

(1)三甘醇再生系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文以三甘醇再生系統(tǒng)重沸器爐溫控制為例。從三甘醇吸收塔下部出來(lái)的三甘醇富液經(jīng)液位調(diào)節(jié)閥降壓后經(jīng)三甘醇重沸器富液精餾柱頂換熱盤(pán)管換熱，然后進(jìn)入三甘醇閃蒸罐閃蒸，閃蒸出來(lái)的閃蒸氣經(jīng)調(diào)壓閥調(diào)壓后去燃料氣系統(tǒng)用作工廠(chǎng)燃料氣。閃蒸后的三甘醇富液依次經(jīng)過(guò)三甘醇預(yù)過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器、三甘醇過(guò)濾器除去溶液中的機(jī)械雜質(zhì)和降解產(chǎn)物，然后進(jìn)入到三甘醇緩沖罐和三甘醇貧液換熱后再經(jīng)富液精餾柱到重沸器再生。汽提氣從貧液精餾柱下端注入到汽提柱底部。三甘醇富液與重沸器來(lái)的水汽和汽提氣在富液汽提柱中接觸被提濃，然后進(jìn)入到三甘醇重沸器中被加熱至202℃左右，經(jīng)貧液汽提柱二次氣提進(jìn)入緩沖罐，再經(jīng)三甘醇后冷器冷卻到47℃，由循環(huán)泵增壓進(jìn)入吸收塔頂部，完成三甘醇的吸收、再生、循環(huán)過(guò)程。三甘醇富液再生產(chǎn)生的廢氣（主要為水蒸氣、CO2、烴類(lèi)）經(jīng)空冷器冷卻后進(jìn)入不凝氣分離罐，不凝氣送到乙二醇再生裝置的廢氣灼燒爐氣相出口與回流罐頂部廢氣一同去低壓放空灼燒凝液去污水系統(tǒng)。由工藝流程可知三甘醇再生時(shí)若重沸器溫度不夠，那么三甘醇濃度將無(wú)法滿(mǎn)足正常需求，一般工藝需求三甘醇濃度需要達(dá)到99%以上，反之若溫度過(guò)高，如達(dá)到三甘醇裂解溫度206.7℃則會(huì)使三甘醇裂解從而造成三甘醇損失，所以對(duì)于三甘醇再生系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，重沸器的溫度控制是極為重要的。

(2)存在問(wèn)題

重沸器爐溫控制系統(tǒng)可以等效成一個(gè)傳遞函數(shù)為二階加時(shí)滯的模型，即對(duì)于重沸器爐溫控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，溫度變化是一個(gè)具有延時(shí)性的過(guò)程（如對(duì)于重沸器的爐溫來(lái)說(shuō)，當(dāng)燃料氣調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度發(fā)生變化后，重沸器的爐溫不會(huì)立即發(fā)生變化，要等到燃料氣燃燒后對(duì)重沸器加溫或者與富三甘醇進(jìn)行換熱后達(dá)到降溫的效果，系統(tǒng)延時(shí)性較大），所以對(duì)于溫度的控制相對(duì)于其他變量（如壓力、流量）來(lái)說(shuō)，溫度控制的難度也就相對(duì)而言增加了不少，常規(guī)的PID控制對(duì)于高階含時(shí)滯的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，控制效果不如一般不含時(shí)滯的模型，參數(shù)選取不合適，得到的響應(yīng)曲線(xiàn)往往會(huì)不太理想，甚至使系統(tǒng)崩潰，故而我們?cè)谶x取參數(shù)時(shí)需謹(jǐn)慎一些。在本次三甘醇項(xiàng)目重沸器爐溫控制中，初期的參數(shù)對(duì)于該控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不太合適，得到的溫度變化曲線(xiàn)如圖1所示，從圖1可以明顯看出溫度在與設(shè)定值的偏差在±5℃左右，調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作也較為頻繁，這對(duì)于溫度控制來(lái)說(shuō)是不太合適的，特別針對(duì)此系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，對(duì)于溫度的控制要求較高，是不太能接受此種溫度波動(dòng)（如設(shè)定值為200℃，此時(shí)溫度達(dá)到設(shè)定值后進(jìn)行±5℃的波動(dòng)的話(huà)，那么溫度就會(huì)超過(guò)設(shè)定的高高報(bào)204℃，甚至超過(guò)三甘醇裂解溫度206.7℃，這對(duì)于三甘醇再生系統(tǒng)正常運(yùn)行是極為不利的），調(diào)節(jié)閥頻繁的動(dòng)作對(duì)調(diào)節(jié)閥的使用壽命也會(huì)有一定的影響，會(huì)加劇調(diào)節(jié)閥閥芯的沖蝕。針對(duì)此種情況，我們需要對(duì)重沸器爐溫控制系統(tǒng)的PID參數(shù)進(jìn)行整定，以期達(dá)到一條較為穩(wěn)定的溫度曲線(xiàn)——溫度在達(dá)到設(shè)定值時(shí)，有較小的超調(diào)量，且系統(tǒng)的響應(yīng)速度要相對(duì)較快，后續(xù)振蕩情況其振幅要盡可能的小，最好能做到無(wú)振幅的情況，但是由于重沸器爐溫受多個(gè)因素的影響（三甘醇富液溫度、燃料氣流量、環(huán)境溫度等）故而溫度在達(dá)到設(shè)定值穩(wěn)定之后有一定的波動(dòng)屬于正?，F(xiàn)象，但需要盡量把該振蕩幅度控制在±0.5℃以?xún)?nèi)。

圖1 未經(jīng)調(diào)試的重沸器爐溫曲線(xiàn)圖

2.重沸器溫度控制PID參數(shù)整定

(1)PID參數(shù)整定

所謂PID控制器參數(shù)整定就是通過(guò)設(shè)置和調(diào)整PID控制器的參數(shù)，使控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程達(dá)到滿(mǎn)意的效果。工程應(yīng)用中參數(shù)整定方法主要包括以下幾類(lèi)：試湊法、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法、臨界比例度法等。

根據(jù)工程項(xiàng)目實(shí)際情況，由于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于溫度的控制較為嚴(yán)格，不宜使用臨界比例度法進(jìn)行PID參數(shù)整定。同時(shí)對(duì)于壓力、液位和流量來(lái)說(shuō)，若使用臨界比例度進(jìn)行PID參數(shù)整定，那么其整定過(guò)程產(chǎn)生的等幅振蕩會(huì)影響正常工藝生產(chǎn)。故而試湊法是最適用于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，在使用試湊法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定時(shí)，可以結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法一起進(jìn)行整定，在整定的過(guò)程中有一個(gè)參考范圍，這樣可以極大地節(jié)省我們整定PID參數(shù)的時(shí)間，少走彎路。

(2)重沸器爐溫控制PID參數(shù)整定

一般溫度控系統(tǒng)可等價(jià)于一個(gè)二階時(shí)滯系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)如式（1）所示：

根據(jù)式（1）的傳遞函數(shù)可在Matlab仿真軟件中搭建重沸器爐溫控制系統(tǒng)模型，對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，通過(guò)觀(guān)察溫度響應(yīng)曲線(xiàn)（圖1），溫度達(dá)到設(shè)定值之后，在設(shè)定值附近波動(dòng)較大，衰減較慢，這是由于積分時(shí)間過(guò)短，此時(shí)我們需要加強(qiáng)積分作用，又由于溫度控制具有較大的滯后和較大的慣性，所以我們需要加入微分作用，經(jīng)過(guò)初步調(diào)整，得到的PID參數(shù)為：比例系數(shù)（P）3；積分時(shí)間（I）180s；微分時(shí)間（D）240s，在Matlab仿真軟件中得到結(jié)果如圖2所示。將仿真得到的結(jié)果應(yīng)用于重沸器爐溫PID器中得到的溫度響應(yīng)曲線(xiàn)如圖3所示。

圖2 Matlab仿真結(jié)果

圖3 初步調(diào)試后的重沸器爐溫曲線(xiàn)圖

由圖3可知，經(jīng)過(guò)初步的調(diào)整可以觀(guān)察到系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)效果已經(jīng)大幅度的提升，系統(tǒng)在達(dá)到設(shè)定值之后，基本在設(shè)定值±0.3℃以?xún)?nèi)進(jìn)行波動(dòng)，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度在溫度達(dá)到設(shè)定值之后也能維持在一個(gè)范圍內(nèi)，不會(huì)再大幅度的進(jìn)行啟閉，但可以觀(guān)察到系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)并不光滑，溫度響應(yīng)曲線(xiàn)在一個(gè)小范圍內(nèi)振蕩，此溫度控制系統(tǒng)還存在一定的余差，需要進(jìn)一步的增大積分時(shí)間，但是增加積分時(shí)間會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間增加，那么同樣的也需要對(duì)微分作用進(jìn)行調(diào)節(jié)。由控制邏輯可知，對(duì)于重沸器溫度影響較大的主要是調(diào)節(jié)閥C（即調(diào)節(jié)閥C為主調(diào)節(jié)閥），所以后續(xù)進(jìn)行微調(diào)的時(shí)候主要對(duì)調(diào)節(jié)閥C的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整即可，觀(guān)察系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)，若響應(yīng)曲線(xiàn)不理想再對(duì)調(diào)節(jié)閥A/B的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過(guò)整定，最后得到的結(jié)果參數(shù)為：比例系數(shù)（P）3；積分時(shí)間（I）300s；微分時(shí)間（D）400s，得到重沸器爐溫曲線(xiàn)如圖4，由圖4可知得到的溫度響應(yīng)曲線(xiàn)較為理想，溫度達(dá)到設(shè)定值后基本上維持在設(shè)定值位置，幾乎無(wú)波動(dòng)，但是由于積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（積分作用較弱），故而實(shí)際溫度與設(shè)定溫度存在一定的余差。還可以觀(guān)察到，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定值發(fā)生變化后，實(shí)際溫度重新達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間大概為兩小時(shí)左右（一般PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)兩個(gè)周期的振蕩便會(huì)趨于設(shè)定值，從圖4中也可以看出其振蕩一次的周期大約為一個(gè)小時(shí)），系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，但是由于此時(shí)微分作用已經(jīng)很強(qiáng)了，若進(jìn)一步提高微分作用，那么該系統(tǒng)的抗干擾能力會(huì)進(jìn)一步降低，由于重沸器爐溫易受其他因素影響，故而不能進(jìn)步一步提升微分作用了。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工藝或參數(shù)發(fā)生變化該組參數(shù)不能較為理想進(jìn)行控制時(shí)，再根據(jù)試湊法、觀(guān)察系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)相結(jié)合的方法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整即可。

圖4 重沸器爐溫響應(yīng)曲線(xiàn)

(3)結(jié)論

①本次針對(duì)重沸器爐溫控制系統(tǒng)參數(shù)整定主要采取了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、軟件及試湊法多種方法結(jié)合的方式。

②針對(duì)重沸器爐溫控制系統(tǒng)整定最終得到的控制參數(shù)為比例系數(shù)（P）3；積分時(shí)間（I）300s；微分時(shí)間（D）400s，觀(guān)察爐溫響應(yīng)曲線(xiàn)可知整定的參數(shù)較為理想。

3.總結(jié)及展望

在PID控制中，比例控制主要對(duì)系統(tǒng)偏差按照設(shè)定的比例進(jìn)行放大，從而達(dá)到消除系統(tǒng)偏差的目的；積分控制的特點(diǎn)是：只要還有余差（即殘余的控制偏差）存在，積分控制就不斷將系統(tǒng)余差進(jìn)行累積積分，當(dāng)積分過(guò)后的余差數(shù)值達(dá)到一定的程度后，系統(tǒng)直到余差消除，所以積分的效果比較緩慢，控制系統(tǒng)中引入積分作用會(huì)使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間增加；微分控制的特點(diǎn)是：盡管實(shí)際測(cè)量值比設(shè)定值還低，但其快速上漲的趨勢(shì)需要盡早抑制，否則等到系統(tǒng)的輸出值超過(guò)設(shè)定值再作反應(yīng)就晚了，這就是微分控制施展身手的地方了，作為基本控制作用，微分控制只看趨勢(shì)，不看具體數(shù)值，所以最理想的情況也就是把實(shí)際值穩(wěn)定下來(lái)之后再進(jìn)行調(diào)試，引入微分作用會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低[1]。

在我們實(shí)際的生產(chǎn)中，對(duì)于PID參數(shù)的整定，需要首先了解被控對(duì)象的特性，對(duì)于試湊法和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法的靈活運(yùn)用可以極大地節(jié)省我們調(diào)試PID參數(shù)的時(shí)間。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，我們可以將被控對(duì)象抽象出來(lái)轉(zhuǎn)換成為一個(gè)傳遞函數(shù)，借助Matlab軟件幫助我們調(diào)節(jié)PID參數(shù)，對(duì)于一些較為復(fù)雜的系統(tǒng)，不便于抽象為傳遞函數(shù)的被控對(duì)象來(lái)說(shuō)，借助軟件的方法就不適用了，因?yàn)槲覀儾荒軠?zhǔn)確地抽象出傳遞函數(shù)，所得到的模型與實(shí)際系統(tǒng)存在一定的誤差，那么借助軟件得到的PID參數(shù)結(jié)果運(yùn)用到實(shí)際系統(tǒng)中可能就達(dá)不到理想的控制效果，這是由于同一組PID控制參數(shù)對(duì)于不同的被控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，得到的響應(yīng)曲線(xiàn)也大相徑庭，此時(shí)我們就需要對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行試湊。在試湊的過(guò)程中參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不但可以節(jié)省我們的調(diào)試時(shí)間，還能使我們得到的控制效果更加穩(wěn)定。

綜上所述，通過(guò)本次對(duì)重沸器爐溫控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定過(guò)程可以體現(xiàn)，一般在工業(yè)控制系統(tǒng)中，對(duì)于PID控制器的參數(shù)整定往往采取多種方法結(jié)合的方式，比如本次采用了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法、試湊法、軟件模擬法等多種方法結(jié)合的方式，得到了較為理想的重沸器爐溫控制參數(shù)，即比例系數(shù)為3，積分時(shí)間為300s，微分時(shí)間為400s，在此控制參數(shù)下，當(dāng)設(shè)定溫度發(fā)生變化時(shí)，重沸器爐溫在設(shè)定溫度±0.3℃內(nèi)波動(dòng)，其調(diào)節(jié)時(shí)間大概在1.5h左右，通過(guò)觀(guān)察其響應(yīng)曲線(xiàn)可以觀(guān)察到PID參數(shù)整定前后，爐溫曲線(xiàn)得到了明顯改善、調(diào)節(jié)閥動(dòng)作也不像整定前那么頻繁，這也延長(zhǎng)了調(diào)節(jié)閥的使用壽命。目前在工業(yè)控制系統(tǒng)中對(duì)于PID控制器的使用已經(jīng)到了一個(gè)相對(duì)比較成熟的階段，不論是西門(mén)子自控控制系統(tǒng)PCS7中的PID參數(shù)自整定功能，還是浙江中控的i-OMC系統(tǒng)中的回路自整定功能，都能實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)PID控制器參數(shù)自動(dòng)整定的功能，其軟件還可以不斷升級(jí)學(xué)習(xí)，使自動(dòng)整定的參數(shù)更加貼合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。