常規PID控制在氯乙烯精餾中的應用

高娟

【摘要】本文主要研究氛乙烯精餾工藝控制中容易出現的變量耦合問題，分析研究常規PID控制，設計常規PID控制方案期望解決耦合問題。

【關鍵詞】氛乙烯精餾 耦合 常規PID控制

一、氯乙烯精餾工藝的耦合問題

氯乙烯的提純主要操作就是精餾，在精餾整個過程中需要的設備包含氯化氫塔、低沸點塔、高沸點塔、氯化氫干燥器等設備，設備多，其中低沸塔目的是為了脫除低沸物，低沸物從塔頂餾出，塔釜中的是產品，對于高沸塔來說是為了脫除高沸物，塔頂餾出物是產品，塔釜是高沸物。整個生產工藝過程流程很長，反應機理復雜，它具有復雜化工反應過程一系列的典型特性[1]。

精餾塔又是個多輸入多輸出的對象，變量多，參數多，通過分析研究，精餾工藝中主要的工藝參數有低沸塔塔頂溫度、低沸塔塔釜溫度、低沸塔塔釜液位、低沸塔塔頂壓力、高沸塔塔頂溫度、高沸塔塔頂壓力、高沸塔塔釜液位、尾氣排空量、低沸塔再沸器加熱量、低沸塔塔頂冷劑量、高沸塔再沸器加熱量、高沸塔冷劑量、成品冷凝量、低沸塔到高沸塔的中間過料量等工藝參數，是典型的多輸入多輸出的復雜關聯系統[2]。除此以外還有涉及的控制方案有關裝置安全的壓力控制、有關產品質量的質量控制、有關物料平衡的控制等很多控制方案。這些參數之間相互影響，關聯嚴重。各工藝參數相互影響、相互作用，這些變量中某一變量或某些變量的變化都為引起其他變量的變化，參數之間存在著強耦合關系，一個變量發生變化后，其他變量也會受影響發生變化，耦合問題是精餾工藝中常見的問題。

通過研究分析，氯乙烯精餾塔控制中有很多個控制回路，分別控制各個被控變量。這樣，幾個回路之間，就有可能造成相互影響、相互耦合，但是各個控制系統之間的耦合程度有不一樣，當系統之間耦合程度比較嚴重時，控制系統就會無法正常工作，嚴重會導致生產事故。

二、常規PID原理

常規PID控制就是指對系統偏差進行比例積分微分調節。其中比例環節是最基本的控制環節，積分環節具有消除余差的能力，在比例作用的基礎疊加積分作用，具有比例和積分優點，控制反應快，控制精度高，控制作用加強，抗外界干擾能力加強。而微分環節具有超前控制作用，可以克服系統的慣性滯后，提高系統的穩定性。三作用結合在一起，三作用參數設置合理，控制效果就很好。對于系統穩定的單一變量的PID控制回路，如圖1所示。整定，使控制質量達到最好。常規PID控制方案包括簡單控制系統和復雜控制系統，其中復雜控制系統又包括串級控制、均勻控制、分程控制、比值控制、取代控制等控制系統，有手動、自動和串級控制等控制方法，控制參數為液位值、流量值、裝置壓力以及溫度等熱工量。這些控制系統設備投資少，系統簡單，控制直接，維修、維護少，投運和整定簡單，隨著計算機技術的發展以及DCS的出現和DCS廣泛應用在工業生產中的，常規PID調節器從以常規控制儀表為主的硬PID成功地演變為以軟件模塊為主的軟PID調節器。這種控制方案能解決大量的生產控制問題，尤其是能滿足定值控制系統的要求，得到了廣泛的應用。常規PID控制方案簡單，調試簡單，在工況穩定的清況下，控制效果還不錯。

三、PID控制算法設計

為了更好地對精餾進行工藝控制，結合簡化后的低沸塔單板精餾數學模型，研究低沸塔單板溫度和低沸塔塔釜液位為兩個主要工藝變量，給出了一個精餾塔兩變量PID控制系統圖，如圖2所示，通過PID調節可實現對低沸塔塔板溫度和塔釜液位兩變量系統的穩定控制。

常規PID控制系統，指利用調節控制器的控制參數比例度s、積分時間TI、微分時間Td對生產中某些固定參數（如溫度、壓力、液位、流量等）進行控制的系統。這些控制系統結構簡單，參數整定方便，適合化工生產中大部分定值控制系統。

常規PID控制是指確定控制方案的情況下，通過整定PID參數

溫度和液位控制系統由兩個PID控制器構成，控制算法為

式中，T為采樣時間，error（k）=r1（k）-y1（k），error2（k）=r2（k）-y2（k）。

針對此兩輸入兩輸出的控制系統，首先將從被控對象的輸出采集到的測量值y1、y2分別與設定值r1、r2比較，得到兩個輸出回路的偏差error1、error2，然后根據PID控制算法計算出兩個控制信號u1、u2，經過被控對象運算后輸出y1、y2。

利用仿真軟件Matlab[3]仿真運行，由于多變量回路之間耦合的存在，一個回路發生階躍變化時，另外一個回路隨之產生了耦合影響。合理調節PID參數，能夠使該雙輸入雙輸出系統重新達到穩定，實現了一定的控制效果，但是由于耦合現象的存在，控制效果較差。

這種控制方案簡單，調試簡單，在工況穩定的情況下，PID控制效果還不錯。因此目前仍在氯乙烯精餾工藝中廣泛應用。

參考文獻：

[1]鄭石子.聚氯乙烯生產與操作[M].北京：化學工業出版社.2007

[2]張軍.氯乙烯生產工藝中操作參數優化研究[D].華東理工大學.2013

[3]劉金琨.先進PID控制及其Matlab仿真.北京：電子工業出版社，2003.