涪陵氣田PID控制系統(tǒng)的應(yīng)用及智能化發(fā)展探討

蔡駿馳

摘要：介紹了PID控制的基本原理，利用PID控制實(shí)現(xiàn)頁巖氣田遠(yuǎn)程調(diào)產(chǎn)功能。在PID參數(shù)整定的基礎(chǔ)上，指出傳統(tǒng)PID參數(shù)整定具有物理意義明確、易于掌握的優(yōu)點(diǎn)以及其參數(shù)優(yōu)化不夠的缺點(diǎn)，進(jìn)而引入智能化發(fā)展趨勢，將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制方法與PID控制方法有機(jī)地結(jié)合起來，使PID參數(shù)的整定更加完善化，以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)過程中對(duì)各種對(duì)象的控制要求，為氣田的智能化建設(shè)添磚加瓦。

關(guān)鍵詞：PID控制；智能控制；智能化

一、引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，經(jīng)常用到閉環(huán)控制方式來實(shí)現(xiàn)溫度、液位、壓力、流量等模擬量控制，當(dāng)今的閉環(huán)自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念以減少不確定性。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制[1]。本文就涪陵頁巖氣田遠(yuǎn)程調(diào)產(chǎn)功能引入PID控制系統(tǒng)的應(yīng)用，并針對(duì)PID控制器及其相關(guān)智能化技術(shù)作一探討。

二、PID控制技術(shù)在頁巖氣流量中的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)描述

目前涪陵頁巖氣田試驗(yàn)井組部分集氣站完成遠(yuǎn)程調(diào)產(chǎn)功能的應(yīng)用，系統(tǒng)利用控制器之間的MODBUS協(xié)議通訊，間接完成對(duì)閥門開度的控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)產(chǎn)功能。本文設(shè)計(jì)通過利用PID模塊完成定流量采氣，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)產(chǎn)能。

2.2 系統(tǒng)組成

頁巖氣流量通過水套加熱爐前電動(dòng)閥門控制，由閥門定位器（4-20mA）控制閥門的開度。分離器出口采集溫度、壓力、差壓信號(hào)，送PLC進(jìn)行產(chǎn)量計(jì)算。最后由PLC通過一定的算法處理完后輸出4-20mA的閥門控制信號(hào)。

以PLC 為控制核心構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，檢測單元將被控對(duì)象實(shí)際的測量值PV 轉(zhuǎn)換為1～5V的電壓信號(hào)，該模擬信號(hào)通過PLC的AI 模塊，進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。把定標(biāo)后所得的數(shù)值作為PID 模塊的輸入，來執(zhí)行PID運(yùn)算，將測量值PV與給定值SP進(jìn)行比較，根據(jù)二者的偏差e（t）進(jìn)行PID算法的運(yùn)算，得到輸出操作信號(hào)u（t）。再經(jīng)過PLC的AO模塊進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)作用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。

2.3 PID控制方程

對(duì)連續(xù)時(shí)間類型，PID 控制方程的標(biāo)準(zhǔn)形式為：

u（t）=Kp[e（t）++] （1）

（1）式中：

u（t） ——PID控制器的輸出，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開度相對(duì)應(yīng)；

t ——采樣時(shí)間；

Kp——PID控制器比例增益；

e（t） ——PID控制器的偏差輸入；

TI ——PID控制器的積分時(shí)間常數(shù)；

公式（1）中等號(hào)右邊的3項(xiàng)分別是比例、積分和微分部分，它們分別與輸入量偏差e（t）、偏差的積分和偏差的微分de（t））/dt成正比。

三、智能化控制技術(shù)的探討

3.1 常規(guī)PID控制器的不足

基于采用PID 算法的控制系統(tǒng)其控制品質(zhì)的優(yōu)劣在很大程度上取決于對(duì)PID上述3 個(gè)參數(shù)的整定，而其整定方法都是根據(jù)對(duì)象特性離線進(jìn)行的[2]。實(shí)際上大多數(shù)工業(yè)對(duì)象都不同程度地存在非線性、時(shí)變、干擾等特性，隨著環(huán)境的變化對(duì)象的參數(shù)甚至結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生變化，用原先整定好的PID參數(shù)實(shí)施控制很難達(dá)到理想的控制效果。

3.2 智能控制器的介紹

近年來，人們將常規(guī)PID控制技術(shù)與智能控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，形成了許多形式的智能PID控制器，通過PID參數(shù)自整定方案解決傳統(tǒng)PID參數(shù)整定的不足。

3.2.1 模糊PID控制器

模糊控制是基于專家經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域知識(shí)總結(jié)出若干條模糊控制規(guī)則，構(gòu)成描述具有不確定性復(fù)雜對(duì)象的模糊關(guān)系，通過被控系統(tǒng)輸出誤差及誤差變化和模糊關(guān)系的推理合成獲得控制量，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制[3]。

模糊PID控制器由參數(shù)可變的PID控制器及一個(gè)模糊控制器共同構(gòu)成。模糊控制器完成PID控制器三參數(shù)的在線整定，而控制信號(hào)則由PID控制器生成。這種也被稱為“PID參數(shù)自調(diào)整模糊控制器”[3]。文獻(xiàn)[4]提出由三個(gè)二維的子模糊控制器分別在線調(diào)整PID三參數(shù)，時(shí)間t作為三個(gè)子模糊控制器共同的輸人，能根據(jù)PID三參數(shù)在不同時(shí)刻所起的作用進(jìn)行在線整定。

3.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法是基于人腦控制行為的生理學(xué)研究而發(fā)展起來的一種智能控制方法。建立人工控制器的正向模型，經(jīng)過訓(xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將記憶該控制器的動(dòng)態(tài)特性，并且接受輸入信息，最后輸出與人工控制器相似的控制作用[5]。

為此，人們將其與常規(guī)PID控制器結(jié)合起來，構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器。此時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)際上是一個(gè)前饋控制器，它建立的是對(duì)被控對(duì)象的一種求逆過程。其通過向傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行學(xué)習(xí)，在線調(diào)整自己，使反饋誤差趨向于零，以使自己逐漸在控制作用中占據(jù)主導(dǎo)地位，最終取消反饋調(diào)節(jié)器的作用[6]。

四、結(jié)語

涪陵頁巖氣田通過PID控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)頁巖氣流量的遠(yuǎn)程調(diào)產(chǎn)功能具有可行性，PID系統(tǒng)的建立提高了涪陵頁巖氣田的自動(dòng)化水平。同時(shí)因?yàn)閭鹘y(tǒng)PID控制器的自身不足，引入智能化發(fā)展趨勢，將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制方法與PID控制方法有機(jī)地結(jié)合起來，以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)過程中對(duì)各種對(duì)象的控制要求，為氣田的智能化建設(shè)添磚加瓦。

參考文獻(xiàn)：

[1]百度百科.PID控制[EB/OL].[2016-6-5].

[2]宋運(yùn)忠.PID參數(shù)整定發(fā)展的趨勢[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，18（5）：369-371.

[3]夏紅，宋建成.模糊PID控制器的發(fā)展[J].化工時(shí)刊，2013，17（1）：1-4.

[4]諸靜等.模糊控制原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1995.

[5]葉定春.PID調(diào)節(jié)器及其智能化控制技術(shù)的探討[J].煤氣與熱力，2013，24（5）：256-259.

[6]趙望達(dá)，魯五等.PID控制器及其智能化方法探討[J].化工自動(dòng)化及儀表，2010，26（6）：45-48.