基于中控DCS的積分分離PID在油氣田的應用

曾維偉 丁 路 康維嵐 李 皓 張家成 武宇卓

1. 中國石油天然氣集團公司塔里木油田分公司, 新疆 庫爾勒 841000;2. 北京中油瑞飛信息技術有限責任公司, 北京 100007;3. 中國石油運輸有限公司, 新疆 烏魯木齊 830014

0 前言

PID控制算法在工業生產控制中占有極大比重,在實際生產運行中對PID控制算法有諸多的改進,這些改進通常是對積分環節和微分環節進行處理;通常對積分項的處理方法有積分分離法、抗飽和積分法。實際生產運行中的PID控制算法通常為增量式PID算法,抗飽和積分法在增量式PID算法中又不易于實現。根據現場實際生產情況,對浙江中控DCS的PID功能塊加以改進，以滿足現場的實際生產需求、減少PID參數整定的工作量。

1 ECS-700系統簡介

ECS-700系統作為中控最新和功能最強的DCS系統,集成了比較成熟的PID控制功能模塊,其中PID算法[1]實現為:

un+1=un+Δun+1

(1)

式中:un+1為第n+1次的輸出；un為第n次的輸出；Δun+1為第n+1次的增量。

式(1)為增量式PID算法,中控DCS系統中對積分項的處理為:當誤差|en|>ε時,切除積分作用[2],并對比列項進行補償,此時的補償系數為f,補償后的比列系數為:

(2)

控制系統誤差越大,積分作用越強,導致系統振蕩劇烈、調節時間過長[3]。為避免此現象引入補償系數f，但實際應用效果并不好。

2 控制對象簡介

圖1為乙二醇單元工藝流程。本文的控制對象為一個三相分離器(圖1中二級分離器)的乙二醇水溶液和輕烴的界位,此分離器工藝流程:富天然氣(未脫水脫烴)經過一級換熱器降溫→一級分離器→二級換熱器→丙烷壓縮機制冷降溫→二級分離器進行分離(富乙二醇、天然氣、輕烴分離)[4]。

圖1 乙二醇單元工藝流程

乙二醇作為脫水劑其流程為:乙二醇水溶液經過循環泵去往各個加注點→丙烷壓縮機→二級分離器→乙二醇再生裝置[5-6]。乙二醇的循環量通常是穩定的,進入分離器的乙二醇水溶液的流量也是穩定的,從理論上講只要控制分離器的乙二醇出口流量調節閥的開度(調節閥開度波動理應很小)界位就會很平穩。但實際運行中液位波動和調節閥的波動較大,故認為是控制回路中所采取的控制律不能滿足現場實際生產需求而造成的影響,因此以中控ECS-700 PID常規功能塊為基礎[7],對其進行改進使控制回路中的控制律能夠滿足實際的生產需求。

3 控制策略

本文采用增量式PID控制算法[8]:

u=up+ui+ud

(3)

un+1=un+Δun+1

(4)

式中:u為PID的輸出；up、ui、ud分別為比例、積分、微分的輸出；un+1、un、Δun+1分別為PID算法離散后的第n+1次輸出、n次輸出、n+1次的增量。

對微分項進行不完全微分處理[9],對積分項進行積分分離處理:

(5)

(6)

式中:Td、Ti、T、T*分別為微分時間、積分時間、采樣周期、一階濾波時間常數,s;k為積分分離的判斷因子；e、e′分別為誤差和誤差的變化率1,當|e|′<0時k=0,否則k=1。

要在DCS中實現上述算法需要對其進行離散處理,采樣周期為1 s,聯立式(3)～(6)可得其離散后表達形式[10]:

(7)

式中:kp為比列系數；en、en+1分別為第n次誤差和n+1次誤差。

4 Matlab仿真

對本文所述界位控制系統進行仿真需要知道各環節的傳遞函數[13],需要對控制對象進行系統辨識、建模。對此系統精確建模具有一定的困難,且本章的仿真只是對本文的控制策略進行定性分析,因此簡化建模的部分環節。

此系統界位H大小受進液量Q1和出液量Q2影響,二級分離器的醇腔底面積為A,則H與Q2的微分數學關系為[14]:

(8)

對式(8)進行拉式變換:

(9)

醇和烴的分離過程可視為一個二階環節[15],則進液量Q1與H的傳遞函數為:

(10)

式中:T1、T2為二階環節中的時間，s；H為界位高度，m；A為底面積，m2;Q1為進液量，m3/h；H′為H的求導數。

調節閥的流量特性為等百分比,因此調節閥的開度V與出口流量的關系為:

Q2=C1eC2V

(11)

DCS中的控制器輸出與閥開度的關系可視為一階環節:

(12)

式中:T4為一階環節的時間常數,s。

變送器環節的傳遞函數為:

(13)

式中:T5為一階環節的世界常數,可視為變送器的阻尼系數，s。

控制系統的離散時間為1 s,當|en|-|en+1|<0時，將積分作用切除,依照此思路搭建圖2所示的Simulink仿真[16]。

圖2 Simulink仿真

運用了Matlab Function函數在Simulink仿真中實現了PID的各項功能[17]，圖2中的常數1、2、3分別為kp、Ti、Td的取值，kp、Ti、Td為PID的控制參數。圖3～6為仿真的實驗結果,藍色線為容器的界位、棕色線為控制器的輸出、粉紅色的線為設定值與反饋值之間的誤差。圖3、圖5為傳統PID調節下的輸出曲線,圖4、圖6為采用了本文所述的改進PID積分分離控制算法后在相同的PID控制參數下的輸出曲線。

在仿真中發現由于傳統PID控制器的參數選擇不當而引起系統振蕩時,對積分環節采取本文所述的控制策略時能夠有效抑制系統振蕩,當傳統PID參數整定值選取量比較合適時[18],采用本文的控制策略能進一步減少超調量，同時控制器的輸出也更加平穩。當然通過大量的仿真發現,改進后的算法控制算法在仿真過程中也暴露了缺點:誤差消除速度可能非常緩慢。此時需要對判據進行修正:|en|-|en+1|<ε停止積分作用,其中ε<0。

圖3 kp=5,Ti=10,Td=10,未進行積分切除

圖4 kp=5,Ti=10,Td=10,進行積分切除

圖5 kp=5,Ti=20,Td=10,未進行積分切除

圖6 kp=5,Ti=20,Td=10,進行積分切除

5 在ESC-700系統中的應用

根據判據|en|-|en+1|<0停止積分作用，在ECS-700中整個控制回路的控制器部分算法實現見圖7。

圖7 中控DCS功能塊圖

圖7中“JFQC”為用戶自定義功能塊,其源程序見圖8。

圖8 功能塊腳本程序

本文的控制對象為一個三相分離器的醇腔界位,當采用中控自帶的PID功能塊時,其界位變化見圖9藍色曲線(黑色曲線為調節閥的實際運行開度,紅色曲線為界位的設定值)。

當控制器經過本文所述改進后,其界位的變化見圖10藍色曲線(黑色曲線為調節閥的實際運行開度,紅色曲線為界位的設定值)。

本文所述的控制策略在低溫分離器(三相分離器)的乙二醇界位控制應用過程中能夠獲得更平穩的界位,調節閥的開度波動更小,對下游流程的擾動更小。從仿真曲線和實際運行效果來看,本文所述的控制策略能夠有更小的超調量、更短的調節時間和波動更小的穩態特性。

圖9 改進前的控制曲線

圖10 改進后的控制曲線

6 結論

當誤差的絕對值有開始變小的趨勢時切除積分作用，從而消除因引入積分項而造成的調節滯后。這一改進在某油氣場所三相分離器的界位控制調節中取得了良好的控制效果,同時也減少了大量整定PID參數的工作。在仿真過程中同時發現,積分分離算法在某些情況下會造成系統消除誤差的時間變長,需要對切除積分作用的判據進行修正,其修正形式為|en|-|en+1|<ε停止積分作用,其中ε<0,但在本場站的實際運行并未明顯發現此現象。