基于臨界比例度法的羅茨風機PID整定

孫小凌 徐術平

摘 要： 某化工項目中熱解爐在正常運行過程中負壓需保持穩定。在此采用臨界比例度法在PLC調節器中直接進行羅茨風機PID參數的初步整定、計算出整定參數，然后根據實際調節情況進行參數的進一步調整，確定最終的整定值。熱解爐進料和噴嘴清洗的實際工況運行，證明了調節器的調節性能好，熱解爐的負壓穩定性好，滿足了工藝要求。該整定方法具有快速性、直觀性和適應強的特點。該文對于工藝設備可進行多次試驗和允許臨界振蕩工況的系統具有良好的工程實踐和借鑒意義。

關鍵詞： 臨界比例度法； PID整定； 負壓； 羅茨風機

中圖分類號： TN919?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）05?0161?03

0 引 言

某化工項目中，料液被輸送到500 ℃的熱解爐中，在攪拌的作用下受熱氣化，進行分解、中和反應。產生的熱解氣通過熱解爐中的金屬高溫過濾器，進入燃燒爐、完全燃燒生成煙道氣，進入驟冷器進行驟冷。然后經過噴射洗滌器冷卻凈化和高效氣體過濾器過濾后，自羅茨排風機排至室外煙囪。該工藝原理如圖1所示。

為了防止熱解爐中熱解氣體的外泄漏，同時保護工藝設備和測量儀表，工藝要求熱解爐運行期間負壓在-1.5～-3.0 kPa范圍——工藝定值為-2.5 kPa，這主要通過控制與熱解爐負壓連鎖的羅茨排風機風量來實現。

1 羅茨風機控制

通過PLC和電氣控制箱對變頻器控制實現羅茨風機風量的調節。羅茨風機的控制原理如圖2所示。ATV21變頻器采用使用其內部電源的SOURCE（源，正）標準接法（公共端：P24）[1]；電氣控制箱實現變頻器的就地/遠方和手動/自動控制方式的切換，以及將變頻器的故障信號傳遞給PLC。其中，在遠方、自動模式下PLC根據熱解爐的實時負壓和負壓定值進行PID運算，并向變頻器輸出4～20 mA信號，變頻器轉換為相應的風機運行頻率；其余控制模式下，羅茨風機在額定功率下運行。

2 PID整定

PID參數整定的方法有很多種，常用的有試湊法、經驗法、臨界比例度法、衰減曲線法和Ziegler?Nichols等[2?3]。其中，臨界比例度法不需要知道被控對象的動態特性，而是通過總結前人理論和實踐的經驗，利用經驗公式得到PID控制的最優整定參數[4]。用來確定被控對象動態特性的參數有兩個：臨界增益[Ku]和臨界振蕩周期[Tu。]

根據經驗數據，基于負壓控制的羅茨風機風量調節適合采用PI調節器[5]。如第1節所述，羅茨風機和熱解爐之間有燃燒爐和驟冷器等其他工藝設備，致使難以確定羅茨風機調節系統數學模型的具體參數。在熱解爐未進料的情況下工藝允許反復啟動羅茨風機——電機功率22 kW，熱解爐的負壓對羅茨風機的風量響應快、時間滯后常數小。因此，采用臨界比例度法進行羅茨風機的PI調節器整定，具體整定過程如下：

（1） 將調節器設置成純比例作用，比例增益[KP=5。]為了避免整定過程中，熱解爐負壓大幅超過其允許范圍，將熱解爐負壓的定值設置為-1.6 kPa；

（2） 啟動羅茨風機，將系統投入閉環運行，從PLC上觀察熱解爐的負壓曲線；

（3） 如果負壓曲線是衰減的，則停止風機、增大比例增益[KP，]重做試驗；

（4） 如果負壓曲線的振蕩幅度是不斷增大，則停止風機、減小比例增益[KP，]重做試驗。

重復上述步驟（3），步驟（4），當[KP=45]時，出現如圖3所示的等幅振蕩曲線。此時的比例增益就是臨界增益[Ku。]

（5） 圖3中3個典型時刻的負壓如表1所示，據此計算出對應的臨界周期[Tu=]15 s。

對于PI調節器，[KP=0.45×45=]20.2，[TI=0.83×15=]12.5 s。

（7） 將計算好的[KP]和[TI]參數值在調節器上設置好，并將熱解爐負壓的定值設置為-2.5 kPa。將系統投入閉環運行，啟動羅茨風機。根據熱解爐的負壓曲線，對調節器的參數進行進一步的微調。圖4是[KP=20]和[TI=30]時的負壓曲線，表3是圖4中9個典型時刻的負壓值。

（8） 根據圖4和表3，計算表4中對應的調節時間和調節次數等性能指標。

從圖4和表4可知，在該PI整定值下熱解爐的負壓雖然可以較為快速的調節，但調節次數較多、振蕩調節時間較久。因此，應減弱積分作用，即增加積分時間[TI=]50 s。

3 實際運行效果

3.1 進料階段

熱解爐加熱到正常運行溫度500 ℃后，于05：12：47 pm時刻啟動羅茨風機，熱解爐的負壓不斷下降。05：17：55 pm時刻開始負壓低于定值-2.5 kPa，于05：17：59 pm時刻達到最小值-2.855 9 kPa，之后負壓在調節器的調節作用下開始穩定；05：18：27 pm左右，開始向熱解爐中進料液；根據工藝要求，緩慢增加進料速率；05：39：59 pm停止進料操作。

圖5是羅茨風機啟動和熱解爐正常進料階段的負壓曲線，表5是圖5中典型時刻的熱解爐負壓值。根據圖5和表5計算的性能指標填入表4中。

從圖5可知，整個進料過程中隨著進料速度的增加，熱解爐的負壓波動逐漸小幅增大，但調節器的動態性能好、負壓穩定，滿足工藝要求。從表4可知，修改PI整定值即增加積分時間[TI=50]后，調節次數減少到3次，調節時間減少到51 s。調節性能得到極大改善。

3.2 噴嘴清洗階段

正常進料結束后，05：40：29 pm開始進行進料噴嘴的清洗，05：40：36 pm結束噴嘴清洗。清洗過程中熱解爐負壓發生劇烈波動，在05：40：39 pm時刻負壓迅速增到0.737 8 kPa，遠超熱解爐負壓的允許范圍（-1.5～-3.0 kPa）。但經PLC調節器的控制，11 s后負壓（-1.814 2 kPa）快速降到允許范圍.，最終經過6個調節周期穩定。

圖6是噴嘴清洗階段的負壓曲線，表6是圖6中典型時刻負壓值。根據圖6和表6計算的性能指標填入表4中。

從圖6和表4可知，在噴嘴清洗造成負壓大振幅波動情況下該調節器仍可快速將負壓調節到正常范圍，而且負壓經5個調節周期較快地達到穩定狀態（調節時間83 s），調節性能好，滿足了工藝要求。

4 結 語

采用臨界比例度法整定的羅茨風機調節器，在熱解爐正常進料和噴嘴清洗過程中動態響應快、穩定性好。對于整定階段允許控制對象反復啟停、被控量與控制對象之間的時間滯后常數小，尤其是難以建立對象具體數學模型的工藝系統，都可采用本文所述的方法快速進行PID參數整定。

參考文獻

[1] 施耐德電氣公司.ATV21異步電機變頻器用戶手冊[EB/OL].[[2006?10?23] .]http：// wenku.baidu.com/view/cdc3e303cc17552 [?]707220847.html.

[2] 李少遠，王景成.智能控制[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3] 王玉德，韓秀慶，韓秀勇，等.PID參數調整仿真比較研究[J].電氣自動化，2011，33（6）：1?3.

[4] 何芝強.PID控制器參數整定方法及其應用研究[D].杭州：浙江大學，2005.

[5] 金奇，鄧志杰.PID控制原理及參數整定方法[J].重慶工學院學報（自然科學），2008，22（5）：91?94.

[6] 孫躍光，林懷蔚，周華茂，等.基于臨界比例度法整定PID控制器參數的仿真研究[J].現代電子技術，2012，35（8）：192?194.