基于內模控制理論的參數整定

王民濤，謝克明

（1.中國平煤神馬集團，河南平頂山467000；2.鄭州電力高等專科學校，鄭州450004）

1 內模控制理論的定義

內模控制理論的原理，源于20世紀90年代末期黑箱理論的深化，是以控制對象的結果反推實現條件的過程，并建立對應的數學模型，對結果進行預估，形成快速響應機制。

由于常規控制理論的局限，典型控制回路的組態與參數整定及使用效果不夠理想，主要表現在整定周期長、抗干擾能力差等方面。針對這些不足，筆者在新建項目中，利用新穎的內模控制理論，成功地克服了以上問題，保證了生產系統的穩定和產品質量的提升。文中針對基于內模控制理論的典型控制回路的參數整定加以分析。

2 典型回路的基本控制方案

2.1 工藝要求

在某大型化工項目中，原料混合罐D160作為加氫反應器R310的給料緩沖，在整個生產過程中占有重要的地位。能否保證氫氧化鈉（NaOH）、乙醇（EtOH）與己二腈（AND）以一定的比例進入D160，將直接影響到最終產品的質量。因此，工藝要求：

1）氫氧化鈉流量qm2與己二腈流量qm1保持一定的比例關系。

2）乙醇流量qm3與qm1保持一定的比例關系。

3）D160的液位穩定在一定高度。

4）泵P164A及P164B都停時，己二腈、氫氧化鈉、乙醇進料閥全關。

5）保證最終產品的濃縮生產穩定連續。

2.2 基本控制方案

根據上述工藝要求，采用兩個單閉環比值調節系統及一個單回路調節系統，使qm2與qm1，qm3與qm1保持一定比例關系。雙閉環比值調節回路如圖1所示。

單回路調節系統通過控制己二腈進料閥控制D160液位的穩定，如圖2所示。

圖1 雙閉環比值調節回路示意

圖2 液位閉環調節系統示意

3 控制回路調節器PID參數整定

調節器參數的整定是根據已定的控制方案確定調節器的最佳參數（比例度δ、積分時間TI及微分時間TD）值，使系統能獲得好的調節質量。

在第一期裝置中，由于PID參數的設置不是十分合理，控制效果較差，常需要人工干預。控制發散，操作人員常將控制器打到手動狀態，使閥位的輸出保持在一個定值，降低了自控率和控制效果。通常被控對象越復雜，控制器越常處于手動狀態，基礎PID回路參數整定不合理，最終產品的控制趨勢常常出現不理想的狀態，影響了產品質量和安全生產，同時也不利于節能降耗。

3.1 內模控制技術及其應用

3.1.1 PID整定過程

首先，按常規PID控制算法有以下3種類型：

其次，將以上PID控制的基本類型轉化為替代模型，即先進控制模型和混合控制模型，根據內模控制理論，推導出更新型內模-PID整定方法，如圖3所示。

圖3 內模-PID整定過程示意

內模-PID整定一般在先進控制站中實施，也可以直接放在操作站中，此時操作站可以稱為先進控制站。在現場，內模-PID整定控制一般是在已經正常運行的DCS上添加先進控制的功能，為了現場的穩定操作、安全等原因，一般另辟一塊區域運行內模-PID整定控制軟件。

過程數據存儲在趨勢數據中，為了獲得這些數據，該方案基于OPC（OLE for Process Contro1）接口標準，編寫一個和集散系統進行數據交換的軟件接口，并建立模型，將內模-PID整定控制運算后的結果，傳給實時控制系統。最后，通過軟件包模塊確立控制器參數優化整定軟件包，如圖4所示。

圖4 控制器參數優化整定軟件包

3.1.2 內模控制所需的物理環境

在該裝置的DCS中，利用工程師站下裝PID參數自整定軟件包和數據接口軟件包，即該工程師站既充當OPC服務器，又充當內模-PID整定控制站。

3.1.3 控制對象特性的獲取方法

無論是閉環和開環控制回路均可進行辨識。辨識可以采用開環（控制器處于手動）階躍輸入的方式。在該裝置中，由于回路數較多，PID調節器參數初始整定不良，一個回路的波動將導致其他回路受影響，甚至造成整個裝置控制的不穩定。因此，新的控制方法一般采用開環辨識（有控制器存在），保證辨識信號對生產的影響最小。辨識輸入信號為給定值的擾動，為了解決閉環可辨識性問題，選用求解速度快的隨機數直接搜索算法，根據已知的控制器參數，求解出對象的特性。

該方法整定的PID參數具有解耦能力，即能夠形成有效的大閉環回路、較強的擾動抑制功能，從而以運算的結果作為給定值，滿足整個控制回路參數的自動調整。

該實例中，通過內模-PID整定后的參數值見表1所列。

表1 內模-PID整定后的參數值

4 效果分析

改進后的控制方案（相對于第一期裝置），實際控制效果表明，可以保證裝置控制的可靠性。采用先進內模控制理論組態和整定控制器的參數，響應速度快、超調小或無超調，抗干擾能力強，現場應用的效果如圖5所示。

圖5 內模理論應用效果示意

由圖5中可以看出，完成一個調節周期不大于50 s，最大超調值不超過3%，具有較強的抗干擾能力。該較復雜的多控制回路中，各項性能指標已達到很好的程度。

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