內(nèi)模PID 整定方法在PVC 干燥床上的應用

鐘國院，臧春華，孔慶儒

（1.陜西北元化工集團股份有限公司，陜西 榆林 719319；2.沈陽化工大學，遼寧 沈陽 110142；3.沈陽華控科技發(fā)展有限公司，遼寧 沈陽 110179）

比例-積分-微分（PID）控制器是工業(yè)上采用最多的控制器，能夠提供有利的成本效益比。PID 控制器只有3 個參數(shù)，但如果沒有系統(tǒng)的方法，要找到適合當前回路的控制參數(shù)并不容易，大量PID 控制器的參數(shù)設定不精確導致控制效果不佳，即在自動模式下運行的回路在手動模式下產(chǎn)生的變化小于在自動模式下產(chǎn)生的變化。整定規(guī)則大致有：依據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，根據(jù)實時控制曲線，動態(tài)調(diào)整適配參數(shù)；早期的臨界比例度、衰減震蕩法；基于模型的Ziegler-Nichols[1]、IMC[2]、SIMC[3]、Lambda[4]等方法；現(xiàn)代智能算法迭代求解，如粒子群算法、人群搜索算法、蝙蝠算法、神經(jīng)網(wǎng)絡算法及智能算法改進等。

SIMC 方法基于Ziegler-Nichols 等的PID 整定方法，屬于經(jīng)典內(nèi)模法的改進，在流程工業(yè)的PID調(diào)整中應用廣泛。Ziegler-Nichols 規(guī)則會對積分過程產(chǎn)生非常好的干擾響應，但在其他情況下會導致非常激進的設置，并且對于具有主要延遲的過程，會產(chǎn)生較差的性能；IMC 規(guī)則對積分過程的干擾響應較慢，但是對設定點變化給出很好的響應。文中主要介紹軟件使用的內(nèi)模法對一階時滯模型整定規(guī)則。

對PID 控制器的整定規(guī)則應該滿足適用性廣泛，工程師容易記憶，抗干擾性強等特點。依據(jù)對象模型整定參數(shù)的方法是整定的主要方法，基于控制回路的控制動作總結(jié)其內(nèi)部模型，是模型辨識技術(shù)研究的熱點，同時模型對回路的描述可作為PID 參數(shù)整定的數(shù)學依據(jù)，內(nèi)模法基于模型參數(shù)對PID 參數(shù)計算，在應用及理論研究方面較為廣泛。

1 內(nèi)模整定方法描述

內(nèi)模法主要基于過程對象的內(nèi)部模型對PID控制器參數(shù)進行設定，利用對象期望的閉環(huán)響應，系統(tǒng)方框圖見圖1 所示過程，其中，g=為被控對象的動力學特性數(shù)學描述，c=kc為PID 控制器，ys為系統(tǒng)期望設定值，y 為實際測量值，d 為干擾，gd為干擾通道傳遞函數(shù)模型，基于系統(tǒng)期望閉環(huán)響應的內(nèi)模法推薦PID 整定公式見式（1）。

圖1 系統(tǒng)方框圖

式中，整定因子為τi，通過調(diào)整τc來調(diào)整kc、Ti。

2 模型獲取及降階

對歷史數(shù)據(jù)利用最小二乘法辨識高階ARX 模型，然后對模型進行降階處理。首先將DCS 采集數(shù)據(jù)進行穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)提取、異常值剔除、濾波等數(shù)據(jù)預處理，然后利用最小二乘法建立系統(tǒng)性，其中ARX 模型參數(shù)階次可以由工程經(jīng)驗設定。

在流程工業(yè)中，由于工況復雜多變，固定模型無法描述整個動態(tài)過程，因此對模型精度的要求較低，可對模型進行降階處理，降階的模型在工業(yè)使用及參數(shù)整定具有便利性，利于實施，文中主要介紹對自衡對象的降階（如常見的溫度、壓力、流量等控制變量）。一階純滯后模型的價值在于捕獲了對控制非常關(guān)鍵的動態(tài)過程行為的核心特征，這對控制非常關(guān)鍵。當控制器輸出變化時，一階純滯后模型可以基本描述被測變量響應。一階純滯后模型相對準確地描述了被測變量響應的方向、大小、快慢和純滯后。形式如式g=對其表征見圖2。

圖2 一階滯后傳遞模型含義圖

增益是一個描述控制輸出導致被測變量變化幅度的模型參數(shù)，增益可以通過用被測變量變化除以引起該變化的控制器輸出變化得到。

時間常數(shù)描述了控制器輸出變化時被測變量的響應速度。時間常數(shù)等于過程改變后被測變量到達總變化量63.2%所需的時間，時間常數(shù)越小，過程越快。

純滯后時間是指從控制器輸出的階躍變化到被測變量顯示出對該變化的清晰初始響應的時間。純滯后是指由于對象的測量環(huán)節(jié)、傳輸環(huán)節(jié)或其他環(huán)節(jié)出現(xiàn)的滯后現(xiàn)象。計算方法如下。

θ：施加ΔMV 時刻至PV 值開始有響應時刻所用時間；

T：PV 值開始響應時刻至PV 值為（PV1+0.632×ΔPV）所用時間。

3 干燥工序應用

3.1 干燥工藝簡介及分析

陜西北元化工集團有限公司110 萬t/a PVC 裝置干燥工序采用日本智索公司的干燥工藝，工藝采用臥式多室加熱沸騰床干燥器。干燥流程：離心機分離出的濕物料經(jīng)破碎機破碎后進入布料打散機，均勻打散后進入干燥床前部；空氣過濾器過濾后的清凈空氣經(jīng)空氣預熱器（用母液水預熱）預熱后，由鼓風機經(jīng)空氣加熱器（用蒸汽加熱）升至一定溫度后進入干燥床底部風室。物料在干燥床內(nèi)被熱風吹起呈流化沸騰狀態(tài)，與熱風進行傳熱傳質(zhì)；同時，干燥床內(nèi)熱管通有飽和蒸汽和熱水，間接與濕物料進行傳熱，物料中的水分被加熱蒸發(fā)脫除。干燥床內(nèi)的濕熱空氣從床頂由干燥引風機引出，經(jīng)旋風分離器后排入廢氣洗滌塔，被分離下來的固態(tài)物料返回干燥床。物料在干燥床內(nèi)沸騰，達到一定高度時從干燥床末端溢流口流出，經(jīng)旋轉(zhuǎn)下料器由一次引風機引至旋風分離器，分離下來的物料經(jīng)旋轉(zhuǎn)下料器送至成品振動篩，篩分后進入輸送料斗，由旋轉(zhuǎn)下料器送至二次輸送管線，由二次輸送風機（羅茨鼓風機）送至成品料倉，進行包裝入庫。

PVC 生產(chǎn)過程中，干燥過程決定著最終產(chǎn)品品質(zhì)，由聚合釜的物料經(jīng)過汽提塔進入離心槽，離心槽物料為干燥工段的初始物料，起到緩沖及儲存的作用。

（1）物料流。來自汽提塔的物料儲存于離心槽，離心槽的物料由1#離心機、2#離心機、3#離心機的共同作用進入干燥床，干燥床分為一床和二床，其中一床分為一床一室、一床二室，物料在風的作用下，呈沸騰狀由一床向二床移動實現(xiàn)干燥，由下料器進入下一工序。

（2）能量流。由離心機進入干燥床的物料在床溫及熱風的作用下進行烘干，主要的過程變量包括離心機電流、進床蒸汽總管溫度、進床蒸汽壓力、一床一室上部溫度、一床一室中部溫度、一床一室下部溫度、一床二室上部溫度、一床二室下部溫度、二床上部溫度、二床下部溫度、進一床總風量、進一床二室風量、進二床風量、進一床熱風溫度、進二床熱風溫度、一床上部壓力、二床下部壓力等。通過PID 調(diào)節(jié)的主要被控變量包括離心機電流、進床蒸汽壓力、一床二室下部溫度、二床下部溫度、進一床總風量、進一床二室風量、進二床風量、進一床熱風溫度、進二床熱風溫度等。通過PID 控制器控制的回路，參數(shù)的合理性影響控制效果。對于能量體系，干燥床采用了蒸汽列管加熱的方式，蒸汽管道直徑較大；熱風采用蒸汽加熱的方式，蒸汽管道直徑較小，因此，主要的能量來源于進床蒸汽控制。

（3）氣相流。進入床的物料由熱風及列管加熱實現(xiàn)熱交換，烘干水分及風量由干燥床上部排出。簡化的工藝流程見圖3。

圖3 干燥工序簡圖

主要控制變量如下。

離心槽液位：為防止雜質(zhì)超標帶來的影響，離心槽液位需要控制在指定區(qū)間。

離心機電流：3 臺離心機電流決定干燥床進料速率，進料速率影響一床及二床床壓，床壓是保證設備正常運行的關(guān)鍵。

風速：風量速率決定物料呈現(xiàn)的沸騰狀態(tài)，風量控制波動小，沸騰狀均勻，間接影響床壓。

床溫：床內(nèi)溫度有多個控制過程變量，關(guān)鍵的控制回路為一床二室及二床下部溫度，溫度屬于大滯后且受到物料特性、床壓等多個因素影響。溫度控制得平穩(wěn)可以提升產(chǎn)品的品質(zhì)。

風溫：熱風溫度對保持干燥床內(nèi)溫度起到補充作用，熱風溫度的平穩(wěn)可提升床溫控制。

3.2 控制分析

（1）一床二室下部溫度控制回路

一床二室下部溫度具有大滯后、耦合的特點，3臺離心機進料量加大或者下料器開度降低，床壓增加，料層加厚，一床二室下部溫度降低；來自一床一室的物料溫度較低時，一床二室下部溫度降低；進一床二室風溫降低，一床二室下部溫度降低；風量減小造成熱交換降低，一床二室下部溫度降低，同時多種因素具有較長時間的滯后作用，對溫度造成極大的影響。

（2）二床下部溫度控制回路

二床下部溫度與一床二室下部溫度控制難點類似，具有大滯后、耦合的特點。由一床進入二床的物料溫度直接影響二床下部溫度，一床物料溫度較低時，二床下部溫度降低；下料器開度較小時物料在二床料層加厚，同時二床下部溫度較低；總蒸汽閥門開度較小時，二床下部分配的能量較少，二床下部溫度較低；進二床的風量溫度較低或者風量較小時，二床下部溫度也會降低，每個影響過程具有較長的滯后時間。

（3）蒸汽總管壓力控制回路

蒸汽總管是為維持床溫提供能量的關(guān)鍵，蒸汽壓力加大時，總能量加大，一床二床在床壓、風量及風溫相對穩(wěn)定時，溫度上升，蒸汽總管的壓力控制還受到蒸汽品質(zhì)的影響以及母管能量分配影響。

（4）床壓控制

床壓可以表征床內(nèi)物料的負荷，物料量多，料層厚，床壓較高。離心機進料量加大、下料量減小造成床壓升高，同時進床風量減小時，床壓也會增加，在多數(shù)情況需要滿足二床床壓低于一床，需要對進床的風量進行合理的配比控制。

3.3 工藝技術(shù)要點

3.3.1 獲取對象運行特性

對象運行特性是對當前回路運行規(guī)律的概括，要對回路進行控制器參數(shù)設計需要采集其設定值（Set Value，SV）、檢測輸出值（Process Value，PV）、操縱變量輸出值（Manipulation Value，MV）等關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，依據(jù)數(shù)據(jù)信息宏觀把握對象運行指標量綱、被控對象工藝要求輸入的上下限值（MSH、MSL）、輸出上下限值（SH、SL）以及當前回路對工藝的重要性。對于干燥工段的優(yōu)化控制需要采集關(guān)鍵被控變量的相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 關(guān)鍵被控變量及待采集數(shù)據(jù)

3.3.2 分析對象特性

被控對象大致分為3 種特性：（1）輸入激勵階躍增加或減少，對象輸出趨于新的穩(wěn)態(tài)值波動；（2）輸入激勵階躍增加或減少，對象輸出以斜率形式變化；（3）輸入激勵階躍增加或減少，對象輸出以來回波動形式變化。（1）和（2）是線性對象，（3）存在非線性，針對于（3），若過程調(diào)節(jié)時間較長可將其區(qū)間線性化進行控制器變參數(shù)設計。對于干燥工段的優(yōu)化控制表1 的關(guān)鍵變量均屬于（1），即符合自衡對象特點。

3.3.3 整定過程

將表1 采集的關(guān)鍵變量SV、PV、MV 數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理，利用最小二乘法辨識高階ARX 模型，降階為一階滯后傳遞函數(shù)模型，利用內(nèi)模法對模型進行PID 參數(shù)計算，由于建模過程存在模型誤差，針對回路運行情況需要對PID 參數(shù)進行微調(diào)以適用于當前回路動力學過程。

3.4 布署及實施

大時間滯后及多種變量的耦合作用對控制是不利的，因此，對于干燥工段，上層采用先進控制系統(tǒng)作為總控制器，PID 控制回路作為先進控制的下一級，實現(xiàn)優(yōu)化控制。利用沈陽華控科技發(fā)展有限公司自主開發(fā)的PID 回路整定及自整定軟件，對關(guān)鍵回路進行評估與參數(shù)自整定。

3.4.1 實施軟件

（1）FinData

FinData 是流程工業(yè)數(shù)據(jù)庫，具有工業(yè)大數(shù)據(jù)采集、存儲、分析等功能。FinData 主要包括通過OPC通訊協(xié)議采集DCS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并存儲到歷史數(shù)據(jù)庫中；數(shù)據(jù)進行可視化，對歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析；采用視頻和AI 技術(shù)對數(shù)據(jù)進行識別，然后上傳到云端，可以進行遠程控制器性能分析，快速進行控制回路再優(yōu)化；集成常用的人工智能算法，分析優(yōu)化生產(chǎn)過程。

（2）LoopSenser

LoopSenser 是回路評估與整定系統(tǒng)，基于FinData 采集的歷史數(shù)據(jù)，利用回路評估算法、模型辨識算法和PID 自整定算法，實現(xiàn)控制回路的性能評估與整定。LoopSenser 主要包括PID 控制回路評估系統(tǒng)，對控制回路非常關(guān)鍵的指標進行評估，包括閥門全開和全關(guān)的時間（飽和度）、測量值振蕩次數(shù)和測量值偏離設定值程度（偏離度）等進行評估，最后給出生產(chǎn)線、工段和各回路的評估結(jié)果；PID 自整定系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場運行歷史數(shù)據(jù)進行模型辨識及降階處理，不對生產(chǎn)過程造成任何影響，依據(jù)模型自動計算PID 控制器參數(shù)，軟件執(zhí)行架構(gòu)見圖4。

圖4 沈陽華控回路評估與整定系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3.4.2 軟件技術(shù)要點

接入OPC 服務器交換機對數(shù)據(jù)進行存儲，對數(shù)據(jù)按照規(guī)定時間進行回路評估，回路分數(shù)低于理想約定分數(shù)（如60 分），對回路數(shù)據(jù)預處理后進行模型辨識、模型降階、PID 參數(shù)計算，給出推薦的整定區(qū)間。在此過程中不涉及測試信號對生產(chǎn)進行干擾，采用外掛式主機不對操作員站及工程師站的運行造成計算負荷。對于干燥工段的優(yōu)化控制，將表1 關(guān)鍵變量數(shù)據(jù)量進行采集，首次布署軟件后運行4 h 以上，軟件自動對回路進行評估、辨識回路模型及控制器參數(shù)，后續(xù)參與整定的為分數(shù)低于理想約定分數(shù)的回路。

3.4.3 運行效果分析

利用LoopSenser 辨識及整定結(jié)果對控制回路參數(shù)進行優(yōu)化，列舉2 個回路。

一床二室下部溫度回路（2TIC2235）：軟件推薦的PID 控制器弱作用強魯棒性參數(shù)設置為P：25，I：450，控制效果見圖5。

圖5 一床二室下部溫度回路優(yōu)化與未優(yōu)化控制效果

二床下部溫度回路（2TIC2229）：軟件推薦的PID 控制器弱作用強魯棒性參數(shù)設置為P：10.87，I：643，控制效果見圖6。

分析如下，2TIC2229 與2TIC2235 回路類似，未使用優(yōu)化參數(shù)之前回路對設定值跟隨效果較弱，偏離溫度設定值較大，較長時間無法回落到設定值溫度；優(yōu)化參數(shù)后，測量值與設定值的差值較小，在設定值附近小范圍波動，與設定值偏差較小，利于干燥床工況的穩(wěn)定，2TIC2235 波動情況降低了約80%，2TIC2229 波動情況降低了約70%。

4 結(jié)語

干燥床的優(yōu)化控制具有多種難點，滯后時間較長，滯后時間可能長達數(shù)小時，工段變量之間存在強的耦合關(guān)聯(lián)，先進控制系統(tǒng)計算的設定值作為PID 控制的上一級，沈陽華控LoopSenser 回路評估與整定系統(tǒng)基于高階模型降階的低階模型計算PID 控制器參數(shù)，提升了整定參數(shù)的便利性和適用性，良好的控制效果說明了方法的有效性。

圖6 二床下部溫度回路優(yōu)化與未優(yōu)化控制效果