PID優(yōu)化技術(shù)-1課件

集散系統(tǒng)中PID參數(shù)整定

與控制器的優(yōu)化

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

主要內(nèi)容：

項(xiàng)目簡(jiǎn)介及項(xiàng)目實(shí)施的重要性；石化工業(yè)中常用控制形式及參數(shù)整定方法；DCS中控制器優(yōu)化與參數(shù)整定。

參考資料：

《集散系統(tǒng)中PID參數(shù)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(shí)施PID參數(shù)優(yōu)化的重要性和必要性

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)體制的轉(zhuǎn)變，國(guó)內(nèi)的眾多過程工業(yè)企業(yè)日益感受到國(guó)際間競(jìng)爭(zhēng)所帶來的壓力和挑戰(zhàn)。在這種大背景下，積極開發(fā)和應(yīng)用先進(jìn)控制與系統(tǒng)在線優(yōu)化技術(shù)以提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)自身的競(jìng)爭(zhēng)力，是過程工業(yè)迎接挑戰(zhàn)的重要對(duì)策。

國(guó)家和企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)都非常關(guān)注這個(gè)問題，我國(guó)“十一五”規(guī)劃中明確提出要推進(jìn)科技進(jìn)步和技術(shù)創(chuàng)新。一些新的企業(yè)，在設(shè)計(jì)和建廠過程中就要采用先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)以及信息化系統(tǒng)。PID基本控制回路運(yùn)行良好，是先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)成功實(shí)施的必要前提和基礎(chǔ)。4/1/20235裝置操作技術(shù)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)和趨勢(shì)計(jì)劃、調(diào)度動(dòng)態(tài)控制多變量預(yù)測(cè)、內(nèi)?？刂疲◣Ъs束的控制）單回路先進(jìn)控制PID算法（如魯棒內(nèi)模―PID）穩(wěn)態(tài)控制DCS工業(yè)計(jì)算機(jī)生產(chǎn)過程基本調(diào)節(jié)控制（PID控制）優(yōu)化控制代替普渡提出的五層結(jié)構(gòu)當(dāng)前，各類煉油化工裝置大都采用了DCS。隨著信息和通訊技術(shù)的發(fā)展，在DCS基礎(chǔ)之上，當(dāng)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(chǎn)調(diào)度企業(yè)管理經(jīng)營(yíng)決策第五層：企業(yè)決策，生產(chǎn)規(guī)劃第四層：供銷,財(cái)務(wù),計(jì)劃,管理等第二層：先進(jìn)控制，過程優(yōu)化第三層：生產(chǎn)調(diào)度，系統(tǒng)優(yōu)化第一層：?jiǎn)卧詣?dòng)化，簡(jiǎn)單控制生

產(chǎn)

過

程網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)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(rùn)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(zhì)油燃料油潤(rùn)滑油瀝青石蠟石油焦“三苯”乙烯丙烯丁二烯“三烯”有機(jī)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(chǎn)品石化產(chǎn)品石油化工產(chǎn)業(yè)鏈二.當(dāng)前國(guó)內(nèi)裝置控制的現(xiàn)狀?4/1/20239原料燃料溫度檢測(cè)點(diǎn)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(gòu)成串級(jí)。所有控制器的控制形式均采用PID控制形式。PID是當(dāng)前煉油化工裝置的主要控制形式二.當(dāng)前國(guó)內(nèi)石化工業(yè)裝置控制的現(xiàn)狀4/1/202310換熱原理示意圖介質(zhì)1溫度檢測(cè)點(diǎn)TCFC介質(zhì)2此處也可引入串級(jí)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(yīng)器TIC6TIC5反應(yīng)產(chǎn)物聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器的溫度控制示意圖，TIC5的溫度控制關(guān)系到聚丙烯的產(chǎn)品性能和質(zhì)量，十分關(guān)鍵，TIC5和TIC6構(gòu)成串級(jí)，均采用PID控制。4/1/202313塔器在煉油化工生產(chǎn)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(fù)雜，各控制回路中存在一定的關(guān)聯(lián)和耦合，4/1/202314精餾塔4/1/202315FCFCFCFCFCFCFCFCFCPC固定床反應(yīng)器煉油化工中很多反應(yīng)在固定床反應(yīng)器中完成，各回路的精度影響整個(gè)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(tǒng)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(shè)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(shè)備一定的條件下，PID控制是生產(chǎn)“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)”運(yùn)行的必要保證。

3.經(jīng)常碰到工藝人員、設(shè)備人員、儀表人員抱怨各種問題，其實(shí)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(jié)果造成的后果(1)：很多手動(dòng)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(jīng)常有人認(rèn)為：(1).投自動(dòng)還不如手動(dòng)；(2).投自動(dòng)以后波動(dòng)更大我們認(rèn)為，這時(shí)可能存在：(1).投用的自動(dòng)不合適；(2).投自動(dòng)的上下游裝置沒有協(xié)調(diào)好4/1/202331造成的后果(3)：產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)和能耗較高：自控率低、控制波動(dòng)：(1).影響控制效果－－波動(dòng)大、裝置不穩(wěn)定(2).影響產(chǎn)品質(zhì)量－－如產(chǎn)品分離受影響(3).影響反應(yīng)的深度和收率(4).容易造成不合格產(chǎn)品(5).不利于節(jié)能降耗

4/1/202332(1).每個(gè)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(shè)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(biāo)：(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(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)PID與目前常用先進(jìn)控制之間的關(guān)系魯棒多變量控制算法(5).操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度較大

(6).多變量先進(jìn)控制效果不好或者成為擺設(shè)4/1/202334目前，許多煉油化工處理裝置進(jìn)行了集散控制系統(tǒng)（DCS）的改造。隨著信息和通訊技術(shù)的發(fā)展，在DCS基礎(chǔ)之上，當(dāng)前工廠又向管控一體化方向發(fā)展。DCS的實(shí)施對(duì)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(shù)整定困難；控制效果差或難以控制；控制器往往打到手動(dòng)狀態(tài)，自控率低，不符合石油及石油化工企業(yè)生產(chǎn)回路自控率在90％以上的要求；以多變量為核心的先進(jìn)控制由于單變量PID整定不良，控制效果不好，使多變量先進(jìn)控制往往不能投入使用?？刂破鲄?shù)整定的品質(zhì)直接影響到控制器能否良好投用和生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行，也是先進(jìn)控制（AdvancedProcessControl，APC）能否成功運(yùn)行的基礎(chǔ)，意義重大。以上問題困擾著現(xiàn)場(chǎng)工程師，在生產(chǎn)中迫切需要得到解決。

4/1/202335我們認(rèn)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(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)70%的問題都已經(jīng)得到解決。（優(yōu)化是工作點(diǎn)附近的局部?jī)?yōu)化，不可能突破工藝研究的設(shè)定點(diǎn)）但是：要整定PID,如何整定？整定到多少？實(shí)施人員不明確四.我們的思路4/1/202336當(dāng)前PID控制的癥結(jié)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(duì)象、不同特性四.我們的思路一般采用標(biāo)準(zhǔn)PID的形式(如上式)，其中Kc、Ti、Td為比例、積分、微分系數(shù)，即為PID參數(shù)。實(shí)際上，對(duì)象的特性有差異，響應(yīng)時(shí)間有差異，其PID控制的形式也應(yīng)該是有差異的，而目前的組態(tài)沒有體現(xiàn)這一差異。

4/1/202337當(dāng)前PID控制的癥結(jié)所在：PID參數(shù)的設(shè)置（即PID參數(shù)的整定）往往很不合理

如在橫河DCS中，缺省PID參數(shù)廠家設(shè)置為100、20、0；組態(tài)完畢進(jìn)入生產(chǎn)裝置以后，操作工或儀表工程師整定PID參數(shù)時(shí)，往往只是在100、20、0附近進(jìn)行一些修改，而實(shí)際上，優(yōu)化的PID參數(shù)往往與以上數(shù)據(jù)有巨大差別。

四.我們的思路4/1/202338四.我們的思路針對(duì)找到的癥結(jié)，我們研制的目標(biāo)是：1.根據(jù)不同對(duì)象的不同特點(diǎn)，選定不同的PID控制類型；2.對(duì)于選定的PID控制形式，根據(jù)對(duì)象的具體特點(diǎn)，用先進(jìn)控制去整定PID的參數(shù)，使對(duì)象穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、控制精度高，從而生產(chǎn)出合格優(yōu)秀的產(chǎn)品。

4/1/202339PID控制的類型4/1/202340將先進(jìn)控制用于PID參數(shù)整定，使PID具有先進(jìn)控制的優(yōu)點(diǎn)，且解決了先進(jìn)控制不如PID的魯棒性（Robust）和容易操作性下面進(jìn)行內(nèi)模—PID的原理五.具體技術(shù)細(xì)節(jié)4/1/202341先進(jìn)控制方式4/1/202342五.具體技術(shù)細(xì)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(zhuǎn)換公式Gc=(I+CGm)-1C常規(guī)內(nèi)模控制

用內(nèi)?？刂普ǖ腜ID控制器參數(shù)原理圖4/1/202343內(nèi)模控制作用對(duì)比還可參見測(cè)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(shù)細(xì)節(jié):實(shí)施的硬件結(jié)構(gòu)控制器優(yōu)化站數(shù)據(jù)單向傳輸1.安全可靠2.完全不影響裝置的正常運(yùn)行3.完全不影響數(shù)采的正常運(yùn)行4.與數(shù)采的區(qū)別為數(shù)據(jù)量大、采樣周期短(1秒一次)4/1/202345五.具體技術(shù)細(xì)節(jié)DCS數(shù)據(jù)交換接口模型仿真對(duì)象的動(dòng)態(tài)測(cè)試對(duì)象的模型辨識(shí)內(nèi)模PID參數(shù)整定PID參數(shù)下發(fā)PID參數(shù)輸出顯示控制器參數(shù)優(yōu)化整定軟件包模塊圖4/1/202346包括：1.通信接口2.關(guān)系型數(shù)據(jù)庫3.模型辨識(shí)軟件包4.控制器優(yōu)化軟件包5.裝置運(yùn)行自控率監(jiān)控模塊(長(zhǎng)周期)6.裝置運(yùn)行平穩(wěn)率監(jiān)控模塊

可以監(jiān)控統(tǒng)計(jì)和隨時(shí)查詢：小時(shí)、日、周、月、年自控率和平穩(wěn)率五.具體技術(shù)細(xì)節(jié):軟件結(jié)構(gòu)4/1/202347六.我們的優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新點(diǎn)

優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新點(diǎn):1.獨(dú)特而有效的對(duì)象特性獲取方法

4/1/202348模型參數(shù)辨識(shí)4/1/202349六.我們的優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新點(diǎn)2.先進(jìn)的PID參數(shù)整定方法

100人手工整定會(huì)有100種結(jié)果。

一般PID參數(shù)的整定采用的是誤差性能指標(biāo)

有超調(diào)，響應(yīng)慢，過渡時(shí)間長(zhǎng)本項(xiàng)目采用先進(jìn)控制（如預(yù)測(cè)控制、內(nèi)?？刂疲┤フ刂破鞯膮?shù)，響應(yīng)速度迅速、超調(diào)小或無超調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)4/1/202350控制器參數(shù)優(yōu)化4/1/202351六.我們的優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新點(diǎn)3.先控方法整定的PID參數(shù)具有解耦能力+Gc(S)G(S)Gm(S)—+—++干擾對(duì)象輸出給定其他整定方法容易“按下葫蘆浮起瓢”4/1/202352內(nèi)模-PID應(yīng)用前后作用對(duì)比七.應(yīng)用效果4/1/202353內(nèi)模-PID應(yīng)用前后作用對(duì)比4/1/202354聚丙烯反應(yīng)器夾套水進(jìn)口溫度控制結(jié)果（前）

4/1/202355聚丙烯反應(yīng)器夾套水進(jìn)口溫度控制結(jié)果改進(jìn)

4/1/202356聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器反應(yīng)溫度控制結(jié)果(前)

4/1/202357聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器反應(yīng)溫度控制結(jié)果(改進(jìn))4/1/202358難投入自動(dòng)的回路4/1/202359難投入自動(dòng)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(fù)壓AC氧含量控制風(fēng)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(shí)施參數(shù)整定與控制器優(yōu)化的目標(biāo)自控率大幅度提高，長(zhǎng)周期保持在95％以上，達(dá)到或接近100％；大大提高裝置運(yùn)行的可靠和安全性；回路控制質(zhì)量大幅度提高，關(guān)鍵被控變量標(biāo)準(zhǔn)偏差降低30%以上；串級(jí)等復(fù)雜控制回路投運(yùn)，達(dá)到高精度的控制；裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行,且各控制變量波動(dòng)滿足工藝設(shè)計(jì)的要求。提高裝置生產(chǎn)平穩(wěn)率，降低目的產(chǎn)品收率的波動(dòng)，提高產(chǎn)品平穩(wěn)率；目前產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)常波動(dòng)，項(xiàng)目實(shí)施后要做到正常生產(chǎn)情況下產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量少波動(dòng)或者無波動(dòng)。降低操作工勞動(dòng)強(qiáng)度；能耗降低。4/1/202364八.最終目的

在PID參數(shù)及回路優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行