重沸器爐溫控制系統PID參數調節

＊王盼 唐楚寒 張其勇 丁亮

（1.塔里木油田分公司 博大采油氣管理區 新疆 842008 2.貴州美瑞特環保科技有限公司 貴州 550010 3.西南石油大學 電氣信息學院 四川 610000）

1.背景簡紹

(1)三甘醇再生系統簡介

本文以三甘醇再生系統重沸器爐溫控制為例。從三甘醇吸收塔下部出來的三甘醇富液經液位調節閥降壓后經三甘醇重沸器富液精餾柱頂換熱盤管換熱，然后進入三甘醇閃蒸罐閃蒸，閃蒸出來的閃蒸氣經調壓閥調壓后去燃料氣系統用作工廠燃料氣。閃蒸后的三甘醇富液依次經過三甘醇預過濾器、活性炭過濾器、三甘醇過濾器除去溶液中的機械雜質和降解產物，然后進入到三甘醇緩沖罐和三甘醇貧液換熱后再經富液精餾柱到重沸器再生。汽提氣從貧液精餾柱下端注入到汽提柱底部。三甘醇富液與重沸器來的水汽和汽提氣在富液汽提柱中接觸被提濃，然后進入到三甘醇重沸器中被加熱至202℃左右，經貧液汽提柱二次氣提進入緩沖罐，再經三甘醇后冷器冷卻到47℃，由循環泵增壓進入吸收塔頂部，完成三甘醇的吸收、再生、循環過程。三甘醇富液再生產生的廢氣（主要為水蒸氣、CO2、烴類）經空冷器冷卻后進入不凝氣分離罐，不凝氣送到乙二醇再生裝置的廢氣灼燒爐氣相出口與回流罐頂部廢氣一同去低壓放空灼燒凝液去污水系統。由工藝流程可知三甘醇再生時若重沸器溫度不夠，那么三甘醇濃度將無法滿足正常需求，一般工藝需求三甘醇濃度需要達到99%以上，反之若溫度過高，如達到三甘醇裂解溫度206.7℃則會使三甘醇裂解從而造成三甘醇損失，所以對于三甘醇再生系統來說，重沸器的溫度控制是極為重要的。

(2)存在問題

重沸器爐溫控制系統可以等效成一個傳遞函數為二階加時滯的模型，即對于重沸器爐溫控制系統來說，溫度變化是一個具有延時性的過程（如對于重沸器的爐溫來說，當燃料氣調節閥的開度發生變化后，重沸器的爐溫不會立即發生變化，要等到燃料氣燃燒后對重沸器加溫或者與富三甘醇進行換熱后達到降溫的效果，系統延時性較大），所以對于溫度的控制相對于其他變量（如壓力、流量）來說，溫度控制的難度也就相對而言增加了不少，常規的PID控制對于高階含時滯的系統來說，控制效果不如一般不含時滯的模型，參數選取不合適，得到的響應曲線往往會不太理想，甚至使系統崩潰，故而我們在選取參數時需謹慎一些。在本次三甘醇項目重沸器爐溫控制中，初期的參數對于該控制系統來說不太合適，得到的溫度變化曲線如圖1所示，從圖1可以明顯看出溫度在與設定值的偏差在±5℃左右，調節閥的動作也較為頻繁，這對于溫度控制來說是不太合適的，特別針對此系統來說，對于溫度的控制要求較高，是不太能接受此種溫度波動（如設定值為200℃，此時溫度達到設定值后進行±5℃的波動的話，那么溫度就會超過設定的高高報204℃，甚至超過三甘醇裂解溫度206.7℃，這對于三甘醇再生系統正常運行是極為不利的），調節閥頻繁的動作對調節閥的使用壽命也會有一定的影響，會加劇調節閥閥芯的沖蝕。針對此種情況，我們需要對重沸器爐溫控制系統的PID參數進行整定，以期達到一條較為穩定的溫度曲線——溫度在達到設定值時，有較小的超調量，且系統的響應速度要相對較快，后續振蕩情況其振幅要盡可能的小，最好能做到無振幅的情況，但是由于重沸器爐溫受多個因素的影響（三甘醇富液溫度、燃料氣流量、環境溫度等）故而溫度在達到設定值穩定之后有一定的波動屬于正常現象，但需要盡量把該振蕩幅度控制在±0.5℃以內。

圖1 未經調試的重沸器爐溫曲線圖

2.重沸器溫度控制PID參數整定

(1)PID參數整定

所謂PID控制器參數整定就是通過設置和調整PID控制器的參數，使控制系統的過渡過程達到滿意的效果。工程應用中參數整定方法主要包括以下幾類：試湊法、經驗數據法、臨界比例度法等。

根據工程項目實際情況，由于現場對于溫度的控制較為嚴格，不宜使用臨界比例度法進行PID參數整定。同時對于壓力、液位和流量來說，若使用臨界比例度進行PID參數整定，那么其整定過程產生的等幅振蕩會影響正常工藝生產。故而試湊法是最適用于現場對PID參數進行整定，在使用試湊法對PID參數進行整定時，可以結合經驗數據法一起進行整定，在整定的過程中有一個參考范圍，這樣可以極大地節省我們整定PID參數的時間，少走彎路。

(2)重沸器爐溫控制PID參數整定

一般溫度控系統可等價于一個二階時滯系統，其傳遞函數如式（1）所示：

根據式（1）的傳遞函數可在Matlab仿真軟件中搭建重沸器爐溫控制系統模型，對參數進行調整優化，通過觀察溫度響應曲線（圖1），溫度達到設定值之后，在設定值附近波動較大，衰減較慢，這是由于積分時間過短，此時我們需要加強積分作用，又由于溫度控制具有較大的滯后和較大的慣性，所以我們需要加入微分作用，經過初步調整，得到的PID參數為：比例系數（P）3；積分時間（I）180s；微分時間（D）240s，在Matlab仿真軟件中得到結果如圖2所示。將仿真得到的結果應用于重沸器爐溫PID器中得到的溫度響應曲線如圖3所示。

圖2 Matlab仿真結果

圖3 初步調試后的重沸器爐溫曲線圖

由圖3可知，經過初步的調整可以觀察到系統的響應曲線效果已經大幅度的提升，系統在達到設定值之后，基本在設定值±0.3℃以內進行波動，調節閥的開度在溫度達到設定值之后也能維持在一個范圍內，不會再大幅度的進行啟閉，但可以觀察到系統的響應曲線并不光滑，溫度響應曲線在一個小范圍內振蕩，此溫度控制系統還存在一定的余差，需要進一步的增大積分時間，但是增加積分時間會導致系統的調節時間增加，那么同樣的也需要對微分作用進行調節。由控制邏輯可知，對于重沸器溫度影響較大的主要是調節閥C（即調節閥C為主調節閥），所以后續進行微調的時候主要對調節閥C的參數進行調整即可，觀察系統響應曲線，若響應曲線不理想再對調節閥A/B的參數進行調整。經過整定，最后得到的結果參數為：比例系數（P）3；積分時間（I）300s；微分時間（D）400s，得到重沸器爐溫曲線如圖4，由圖4可知得到的溫度響應曲線較為理想，溫度達到設定值后基本上維持在設定值位置，幾乎無波動，但是由于積分時間過長（積分作用較弱），故而實際溫度與設定溫度存在一定的余差。還可以觀察到，當系統設定值發生變化后，實際溫度重新達到穩定所需的時間大概為兩小時左右（一般PID調節系統響應曲線經過兩個周期的振蕩便會趨于設定值，從圖4中也可以看出其振蕩一次的周期大約為一個小時），系統響應時間較長，但是由于此時微分作用已經很強了，若進一步提高微分作用，那么該系統的抗干擾能力會進一步降低，由于重沸器爐溫易受其他因素影響，故而不能進步一步提升微分作用了。當現場工藝或參數發生變化該組參數不能較為理想進行控制時，再根據試湊法、觀察系統響應曲線相結合的方法對PID參數進行調整即可。

圖4 重沸器爐溫響應曲線

(3)結論

①本次針對重沸器爐溫控制系統參數整定主要采取了經驗數據、軟件及試湊法多種方法結合的方式。

②針對重沸器爐溫控制系統整定最終得到的控制參數為比例系數（P）3；積分時間（I）300s；微分時間（D）400s，觀察爐溫響應曲線可知整定的參數較為理想。

3.總結及展望

在PID控制中，比例控制主要對系統偏差按照設定的比例進行放大，從而達到消除系統偏差的目的；積分控制的特點是：只要還有余差（即殘余的控制偏差）存在，積分控制就不斷將系統余差進行累積積分，當積分過后的余差數值達到一定的程度后，系統直到余差消除，所以積分的效果比較緩慢，控制系統中引入積分作用會使系統調節時間增加；微分控制的特點是：盡管實際測量值比設定值還低，但其快速上漲的趨勢需要盡早抑制，否則等到系統的輸出值超過設定值再作反應就晚了，這就是微分控制施展身手的地方了，作為基本控制作用，微分控制只看趨勢，不看具體數值，所以最理想的情況也就是把實際值穩定下來之后再進行調試，引入微分作用會使系統穩定性降低[1]。

在我們實際的生產中，對于PID參數的整定，需要首先了解被控對象的特性，對于試湊法和經驗數據法的靈活運用可以極大地節省我們調試PID參數的時間。對于一些簡單的系統，我們可以將被控對象抽象出來轉換成為一個傳遞函數，借助Matlab軟件幫助我們調節PID參數，對于一些較為復雜的系統，不便于抽象為傳遞函數的被控對象來說，借助軟件的方法就不適用了，因為我們不能準確地抽象出傳遞函數，所得到的模型與實際系統存在一定的誤差，那么借助軟件得到的PID參數結果運用到實際系統中可能就達不到理想的控制效果，這是由于同一組PID控制參數對于不同的被控系統來說，得到的響應曲線也大相徑庭，此時我們就需要對PID參數進行試湊。在試湊的過程中參考經驗數據不但可以節省我們的調試時間，還能使我們得到的控制效果更加穩定。

綜上所述，通過本次對重沸器爐溫控制系統PID參數整定過程可以體現，一般在工業控制系統中，對于PID控制器的參數整定往往采取多種方法結合的方式，比如本次采用了經驗數據法、試湊法、軟件模擬法等多種方法結合的方式，得到了較為理想的重沸器爐溫控制參數，即比例系數為3，積分時間為300s，微分時間為400s，在此控制參數下，當設定溫度發生變化時，重沸器爐溫在設定溫度±0.3℃內波動，其調節時間大概在1.5h左右，通過觀察其響應曲線可以觀察到PID參數整定前后，爐溫曲線得到了明顯改善、調節閥動作也不像整定前那么頻繁，這也延長了調節閥的使用壽命。目前在工業控制系統中對于PID控制器的使用已經到了一個相對比較成熟的階段，不論是西門子自控控制系統PCS7中的PID參數自整定功能，還是浙江中控的i-OMC系統中的回路自整定功能，都能實現軟件對PID控制器參數自動整定的功能，其軟件還可以不斷升級學習，使自動整定的參數更加貼合現場實際。