PID優(yōu)化技術-1課件

集散系統中PID參數整定

與控制器的優(yōu)化

4/1/20231副標題：提高裝置自控平穩(wěn)率、保證裝置“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”的有效手段4/1/20232控制器優(yōu)化與PID參數整定

主要內容：

項目簡介及項目實施的重要性；石化工業(yè)中常用控制形式及參數整定方法；DCS中控制器優(yōu)化與參數整定。

參考資料：

《集散系統中PID參數整定與控制器的優(yōu)化》

（靳其兵、曹麗婷等編著，化工出版社，2011年5月）4/1/20233一.實施PID參數優(yōu)化的重要性和必要性

隨著我國經濟體制的轉變，國內的眾多過程工業(yè)企業(yè)日益感受到國際間競爭所帶來的壓力和挑戰(zhàn)。在這種大背景下，積極開發(fā)和應用先進控制與系統在線優(yōu)化技術以提高企業(yè)經濟效益，增強自身的競爭力，是過程工業(yè)迎接挑戰(zhàn)的重要對策。

國家和企業(yè)領導都非常關注這個問題，我國“十一五”規(guī)劃中明確提出要推進科技進步和技術創(chuàng)新。一些新的企業(yè)，在設計和建廠過程中就要采用先進控制與優(yōu)化技術以及信息化系統。PID基本控制回路運行良好，是先進控制與優(yōu)化技術成功實施的必要前提和基礎。4/1/20235裝置操作技術應用的結構和趨勢計劃、調度動態(tài)控制多變量預測、內?？刂疲◣Ъs束的控制）單回路先進控制PID算法（如魯棒內模―PID）穩(wěn)態(tài)控制DCS工業(yè)計算機生產過程基本調節(jié)控制（PID控制）優(yōu)化控制代替普渡提出的五層結構當前，各類煉油化工裝置大都采用了DCS。隨著信息和通訊技術的發(fā)展，在DCS基礎之上，當前工廠又向管控一體化方向發(fā)展，4/1/20236過程控制過程優(yōu)化生產調度企業(yè)管理經營決策第五層：企業(yè)決策，生產規(guī)劃第四層：供銷,財務,計劃,管理等第二層：先進控制，過程優(yōu)化第三層：生產調度，系統優(yōu)化第一層：單元自動化，簡單控制生

產

過

程網絡和生產信息化管理4/1/20237常減壓蒸餾原油汽油餾分煤柴油餾分潤滑油餾分渣油催化重整催化加氫催化裂化熱加工汽油煤油柴油重質油燃料油潤滑油瀝青石蠟石油焦“三苯”乙烯丙烯丁二烯“三烯”有機化工原料苯甲苯二甲苯合成樹脂高壓聚乙烯低壓聚乙烯線性低密度聚乙烯聚氯乙烯聚丙烯聚苯乙烯合成纖維滌綸腈綸錦綸丙綸維綸其他(碳纖維等)合成橡膠丁苯橡膠順丁橡膠氯丁橡膠丁腈橡膠其他石油煉制工業(yè)石油產品石化產品石油化工產業(yè)鏈二.當前國內裝置控制的現狀?4/1/20239原料燃料溫度檢測點TCFC加熱爐控制的原理圖加熱爐的控制包括：出口溫度控制TC，流量控制FC構成串級。所有控制器的控制形式均采用PID控制形式。PID是當前煉油化工裝置的主要控制形式二.當前國內石化工業(yè)裝置控制的現狀4/1/202310換熱原理示意圖介質1溫度檢測點TCFC介質2此處也可引入串級換熱在煉油化工過程中普遍存在，幾乎所有煉油化工流程都存在換熱，以充分利用能量，TC采用PID控制。

4/1/202311原料環(huán)管反應器TIC6TIC5反應產物聚丙烯環(huán)管反應器的溫度控制示意圖，TIC5的溫度控制關系到聚丙烯的產品性能和質量，十分關鍵，TIC5和TIC6構成串級，均采用PID控制。4/1/202313塔器在煉油化工生產流程中十分常見，從控制的角度來看，分餾塔、汽提塔、萃取塔均類似。圖所示的常減壓塔中，液位、溫度、流量等控制回路均采用PID控制。圖中的塔器較復雜，各控制回路中存在一定的關聯和耦合，4/1/202314精餾塔4/1/202315FCFCFCFCFCFCFCFCFCPC固定床反應器煉油化工中很多反應在固定床反應器中完成，各回路的精度影響整個工藝過程的收率。各控制回路均采用PID控制。

4/1/202317乙烯裂解爐控制系統4/1/202318可以看出：

1.目前，幾乎所有煉油化工過程都包含以上典型設備，而由圖可見，這些裝置的控制回路基本都采用PID控制形式。

2.工藝一定、設備一定的條件下，PID控制是生產“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運行的必要保證。

3.經常碰到工藝人員、設備人員、儀表人員抱怨各種問題，其實PID問題解決了，其它很多問題都迎刃而解

4/1/202319某高壓分離器液位控制回路裝置手工操作的結果造成的后果(1)：很多手動4/1/202321流量控制閥穩(wěn)流量變化（壓力變）4/1/2023224/1/2023234/1/202325液位控制換班4/1/202326造成的后果(2)：控制精度有待提高4/1/2023294/1/202330經常有人認為：(1).投自動還不如手動；(2).投自動以后波動更大我們認為，這時可能存在：(1).投用的自動不合適；(2).投自動的上下游裝置沒有協調好4/1/202331造成的后果(3)：產品質量波動和能耗較高：自控率低、控制波動：(1).影響控制效果－－波動大、裝置不穩(wěn)定(2).影響產品質量－－如產品分離受影響(3).影響反應的深度和收率(4).容易造成不合格產品(5).不利于節(jié)能降耗

4/1/202332(1).每個操作工的手法有很大差異(2).緊急情況下容易誤操作(3).儀器設備的完好率降低(4).在操作站故障、通信故障等情況下很難保證裝置的安全性造成的后果(4)：裝置的安全性降低4/1/202333期望目標：(如某組分收率最大、處理量極大、能耗極小等)CV1CV2DV1受控變量MV2MV3DCS基本控制回路(PID)

操縱變量：基本控制回路給定值MV1DV2CVnDVrMVm干擾變量生產現場PID與目前常用先進控制之間的關系魯棒多變量控制算法(5).操作工的勞動強度較大

(6).多變量先進控制效果不好或者成為擺設4/1/202334目前，許多煉油化工處理裝置進行了集散控制系統（DCS）的改造。隨著信息和通訊技術的發(fā)展，在DCS基礎之上，當前工廠又向管控一體化方向發(fā)展。DCS的實施對提高控制和管理水平起到了巨大作用，但還存在諸多問題，如：PID參數整定困難；控制效果差或難以控制；控制器往往打到手動狀態(tài)，自控率低，不符合石油及石油化工企業(yè)生產回路自控率在90％以上的要求；以多變量為核心的先進控制由于單變量PID整定不良，控制效果不好，使多變量先進控制往往不能投入使用。控制器參數整定的品質直接影響到控制器能否良好投用和生產的穩(wěn)定運行，也是先進控制（AdvancedProcessControl，APC）能否成功運行的基礎，意義重大。以上問題困擾著現場工程師，在生產中迫切需要得到解決。

4/1/202335我們認為：工藝及裝置一定，如果PID控制回路能夠被優(yōu)化，發(fā)揮理想的控制效果，則生產現場70%的問題都已經得到解決。（優(yōu)化是工作點附近的局部優(yōu)化，不可能突破工藝研究的設定點）但是：要整定PID,如何整定？整定到多少？實施人員不明確四.我們的思路4/1/202336當前PID控制的癥結所在：DCS中PID控制的形式固定，無論是溫度、流量、液位還是壓力等不同對象、不同特性四.我們的思路一般采用標準PID的形式(如上式)，其中Kc、Ti、Td為比例、積分、微分系數，即為PID參數。實際上，對象的特性有差異，響應時間有差異，其PID控制的形式也應該是有差異的，而目前的組態(tài)沒有體現這一差異。

4/1/202337當前PID控制的癥結所在：PID參數的設置（即PID參數的整定）往往很不合理

如在橫河DCS中，缺省PID參數廠家設置為100、20、0；組態(tài)完畢進入生產裝置以后，操作工或儀表工程師整定PID參數時，往往只是在100、20、0附近進行一些修改，而實際上，優(yōu)化的PID參數往往與以上數據有巨大差別。

四.我們的思路4/1/202338四.我們的思路針對找到的癥結，我們研制的目標是：1.根據不同對象的不同特點，選定不同的PID控制類型；2.對于選定的PID控制形式，根據對象的具體特點，用先進控制去整定PID的參數，使對象穩(wěn)定、響應速度快、控制精度高，從而生產出合格優(yōu)秀的產品。

4/1/202339PID控制的類型4/1/202340將先進控制用于PID參數整定，使PID具有先進控制的優(yōu)點，且解決了先進控制不如PID的魯棒性（Robust）和容易操作性下面進行內?！狿ID的原理五.具體技術細節(jié)4/1/202341先進控制方式4/1/202342五.具體技術細節(jié)+—C(S)G(S)常規(guī)PID控制，C(S)為PID控制器C(S)G(S)Gm(S)+—+—+—Gm(S)Gc(S)G(S)Gm(S)+—+—Gc(S)存在轉換公式Gc=(I+CGm)-1C常規(guī)內?？刂?/p>

用內?？刂普ǖ腜ID控制器參數原理圖4/1/202343內?？刂谱饔脤Ρ冗€可參見測試曲線中效果4/1/202344DCS控制柜工程師站操作站操作站五.具體技術細節(jié):實施的硬件結構控制器優(yōu)化站數據單向傳輸1.安全可靠2.完全不影響裝置的正常運行3.完全不影響數采的正常運行4.與數采的區(qū)別為數據量大、采樣周期短(1秒一次)4/1/202345五.具體技術細節(jié)DCS數據交換接口模型仿真對象的動態(tài)測試對象的模型辨識內模PID參數整定PID參數下發(fā)PID參數輸出顯示控制器參數優(yōu)化整定軟件包模塊圖4/1/202346包括：1.通信接口2.關系型數據庫3.模型辨識軟件包4.控制器優(yōu)化軟件包5.裝置運行自控率監(jiān)控模塊(長周期)6.裝置運行平穩(wěn)率監(jiān)控模塊

可以監(jiān)控統計和隨時查詢：小時、日、周、月、年自控率和平穩(wěn)率五.具體技術細節(jié):軟件結構4/1/202347六.我們的優(yōu)勢和創(chuàng)新點

優(yōu)勢和創(chuàng)新點:1.獨特而有效的對象特性獲取方法

4/1/202348模型參數辨識4/1/202349六.我們的優(yōu)勢和創(chuàng)新點2.先進的PID參數整定方法

100人手工整定會有100種結果。

一般PID參數的整定采用的是誤差性能指標

有超調，響應慢，過渡時間長本項目采用先進控制（如預測控制、內模控制）去整定控制器的參數，響應速度迅速、超調小或無超調，抗干擾能力強4/1/202350控制器參數優(yōu)化4/1/202351六.我們的優(yōu)勢和創(chuàng)新點3.先控方法整定的PID參數具有解耦能力+Gc(S)G(S)Gm(S)—+—++干擾對象輸出給定其他整定方法容易“按下葫蘆浮起瓢”4/1/202352內模-PID應用前后作用對比七.應用效果4/1/202353內模-PID應用前后作用對比4/1/202354聚丙烯反應器夾套水進口溫度控制結果（前）

4/1/202355聚丙烯反應器夾套水進口溫度控制結果改進

4/1/202356聚丙烯環(huán)管反應器反應溫度控制結果(前)

4/1/202357聚丙烯環(huán)管反應器反應溫度控制結果(改進)4/1/202358難投入自動的回路4/1/202359難投入自動的回路－－一串八4/1/202360FC2原料燃料溫度出口溫度TCFC1圖2加熱爐控制的原理圖副回路主回路PC爐堂負壓AC氧含量控制風加熱爐控制4/1/202361加熱爐控制4/1/202362節(jié)能降耗(改組態(tài))

4/1/202363八.實施參數整定與控制器優(yōu)化的目標自控率大幅度提高，長周期保持在95％以上，達到或接近100％；大大提高裝置運行的可靠和安全性；回路控制質量大幅度提高，關鍵被控變量標準偏差降低30%以上；串級等復雜控制回路投運，達到高精度的控制；裝置長周期穩(wěn)定運行,且各控制變量波動滿足工藝設計的要求。提高裝置生產平穩(wěn)率，降低目的產品收率的波動，提高產品平穩(wěn)率；目前產品質量時常波動，項目實施后要做到正常生產情況下產品質量及產量少波動或者無波動。降低操作工勞動強度；能耗降低。4/1/202364八.最終目的

在PID參數及回路優(yōu)化的基礎上進行