基于模型优化PID参数在延迟焦化的应用

王良瑾

摘 要：PID参数的优化问题在石油化工行业中一直以来都是自动控制领域研究的重点，比例、积分、微分这三个参数的取值直接影响控制效果。传统的PID参数大多由工程技术人员通过不断试凑方法来进行优化，对于一些复杂的生产系统，难以满足控制精度的要求。本文针对以上问题，着重介绍基于模型控制，在延迟焦化装置成功实施PID参数整定优化，并分析对比前后效果。通过参数优化大大提高了装置自控率。

关键词：PID；模型控制；整定优化；自控率

1、前言

中国石化某个炼油厂的延迟焦化装置设计加工能力为140万吨/年，DCS系统采用横河电机有限公司提供的基于WINDOWS-XP的大型DCS系统，操作站采用通用PC机，控制站采用全冗余热备份结构，是目前世界上最先進的大型DCS系统之一。

除了水力除焦部分设置单独的PLC系统进行控制，其它部分都在横河CS3000系统实现检测与控制，自动控制回路包括单回路控制、串级控制、分程控制、选择控制等，一共有101个回路。

2、传统PID参数优化的现状

当前，国内的主要炼油化工厂都使用集散控制系统（DCS）进行监控，其中大部分控制回路采用PID控制。PID在DCS上的应用极大提高控制和管理的水平，降低了劳动者的工作强度，但目前仍存在诸多问题，如：PID参数整定困难、控制效果难以控制、自控率普遍不高等。

2.1、PID控制算法固定

其中KC、Ti、Td 分别是比例参数P、积分参数I、微分参数D。实际上，随着被控对象的不同，响应时间也有所不同，其PID控制的形式也应该是有差异的，而目前的DCS系统组态方式并没有体现出来。

2.2、 PID参数整定不合理

在现场生产中，由于操作人员对PID控制原理认识不到位，常常根据个人经验给定PID参数，导致控制器参数设置不是最优，使得控制效果比较差或者控制发散，需要人工干预或者手动控制。另外，PID参数一旦组态设置完成后，操作人员往往只是在参数附近进行小改动，很少根据现场工况变化进行适当调节，无法满足实际调节要求。

3、基于模型优化PID参数

3.1、目的与意义

作为鲁棒控制之一的基于模型优化控制既有具有鲁棒稳定性，又具有控制性能的优点，控制性能要明显优于传统人工试调PID控制。基于模型优化控制的PID控制器，不仅保持了传统PID控制的特点，而且具有基于模型优化控制的一切优点，结构简单，整定方便，并有利于采用现代控制硬件（如DCS）来实现。基于开环及闭环辨识得到的模型整定PID参数克服了传统PID参数的凭经验整定的缺陷，PID参数通过模型辨识及参数优化计算得到。

3.2、实施步骤

（1）模型辨识

模型辨识既可通过开环辨识也可通过闭环辨识获取对象的数学模型。开环模型辨识采用基于最小二乘法的直接辨识法。此方法能够直接得到模型的传递函数参数，无需经过其他转换，辨识精度高，时域误差和频域误差都较小。闭环辨识采用粒子群优化算法（PSO）辨识过程的动态模型，需要采集在给定的输入下控制系统的输入和输出信号，且设定值变化较小，即可辨识出过程模型。模型辨识过程对生产基本无影响。

（2）设计基于模型优化PID控制器

该控制器的设计是基于模型辨识得到的过程模型和一个用于鲁棒特性的低通滤波器。基于模型优化PID控制器只有一个调节参数，即滤波器常数，这使得该控制器的在线整定十分容易。整定后的PID控制回路具有模型优化控制的特点，既保证稳定性，又具有快速跟踪设定值和克服扰动的特性。

（3）在DCS实现基于模型优化PID参数的控制

将DCS上的PID参数修改为优化整定后的参数，则控制器为基于模型优化PID控制器。在DCS上实现基于模型优化PID控制，相应的DCS控制系统具有基于模型优化控制的特性。

4、在延迟焦化装置应用的效果

4.1、采集数据

延迟焦化DCS网络内已拥有一台OPC服务器，作为DCS网络内的数据分发节点，向DCS外部网络提供生产过程数据。OPC服务器的设计规范符合C/S结构，可以使用一台OPC服务器为多台OPC客户端提供生产过程数据，且CS3000系统的OPC服务器无点数（Items）的授权限制，在理论上可以支持数万条过程数据的同步读取，因此，支持PHD数据采集系统与PID参数整定工作站共用一台OPC服务器进行数据采集。

在延迟焦化机柜间的OPC服务器旁边放置PID参数整定工作站，但由于OPC服务器的网路端口已连接到PHD Buffer，所以无法直接通过网线把两台机连接起来进行通讯。在OPC服务器于PHD Buffer之前增加一台路由器，其中一路仍与PHD Buffer通讯，另一路与PID参数整定工作站通讯，最后使用OPC client软件进行读取并导出数据，如图1所示。

4.2、实施步骤

（1）对测试范围内的控制回路做阶跃测试，即在的工艺允许的范围内改变设定值三到四次，然后通过 OPCclient 端采集实时数据；

（2）利用采集到的实时数据进行模型辨识，得到生产过程数学模型；

（3）根据数学模型使用内模控制方法整定 PID 参数，并进行仿真；

（4）投用整定后的 PID 参数，查看控制效果，将新 PID 参数控制效果与原参数效果比对，确定最终控制器参数。

需要注意的地方是，通过优化得到控制参数CO=100/ PB （1+TdS+1/TiS），投用到 CS3000 控制系统的参数为 PB，微分时间Td，积分时间Ti，这三个参数与软件整定到的参数有以下关系： PB =100/KC ；Td = Td；Ti = Ti。

4.3、优化情况

延迟焦化装置需要优化PID参数的自控回路共有99 个，其中有19个回路是需要重点参数整定。以FIC1140回路为例子，整定前 PID 参数为；P=180，I=20，D=0； 整定后 PID 参数为：P=90，I=16，D=0。从表2中可看出 ，无论是稳定性能还是动态性能，PID参数优化后的控制效果与优化前相比都得到了显著改善。

5、结论

通过对延迟焦化装置进行PID参数优化整定，使得装置自控率大幅提高，达到了98%以上。控制效果大幅提升后，装置运行平稳，大大降低了操作人员的劳动强度，使得操作人员能把更多的精力用于安全生产上，确保装置的长安稳运行。更重要的是，让操作人员深刻体会到自动控制的优势，不但调节稳定，而且响应速度快、控制精度高，彻底改变之前手动比自动控制平稳的理念。

参考文献：

[1]靳其兵，王燕，曹丽婷. 化学工业出版社. 集散系统中PID参数整定与控制器优化， 2010.12

[2]中国石化股份有限公司广州分公司. 140 万吨/年延迟焦化装置工艺、设备技术规程， 2010.08

[3]钟旭佳，高晓丁，严楠. 西安工业大学学报. 电液比例压力控制系统的PID参数优化， 2015年第2期