常规PID控制在氯乙烯精馏中的应用

高娟

【摘要】本文主要研究氛乙烯精馏工艺控制中容易出现的变量耦合问题，分析研究常规PID控制，设计常规PID控制方案期望解决耦合问题。

【关键词】氛乙烯精馏 耦合 常规PID控制

一、氯乙烯精馏工艺的耦合问题

氯乙烯的提纯主要操作就是精馏，在精馏整个过程中需要的设备包含氯化氢塔、低沸点塔、高沸点塔、氯化氢干燥器等设备，设备多，其中低沸塔目的是为了脱除低沸物，低沸物从塔顶馏出，塔釜中的是产品，对于高沸塔来说是为了脱除高沸物，塔顶馏出物是产品，塔釜是高沸物。整个生产工艺过程流程很长，反应机理复杂，它具有复杂化工反应过程一系列的典型特性[1]。

精馏塔又是个多输入多输出的对象，变量多，参数多，通过分析研究，精馏工艺中主要的工艺参数有低沸塔塔顶温度、低沸塔塔釜温度、低沸塔塔釜液位、低沸塔塔顶压力、高沸塔塔顶温度、高沸塔塔顶压力、高沸塔塔釜液位、尾气排空量、低沸塔再沸器加热量、低沸塔塔顶冷剂量、高沸塔再沸器加热量、高沸塔冷剂量、成品冷凝量、低沸塔到高沸塔的中间过料量等工艺参数，是典型的多输入多输出的复杂关联系统[2]。除此以外还有涉及的控制方案有关装置安全的压力控制、有关产品质量的质量控制、有关物料平衡的控制等很多控制方案。这些参数之间相互影响，关联严重。各工艺参数相互影响、相互作用，这些变量中某一变量或某些变量的变化都为引起其他变量的变化，参数之间存在着强耦合关系，一个变量发生变化后，其他变量也会受影响发生变化，耦合问题是精馏工艺中常见的问题。

通过研究分析，氯乙烯精馏塔控制中有很多个控制回路，分别控制各个被控变量。这样，几个回路之间，就有可能造成相互影响、相互耦合，但是各个控制系统之间的耦合程度有不一样，当系统之间耦合程度比较严重时，控制系统就会无法正常工作，严重会导致生产事故。

二、常规PID原理

常规PID控制就是指对系统偏差进行比例积分微分调节。其中比例环节是最基本的控制环节，积分环节具有消除余差的能力，在比例作用的基础叠加积分作用，具有比例和积分优点，控制反应快，控制精度高，控制作用加强，抗外界干扰能力加强。而微分环节具有超前控制作用，可以克服系统的惯性滞后，提高系统的稳定性。三作用结合在一起，三作用参数设置合理，控制效果就很好。对于系统稳定的单一变量的PID控制回路，如图1所示。整定，使控制质量达到最好。常规PID控制方案包括簡单控制系统和复杂控制系统，其中复杂控制系统又包括串级控制、均匀控制、分程控制、比值控制、取代控制等控制系统，有手动、自动和串级控制等控制方法，控制参数为液位值、流量值、装置压力以及温度等热工量。这些控制系统设备投资少，系统简单，控制直接，维修、维护少，投运和整定简单，随着计算机技术的发展以及DCS的出现和DCS广泛应用在工业生产中的，常规PID调节器从以常规控制仪表为主的硬PID成功地演变为以软件模块为主的软PID调节器。这种控制方案能解决大量的生产控制问题，尤其是能满足定值控制系统的要求，得到了广泛的应用。常规PID控制方案简单，调试简单，在工况稳定的清况下，控制效果还不错。

三、PID控制算法设计

为了更好地对精馏进行工艺控制，结合简化后的低沸塔单板精馏数学模型，研究低沸塔单板温度和低沸塔塔釜液位为两个主要工艺变量，给出了一个精馏塔两变量PID控制系统图，如图2所示，通过PID调节可实现对低沸塔塔板温度和塔釜液位两变量系统的稳定控制。

常规PID控制系统，指利用调节控制器的控制参数比例度s、积分时间TI、微分时间Td对生产中某些固定参数（如温度、压力、液位、流量等）进行控制的系统。这些控制系统结构简单，参数整定方便，适合化工生产中大部分定值控制系统。

常规PID控制是指确定控制方案的情况下，通过整定PID参数

温度和液位控制系统由两个PID控制器构成，控制算法为

式中，T为采样时间，error（k）=r1（k）-y1（k），error2（k）=r2（k）-y2（k）。

针对此两输入两输出的控制系统，首先将从被控对象的输出采集到的测量值y1、y2分别与设定值r1、r2比较，得到两个输出回路的偏差error1、error2，然后根据PID控制算法计算出两个控制信号u1、u2，经过被控对象运算后输出y1、y2。

利用仿真软件Matlab[3]仿真运行，由于多变量回路之间耦合的存在，一个回路发生阶跃变化时，另外一个回路随之产生了耦合影响。合理调节PID参数，能够使该双输入双输出系统重新达到稳定，实现了一定的控制效果，但是由于耦合现象的存在，控制效果较差。

这种控制方案简单，调试简单，在工况稳定的情况下，PID控制效果还不错。因此目前仍在氯乙烯精馏工艺中广泛应用。

参考文献：

[1]郑石子.聚氯乙烯生产与操作[M].北京：化学工业出版社.2007

[2]张军.氯乙烯生产工艺中操作参数优化研究[D].华东理工大学.2013

[3]刘金琨.先进PID控制及其Matlab仿真.北京：电子工业出版社，2003.