PID控制回路評估與優化研究

王玉芹

（國家能源集團寧夏煤業公司，寧夏銀川 750004）

寧夏煤業百萬噸級烯烴智能制造新模式項目2016年列為智能制造新模式應用試點項目，包括100萬t/a 裂解、45萬t/a PE、60萬t/a PP、15萬t/a 合成氨及公用工程。在這個項目中充分發揮了“產、學、研、用”相結合的優勢，通過聯合項目攻關團隊建設，完成了百萬噸級烯烴智能制造新模式的研究和推廣應用。項目建設過程中應用并集成優化了大量國內國際先進技術，形成了具有自主知識產權的新技術和新模式。其中PID 控制回路的應用與分析優化技術取得了良好的效果。

1 技術簡介

百萬噸級烯烴裂解裝置是石化領域集成度最高的裝置之一，整個裝置共設計500多回路，其模式涵蓋選擇控制+分程+超弛分程、分程+超弛、分程+高低選以及標準PID 等，涉及到的過程物料集成度以及熱集成度都很高，耦合嚴重，給回路參數的優化造成了很大難度。為實現全裝置回路有效管理及參數優化，采用PID 性能評估及優化技術，該技術方法主要分為MVC 評估方法、LQG 分析方法、頻率分析等，對裝置所有回路信息進行提取、分類、評估、辨識、分級，并生成一系列模型，形成新的PID 參數，應用綜合指標策略進行統一評估并在web 端進行展示管理，實現基礎回路統一管理、優化，提升了裝置回路級別管路運行水平。

2 關鍵技術

2.1 MVC

MVC 全稱是最小方差控制，將最小方差作為控制器性能基準，來進行性能評價，它是理想狀態下的控制回路動態響應。在PID 性能評估中，可以用來衡量當前PID 控制性能的優劣。該技術的基本思路是把目標回路表示成以下模型：

2.2 LQG

LQG 是另外一種基于子空間辨識方法的性能評估方法，相比MVC 方法同時考慮了過程輸出yt的方差和過程輸入（控制變量）ut的方差影響：

通過求解最優狀態反饋控制律，得到控制變量ut、過程輸出yt方差的關系點。通過改變關鍵參數λ，即可擬合出系統性能曲線，從而求出當前控制方案的性能指標。

PID 整定技術采用了一種全面的基于模型的方法來設計PID 控制器，能夠根據不同的PID 控制結構（常規PID、微分先行PID、比例微分先行PID）切換對應的整定算法。其核心思想采用基于內模控制（IMC）的方法實現。圖1是內模控制器設計圖。

圖1 內模控制器設計圖

閉環系統的傳遞函數為：

對于高級用戶，PID 整定軟件還提供了動態性能的需求。算法可以根據用戶提出的動態響應需求，轉化成增益裕度和相位裕度的要求；然后，算法再根據兩者的要求，計算出對應的PID 三個參數。最終，使得閉環系統的控制性能符合用戶的期望。另外，對于歷史數據缺乏的情況，PID 整定軟件提供了交互式整定的功能。用戶可以不需要測試，通過在線的指定系統響應的特征點來實時地得到PID 參數。

3 技術特點

可視化的PID 評估優化技術居國內先進水平，使專業化的基礎回路管理維護工作更加便捷、標準化。該技術的應用使單個回路優化時間從平均2h 縮短到5min 以內，提升了工作效率。

以PID 優化技術為基礎，通過多目標協調優化以實現全工況負荷升降，在百萬噸煤基烯烴二期裂解裝置上進行了整體應用，降低了生產的波動，降低了操作人員的勞動強度，充分挖掘裝置的工藝和設備能力，以更加接近于裝置約束條件下可靠運行，實現全自動升降負荷、“卡邊”優化控制，使生產條件推向最優工況邊界，實現裝置長周期、滿負荷，高效、優質運行。

4 實施效果

實現對回路的實時有效管理，便于管理人員實時掌控裝置運行情況，實時定位運行不佳回路并準確識別其原因（如參數不合適或參數需優化等）；對運行性能不佳回路進行實時滾動優化，并及時提供當前最優的PID 參數，供管理人員參考。

工廠追求的是裝置經濟效益和社會效益的最佳化，即產品質量、產品收率及裝置能耗、物耗等各個方面協調最優化。在實際生產過程中需要對各種指標進行統籌考慮和優化，優化結構如圖2所示。

圖2 優化結構圖

充分利用APC 和PID 控制技術，建立了生產操作自動化平臺。

4.1 通過PID控制器陣列實現先進控制

脫甲烷塔主要目的是脫去甲烷，進行甲烷和C2和C2以上組分的分割。脫甲烷塔中含有H2，分離溫度最低。脫甲烷塔切割精度直接關系到乙烯塔產品質量深冷及相關單元的穩定控制。通過先控應用實現上下游平衡解耦，達到降低塔頂甲烷氣體中乙烯損失、降低塔釜甲烷雜質含量，同時控制脫甲烷塔回流罐液位的穩定。當控制對象存在耦合時會導致控制系統品質下降，在控制對象G（S）和PID 控制器陣列間插入前置模型P（S）進行解耦。表1為脫甲烷塔子控制器矩陣結構。

表1 脫甲烷塔子控制器矩陣結構

R（S）、U（S）和M（S）的關系如圖3所示。

圖3 R（S）、U（S）和M（S）的關系

4.2 PID控制器的設計與優化

完成了對大滯后數據的控制以及測量信息不完全的解決方案，通過擴充或補償來解決生產過程出現的一些問題。

例如丙烯精餾塔的主要產品是高純度聚合級丙烯，丙烯精餾塔的進料中主要包括丙烯和丙烷，二者沸點非常接近，分離的塔頂高純度丙烯產品的純度要求較高，降低塔釜的丙烯濃度。需要達到的具體控制目標為降低裝置能耗、提高丙烯產量、減少丙烯分離塔塔底的丙烯損失。丙烯塔子控制器矩陣結構如表2所示。

表2 丙烯塔子控制器矩陣結構

通過智能工廠的實施和應用使得該廠的烯烴收率和能耗水平均達到國內先進水平，運行成本降低了33.25%，能源利用率提高了10.6%，經濟和社會效益顯著。其中PID 優化的APC 先進控制系統貢獻達15%以上。