YR-GFD模糊PID調節器在化工生產中的應用

張俊平

（天津華景化工新技術開發有限公司，天津 300400）

近年來，PID調節儀以其功能強大、可靠性高、集成度高、功耗低、體積小、性價比高等優點在工業控制領域得到廣泛應用。工業過程控制領域仍有90%的回路在應用PID控制策略。對于生產裝置的溫度、液位、流量、壓力等工藝變量常常要求維持在工藝指標定值上，或按一定的規律變化，以滿足生產工藝的要求。PID控制器是根據PID控制原理對整個控制系統進行偏差調節，從而使被控變量的實際值與工藝要求的預定值一致。不同的控制規律適用于不同的生產過程，必須合理選擇相應的控制規律，否則PID控制器將達不到預期的控制效果。此PID調節技術已經發展成為涉及控制理論、系統辨識、信號處理和概率統計等多門學科的交叉綜合技術，通常被稱為控制回路的性能監控與評估、控制器的性能監控與評估、性能評估等。正是這些優勢，使得PID控制成功控制多種生產裝置，且控制效果極為理想。

1 化工生產工藝現狀及控制的常規模式

化工生產工藝控制中，目前以DCS或PLC控制較多，但因其價格較為昂貴，在大型生產與工藝的集成控制中，應用極為廣泛，從自動化控制系統問世以來，已經廣泛的應用于工業、國防、通訊、家庭生活等各個領域，它具有集成度高、功能強等特點，適用于當前社會生產過程中要求越來越高及復雜的生產場所。但是，對于一些小型企業及簡單的控制回路，使用傳統模擬測量及PID調節器控制也是可取的。將現有簡單控制改造為PID控制促進其數字化、智能化、多功能化是一條快捷且適宜的簡單工業化控制模式。通過采用PID控制的相關測量，同時兼具運算、線性化、零漂處理、誤差修正、監控于一體，使得PID控制集中體現了智能化、數字化在現代工業領域的重要作用。

2 YR-GFD系列模糊PID調節器的特點

YR－GFD系列模糊 PID調節器采用模糊 PID控制算法，傻瓜式操作，0.3%測量精度、可支持33種信號輸入功能，適用溫度、壓力、流量、液位、濕度等工業過程量的監測，并配合各種執行器對電加熱設備和電磁、電動調節閥進行PID調節和控制。支持2路報警功能，支持1路控制輸出或支持采用標準MODBUS協議的 RS485通訊接口，1路DC24V饋電，輸入端、輸出端、電源端光電隔離，100～240 V AC/DC或20～29 V AC/DC開關電源供電，標準卡入式安裝，工作環境溫度在0～50℃；且相對濕度5%～85%RH無凝結。YR－GFD系列模糊PID調節器接線圖見圖1。

圖1 YR－GFD系列模糊PID調節器接線圖

3 模糊PID調節器的設置與使用

模糊PID調節器中的“PID”是以其3種糾正算法而命名的。這3種算法都是用加法調整被控制模擬量數值。而實際上這些加法運算大部分變成了減法運算是因為算法的不同。盡管不同類型的控制器因其結構、原理各不相同，但是基本控制規律只有3個：比例（P）控制、積分（I）控制和微分（D）控制。這幾種控制規律可以單獨使用也可以因使用場合不同而進行組合使用。如比例（P）控制、比例－積分（PI）控制或比例－積分－微分（PID）控制等等。

YR－GFD系列模糊PID調節器在工作狀態下，按壓鍵PV顯示LOC，SV顯示參數字符：按增加、減少鍵來進行設置。系統PID參數具備自整定功能：當系統調試時，可利用自整定功能，極快地找到系統最佳的PID參數，提高調節品質。在設置好控制目標值SV后，在儀表測量狀態下，進入一級參數設定，設定自動模式AUTO=“On”，按鍵確認后退至測量狀態，儀表開始自整定。如圖2，PID參數和自整定對比圖所示的AUT0啟動時，SV顯示 AUTO閃爍，在測量PV值到達SV值設定值后，將自動造成對系統二、三次擾動。根據超振蕩的大小和恢復的周期，自動算出系統的PID參數。AUTO整定完成，SV顯示目標值，系統即可正常使用。一般對于正常系統自整定只需整定一次或兩次，自整定時如遇斷電或復位，儀表將以自整定前的設定值為準進行控制。自整定時的其他操作被禁止。自整定完畢后，可根據現場實際情況手動修改自整定后的參數設定值，以達到理想控制效果。當手動修改完設定值，轉到自動狀態時，長按鍵儀表復位后才能實現PID跟蹤效果。系統PID參數和自整定對比圖見圖2。

圖2 系統PID參數和自整定

4 YR-GFD系列模糊PID調節器的溫度控制應用

以氯堿行業氫處理崗位操作的應用舉例，從電解工段來的80～85℃的濕氫氣進入氫氣洗滌塔下部與塔上部噴淋下來的冷卻水逆流接觸洗滌冷卻至≤40℃。（氫氣洗滌塔的噴淋冷卻水是由循環水池的循環水泵供出，經冷卻器冷卻后，進入氫氣洗滌塔上部，噴淋循環使用，多余的水打去離子膜）。從塔頂出來的氫氣進入氫氣壓縮機加壓至0.06～0.12 MPa后。進入冷卻器冷卻到≤18℃，經氫氣水霧分離器除水后，輸送到用氫部門。

在上述工藝控制中，氫氣壓縮機加壓至0.06～0.12 MPa、冷卻器冷卻到≤18℃、冷卻水逆流接觸洗滌冷卻至≤40℃是3個重要的控制參數，由于遠程控制中現場操作人員無法更快捷的了解生產情況，故在現場設置了YR－GFD模糊PID調節器，在儀表基礎設置完成后，投入使用情況良好。

5 存在的常規問題及解決方式

上述工藝控制中氫氣壓縮機壓力參數、冷卻器冷卻溫度、冷卻水逆流接觸洗滌溫度是3個重要的控制參數，當參數控制偏差較大，此時可依據實際經驗，對PID表中P值進行調整，接著可對積分與微分進行微調。積分控制存在著控制不及時的缺點，雖然能消除余差，但因為積分輸出的累積是漸進的，而不是適時跟蹤，其產生的控制作用總是落后于偏差的變化，不能及時有效地克服干擾的影響，因此有時難以使控制系統穩定下來。所以，實用中一般不單獨使用積分控制，而是和比例控制作用結合起來，構成比例積分控制。有經驗的操作人員，即可根據偏差的大小來改變閥門的開度（比例作用），又可根據偏差變化的速度大小來預計將要出現的情況，提前進行過量控制，進行預控控制或“超前”控制作用的微分控制。微分控制器輸出的大小取決于輸入偏差變化的速度，從而可以在控制中取其二者之長，互相彌補，既有比例控制作用的迅速及時，又有積分控制作用消除余差的能力。因此，比例積分控制可以實現較為理想的過程控制。

另外，在PID調節儀的基礎參數設置中，CUT值測量小信號切除，此功能僅對電壓、電流開方信號有效，公式為輸入信號（輸入信號下限+輸入信號上限-輸入信號下限）X設定百分比例，從而可以顯示測量量程下限。

還有，對于PID調節儀的基礎參數設置中，工藝參數的調整與控制作用方向極為關鍵。當在MODE設置中，PID使用信號MODE=0，PID作用方式為正作用，MODE=1，PID作用方式為反作用。當此作用方向設置為反，會對生產產生非常重大的影響，因此要精確設置。

經過一段時間的運行，整體上提高了現場控制能力，實現了智能化生產。在特殊情況下，如果需要人工進行調節和控制時，可以通過手動控制模式進行操作。這樣，實現了智能化與手動操作相結合，優化了生產的工藝控制。

6 結語

這些簡單儀表的使用為穩定生產、節能降耗取得更加高效的發展起到推動作用。當前，信息技術及網絡的發展，為氯堿企業提供了良好的開放交流平臺，從中可以吸取不同行業、不同企業的先進技術，提高操作技能，確保生產更高效、穩定運行。