一种多流体反应釜的温度改进型控制方法

杜兴刚 孙佳隆

摘 要：本文简要介绍了工程应用中常见的几种参数整定方法和传统PID控制所存在的问题，并设计了一种适用于多流体生产过程中高温反应釜温度控制的PID控制方法。详细说明改进型PID控制和实现过程，为化工行业提供了一种非常规的PID控制解决方案。

关键词：多流体生产过程；温度控制；PID控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.032

1 概述

近几年，在全球化竞争的推动下，工业过程控制与制造业正在发生了巨大的变革。迅速变化的经济环境、不断提高的环保要求和高复杂度的集成需求，都对工业控制技术提出了更高的要求，对现有工业控制技术进行改进是在当前工业控制中增强竞争力的有效手段，工业自动化、智能化水平已经成为衡量各行业现代化水平的一个重要标志。

本文结合特定的应用领域和控制过程，针对传统PID在控制温度过程中比例阀动作频繁、温度控制滞后、执行机构往复周期性运动和调整速度过快等问题，设计出一种适用于多流体生产过程中高温反应釜温度的PID控制方法，弥补了传统PID控制存在的缺陷，从而完美解决了现场生产过程温度控制难题。

2 PID控制过程介绍

2.1 传统PID控制原理

PID 控制器（比例- 积分-微分控制器），由比例单元、积分单元和微分单元组成，其原理框图如图1所示。

2.2 PID控制参数整定方法

PID控制器参数整定的方法很多，当前工程中常用整定方法概括起来有四大类：

2.2.1 自整法

主要应用在成熟的数字调节器中，是一种基于专家知识或熟练操作者的成熟经验的模糊控制，可通过学习不断更新，因而它具有智能性和自学习性。自整定过程中模拟专家操作，自动寻优，整定出最佳参数，使之达到理想的控制效果。但我们在使用数字调节器时会发现，自整定结果也不一定都是最佳参数，有时还需我们进一步寻优，经常需要我们借助其他整定方法进行再次优化。

2.2.2 逐试法

可以理解为逐步试验过程，将PID参数之一增加或减少30～50%，如果控制效果变好，则继续增加或减少该参数，否则往反方向调整，直到效果满足要求。此整定方法优点是操作简单、易于掌握，缺点是需要测试的数据较多，测试周期长短与测试人员的经验也有直接关系，无法直接衡量和把控。

2.2.3 临界值整定法

以常用的比例+积分+微分调节器为例，整定方法如下：

（1）积分时间置于最大；

（2）微分时间置于最小；

（3）从一个比较大的比例值逐步降低，每降低一次等待一定的时间，观察被控变量的历史曲线状态，直至被控变量曲线出现周期性振荡，然后在这一点上再加大一点比例值，直到不出现振荡；

（4）加大微分时间，使周期性振荡停止，再减小比例值，使振荡重新出现，再加大微分时间，使振荡停止，需要重复此过程多次，直至加大微分时间后振荡不再停止，则可试验出微分时间的临界值，然后再增大比例值至周期性振荡停止，结合上述重复试验过程中比例值的变化趋势，可初步得出比例值的一个区间范围；

（5）根据被控对象特点，取积分时间为微分时间的2～5倍，基本可以满足被动对象的PID控制初步需求。

2.2.4 经验整定法

熟悉系统的特性是运用经验整定法的关键，首先测试人员需要十分清楚控制系统的特点以及被控参数的特性，再结合具体的工艺流程，运用自己的实际经验，直接判断和预估一个PID参数，然后再根据试验过程中被控对象的形变特点以及控制效果做进一步的修改。

2.3 传统PID的控制缺陷

PID控制的最大优点就是控制机理完全独立于对象的数学模型，只用控制目标与被控对象实际行为之间误差来产生消除此误差的控制策略，而随着科技的进步和对控制品质要求的提高，传统PID控制技术的缺陷也越来越突显出来。PID的缺陷主要包括处理信号过于简单，未能充分发挥其绝对优势，具体体现在以下的四个方面：

（1）产生误差的方式不太合理。控制目标v在过程中可以“跳变”，但是被控对象输出Y的变化都有惯性，不可能跳变，要求让缓变的变量y来跟踪能够跳变的变量v，初始误差会很大，容易引起超調，很不合理。

（2）误差微分信号的产生没有太好的办法。当前还没有提取微分信号的合理办法和合适装置，微分时间的选择和计算绝大多数都是要依靠经验值。

（3）误差积分反馈的引入会附带产生很多负作用。在PID控制过程中，误差积分反馈的作用是消除静差，提高系统响应的准确性，但同时误差积分反馈的引入，会使闭环变得迟钝，容易产生振荡，易产生由积分饱和引起的控制量饱和，反而出现不好控制效果。

（4）线性组合不一定是最好的组合方式。PID控制器给出的控制量是误差的现在、过去、将来三者的线性组合，但大量工程实践表明，线性组合不一定能满足所有的控制工况和对象过程，我们也需要在线性组合之外，依据控制系统的特点以及被控参数的特性研发和试验一种行业、过程有特殊针对性的非线性组合方式。

3 改进型PID控制系统设计

3.1 系统控制方法

改进型PID控制算法在多流体生产过程高温反应釜温度控制的方法，主要有：

（1）对主控对象采用流量PID控制，以流量为主控参数，调节主控对象的实时流量，进而影响反应釜内的温度；

（2）对次控对象采用改进型PID控制，以流量为主控参数，以温度为辅控参数。

由于多对象控制的逻辑公式中有一个炉内实时温度的变量，依据此特性，我们设计将炉内实时温度这个参数进行全量程分段，这样每一个量程段就会有一个明确的主控流量变化量与炉内温度变化量的对应公式，实现流量与温度的控制对象概念的精准转换。

温度的分段控制既满足了反应釜工艺要求，达到升温过程实时的精准控制需求，又能保证系统燃烧反应过程完全、充分进行，节约反应气体，降低生产成本；温度的分段控制在恒温阶段效果更加显著，既解决了反应釜温度控制滞后的问题，又在保证系統调节稳定的基础上，解决了调节执行机构持续往复震荡的问题，实现控制过程快速性需求和稳定性要求的平衡。

3.2 系统控制优势

（1）被控对象的转换。对于主控对象采用直接的温度控制，次控对象转换控制角度，采用以流量参数控制为主，以温度参数控制为辅的控制方式，以保证主控对象调节的稳定性，同时又兼顾了次控对象对系统的影响。

（2）控制方式的非线性组合。传统1个PID仅针对一个对象进行设定值与实际值的输出控制，改进型PID可以针对同一个被控对象结合2个不同的控制参数进行设定值与实际值的输出混合控制，兼顾了控制过程中2种不同因素的影响。

（3）控制过程的分段处理。针对控制过程逻辑运算需要，将变量参数进行全量程分段的PID控制，保证每一个量程段PID参数的相对匹配，保证控制的快速性需求和稳定性要求的平衡。

4 结束语

在当前的多流体行业生产过程中，由于工业设备和控制系统的集成化，控制过程和控制要求的差异化，传统意义上的PID控制方法和控制策略可以满足绝大部分的工业现场的控制需求，但在某些温度、压力、流量、料速等多种因素交叉影响的领域里，传统的PID控制由于仅能针对一个变量参数进行控制，在实际的使用过程中还是无法满足复杂、多变的生产过程的控制需求，无法达到生产过程安全性、稳定性、快速性的标准和要求，还是需要我们结合控制系统自身的特点，梳理出其中的控制关系和控制逻辑，分清主控参数、次控参数、辅控参数以及干扰参数等，选择适当的控制策略和控制算法，定制开发针对性的PID控制系统，以满足现场的实际需求。

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作者简介：杜兴刚（1980-），男，山东青岛人，本科，工程师，研究方向：智能系统领域。