PID优化技术应用

1、PID优化技术应用2022-4-622022-4-632022-4-642022-4-652022-4-66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）优化控制代替代替普渡提出的五层结构普渡提出的五层结构2022-4-67过程控制过程控制过程优化过程优化生产调度生产调度企业管理企业管理经营决策经营决策第五层：企业决策，生产规划第五层：企业决策，生产规划第四层：供销第四层：供销 ,财务财务,计划计划,管理等管理等第二层：先进控制，过程优化第二层：先进控制，过程优化第三层：生产调度，系

2、统优化第三层：生产调度，系统优化第一层：单元自动化，简单控制第一层：单元自动化，简单控制生生 产产 过过 程程网络和生产信息化管理2022-4-68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MV2 MV3DCS基本控制回路(PID) 操纵变量：基本控制回路给定值MV1DV2CVnDVrMVm干扰变量生产现场生产现场PIDPID与目前常用先进控制之间的关系与目前常用先进控制之间的关系鲁棒多变量控制算法鲁棒多变量控制算法2022-4-69常常减减压压蒸蒸馏馏汽汽油油馏馏分分煤煤柴柴油油馏馏分分润润滑滑油油馏馏分分渣渣油油催催化化重重整整催催化化加加氢氢催催化化

3、裂裂化化热热加加工工汽油汽油煤油煤油柴油柴油重质油重质油燃燃料料油油润润滑滑油油沥沥 青青石石 蜡蜡石油焦石油焦“三苯三苯”乙烯乙烯丙烯丙烯丁二烯丁二烯“三烯三烯”有有机机化化工工原原料料苯苯甲苯甲苯二甲苯二甲苯合成合成树脂树脂高压聚乙烯高压聚乙烯低压聚乙烯低压聚乙烯线性低密度聚线性低密度聚乙烯乙烯聚氯乙烯聚氯乙烯聚丙烯聚丙烯聚苯乙烯聚苯乙烯合成合成纤维纤维涤纶涤纶腈纶腈纶锦纶锦纶丙纶丙纶维纶维纶其他其他( (碳纤维碳纤维等等) )合成合成橡胶橡胶丁苯橡胶丁苯橡胶顺丁橡胶顺丁橡胶 氯丁橡胶氯丁橡胶丁腈橡胶丁腈橡胶其他其他石油炼制工业石油炼制工业石油产品石油产品石化产品石化产品石油化工产业链石油

4、化工产业链2022-4-610原料原料燃料燃料温度检测点温度检测点TCFC加热炉控制的原理图加热炉控制的原理图加热炉的控制包括：出口温度控制加热炉的控制包括：出口温度控制TC，流量控制，流量控制FC构成串级。构成串级。所有控制器的控制形式均采用所有控制器的控制形式均采用PID控制形式。控制形式。 2022-4-611换热原理示意图换热原理示意图介质介质1温度检测点温度检测点TCFC介质介质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，流程都存在换热，以充分利用能量，TC采用采用PID控制。控制。 2

5、022-4-612聚合反应釜在橡胶、聚酯等生产流程中广泛存在。图中聚合反应釜在橡胶、聚酯等生产流程中广泛存在。图中TIC3的温度非常关键，关系到产品的性能和质量，的温度非常关键，关系到产品的性能和质量，TIC4为夹套为夹套换热介质的温度，换热介质的温度，TIC3和和TIC4构成串级，均采用构成串级，均采用PID控制。控制。原料反应物TIC3TIC4图1.3 聚合反应釜2022-4-613原料原料环管反应器TIC6TIC5反应产物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。 2022-4-614

6、塔器在炼油化工生产流程中十分常见，从控制的角度来看，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位、温度、流量等控制回路均采用PID控制。图中的塔器较控制。图中的塔器较复杂，各控制回路中存在一定的关联和耦合，复杂，各控制回路中存在一定的关联和耦合， 2022-4-615精馏塔2022-4-616分馏塔2022-4-617FCFCFCFCFCFCFCFCFCPC固定床反应器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，各回路的精度炼油化工中很多反应在

7、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。各控制回路影响整个工艺过程的收率。各控制回路均采用PID控制。 2022-4-618乙烯裂解炉控制系统2022-4-619 2022-4-620(1).DCS中的中的PID控制器很多还处于手动状态控制器很多还处于手动状态(2).有些投入自动运行的有些投入自动运行的PID回路效果不理想回路效果不理想(3).串级控制等复杂回路很多没有投用串级控制等复杂回路很多没有投用(4).装置操作频繁，操作工劳动强度还较大装置操作频繁，操作工劳动强度还较大(5).先进控制运行不成功，重要的原因就是基础回路运行不良先进控制运行不成功，重要的原因就是基础回路运

8、行不良2022-4-621某高压分离器液位控制回路装置手工操作的结果某高压分离器液位控制回路装置手工操作的结果2022-4-622流量控制流量控制阀稳阀稳流量变化流量变化（压力变）（压力变）2022-4-6232022-4-624温度控制温度控制管网压管网压力波动力波动温度温度2022-4-6252022-4-626液位控制液位控制换班换班2022-4-627换班换班2022-4-628原原油油电 脱电 脱盐盐初初馏馏塔塔常常压压塔塔减减压压塔塔初 常初 常顶顶常一线常一线常二线常二线常三线常三线常 压常 压炉炉减 压减 压炉炉减一线减一线减二线减二线减三线减三线减四线减四线减压渣油减压渣油原

9、油原油2022-4-6292022-4-6302022-4-6312022-4-632(1). 影响控制效果影响控制效果波动大、装置不稳定波动大、装置不稳定(2). 影响产品质量影响产品质量如产品分离受影响如产品分离受影响(3). 影响反应的深度和收率影响反应的深度和收率(4). 容易造成不合格产品容易造成不合格产品(5). 不利于节能降耗不利于节能降耗 2022-4-633 (1). 每个操作工的手法有很大差异每个操作工的手法有很大差异 (2). 紧急情况下容易误操作紧急情况下容易误操作 (3). 仪器设备的完好率降低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在操作

10、站故障、通信故障等情况下很难保 证装置的安全性证装置的安全性2022-4-634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MV2 MV3DCS基本控制回路(PID) 操纵变量：基本控制回路给定值MV1DV2CVnDVrMVm干扰变量生产现场生产现场PIDPID与目前常用先进控制之间的关系与目前常用先进控制之间的关系鲁棒多变量控制算法鲁棒多变量控制算法2022-4-635 目前，许多炼油化工处理装置进行了集散控制系统目前，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）的改造。随着信息和通讯技术的发展，在DCS基础之上，

11、当前工厂又向管控一体化方向发展。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，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：但还存在诸多问题，如：PID参数整定困难；控制效参数整定困难；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以上的要求；以多变量为核心的先进控制由于单变量量PID整定不良，控制效果不好，使多变量先进控制整定不良，控制效果不好，

12、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，也是先进到控制器能否良好投用和生产的稳定运行，也是先进控制（控制（Advanced Process Control，APC）能否成功运）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，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。在生产中迫切需要得到解决。 2022-4-636 工艺及装置一定，如果工艺及装置一定，如果PID控制回路能够被优化，发挥理想的控控制回路能够被优化，发挥理想的控制效果，则制效果，则生产现场生

13、产现场70%的问题都已经得到解决的问题都已经得到解决。（优化是工作。（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）点附近的局部优化，不可能突破工艺研究的设定点） 要整定要整定PID, 如何整定？整定到多少？实施人员不明确如何整定？整定到多少？实施人员不明确2022-4-637)()11 ()(seSTSTKcsudi2022-4-6382022-4-6392022-4-640PID控制的类型)11 (STTiSKcdSTSTTiSKcfd11)11 ()1)(11 (STTiSKcd)1(dtdydiTedtTyKc2022-4-641 将先进控制用于将先进控制用于PID参数整定，

14、使参数整定，使PID具有先进控制的具有先进控制的优点，且解决了先进控制不如优点，且解决了先进控制不如PID的鲁棒性（的鲁棒性（Robust）和容易操作性和容易操作性 下面进行内模下面进行内模PID的原理的原理2022-4-6422022-4-643+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 用内模控制整定的用内模控制整定的PID控制器参数原理图控制器参数原理图2022-4-644还可参见测试曲线中效果2022-4-645DCS控制柜工程师站操作站操作站控

15、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)2022-4-646DCS数据交换接口数据交换接口模型仿真模型仿真对象的动态测试对象的动态测试对象的模型辨识对象的模型辨识内模内模PID参数整定参数整定PID参数下发参数下发PID参数输出显示参数输出显示 控制器参数优化整定软件包模块图控制器参数优化整定软件包模块图2022-4-6471.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 小时、日、周、月、年自控率和平稳

16、率2022-4-6482022-4-649模型参数辨识2022-4-650 100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 dttetJnm)( 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2022-4-651控制器参数优化2022-4-652+Gc(S)G(S)Gm(S)+干扰干扰对象输出对象输出给定给定2022-4-6532022-4-6542022-4-655545556Time9TIC242 9TIC242.SV 9TIC242.PV聚丙烯反应器夹套水进口温度控制结果（

17、前） 2022-4-656聚丙烯反应器夹套水进口温度控制结果改进 555657Time9TIC242 9TIC242.SV 9TIC242.PV2022-4-657697071Time9TIC241 9TIC241.SV 9TIC241.PV聚丙烯环管反应器反应温度控制结果(前) 2022-4-658697071Time9TIC241 9TIC241.SV 9TIC241.PV聚丙烯环管反应器反应温度控制结果(改进)2022-4-6592022-4-6602022-4-661FC2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2022-4-662

18、2022-4-6632022-4-664自控率大幅度提高，长周期保持在自控率大幅度提高，长周期保持在95以上，达到或接近以上，达到或接近100；大大提高装置运行的可靠和安全性；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；以上；串级等复杂控制回路投运，达到高精度的控制；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。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；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。及产量少波动或者无波动。降低操作工劳动强度；降低操作工劳动强度；能耗降低。能耗降低。2022-4-665*.工艺控制指标工艺控制指标(如塔温度如塔温度)到