基于改進PID算法的原油蒸餾過程控制

張凱 張一弛 黃岡師范學院化學與生命科學學院

基于改進PID算法的原油蒸餾過程控制

張凱 張一弛 黃岡師范學院化學與生命科學學院

原油產品蒸餾儀由流量檢測模塊、溫度檢測模塊、功率調節模塊和視頻監控模塊四部分組成。對于過程控制系統，需要使用到數字PID控制器，其控制算法主要分為位置式和增量式PID控制算法，這兩種算法具有相關性。改進的PID算法為分段變增益增量式PID算法，其中將1500W的額定功率設置成蒸餾儀的所需功率。進行原油蒸餾時，加熱功率的范圍應維持在額定功率的40%～80%之間。原油產品在蒸餾過程中的各個階段都有不同的增益KP，確保KP、TI和TD值的選取，這樣才能完成初餾階段的任務，對確定剩余兩個階段的增益值也有幫助。

原油蒸餾；增益；增量式PID；控制；算法

1 測控系統

原油產品蒸餾儀由流量檢測模塊、溫度檢測模塊、功率調節模塊和視頻監控模塊四部分組成。

視頻監控模塊的作用主要體現在檢測初鎦點方面上，系統會對第一滴蒸餾液的落下進行檢測提醒，同時記錄初餾時間。流量檢測模塊對量筒餾出液高度不間斷地檢測，同時進行流量計算，所產生的數據以通信模式輸送至上位機[1]。溫度檢測模塊對蒸餾瓶的液體溫度和油氣溫度時刻監控，同樣將產生的數據同步到上位機中。搜集的數據經過上位機的接收處理后，以控制算法為基礎公式模型進行蒸餾儀加熱功率的精密調節，使蒸餾機內每分鐘的流量都能夠符合國家標準。

2 被控對象分析

原油蒸餾溫度會在蒸餾過程中伴隨燒瓶內油液的減少而提高。常用階躍響應實驗進行被控對象控制特性的研究。在進行實驗時，將1500W作為原油蒸餾儀的額定加熱功率。在加熱功率發生階躍前，流量產生變化時加熱功率也會隨時間改變，即有增加段和平穩段。階躍響應發生后，加熱功率會根據時間的變化對流量進行分類，分為流量增加、平穩和減少這3個階段。電爐為油液的蒸發提供能量，其產生的熱量主要使油液升溫，同時也為油液到油氣的蒸發轉變提供能量和對外環境散熱。蒸發相變過程占據了蒸餾的大部分時間。

在加熱功率發生階躍后，這三部分熱量都會隨之增加。蒸餾流量此時會隨著增加較多的蒸發相變熱量而明顯增加，同時油液在蒸發相變時所需的熱量與加熱功率所提供的蒸發相變熱量，會隨著混合物中輕組分的蒸發以及混合物的沸點的升高而逐步達到一個平衡狀態，這時流量平衡段便出現了。蒸餾還在繼續著，但能夠蒸發的組分卻變得越來越少，此時出現的是流量減少段。

被控對象的變質量和變物性的特點導致了在加熱蒸餾的過程中，每段的功率控制信號的增益都不是相同的，流量要保持基本穩定就必須改變加熱功率。而以上過程中，信號反饋信息的及時處理與調整可以穩定蒸餾流量的平衡，對于無形誤差也可以隨時糾正，將擾動的可能性降到最低。

3 有關控制算法的運算

（1）相關的增量式PID控制算法內容。對于過程控制系統，需要使用到數字PID控制器，其控制算法主要分為位置式和增量式PID控制算法，這兩種算法具有相關性，推導內容為位置式向增量式PID控制算式轉變。控制算式中的系數與采樣的周期T、積分的時間常數TI、增益值KP和微分時間常數TD的內容都有關聯。由推算關系可知，計算機的控制系統采樣周期T為恒定值，造成KP、TI和TD3個值3次測量時有差別。增量式算法在應用的時候，執行機構的動作量就是計算機輸出的控制增量Δu(k)。這樣不僅可以加快執行機構的相應速度，對于出現的“死區”還有一定的避讓作用。例如在求執行機構于k時刻時的實際位置u(k)時，會應用到控制量的增量求和方法。

（2）改進的PID算法分析。改進的PID算法為分段變增益增量式PID算法，其中將1500W的額定功率設置成蒸餾儀的所需功率。進行原油蒸餾時，加熱功率的范圍應維持在額定功率的40%～80%之間。進行蒸餾的原油產品，其增量式PID算法只采用一組KP、TI、TD值進行計算難免會出現問題，導致不同區域內流量的大小不一的情況發生，只有一部分的流量符合既定的要求。要解決這個問題，就要分段使用有差異的增益KP及時間數TI和特別是上文中關于階躍響應曲線的分析，可結合實際蒸餾中的情況進行合適的KP、TI、TD值的確定。根據對油液的操作情況可對蒸餾過程進行階段區分，分為初餾點前、初餾點～58mL液位處、58mL液位～停止液位3個階段。如果只是對油品的合格性做檢查，只要取餾出液于70mL處；而要對油品的全餾程進行檢驗，需要使停止液位停留在到90mL或者95mL處。原油產品在蒸餾過程中的各個階段都有不同的增益KP及時間常數TI和TD。可以進行手動操作，確保KP、TI和TD值的選取，這樣才能完成初餾階段的任務，對確定剩余兩個階段的增益值也有幫助。在得到取值后可由改進的分段式變增益增量控制法進行適宜的KP、TI、TD值的細微參數調整[3]。

4 結語

基于改進PID算法，提出了對原油蒸餾過程中的分段變增益增量式PID控制算法的控制，并以實驗的形式證明了方法的可行性和有效性。通過本文可明確有關原油蒸餾儀的工作行為，蒸餾油品過程中相關變質量與變物性的差異性。采用單一的加熱功率，流量、時間之間的關聯曲線趨近于P型。初餾時間與蒸餾流量對于單一加熱功率有著很大的限制作用，要滿足正常需求很困難，此時引進改進PID算法中分段變增益增量式方法，可以憑借自身特性應用于各種領域的蒸餾過程，消除了單一加熱功率的限制問題。

[1]張強，王前虹，白宵麗，等．基于DMC-PID的循環流化床鍋爐床層溫度控制設計與實現[J]．化工自動化及儀表，2009，36（6）：63-66.

[2]方鑫，黨宏社．高速模糊PID溫度控制器的設計與實現[J]．化工自動化及儀表，2009，36（6）：75-77.

[3]愈忠原，陳一民．工業過程控制計算機系統[M]．北京：北京理工大出版社，1995.

（欄目主持 關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.4.041