基于PCS7的反應釜爐溫控制系統PID參數整定仿真與分析?

高晴張莉高田田薛旭璐

基于PCS7的反應釜爐溫控制系統PID參數整定仿真與分析?

高晴張莉高田田薛旭璐

（西安工程大學西安710048）

針對反應釜爐溫控制的工業問題，以PCS7為研究平臺，對爐溫過程控制系統進行PID參數控制與整定。鑒于PID參數整定在實際應用中的重要作用，論文以反應釜爐溫控制為目標，運用SMPT-1000仿真實驗平臺和PCS7軟件進行PID參數整定，經過實驗得出仿真曲線，總結并歸納了在爐溫控制系統中PID參數整定的規律與方法。

反應釜；爐溫；PID；參數整定

Class NumberTP273

1引言

反應釜是化工生產過程中的重要設備，反應釜的溫度控制質量直接影響產品質量和產量。反應釜的溫度控制系統的任務是在保證系統穩定的條件下，通過優化操作方式，改善產品質量，提高產品數量。具體就是選擇合適的控制變量，準確控制反應釜內的濃度或溫度以達到控制目的［1］。

PID控制是一種基于過程參數的控制法，它控制原理簡單、穩定性好、可靠性高。在反應釜爐溫控制過程中，PID控制方法能夠實現對溫度慣性大、容量滯后等動態特性的控制。

在生產過程自動控制的發展歷程中，PID控制是歷史最久，生命力最強的基本控制方式。隨著智能控制理論的發展，模糊控制理論、神經網絡控制理論已經運用于PID的參數整定，許多學者和研究人員在此方面進行了大量的研究工作，得到了許多的研究成果和積累了豐富的經驗［2］。而當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，或控制理論的其他技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時，應用常規的PID控制技術最為方便［3］。

2工藝過程分析

如圖1所示的工藝過程PID控制圖，工藝過程如下。

圖1 工藝過程PID控制圖

1）物料A和B以3∶1的比例進入混合罐V101；

2）混合罐V101達到一定液位后，混合物AB進入預熱器E101預熱后進入反應釜R101，同時催化劑以一定的比例進入反應釜；

3）物料A、B反應并放熱，反應釜R101達到一定液位后，生成物進入閃蒸罐V102進行閃蒸，回收一部分物料A；

4）閃蒸罐V102達到一定液位后，產品D混合物流出進入分離工序；

5）提升負荷；

6）反應釜R101達到一定溫度后，打開循環冷卻水閥門，一部分吸收反應熱的循環冷卻水進入預熱器進行預熱，一部分吸收反應熱的循環冷卻水流入公用工程循環使用。

本文根據該工藝過程設計的控制方案，在對被控變量特性進行分析的基礎上，對反應釜爐溫控制系統進行了PID參數整定與分析。

3 PID控制原理及其對控制性能的影響

如圖2所示為PID控制器的控制原理圖［4］。PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值r(t)與實際輸出值y(t)構成控制偏差e(t)，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量u(t)，對被控對象進行控制［5］。

圖2 PID控制器控制原理圖

控制器的輸出和輸入之間的關系可描述為

式中：Kp為比例增益，Ti為積分時間，Td為微分時間。表1簡述了不同控制方式對控制性能的影響。

表1 不同控制方式對控制性能的影響

4 反應釜爐溫控制系統的方案設計與實現

反應釜爐溫控制系統要求反應釜液位和溫度維持在一定值，以確保產物的質量和數量。

由于反應釜內反應為放熱反應，所以在穩定反應釜液位的前提下才能控制反應釜內溫度的穩定，即液位要在溫度穩定之前達到穩定狀態。由于壓力對閥門的流量、反應物的反應程度有影響，溫度和濃度也有一定的關系［8］。所以溫度、壓力控制會使液位產生影響，從而影響反應器內的組份。根據杜林直線，溫度和壓力成線性關系。所以只需要控制其中一個變量，就可以改變另一個變量［9］。選用溫度作為控制對象，控制目標是使溫度保持在某個相對較穩定的值或者是較小的范圍內，以便于其他變量的調節。

由圖1所示的工藝過程PID控制圖可知，反應釜液位控制和溫度控制采用的都是單回路控制方式。控制方案確定之后，使用PCS7編程軟件實現控制方案，使用SMPT-1000軟件進行仿真，得出仿真曲線。如圖3所示為反應釜溫度控制回路在PCS7編程軟件中的實現。

圖3 反應釜溫度控制回路

5反應釜爐溫控制系統PID參數整定與分析

我們所采用的PID經驗整定法包含以下幾步［10］：

1）令Ti→∞，Td=0，調節比例增益Kp。從小到大改變比例增益Kp，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直至獲得滿意的控制過程為止。

2）取比例增益Kp為當前值的0.83倍，從小到大增加積分時間Ti，同樣讓擾動信號作階躍變化，直至獲得滿意的控制過程為止。

3）積分時間Ti保持不變，改變比例增益Kp，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續調整，直到滿意為止；否則，將原比例增益Kp增大一些，再調整積分時間Ti，力求改善控制過程。如此反復調節，直至找到滿意的比例增益和積分時間。

4）加入適當的微分時間Td，此時可適當增大比例增益Kp和積分時間Ti。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復調整，直到控制過程滿意為止。

本文以反應釜液位和溫度的PID調節為例，根據PID經驗整定法對調節曲線進行分析對比。

5.1液位的PID調節

對于液位的控制采用的是單回路控制方式，根據液位的動態特性，即液位的純滯后較小，控制液位不如壓力靈敏，更不如流量靈敏，但通常比控制溫度要靈敏，所以在液位控制中一般不用微分作用，即Td=0。

在本文的控制方案中，根據PID經驗整定法，首先調節比例作用P，然后再加入積分作用I。

1）比例增益Kp的調節

調節Ti=9999，即Ti→∞；Td=0。根據PID經驗整定法，將Kp從小到大變化，觀察系統曲線的變化情況。在本例中首先取Kp=40，液位設定值為25%，仿真曲線如圖4（a）所示，從圖中可以看出由于Kp過小，液位達不到設定值，所以需要增大比例增益的值。每次改變比例增益的值都通過改變液位設定值來觀察仿真曲線的變化。當取Kp=70，液位設定值為35%時，得到仿真曲線如圖4（b）所示，從圖中可以看出液位達到設定值，之后趨于穩定，穩定值與設定值之間存在余差。

圖4 比例增益Kp調節仿真曲線

2）積分時間Ti的調節

比例增益調節合適之后加入積分作用，和比例增益一樣從小到大調節。在本例中首先取Ti=10，Kp=58，改變液位設定值為為40%，得到的仿真曲線為圖5（a）所示，從圖中可以看出積分作用的加入具有消除余差的作用，此時震蕩次數偏多，可以繼續加大積分時間。當積分時間增大到Ti=100，液位設定值為35%時，得到的仿真曲線為圖5（b）所示，從圖中可以看出，此時積分作用明顯，穩定值與設定值之間的余差較小。

此后，可對比例增益和積分時間進行微調，直至獲得更加滿意的仿真曲線為止。

圖5 積分時間Ti調節仿真曲線

5.2溫度的PID調節

由于溫度慣性大，容量滯后大，控制起來不靈敏，因此溫度控制系統需要增加微分作用。微分作用的加入可減少調節過程的動偏差，縮短調節時間；微分時間越大，作用越強，太強時易引起震蕩。

和液位的調節方式一樣，首先令Td=0，先調節比例增益，再加入積分作用。在本例中，當調節到Kp=9，Ti=35時，得到圖6（a）所示的仿真曲線圖，然后加入微分作用。

當Td=1時，得到圖6（b）所示的仿真曲線圖，從圖中可以看出由于Td偏小，仿真曲線震蕩次數偏多，此時可以增大微分時間。

當Td=3時，得到圖6（c）所示的仿真曲線圖，與Td=1時的仿真曲線相比，從圖中可以看出，溫度變量的震蕩次數減少了，超調量也減小了。此時，可以對比例增益和積分時間進行微調，以得到更加滿意的仿真曲線。

圖6 微分時間Td仿真曲線

6結語

本文根據具體的工藝流程，在對被控對象特性分析的基礎上，應用PID經驗整定法，以液位和溫度為例進行參數的整定分析，然后對仿真曲線進行對比分析。

比例調節根據“偏差大小”來動作，輸出與輸入偏差的大小成比例，調節及時、有力，但有余差；比例度越小，調節作用越強，太強時容易引起震蕩。

積分調節根據“偏差是否存在”來動作，輸出與偏差對時間的積分成比例，其實質是消除余差。積分使最大動偏差增大，延長了調節時間；積分時間越小，積分作用越強，太強時易引起震蕩。

微分調節根據“偏差變化速度”來動作，輸出與偏差變化的速度成比例，有超前調節作用，對滯后大的系統調節效果好。可減少調節過程的動偏差，減小超調量縮短調節時間；微分時間越大，作用越強，太強時易引起震蕩［11］。

在反應釜溫度控制系統中，使用PID經驗整定法可使比例積分微分三個參數協調工作，能夠實現對溫度的穩定控制。但是PID經驗整定法要有一定的現場運行經驗，整定時帶有主觀片面性，當有多個整定參數時，反復調節的次數較多，不易得到最佳整定參數，并且PID經驗整定法不能夠脫離人為控制，后續研究中會將這一系列數據以專家系統形式出現，實現智能PID自動整定過程［12］。

［1］楊軍民.反應釜溫度控制的研究現狀及化工自動化發展現狀［J］.廣東化工，2010，37（5）：288-290.

YANG Junmin.Research status of temperature control in reaction kettle and present situation of chemical automa?tion development［J］.Guangdong chemicalindustry，2010，37（5）：288-290.

［2］黃宜慶.PID控制器參數整定及其應用研究［D］.淮南：安徽理工大學，2009.

HUANG Yiqing.PID controller parameter tuning and its application research［D］.Huainan：Anhui University of Science and Technology，2009.

［3］金奇，鄧志杰.PID控制原理及其參數整定方法［J］.重慶工學院學報，2008，22（5）：91-94.

JIN Qi，DENG Zhijie.PID controlprinciple and its param?eter tuning method［J］.Journal of Chongqing Institute of Technology，2008，22（5）：91-94.

［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.

HE Zhiqiang.Parameter tuning method of PID controller and its application［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2005.

［5］張濤.反應釜溫度控制系統的研究［D］.青島：青島科技大學，2009.

ZHANG Tao.Research on temperature control system of reaction kettle［D］.Qingdao：Qingdao University of Sci?ence and Technology，2009.

［6］郭帆，曹宏濤，王華強，等.基于PCS7的加熱爐自控系統［J］.工業儀表與自動化裝置，2014，23（4）：62-65.

GUO Fan，CAO Hongtao，WANG Huaqiang，et al.Auto?matic controlsystem ofheating furnace based on PCS7［J］. Industrial instrumentationand automation equipment，2014，23（4）：62-65.

［7］王素青，姜維福.基于MATLAB/Simulink的PID參數整定［J］.工業控制與應用，2009，28（3）：24-28.

WANG Suqing，JIANG Weifu.Tuning of PID parameter based on MATLAB/Simulink［J］.Industrial control and Application，2009，28（3）：24-28.

［8］陳夕松，汪木蘭.過程控制系統［M］.北京：科學出版社，2011，109-112.

CHEN Xisong，WANG Mulan.Process controlsystem［M］. Beijing：Science Press，2011，109-112.

［9］馬昕，張貝克.深入淺出過程控制：小鍋帶你學過控［M］.北京：高等教育出版社，2013，117-144.

MA Xin，ZHANG Beke.A simple process control：with the potyou learned to control［M］.Beijing：Higher Educa?tion Press，2013.117-144.

［10］徐璟.PID參數整定分析［J］.分析與探討，2010，4（120）：83-85.

XU Jing.PID parameter setting analysis［J］.Analysis and discussion，2010，4（120）：83-85.

［11］任德奇，郭兵.模糊PID參數自整定在爐溫控制系統中的應用［J］.控制技術，2008，27（19）：77-79.

REN Deqi，GUO Bing.Application of fuzzy selftuning of PID parameterin temperature control system［J］.Control Technology，2008，27（19）：77-79.

［12］王雪峰.連續攪拌反應釜溫度控制方法的研究［D］.沈陽：東北大學，2008.

WANG Xuefeng.Study on temperature control method of continuous stirred tank reactor［D］.Shenyang：Northeast?ern University，2008.

PID Parameter Tuning Simulation and Analysis of Reactor Temperature ControlSystem Based on PCS7

GAO Qing ZHANG Li GAO Tiantian XUE Xulu
（Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048）

According to the problem of industrial reactor temperature control，based on PCS7 platform，forthe process control system of furnace temperature controland PID parameter turning.In view ofthe importantrole of PID parameter turning in practical application，in this paper，for the goalofreactor temperature control，using SMPT-1000 simulation platform and PCS7 software for PID parameters turning，the simulation curve is obtained through experiment，then the PID parameter turning rules and methods in the temperature controlsystem are summarized and concluded.

reactor，furnace temperature，PID，parameter turning

TP273

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.08.031

2017年2月3日，

2017年3月21日

高晴，女，碩士研究生，研究方向：智能控制技術。張莉，女，博士，副教授，研究方向：先進控制理論。高田田，女，碩士研究生，研究方向：智能控制技術。薛旭璐，女，碩士研究生，研究方向：智能控制技術。