串級控制在聚乙烯裝置溫度控制中的應用

2018-07-31 08:42:00武東升

自動化與儀表 2018年7期

武東升

（神華寧夏煤業集團有限責任公司，銀川750000）

串級控制系統是改善控制品質的有效方式，其廣泛應用于生產過程控制中。在生產過程中，溫度的控制往往具有較大的滯后和較高的控制要求，此時單回路控制系統不符合工藝生產的需求，而利用串級控制系統能使過程的動態特性得到提升，系統的工作頻率得到改善。

聚乙烯是重要化工原料之一，其品質的穩定性直接影響后續加工，故運用串級控制，有助于平穩控制床層溫度，能夠有效改善產品質量。

1 PID控制策略

PID控制器原理如圖1所示。

輸入e（t）與輸出u（t）的關系為式中：u（t）為進入受控對象的控制變量；e（t）=r（t）-y（t）為偏差信號；r（t）為設定的參考輸入值；kp為比例系數；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數。

傳遞函數表達式為

圖1 PID控制器原理Fig.1 Principle of PID controller

2 串級控制

所謂串級控制，就是把2個PID控制器串聯工作，主PID控制器的輸出值作為副PID控制器的給定值，由副控制器的輸出值去操制閥門開度，從而實現對目標的更好控制。串級控制系統結構如圖2所示。

圖2 串級系統結構Fig.2 Cascade system structure

串級控制具有以下優點：①由于主PID回路的存在，原來對象的屬性得到了改變，通過減小副PID回路的等效時間常數，縮短系統的過渡時間，使控制作用更加及時；②通過超前調節，對象特征得到了改善，副PID回路干擾得到有效抑制；③系統的工作效率得到了提高，減小了振蕩周期數，縮短了過渡時間，增強了系統的快速性和穩定性；④當遇到干擾時，副PID控制器可以很好地抑制干擾，從而使主PID控制器具有良好的魯棒性能和動態性能。

3 PE裝置中串級控制的應用

3.1 串級控制的設計

串級控制在工業上具有廣泛運用。某廠的PE溫度串級控制系統，如圖3所示，要求控制反應器床層溫度為TICA4001_26，操縱變量為調節水溫度TICA4002_2；TV4002_A1為控制閥的開度。其中，調節水溫度的主要干擾為環境溫度，反應器床層溫度的主要干擾為調節水溫度。

圖3 反應器溫度串級控制Fig.3 Cascade control of reactor temperature

在所設計的串級控制系統中，以調節水溫度為副回路，反應器床層溫度為主回路。當調節水溫度的環境溫度發生變化時，系統能通過副回路進行快速調節；當調節水溫度等發生變化時系，統通過主回路進行無差調節。在控制器選型方面，主控制器主要起到定值控制作用，所以一般采用PID調節。而副回路的目的是實現隨動和快速控制，一般采用比例積分作用。控制器正、反作用的選擇原則是使副回路和主回路都成為負反饋系統，選擇順序是先副回路控制器后主回路控制器，在選擇主回路控制器時，副回路回路的放大倍數可視為“正”。在圖3所示的系統中，控制器閥門為正特性，副回路對象為正特性，副回路測量變送器為正特性，故副回路控制器應該選為反作用，相同可分析得出主回路控制器也應該選反作用。