一種多流體反應釜的溫度改進型控制方法

杜興剛 孫佳隆

摘 要：本文簡要介紹了工程應用中常見的幾種參數整定方法和傳統PID控制所存在的問題，并設計了一種適用于多流體生產過程中高溫反應釜溫度控制的PID控制方法。詳細說明改進型PID控制和實現過程，為化工行業提供了一種非常規的PID控制解決方案。

關鍵詞：多流體生產過程；溫度控制；PID控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.032

1 概述

近幾年，在全球化競爭的推動下，工業過程控制與制造業正在發生了巨大的變革。迅速變化的經濟環境、不斷提高的環保要求和高復雜度的集成需求，都對工業控制技術提出了更高的要求，對現有工業控制技術進行改進是在當前工業控制中增強競爭力的有效手段，工業自動化、智能化水平已經成為衡量各行業現代化水平的一個重要標志。

本文結合特定的應用領域和控制過程，針對傳統PID在控制溫度過程中比例閥動作頻繁、溫度控制滯后、執行機構往復周期性運動和調整速度過快等問題，設計出一種適用于多流體生產過程中高溫反應釜溫度的PID控制方法，彌補了傳統PID控制存在的缺陷，從而完美解決了現場生產過程溫度控制難題。

2 PID控制過程介紹

2.1 傳統PID控制原理

PID 控制器（比例- 積分-微分控制器），由比例單元、積分單元和微分單元組成，其原理框圖如圖1所示。

2.2 PID控制參數整定方法

PID控制器參數整定的方法很多，當前工程中常用整定方法概括起來有四大類：

2.2.1 自整法

主要應用在成熟的數字調節器中，是一種基于專家知識或熟練操作者的成熟經驗的模糊控制，可通過學習不斷更新，因而它具有智能性和自學習性。自整定過程中模擬專家操作，自動尋優，整定出最佳參數，使之達到理想的控制效果。但我們在使用數字調節器時會發現，自整定結果也不一定都是最佳參數，有時還需我們進一步尋優，經常需要我們借助其他整定方法進行再次優化。

2.2.2 逐試法

可以理解為逐步試驗過程，將PID參數之一增加或減少30～50%，如果控制效果變好，則繼續增加或減少該參數，否則往反方向調整，直到效果滿足要求。此整定方法優點是操作簡單、易于掌握，缺點是需要測試的數據較多，測試周期長短與測試人員的經驗也有直接關系，無法直接衡量和把控。

2.2.3 臨界值整定法

以常用的比例+積分+微分調節器為例，整定方法如下：

（1）積分時間置于最大；

（2）微分時間置于最小；

（3）從一個比較大的比例值逐步降低，每降低一次等待一定的時間，觀察被控變量的歷史曲線狀態，直至被控變量曲線出現周期性振蕩，然后在這一點上再加大一點比例值，直到不出現振蕩；

（4）加大微分時間，使周期性振蕩停止，再減小比例值，使振蕩重新出現，再加大微分時間，使振蕩停止，需要重復此過程多次，直至加大微分時間后振蕩不再停止，則可試驗出微分時間的臨界值，然后再增大比例值至周期性振蕩停止，結合上述重復試驗過程中比例值的變化趨勢，可初步得出比例值的一個區間范圍；

（5）根據被控對象特點，取積分時間為微分時間的2～5倍，基本可以滿足被動對象的PID控制初步需求。

2.2.4 經驗整定法

熟悉系統的特性是運用經驗整定法的關鍵，首先測試人員需要十分清楚控制系統的特點以及被控參數的特性，再結合具體的工藝流程，運用自己的實際經驗，直接判斷和預估一個PID參數，然后再根據試驗過程中被控對象的形變特點以及控制效果做進一步的修改。

2.3 傳統PID的控制缺陷

PID控制的最大優點就是控制機理完全獨立于對象的數學模型，只用控制目標與被控對象實際行為之間誤差來產生消除此誤差的控制策略，而隨著科技的進步和對控制品質要求的提高，傳統PID控制技術的缺陷也越來越突顯出來。PID的缺陷主要包括處理信號過于簡單，未能充分發揮其絕對優勢，具體體現在以下的四個方面：

（1）產生誤差的方式不太合理。控制目標v在過程中可以“跳變”，但是被控對象輸出Y的變化都有慣性，不可能跳變，要求讓緩變的變量y來跟蹤能夠跳變的變量v，初始誤差會很大，容易引起超調，很不合理。

（2）誤差微分信號的產生沒有太好的辦法。當前還沒有提取微分信號的合理辦法和合適裝置，微分時間的選擇和計算絕大多數都是要依靠經驗值。

（3）誤差積分反饋的引入會附帶產生很多負作用。在PID控制過程中，誤差積分反饋的作用是消除靜差，提高系統響應的準確性，但同時誤差積分反饋的引入，會使閉環變得遲鈍，容易產生振蕩，易產生由積分飽和引起的控制量飽和，反而出現不好控制效果。

（4）線性組合不一定是最好的組合方式。PID控制器給出的控制量是誤差的現在、過去、將來三者的線性組合，但大量工程實踐表明，線性組合不一定能滿足所有的控制工況和對象過程，我們也需要在線性組合之外，依據控制系統的特點以及被控參數的特性研發和試驗一種行業、過程有特殊針對性的非線性組合方式。

3 改進型PID控制系統設計

3.1 系統控制方法

改進型PID控制算法在多流體生產過程高溫反應釜溫度控制的方法，主要有：

（1）對主控對象采用流量PID控制，以流量為主控參數，調節主控對象的實時流量，進而影響反應釜內的溫度；

（2）對次控對象采用改進型PID控制，以流量為主控參數，以溫度為輔控參數。

由于多對象控制的邏輯公式中有一個爐內實時溫度的變量，依據此特性，我們設計將爐內實時溫度這個參數進行全量程分段，這樣每一個量程段就會有一個明確的主控流量變化量與爐內溫度變化量的對應公式，實現流量與溫度的控制對象概念的精準轉換。

溫度的分段控制既滿足了反應釜工藝要求，達到升溫過程實時的精準控制需求，又能保證系統燃燒反應過程完全、充分進行，節約反應氣體，降低生產成本；溫度的分段控制在恒溫階段效果更加顯著，既解決了反應釜溫度控制滯后的問題，又在保證系統調節穩定的基礎上，解決了調節執行機構持續往復震蕩的問題，實現控制過程快速性需求和穩定性要求的平衡。

3.2 系統控制優勢

（1）被控對象的轉換。對于主控對象采用直接的溫度控制，次控對象轉換控制角度，采用以流量參數控制為主，以溫度參數控制為輔的控制方式，以保證主控對象調節的穩定性，同時又兼顧了次控對象對系統的影響。

（2）控制方式的非線性組合。傳統1個PID僅針對一個對象進行設定值與實際值的輸出控制，改進型PID可以針對同一個被控對象結合2個不同的控制參數進行設定值與實際值的輸出混合控制，兼顧了控制過程中2種不同因素的影響。

（3）控制過程的分段處理。針對控制過程邏輯運算需要，將變量參數進行全量程分段的PID控制，保證每一個量程段PID參數的相對匹配，保證控制的快速性需求和穩定性要求的平衡。

4 結束語

在當前的多流體行業生產過程中，由于工業設備和控制系統的集成化，控制過程和控制要求的差異化，傳統意義上的PID控制方法和控制策略可以滿足絕大部分的工業現場的控制需求，但在某些溫度、壓力、流量、料速等多種因素交叉影響的領域里，傳統的PID控制由于僅能針對一個變量參數進行控制，在實際的使用過程中還是無法滿足復雜、多變的生產過程的控制需求，無法達到生產過程安全性、穩定性、快速性的標準和要求，還是需要我們結合控制系統自身的特點，梳理出其中的控制關系和控制邏輯，分清主控參數、次控參數、輔控參數以及干擾參數等，選擇適當的控制策略和控制算法，定制開發針對性的PID控制系統，以滿足現場的實際需求。

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作者簡介：杜興剛（1980-），男，山東青島人，本科，工程師，研究方向：智能系統領域。