基于PID控制器的化工過程自動控制方法研究

梁代華 楊茂平 陳玉虹 周昌林

摘 要：在化工領域，通過開展過程自動化控制，有利于提高化工生產的安全性，提高生產效率。基于比例-積分-微分控制器（PID）是一種穩定、可靠的控制器，將其應用于化工過程自動控制中，可以提高化工過程的整體自動控制水平。以化工過程中常用的溫度儀表為例，分析基于PID控制器的化工過程自動控制方法，研究提出了一種基于多模穩態PID溫度自整定方法，并在Matlab 中建立相應的數學模型進行方針模擬分析。仿真結果顯示，所輸出的結果十分穩定，噪聲較小，精度較高，具備一定的實踐應用價值。

關鍵詞：化工;過程自動控制;PID控制器

中圖分類號：?????? 文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）03-0162-05

Research on automatic control method of chemical process based on PID controller

LIANG Daihua，YANG Maoping，CHEN Yuhong，ZHOU Changlin

（Sichuan Province Greatwall Security Affairs Co.，Ltd.，deyang 618000，China）

Abstract：In the field of chemical industry， the development of process automation control is conducive to improve the safety of chemical production and improve production efficiency. Proportion Integration Differentiation （PID） based controller is a stable and reliable controller， and its application in automatic control of chemical process can improve the overall automatic control level of chemical process. This paper analyzes the automatic control method of chemical process based on PID controller by taking the temperature instrument commonly used in chemical process as an example. In this paper， a temperature self-tuning method based on multi-mode steady PID is proposed， and the corresponding mathematical model is established in Matlab for policy simulation analysis. The final simulation results show that the output results are very stable， low noise， high precision， and have certain practical application value.

Key words：chemical industry; automatic process control; the PID controller

近年來，我國的化工行業得到了快速的發展，各種工藝和流程的技術水平也得到了顯著的提高。其中，在各種化工裝置中，自動控制的地位日漸凸顯。目前，化工領域，在對各種裝置實施自動化控制的時候，

對比例-積分-微分控制器（PID）的應用較多。它是一種十分重要的控制技術，將其應用于化工領域，有利于提高化工過程的自動控制水平，更好地促進各項生產活動的順利、高效開展[1]。

1 化工過程自動控制與PID控制器

化工過程自動控制是化工行業發展的重要趨勢和方向，通過不斷提高化工過程自動控制水平，可以有效提高各種工藝參數的操作精度，促進最終產品質量的提升。自動控制模式下，各種化工過程也可以更為穩定、安全，減少各種生產安全問題的出現。同時，也可以大大地減輕工作人員的勞動強度，提高工作效率的同時，也可以有效避免各種人為因素對化工生產過程以及最終產品的影響[2]。如果將 u（t）定義為控制輸出，則參照PID算法，相應的控制情況可以按照如下的公式予以表示：

u（t）-MV（t）

=Kpe（t）+Ki∫t0e（τ）dτ+Kdde（t）dt

PID控制中，可以采用3種控制的部分組合，即P控制、PI控制、PD控制或者是三者的組合;真正意義上的PID控制，我們可以籠統地稱之為PID控制規律。采取這種控制規律的控制器，可以稱為PID控制器。PID控制系統原理如圖1所示。

PID控制器其實就是使用PID算法的控制器，它是綜合了比例放大（P）、積分運算（I）以及微分運算（D）的綜合算法控制器。常見的工業4大參數：溫度、壓力、液位、流量，在控制上已經很成熟;從經驗上，PID參數可以按照一定的范圍取值，以減少調節的時間，具體如表1所示。一般而言，溫度存在滯后性，所以需要用到微分，其他的控制幾乎是實時性的，沒有必要使用微分。

2 化工儀表自動控制方法

2.1 化工儀表自動控制現實需求

在化學工藝流程中，時常需要使用一定的化工儀表，以實現對相關的參數情況進行檢測，并結合工藝流程情況以及生產的實際需求，將參數調整到適宜的狀態。為了提高各種儀表的使用效率，確保各種化工工藝的順利、安全、高效率開展，可以應用一定的自動控制技術[3]。化工儀表包含多種不同的類型，常見的類型包括物位儀表、流量儀表，以及溫度儀表和壓力儀表。其中，溫度儀表是一種應用十分普遍的化工儀表。在很多化學反應的發生過程中，對溫度條件有著十分嚴苛的要求。為確保反應效果，還需要將相應的反應溫度控制在一個相對固定的狀態或者范圍之內。為便于工作人員對反應溫度進行觀察和控制，需要借助一定的溫度儀表。但是，傳統化工行業溫度測量儀表在自整定方面存在一定的問題和不足，表現出精度較低，抗干擾能力較差等。針對這一情況，需要應用一定的技術手段，以改善溫度儀表的實際應用效果。在工業自動化控制系統中，PID技術的應用十分重要的內容，對維持整個系統的穩定運行意義重大。PID技術的主要原理是針對不同控制對象的實際情況，結合其具體數據和結構等方面的情況進行調解，從而滿足人們工作的需要。這種技術又稱為調節器或是控制器，主要應用在對比例、微分控制的工程項目中，當然在其他領域也有其具體的應用。

在對PID技術進行實踐應用的過程中，PID控制器的參數整定是需要重點關注的內容。在對相應的參數進行整定的過程中，具體的整定方法有3種：臨界比例度法、衰減曲線法、經驗法。在進行PID控制器參數整定的過程中，可以應用的方法有很多[4]。參照不同的方法，結合一定的公式進行計算，便可以得出具體的PID控制器的參數數據結果。但是，在實際應用過程中，在進行調試的時候，需要參照以往的實際情況和實踐經驗，大致的設定出一定的經驗值。之后，結合具體的調節效果對相應的數值進行修改，直到得出最佳的結果。

2.2 傳統溫度測量儀表自整定模型

傳統模式下化工行業的溫度測量儀表的結構如圖2所示。

由圖2可知，系統輸入以字母r來表示;系統輸出用字母y 來表示;字母d 代表系統的擾動;P（s）則代表儀表在測量溫度過程中的固有頻率特性;M（s）代表儀表在測量溫度過程中的固有頻率特性;Q1（s）和Q2（s）分別代表儀表的多模測量控制系數和容錯性控制系數。在保持穩態的狀態下，整個系統處于靜止狀態。如果出現一定的情況擾動，導致系統失去平衡狀態，便會通過閉環控制實現自行調節。通過一定的調節，促使系統逐步調整為新的平衡狀態。但是，這一控制系統模式下，控制的精度不高，容易出現一定的偏差，可靠性也較差。另外，還容易出現溫度漂移等問題。

2.3 基于PID控制器的多模穩態溫度參數自整定模式

2.3.1 多模穩態溫度參數PID控制器

在化工行業的日常生產過程中會涉及到多種復雜的化學工藝，例如酸化和蒸餾以及冷凍和堿化等等。在不同的化學工藝流程中，考慮到生產的需求，對溫度和壓強等的要求也各不相同。因此，在化學工藝中，經常會出現各種高壓、高溫的反應環境。在具體的化學反應中，這些不同的反應環境會直接影響到相應化學反應的發生情況以及最終的反應效果。同時，在過高的溫度或者過大的壓強下，還可能會導致一定安全事故的出現。因此，在化工工藝中，還需要借助一定的儀器來嚴格的控制相應的反應參數，將反應條件控制在一個合理、安全的范圍之內。化學工藝中，涉及到大量不同的參數，其中溫度是十分常見且重要的參數之一。在化工領域中，為確保各種化學反應可以按照規定順利完成，還需要借助一定的溫度儀表來進行及時的化學反應中溫度監測。結合具體的監測結果進行適當的溫度調整，以確保整個化學反應的順利完成。因此，在這一過程

中，對各種溫度儀表的要求較高[5]。相應的溫度儀表應當具備良好的精度，可靠性高，穩定性好，抗干擾能力強。但是，通過對各種常用的化工行業電氣儀表進行分析可以了解到，其中的一些溫度儀表存在結構復雜、實時性差、純在溫度漂移及失真等問題。因此，在化工工藝中，還需要借助一定的儀器來嚴格控制相應的反應參數，將反應條件控制在一個合理、安全的范圍之內。隨著時代的發展，化工產業不斷升級，各種自動控制技術也開始被越來越多的應用于化工工藝參數的控制之中。針對各種溫度儀表，積極的對其進行優化設計，以提高其自整定水平，也成為了科研人員的重點研究對象。在化工行業的實際生產過程中，在進行各項實際操作的時候，如果應用傳統的技術，則容易出現各種難題，包括無法掌握控制對象的數據、結構等關鍵要素。在應用其他一些控制技術的時候，也可能會出現無效的情況。為了妥善解決上述問題，可嘗試應用PID技術。PID技術的應用范圍較廣，這項技術的起源在上世紀，具有一定的穩定性、可靠性，

且具備結構簡單，操作便捷等優點。在具體的應用過程中，可以結合生產和工作現場的實際情況，參照以往的生產實踐經驗，并借助一定的PID控制器來對具體對象的各項參數進行一定的調解和控制。通過科學的調節和控制，促使工業自動化控制系統能夠保持安全、穩定的運行狀態[6]。在本文的研究中，結合化工行業溫度測量儀表的特點以及生產實際情況的需求，設計了多模穩態溫度參數PID控制器。該控制器的具體結構如圖3所示。

在這一系統中，s 代表的是系統輸入溫度參數的控制量。如果系統中出現一定的擾動，相應的參數會發生一定的改變。在對相應參數進行分析的時候，可以借助一定的溫度參數傳遞函數，即圖中的G0（s）e-τs。進行溫度補償的傳遞函數用GC（s）表示，計算方式：

Y（s）R（s）=

Gc（s）G0（s）e-τs1+Gc（s）Gm（s）+Gc（s）Go（s）e-τs-Gm（s）e-tm

化工領域中，在實際的生產過程中，涉及到的反應條件十分復雜，受到復雜生產情況的影響，有時會出現無法完全掌握被控對象具體情況的問題，包括被控對象的各項參數以及具體結構等等。或者出現無法獲得精確數學模型的情況，且使用其他技術進行控制的難度較大。在出現上述問題的時候，需要工作人員借助一定的生產和實踐經驗，并結合現場調試的方式來對系統控制器的結構和參數進行確定。這一情況下，使用PID控制器最為適宜[7]。應用該控制器，可以對化工生產中涉及到的多種不同的變量進行動態的觀察和測量，得出各種客觀的數據信息，為相應的工藝管理提供所需的參考依據，以保證相應工藝的安全性與反應效率。PID控制技術屬于多項變量控制技術，將其應用于化工領域之中，可以促進化工生產水平的不斷提升，更加凸顯自動化控制技術的先進性和實用性。

2.3.2 溫度參數自整定

結合上文的PID控制器基礎上，對化工工藝中的溫度參數實施自整定，得出儀表控制適應度函數的計算方式。結合上文的分析情況進行處理，設置不同的指標。其中，儀表的最大靈敏度，以ω（k）∈Rn表示;τ是測量環節、傳輸環節或其他環節出現滯后的時間;儀表的溫度擾動誤差矩陣以A、B、C、D、F1、F2表示。按照上述指標設定，則可以得出溫度儀表自整定過程中的計算公式：

x（k+1）=（A+ΔA1）x（k）+（B+ΔB1）Kx（k-τk）+F1ω（k）z（k）=Cx（k）+DKx（k-τk）+F2ω（k）

2.3.3 溫度儀表仿真結果分析

為驗證本次研究中所提出的自動控制方法的效果，在本次研究中，結合上文所提出的電氣儀表自整定方法，進行了必要的驗證，以驗證其應用情況。選用的驗證工具是MATLAB，驗證中首先利用MATLAB建立相關的數學模型，對未進行自整定的情況以及實施自整定的情況分別進行相應的仿真模擬分析[8]。經模擬分析與處理，最終可以得到未進行自整定和進行自整定的測量誤差仿真結果。所得出的具體結果如圖4所示。

通過對圖4中的結果進行分析和比較可以觀察到，在未進行自整定的情況下，溫度儀表在應用過程中會出現相對較大的誤差。同時，在誤差的具體幅值變化情況方面，還呈現出十分明顯的不穩定的情況。但在應用本文所提出的自動控制模式下，實施自整定的溫度儀表誤差情況進行分析之后可以發現，在完成溫度儀表的自整定處理之后，仍然存在一定的測量誤差;但與未進行自整定處理的結果相比較存在顯著減小的情況;在誤差幅值方面，也得到了明顯的改善。通過觀察圖4中的仿真結果可以發現，相應的誤差幅值總體呈現出相對較為穩定的狀態。綜合分析上述結果可以發現，通過自整定之后，獲得了理想的應用效果，有效降低了測量誤差，并維持了相對平穩的誤差幅值波動狀況。上述結果可以表明，在實際溫度儀表的應用過程中，借助自動控制下的自整定處理，相應的溫度儀表測量誤差顯著降低，可以為工作人員提供更為精確的溫度數值測量結果。這對提高工藝流程中的溫度控制精確性，確保生產質量和生產效率，以及提高生產的安全性等具有十分重要的現實意義。另外，通過仿真研究以及結果分析還觀察到，與傳統方法相比較，本次研究中所提出的控制方法具備良好的抗干擾能力，所輸出的結果十分穩定，噪聲較小，精度較高，并有效的避免了溫漂問題的出現。即表明，此次研究所提出的控制方法是有效的。

3 結語

在化工領域，在實現化工過程自動控制，不斷提高自動控制水平的過程中，可以積極的嘗試應用PID控制器。在本文的研究中，以化工領域常用的溫度儀表為例，結合傳統模式下的各種化工溫度儀表粗存在的精度差、抗干擾能力不足以及輸出不穩定等問題，提出了一種基于多模穩態PID溫度自整定方法。在研究中，還在Matlab 中建立相應的數學模型進行方針模擬分析。最終的仿真結果顯示，所輸出的結果十分穩定，噪聲較小，精度較高，并有效

的避免了溫漂問題的出現，可有效解決系統的溫度漂移等問題，具備一定的實踐應用價值。從化工生產未來發展趨勢來看，自動化的控制技術將會得到越來越廣泛的應用，本文所提出的基于多模穩態PID溫度自整定方法，也具備一定的應用和推廣價值。總之，PID技術是一項極其重要的技術，在企業生產環節具有極大的調解作用和影響，應該得到有關人員的重視，加大推廣力度，針對不足的地方也要進行相應的改進，從而讓這項技術更好的為化工產業的發展服務。

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