PID―PL在化工过程控制中的应用

[摘 要]在现代的化工生产过程中 PID-PL模块被广泛的应用，它是EPKS系统中一个基于模型预测、优化控制的增强PID调节控制模块，它继承了所有传统PID模块特点，可以在任何单回路、串级控制回路或交叉节点监控回路中替代PID模块，从而实现预测控制，达到节能降耗的目的。

[关键词]预测控制；增强PID模块；节能降耗

中图分类号：TQ062 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）11-0012-01

前言

先进控制及优化技术在国外仅Honeywell用户已超过150家，覆盖500多种不同工艺过程，共超过1500套应用。国内Honeywell先控技术在中石化和中石油的用户多达30多家企业，覆盖常减压、催化裂化、连续重整、气体分离、加氢裂化、聚丙烯、PTA等炼油及化工过程，将近200多套应用。这些应用在平稳操作、提高处理量及节能降耗等方面给企业带来了可观的经济效益。

Experion PKS过程知识系统（简称EPKS系统），是集测量技术、控制技术、通讯技术等为一体的集散控制系统。它由高性能的控制器、简洁的工程组态工具、开放的控制网络构成。 其中PID-PL（Profit Loop PID）模块在传统基础上加入了模型预测、优化控制的功能，在单输入输出回路中，完全可以替代PID模块，从而实现优化控制，并且不需要投入成本，即使在不需要优化控制的地方，也可以当作传统PID使用。

1 PID-PL特点

由Profit Loop PID组成的控制回路属于经典模型预测控制，该控制依靠动态模型预测过程变化的估计值来动作。如果预测的PV值不能满足控制要求，控制回路将在目标范围内重估PV值，相比之下，PID控制算法用过去PV值和当前测量值的偏差去整定过程控制，让PV值去接近SP值，尽管PID算法可能对最终达到控制平衡不起作用甚至起到反作用。

Profit Loop是鲁棒模型预测的单输入单输出控制和优化器，它运行在EPKS控制系统的AM（应用模件上）。Profit Loop采用高效的模型预测控制算法，允许用户选择一个控制区域或一个控制点进行控制。Profit Loop自动选用优化的响应特性曲线，减少操作员的手动操作，同时也处理复杂的动态特性（如振荡、逆响应和大滞后等）。

传统PID控制由于噪声信号或不确定的工艺特性引起应用不成功时，采用Profit Loop往往能取得满意的效果。由于Profit Loop控制可以使闭环回路的性能最佳，因此它也非常适合于多变量预测控制器下的回路控制。此外，由于Profit Loop具有双重目标（控制和优化）设计和预测建模能力，它也很适合于专业的控制场合，如离散分析控制和非线性的储罐液位控制等。

多数情况下，PID-PL都可以替代传统的PID模块，与传统PID相比，它的优点如表1。

2 PID-PL功能分析

Profit Loop PKS模型预测控制是利用上一步的OP值与所测PV值预测未来PV值的轨迹。

并且使用如下Laplace传递函数形式引入动态模型

这里，G是过程增益；T是死区；n and 是工艺过程动态；拉普拉斯变量s的单位是，即在一分钟内需要输入动态和死区。

在实际应用中，在模型预测和真实过程测量值之间总有误差，这种偏差可归因于多种原因，不精确的模型、测量噪声、过程调节误差等。如果该模型没有修正这种偏差，模型预测将缓慢徘徊在真实PV值附近，这个功能模块将失去完整性。为了消除这种误差，PID-PL根据实时预测值与实时测量值，修正了预测值的偏差。

事实上，上述偏差对高频信号噪声很敏感，这可能最终导致系统过度控制。为了消除噪声的影响，Profit Loop首先过滤了初始偏差，而把过滤掉的偏差用来修正所预测的PV值上。

在测量噪声方面，Profit Loop PKS专门使用了噪声衰减过滤器，不像简单的PV过滤器，这种过滤器消除了测量噪声，并且能对持续的外部干扰有快速的抑制作用。

一旦下个PV值被预估出来，控制回路将执行工艺操作朝着预测控制目标前进。通常，控制行为需要在整个预测轨迹的过程中，把工艺变量引入SP值。

当控制步骤的精确计算太复杂时，工艺模型可能会给控制行为带来误差。如果误差为0，则控制动作不再需要返回计算，预测的OP值不变。

Profit Loop集中在闭环回路反应时间的后面部分，如果要减少控制动作，需要在用户设定闭环回路响应时间前给SP值引入过程变量。

调整功能模块，必需指定闭环回路响应时间。为了使调整简化，响应时间按开环响应时间作参考，并且在响应时间内，要输入执行比率。当执行比率小于1时，控制器控制加强，工艺接近SP值远远快于开环响应速度。相反，执行比率大于1时，控制作用降低、模型误差增大。当控制过程无自校正功能，开环响应时间不能确定，所用的执行比率没有意义，在这种情况下，直接输入闭环响应时间，并且执行比率重新设置为1。

3 小结

应用基于模型预测优化控制的增强型控制调节模块PID-PL，无需增加硬件和软件设备，只需把传统PID换成PID-PL模块重新下装即可，不产生额外的费用和工作量。PID-PL继承了所有传统PID模块特点。不妨在间断运行的调节回路中试用PID-PL模块，对比传统PID分析它们的调节控制特性，如果PID-PL控制确实比传统PID稳定，保证回路稳定的同时阀的动作减小，则在化工生产中，应用PID-PL将有可观的节能降耗潜力。