輸油管道PID控制的影響因素與控制標準

魏 亮 范華平 于 濤

(中國石油天然氣股份有限公司北京油氣調控中心,北京 100007)

PID控制以其算法簡單、實用，不需要精確的數學模型，且控制效果滿足生產要求的特點，在工業過程控制中成為應用最為廣泛的控制策略之一。據統計，目前工業控制器中有90%以上是PID控制器[1]。依托數據采集與監視控制系統，對輸油管道進出站壓力采用PID控制在國內外已經十分普遍，PID控制對輸油管道瞬變流控制[2]、維持壓力穩定、降低控制難度和保障管道安全具有重要的作用。但由于目前PID控制在長輸管道領域方面沒有統一的標準，且不同管道的設備不同、PID控制器參數配置不同，不同管道的PID控制效果與運行中遇到的問題也不盡相同。為此，筆者對輸油管道PID控制原理與影響控制效果的因素進行分析，試探性提出輸油管道PID壓力控制的標準，以期對輸油管道PID參數整定和PID壓力控制效果評測提供實際依據。

1 PID壓力控制系統組成①

現用的輸油管道PID控制系統組成如圖1所示，主要包括上位機壓力設定、PID控制器、閥位控制模塊和壓力檢測回路4個部分。

圖1 輸油管道PID控制系統組成

上位機壓力設定是調控中心或站控人員向PID控制器下發指令的部分；PID控制器為壓力控制的核心，集成在站控PLC中，并與PLC中的模/數轉換及輸入/輸出接口等模塊配合工作；閥位控制模塊負責接收PID控制器計算出的閥位數據，控制調節閥閥芯的位移；壓力檢測回路是PID控制系統的反饋通道，將被控制點的壓力經過測量、變送發送到PID控制器。

輸油管道PID控制系統包含進站和出站壓力控制系統，每個控制系統在站控PLC中都對應一個獨立的PID控制器。對于不同的輸油站場，進站和出站壓力控制是可選的：首站僅設出站壓力PID控制系統，末站僅設進站壓力PID控制系統，中間站一般設PID選擇性控制系統。

2 PID控制系統工作原理

2.1 系統工作流程

圖2 PID控制回路結構框圖

2.2 數學模型

PID控制器是對壓力偏差信號進行數學運算，是“利用偏差，糾正偏差”的智能模塊，其以調節閥閥位為輸出的數學模型如下[3]：

(1)

(2)

式中Cv(t)——PID控制器計算出的閥位；

e(t)——壓力誤差；

KC、TI、TD——比例增益、積分時間和微分時間；

KP、KI、KD——比例系數、積分系數和微分系數。

式(1)、(2)在本質上是相同的，均包括比例、積分和微分控制部分，在站控系統普遍采用的AB PLC中可以靈活選擇以上任意一種表達式。筆者以式(2)為例進行闡述。

在壓力控制系統中，為減少系統波動，一般不采用微分控制部分，因此輸油管道PID壓力控制系統的數學模型為：

(3)

其中，KP、KI均大于0。對于進站壓力控制有e(t)=pv(t)-ps(t)；對于出站壓力控制有e(t)=ps(t)-pv(t)。

2.3 PID參數對壓力控制的影響

在管道現場設備參數相同的情況下，PID控制器的效果由KP和KI兩個參數共同決定，PID整定的過程即確定KP和KI的過程[5]。目前PID整定方法主要有理論計算法和經驗試湊法，理論計算法需要大量的計算，且計算結果還需要進一步的現場修正[6]。因此長輸管道PID整定選擇經驗試湊法。

3 PID控制效果分析

影響PID壓力控制效果的因素較多，主要有管道工藝、運行工況、自動控制參數和人為因素。管道工藝包括站內管道口徑、調節閥流量特性、站內管線長度及站內摩擦阻力等；運行工況包括油品物性、上下游壓力平穩程度、調節閥閥位區間及調節閥旁通閥開度等；自動控制參數包括PID控制器參數、站控PLC掃描周期、PID控制器計算周期、壓力采樣精確度及電液伺服執行機構特性等；人為因素有壓力調整幅度及壓力調整時間間隔等人為誤差。

不同因素對PID壓力控制效果的影響程度也是有差異的。站內管道長度、管道口徑、油品物性及摩擦阻力等因素主要影響壓力波的傳播速度，進而影響PID控制“快”的效果，但站內壓力傳播時延較小、壓力損失較小，且對同一條管道某固定站場而言以上因素都是基本固定不變的，是PID控制器需要適應的，因此以上因素對PID控制效果的影響程度較小。調節閥站控PLC掃描周期、執行機構特性及調節閥流量特性等是按照相關標準確定的，因此對PID控制效果影響程度也較小。上下游壓力平穩程度及壓力采樣精確度等對壓力控制“穩”的效果影響較大，管道初始狀態不平穩或者壓力檢測失真，容易造成調節閥在PID控制器的作用下頻繁動作，導致管線壓力無法平穩，甚至誘發事故。壓力調整幅度、壓力調整時間間隔、閥位區間及旁通閥開度等屬于動態因素，隨時都可能變化，因此對壓力調整“穩、準、快”的效果具有綜合影響，壓力調整幅度過大或時間間隔較短容易導致調節閥調節過快，造成管線壓力波動，甚至嚴重水擊；等百分比調節閥位于低閥位區間時，PID壓力調整較快，影響穩定性；旁通閥開度過大會降低PID控制器在整個壓力控制系統中的作用。PID控制器參數對壓力調整“穩、準、快”的效果具有綜合影響，并且是最主要的因素，因此需要設置的參數主要包括比例系數KP、積分系數KI及死區壓力值等，合理的參數設置與PID程序能夠克服其他各種因素對壓力調節的影響，保證輸油管道壓力調節實現“穩、快、準”的目標。

4 PID壓力控制的標準與應用

PID壓力控制系統的控制過程分為動態過程和穩態過程。對輸油管道壓力控制來講，動態過程是指在測量點壓力基本穩定的情況下，PID控制器接收到新的壓力設定值或測量點壓力受到干擾而波動時，壓力值從初始值到最終值的過程，也叫瞬態過程；穩態過程是指在新的壓力設定值或擾動下，當時間趨于無窮時，測量點壓力波動的表現方式。

4.1 PID壓力控制標準

為便于對PID控制器的實際控制效果進行分析，筆者選取了多條在役原油管道多個站場的PID控制器進行試驗，根據試驗結果與調控運行經驗，提出了輸油管道調節閥PID參數整定標準。

PID壓力響應曲線如圖3所示。可見，壓力趨勢在人為壓力調整或受到壓力干擾后，被控點的壓力趨勢是收斂的，并以壓力設定值ps為收斂值，高頻等幅振蕩與發散均不符合穩定標準；延遲時間Td為實際壓力pv變化到壓力調整區間一半時所需要的時間，約15～30s；上升時間Tr為實際壓力從初始壓力值p0第一次調整到壓力設定值ps時所需要的時間，約30～100s；峰值時間Tp為實際壓力經過ps到達第一個峰值(一般也是最大峰值)時所需要的時間，約50～180s；調節時間Ts為實際壓力到達并保持在ps±20kPa范圍內所 需要的最短時間，約60～200s；穩態誤差e為經過標準的選用需滿足：初始狀態，被測點壓力穩定或小幅波動；|ps-p0|≤0.2MPa，即壓力調整幅度需限制在0.2MPa以內；壓力調整時，調節閥閥位高于10%；調節閥旁路無流量。

圖3 PID壓力響應曲線

Ts時間之后，實際壓力與ps之差的絕對值，即壓力偏移量，要求e≤20kPa；超調值σ為實際壓力偏離ps的最大壓力值，需控制在50kPa以內。

4.2 PID壓力控制標準的應用

從多條在役管道的PID壓力控制試驗中提取數據，繪制的壓力響應曲線如圖4所示，對各曲線提取的特征數據見表1。

a. 小超調、等幅振蕩壓力響應曲線

b. 高頻率、大超調、等幅振蕩壓力響應曲線

c. 慢速響應、收斂趨勢壓力響應曲線

d. 滿足生產運行需求的壓力響應曲線 圖4 壓力響應曲線

可以看出，圖4a的動態特性基本滿足生產要求，但是最終壓力呈等幅振蕩，不符合穩定標準；圖4b從上升時間和調節時間來看，調節速率過快，且超調值過大，最終壓力呈等幅振蕩，不符合標準；圖4c是收斂的，超調值與穩態誤差在生產允許的范圍內，但是壓力調節的速率太慢，影響生產運行效率；圖4d是收斂的，超調值與穩態誤差在生產運行的范圍內，且壓力調節速率適中，滿足生產運行需求。

表1 特征數據對比

5 結束語

輸油管道PID壓力控制對輸油管道平穩運行和風險辨識具有重要作用，KP和KI是決定PID控制效果的重要參數，合適的KP和KI能夠增強PID控制器在管道設計參數時的可靠性。PID壓力控制標準的提出對PID控制效果做出了規范，在一定程度上可以作為判斷輸油管道PID控制效果是否令人滿意的依據。后續需要進一步探討壓力響應曲線與KP、KI之間的對應關系，通過試驗總結輸油管道不同壓力曲線下PID參數的調整方法，進而為PID參數的整定提供依據。

[1] Basil H,Moayed A M.Fuzzy PID Controllers Using FPGA Technique for Real Time DC Motor Speed Control[J].Intelligent Control and Automation,2011,2(3):233～240.

[2] 房旭鵬,熊偉,魏曉寧.長輸管道瞬變流控制研究[J].油氣儲運,2009,28(2):26～30．

[3] 鄭輯光,韓九強,楊清宇.過程控制系統[M].北京:清華大學出版社,2012:101～104．

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[6] 白志剛.自動調節系統解析與PID整定[M].北京:化學工業出版社,2012:24～25．