PID优化技术-1课件

集散系统中PID参数整定

与控制器的优化

4/1/20231副标题：提高装置自控平稳率、保证装置“安、稳、长、满、优”的有效手段4/1/20232控制器优化与PID参数整定

主要内容：

项目简介及项目实施的重要性；石化工业中常用控制形式及参数整定方法；DCS中控制器优化与参数整定。

参考资料：

《集散系统中PID参数整定与控制器的优化》

（靳其兵、曹丽婷等编著，化工出版社，2011年5月）4/1/20233一.实施PID参数优化的重要性和必要性

随着我国经济体制的转变，国内的众多过程工业企业日益感受到国际间竞争所带来的压力和挑战。在这种大背景下，积极开发和应用先进控制与系统在线优化技术以提高企业经济效益，增强自身的竞争力，是过程工业迎接挑战的重要对策。

国家和企业领导都非常关注这个问题，我国“十一五”规划中明确提出要推进科技进步和技术创新。一些新的企业，在设计和建厂过程中就要采用先进控制与优化技术以及信息化系统。PID基本控制回路运行良好，是先进控制与优化技术成功实施的必要前提和基础。4/1/20235装置操作技术应用的结构和趋势计划、调度动态控制多变量预测、内模控制（带约束的控制）单回路先进控制PID算法（如鲁棒内模―PID）稳态控制DCS工业计算机生产过程基本调节控制（PID控制）优化控制代替普渡提出的五层结构当前，各类炼油化工装置大都采用了DCS。随着信息和通讯技术的发展，在DCS基础之上，当前工厂又向管控一体化方向发展，4/1/20236过程控制过程优化生产调度企业管理经营决策第五层：企业决策，生产规划第四层：供销,财务,计划,管理等第二层：先进控制，过程优化第三层：生产调度，系统优化第一层：单元自动化，简单控制生

产

过

程网络和生产信息化管理4/1/20237常减压蒸馏原油汽油馏分煤柴油馏分润滑油馏分渣油催化重整催化加氢催化裂化热加工汽油煤油柴油重质油燃料油润滑油沥青石蜡石油焦“三苯”乙烯丙烯丁二烯“三烯”有机化工原料苯甲苯二甲苯合成树脂高压聚乙烯低压聚乙烯线性低密度聚乙烯聚氯乙烯聚丙烯聚苯乙烯合成纤维涤纶腈纶锦纶丙纶维纶其他(碳纤维等)合成橡胶丁苯橡胶顺丁橡胶氯丁橡胶丁腈橡胶其他石油炼制工业石油产品石化产品石油化工产业链二.当前国内装置控制的现状?4/1/20239原料燃料温度检测点TCFC加热炉控制的原理图加热炉的控制包括：出口温度控制TC，流量控制FC构成串级。所有控制器的控制形式均采用PID控制形式。PID是当前炼油化工装置的主要控制形式二.当前国内石化工业装置控制的现状4/1/202310换热原理示意图介质1温度检测点TCFC介质2此处也可引入串级换热在炼油化工过程中普遍存在，几乎所有炼油化工流程都存在换热，以充分利用能量，TC采用PID控制。

4/1/202311原料环管反应器TIC6TIC5反应产物聚丙烯环管反应器的温度控制示意图，TIC5的温度控制关系到聚丙烯的产品性能和质量，十分关键，TIC5和TIC6构成串级，均采用PID控制。4/1/202313塔器在炼油化工生产流程中十分常见，从控制的角度来看，分馏塔、汽提塔、萃取塔均类似。图所示的常减压塔中，液位、温度、流量等控制回路均采用PID控制。图中的塔器较复杂，各控制回路中存在一定的关联和耦合，4/1/202314精馏塔4/1/202315FCFCFCFCFCFCFCFCFCPC固定床反应器炼油化工中很多反应在固定床反应器中完成，各回路的精度影响整个工艺过程的收率。各控制回路均采用PID控制。

4/1/202317乙烯裂解炉控制系统4/1/202318可以看出：

1.目前，几乎所有炼油化工过程都包含以上典型设备，而由图可见，这些装置的控制回路基本都采用PID控制形式。

2.工艺一定、设备一定的条件下，PID控制是生产“安、稳、长、满、优”运行的必要保证。

3.经常碰到工艺人员、设备人员、仪表人员抱怨各种问题，其实PID问题解决了，其它很多问题都迎刃而解

4/1/202319某高压分离器液位控制回路装置手工操作的结果造成的后果(1)：很多手动4/1/202321流量控制阀稳流量变化（压力变）4/1/2023224/1/2023234/1/202325液位控制换班4/1/202326造成的后果(2)：控制精度有待提高4/1/2023294/1/202330经常有人认为：(1).投自动还不如手动；(2).投自动以后波动更大我们认为，这时可能存在：(1).投用的自动不合适；(2).投自动的上下游装置没有协调好4/1/202331造成的后果(3)：产品质量波动和能耗较高：自控率低、控制波动：(1).影响控制效果－－波动大、装置不稳定(2).影响产品质量－－如产品分离受影响(3).影响反应的深度和收率(4).容易造成不合格产品(5).不利于节能降耗

4/1/202332(1).每个操作工的手法有很大差异(2).紧急情况下容易误操作(3).仪器设备的完好率降低(4).在操作站故障、通信故障等情况下很难保证装置的安全性造成的后果(4)：装置的安全性降低4/1/202333期望目标：(如某组分收率最大、处理量极大、能耗极小等)CV1CV2DV1受控变量MV2MV3DCS基本控制回路(PID)

操纵变量：基本控制回路给定值MV1DV2CVnDVrMVm干扰变量生产现场PID与目前常用先进控制之间的关系鲁棒多变量控制算法(5).操作工的劳动强度较大

(6).多变量先进控制效果不好或者成为摆设4/1/202334目前，许多炼油化工处理装置进行了集散控制系统（DCS）的改造。随着信息和通讯技术的发展，在DCS基础之上，当前工厂又向管控一体化方向发展。DCS的实施对提高控制和管理水平起到了巨大作用，但还存在诸多问题，如：PID参数整定困难；控制效果差或难以控制；控制器往往打到手动状态，自控率低，不符合石油及石油化工企业生产回路自控率在90％以上的要求；以多变量为核心的先进控制由于单变量PID整定不良，控制效果不好，使多变量先进控制往往不能投入使用。控制器参数整定的品质直接影响到控制器能否良好投用和生产的稳定运行，也是先进控制（AdvancedProcessControl，APC）能否成功运行的基础，意义重大。以上问题困扰着现场工程师，在生产中迫切需要得到解决。

4/1/202335我们认为：工艺及装置一定，如果PID控制回路能够被优化，发挥理想的控制效果，则生产现场70%的问题都已经得到解决。（优化是工作点附近的局部优化，不可能突破工艺研究的设定点）但是：要整定PID,如何整定？整定到多少？实施人员不明确四.我们的思路4/1/202336当前PID控制的症结所在：DCS中PID控制的形式固定，无论是温度、流量、液位还是压力等不同对象、不同特性四.我们的思路一般采用标准PID的形式(如上式)，其中Kc、Ti、Td为比例、积分、微分系数，即为PID参数。实际上，对象的特性有差异，响应时间有差异，其PID控制的形式也应该是有差异的，而目前的组态没有体现这一差异。

4/1/202337当前PID控制的症结所在：PID参数的设置（即PID参数的整定）往往很不合理

如在横河DCS中，缺省PID参数厂家设置为100、20、0；组态完毕进入生产装置以后，操作工或仪表工程师整定PID参数时，往往只是在100、20、0附近进行一些修改，而实际上，优化的PID参数往往与以上数据有巨大差别。

四.我们的思路4/1/202338四.我们的思路针对找到的症结，我们研制的目标是：1.根据不同对象的不同特点，选定不同的PID控制类型；2.对于选定的PID控制形式，根据对象的具体特点，用先进控制去整定PID的参数，使对象稳定、响应速度快、控制精度高，从而生产出合格优秀的产品。

4/1/202339PID控制的类型4/1/202340将先进控制用于PID参数整定，使PID具有先进控制的优点，且解决了先进控制不如PID的鲁棒性（Robust）和容易操作性下面进行内模—PID的原理五.具体技术细节4/1/202341先进控制方式4/1/202342五.具体技术细节+—C(S)G(S)常规PID控制，C(S)为PID控制器C(S)G(S)Gm(S)+—+—+—Gm(S)Gc(S)G(S)Gm(S)+—+—Gc(S)存在转换公式Gc=(I+CGm)-1C常规内模控制

用内模控制整定的PID控制器参数原理图4/1/202343内模控制作用对比还可参见测试曲线中效果4/1/202344DCS控制柜工程师站操作站操作站五.具体技术细节:实施的硬件结构控制器优化站数据单向传输1.安全可靠2.完全不影响装置的正常运行3.完全不影响数采的正常运行4.与数采的区别为数据量大、采样周期短(1秒一次)4/1/202345五.具体技术细节DCS数据交换接口模型仿真对象的动态测试对象的模型辨识内模PID参数整定PID参数下发PID参数输出显示控制器参数优化整定软件包模块图4/1/202346包括：1.通信接口2.关系型数据库3.模型辨识软件包4.控制器优化软件包5.装置运行自控率监控模块(长周期)6.装置运行平稳率监控模块

可以监控统计和随时查询：小时、日、周、月、年自控率和平稳率五.具体技术细节:软件结构4/1/202347六.我们的优势和创新点

优势和创新点:1.独特而有效的对象特性获取方法

4/1/202348模型参数辨识4/1/202349六.我们的优势和创新点2.先进的PID参数整定方法

100人手工整定会有100种结果。

一般PID参数的整定采用的是误差性能指标

有超调，响应慢，过渡时间长本项目采用先进控制（如预测控制、内模控制）去整定控制器的参数，响应速度迅速、超调小或无超调，抗干扰能力强4/1/202350控制器参数优化4/1/202351六.我们的优势和创新点3.先控方法整定的PID参数具有解耦能力+Gc(S)G(S)Gm(S)—+—++干扰对象输出给定其他整定方法容易“按下葫芦浮起瓢”4/1/202352内模-PID应用前后作用对比七.应用效果4/1/202353内模-PID应用前后作用对比4/1/202354聚丙烯反应器夹套水进口温度控制结果（前）

4/1/202355聚丙烯反应器夹套水进口温度控制结果改进

4/1/202356聚丙烯环管反应器反应温度控制结果(前)

4/1/202357聚丙烯环管反应器反应温度控制结果(改进)4/1/202358难投入自动的回路4/1/202359难投入自动的回路－－一串八4/1/202360FC2原料燃料温度出口温度TCFC1图2加热炉控制的原理图副回路主回路PC炉堂负压AC氧含量控制风加热炉控制4/1/202361加热炉控制4/1/202362节能降耗(改组态)

4/1/202363八.实施参数整定与控制器优化的目标自控率大幅度提高，长周期保持在95％以上，达到或接近100％；大大提高装置运行的可靠和安全性；回路控制质量大幅度提高，关键被控变量标准偏差降低30%以上；串级等复杂控制回路投运，达到高精度的控制；装置长周期稳定运行,且各控制变量波动满足工艺设计的要求。提高装置生产平稳率，降低目的产品收率的波动，提高产品平稳率；目前产品质量时常波动，项目实施后要做到正常生产情况下产品质量及产量少波动或者无波动。降低操作工劳动强度；能耗降低。4/1/202364八.最终目的

在PID参数及回路优化的基础上进行