積分分離PID算法在甘油蒸餾中的應用

王偉 倪偉 鐘群(淮陰工學院自動化學院， 江蘇 淮安 223001)

積分分離PID算法在甘油蒸餾中的應用

王偉 倪偉 鐘群(淮陰工學院自動化學院， 江蘇 淮安 223001)

針對粗甘油精煉過程中甘油蒸餾釜溫度控制系統具有慣性大、滯后嚴重的特點，設計了一種采用積分分離PID算法的釜溫控制系統。使用MATLAB軟件自帶的Simulink仿真環境，構建釜溫控制系統模型，并對其進行仿真，結果表明：該設計增強了系統的穩定性，提高了控制精度，減小了超調量。

蒸餾釜；溫度控制；積分分離；MATLAB

粗甘油精煉過程中，為保證最終成品甘油的高純度，甘油蒸餾工藝對蒸餾釜溫度控制作出了較高的要求。而釜溫控制系統具有慣性大、滯后嚴重的特點，若采用傳統的PID控制系統，其執行元件不能對被控制量的變化做出快速反應，當短時間內出現較大偏差時，在積分項作用下，會產生較大的超調和長時間的振蕩，控制量u將超出限制范圍，引起積分失控，很難達到滿意的控制效果[1-2]。因此，為了解決積分失控和提高控制質量，設計了一種基于S7-200 Smart PLC結合積分分離PID算法的釜溫控制系統，既具有控制靈活、超調量小、實現容易的特點，又能有效地改善了系統響應時間和控制精度，更大程度上保證了甘油蒸餾的溫度條件。

1 甘油蒸餾工藝

甘油蒸餾工藝流程如圖1所示，粗甘油進入處于真空狀態下的T101蒸餾釜中，在導熱油加熱下汽化，釜頂少量冷凝液經過V102旋液分離器分離回流至蒸餾釜中，而過濾后的甘油蒸氣將進入逐級冷凝工藝環節。其中蒸餾釜T101的溫度由進釜的導熱油SV101調節閥控制。釜底的有機鹽、無機鹽、難揮發的其他雜質等高沸點組分將進入到重組分釜提煉處理。

圖1 甘油蒸餾工藝示意圖

2 釜溫控制系統

甘油蒸餾釜溫度控制系統基本結構如圖2所示，由S7-200 SMART控制器、蒸餾釜、溫度傳感器、溫度變送器、電磁調節閥等幾個部分組成。系統的控制原理為：溫度傳感器將采集到的甘油蒸餾釜溫度信號，經過溫度變送器轉換為電流信號，模擬量輸入模塊將送進來的電流信號A/D轉換為數字量，S7-200 SMART控制器將采集的溫度值與設定的溫度值做比較，算出偏差值，并經過控制算法運算得出輸出控制量，該輸出量再經過模擬量輸出模塊D/A轉換為電流信號，傳送給電磁調節閥，控制調節閥的開度以調節流向蒸餾釜的導熱油流量，達到控制釜溫的目的[3]。

圖2 蒸餾釜溫度控制系統結構框圖

3 積分分離PID算法

在常規的PID數字控制器中引入積分環節的目的，主要是為了消除靜態誤差、提高控制精度。但在系統啟動、結束或大幅度調整設定值時，系統輸出的控制量在短時間內產生較大的偏差，造成PID運算的積分積累，控制量超過執行機構可能的最大動作范圍對應的極限控制量，引發控制失效，并可能造成后續控制過程嚴重超調，引起系統不穩定。

為了解決上述問題，系統采用積分分離PID控制算法。積分分離的基本原理：當被控量與設定值偏差較大時，取消積分環節，避免超調量的增大；當被控量接近給定值時，再加入積分控制作用，以消除靜差，提高控制精度[4]。具體實現如下：

根據實際情況，設定積分分離限值ε＞0；

當|e(k)|＞ε，即偏差值較大時，采用PD控制，取消積分項作用，使系統有較快的響應，改善動態品質；

當|e(k)|≤ε，即偏差值較小時，采用PID控制，提高系統穩態精度。

積分分離PID控制算法表示為：

式中：KP為比例系統；KI為積分系數；KD為微分系數；T為采樣時間，β為積分項的開關系數。

釜溫控制系統的積分分離PID算法流程如3所示，其中r(k)和y(k)分別為蒸餾釜釜溫的給定值和測量值。

圖3 積分分離PID算法流程圖

4 系統仿真與分析

利用Matlab軟件提供的Simulink工具箱對所設計的基于積分分離PID算法的釜溫控制系統進行建模和仿真。根據測量的溫度曲線，畫圖和計算，得出被控對象釜溫傳遞函數為G(s)=1/(240s+1) e^(-60t)。把溫度給定值設定為186℃，積分限值ε設為18。在Simulink中構建了如圖4所示的釜溫控制系統模型。

圖4 釜溫控制系統模型結構圖

傳統PID控制系統溫度變化仿真曲線如圖5所示，積分分離PID控制系統溫度變化仿真曲線如圖6所示。從仿真結果可以直觀看出，采用傳統PID算法的溫度控制系統有較大的超調，需要較長的時間達到穩定。而采用積分分離PID算法的溫度控制系統超調小，響應速度快，在短時間內達到穩定。

圖5 傳統PID控制系統溫度變化曲線

圖6 積分分離PID控制系統溫度變化曲線

5 結語

為了解決粗甘油精煉中蒸餾釜溫度控制系統慣性大、滯后嚴重的問題，本文設計了基于積分分離PID算法的釜溫控制系統，并使用Matlab軟件進行建模仿真。實驗結果表明：該設計相比傳統的PID控制方式，能夠有效地抑制超調量，提高響應速度，消除靜差，滿足甘油蒸餾工藝對釜溫的精確控制要求，且方法簡單，具有較高的實用價值。

[1]楊久紅,王小增.積分分離PID控制算法的電阻爐溫度控制系統[J].計算機測量與控制,2012，20(1):66-69.

[2]王蕊,苗寶增,王秀英.造紙生產積分分離PID串級溫度控制器[J].生產實踐,2009，28(6):70-72.

[3]王春雷,鄧遠超,費凌.反應釜溫控系統的積分分離PID算法及仿真[J].機械工程與自動化,2009，(04):70-72.

[4]李昂.積分分離PID控制算法在PLC爐溫控制系統中的應用[J].電子設計工程,2013，21(24):54-58.

Application Of Integralseparation PID Algorithm In Glycerine Distillation

Wang Wei,Ni Wei,ZhongQun(College Of Automation,HuaiyinInstitude of Technology,Huaian Jiangsu 223001)

According to the characteristics of larger inertia and serious hysteresis of the glycerine distillation temperature control system in the process of crude glycerol re fi ning,a kettle temperature control system based on integral separation PID algorithm is designed.UsingSimulink environmentwhich built in MATLAB software,the model of kettle temperature control system is constructed and simulated,the results show that the design enhancesthe stability of the system,improves the control accuracy and reduces overshoot.

distillation kettle; Temperature control; Integral separation; MATLAB

王偉(1991-)，男，江蘇宿遷人，現就讀于淮陰工學院，在讀研究生，專業方向:化工過程自動化。