串级控制在聚乙烯装置温度控制中的应用

2018-07-31武东升

自动化与仪表 2018年7期

关键词：限幅功能块时间常数

武东升

（神华宁夏煤业集团有限责任公司，银川750000）

串级控制系统是改善控制品质的有效方式，其广泛应用于生产过程控制中。在生产过程中，温度的控制往往具有较大的滞后和较高的控制要求，此时单回路控制系统不符合工艺生产的需求，而利用串级控制系统能使过程的动态特性得到提升，系统的工作频率得到改善。

聚乙烯是重要化工原料之一，其品质的稳定性直接影响后续加工，故运用串级控制，有助于平稳控制床层温度，能够有效改善产品质量。

1 PID控制策略

PID控制器原理如图1所示。

输入e（t）与输出u（t）的关系为式中：u（t）为进入受控对象的控制变量；e（t）=r（t）-y（t）为偏差信号；r（t）为设定的参考输入值；kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。

传递函数表达式为

图1 PID控制器原理Fig.1 Principle of PID controller

2 串级控制

所谓串级控制，就是把2个PID控制器串联工作，主PID控制器的输出值作为副PID控制器的给定值，由副控制器的输出值去操制阀门开度，从而实现对目标的更好控制。串级控制系统结构如图2所示。

图2 串级系统结构Fig.2 Cascade system structure

串级控制具有以下优点：①由于主PID回路的存在，原来对象的属性得到了改变，通过减小副PID回路的等效时间常数，缩短系统的过渡时间，使控制作用更加及时；②通过超前调节，对象特征得到了改善，副PID回路干扰得到有效抑制；③系统的工作效率得到了提高，减小了振荡周期数，缩短了过渡时间，增强了系统的快速性和稳定性；④当遇到干扰时，副PID控制器可以很好地抑制干扰，从而使主PID控制器具有良好的鲁棒性能和动态性能。

3 PE装置中串级控制的应用

3.1 串级控制的设计

串级控制在工业上具有广泛运用。某厂的PE温度串级控制系统，如图3所示，要求控制反应器床层温度为TICA4001_26，操纵变量为调节水温度TICA4002_2；TV4002_A1为控制阀的开度。其中，调节水温度的主要干扰为环境温度，反应器床层温度的主要干扰为调节水温度。

图3 反应器温度串级控制Fig.3 Cascade control of reactor temperature

在所设计的串级控制系统中，以调节水温度为副回路，反应器床层温度为主回路。当调节水温度的环境温度发生变化时，系统能通过副回路进行快速调节；当调节水温度等发生变化时系，统通过主回路进行无差调节。在控制器选型方面，主控制器主要起到定值控制作用，所以一般采用PID调节。而副回路的目的是实现随动和快速控制，一般采用比例积分作用。控制器正、反作用的选择原则是使副回路和主回路都成为负反馈系统，选择顺序是先副回路控制器后主回路控制器，在选择主回路控制器时，副回路回路的放大倍数可视为“正”。在图3所示的系统中，控制器阀门为正特性，副回路对象为正特性，副回路测量变送器为正特性，故副回路控制器应该选为反作用，相同可分析得出主回路控制器也应该选反作用。