董永兵，燕丽梅，白静
(陕西北元化工集团股份有限公司，陕西 榆林 719319)
PID单回路控制在化工生产控制领域应用最为广泛，陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司(以下简称“北元化工”)聚氯乙烯生产能力110万t/a，烧碱生产能力80万t/a，为连续生产的化工控制过程，其内部90%以上为经典的单回路控制，因此PID参数的整定在控制过程中格外重要。
在单回路控制领域内，常用稳定性、准确性、快速性来衡量一个控制系统的优劣。
1.1 稳定性
稳定性是指控制系统在受到扰动后其运行能保持在有限边界的区域内或恢复到原平衡状态的性能，即在外加干扰后，经过PID调节，测量值可以回归到设定值附近，而不是随时间远离设定值。在过程控制中，所有的被控过程必须是一个稳定的系统，才不会发生生产安全事故。
1.2 准确性
准确性是指被控参数在进入稳态后测量值与设定值之间的偏差，当偏差越小，说明控制系统的准确性越好。
1.3 快速性
快速性是指当被控对象受到外界扰动后，偏离设定值经过PID调节后又重新回归到设定值的这段时间的长短，快速性越好，证明控制系统的性能越优良。
比例度、积分时间、微分时间直接决定比例、积分、微分作用的强弱，从而影响单回路控制的稳定性、准确性、快速性。
2.1 比例度对控制系统性能的影响[2]
控制器的输出与输入的偏差成正比：ΔP=(1/δ)e。比例控制的特点：控制及时，但不能克服余差。比例作用太强，会引起振荡和不稳定，用比例度δ来表示其作用强弱，δ越小，比例控制作用越强。适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。δ越小，比例作用越强，快速性越好，准确性越好，稳定性越差。
2.2 积分时间对控制系统性能的影响[2]
2.3 微分时间对控制系统性能的影响[2]
控制器的输出与偏差的变化成正比：ΔP=TD(de/dt)。微分控制的特点：对干扰的出现有一定的预估性，能够超前控制，对恒定不变的偏差没有控制作用，不能单独使用；
对滞后大的对象有很好的效果，使控制过程的动态偏差减小、调节时间缩短、余差减小，但微分作用过强，会引起振荡。用微分时间TD来表示其作用的强弱，TD越大，微分作用越强。TD越大，快速性越好，准确性越好，稳定性越差。
在正常生产过程中，当更换调节阀、季节性气温变化较大或工艺工况发生变化后，北元化工经常须对PID参数进行优化，从而使工艺指标回归正常。
3.1 优化PID参数，使电解槽氯氢压差回归控制范围
2022年4月,为电解装置A线某处更换完阀门执行机构与定位器后，A线氯氢压差波动明显变大，由之前的2.012～2.315 kPa波动变为1.876～2.456 kPa。随即对PID参数进行优化，将比例度由125调为110，微分时间由5调为8后，氯氢压差波动明显变小，范围为2.015～2.326 kPa。
3.2 优化PID参数，使原氯总管压力稳定
2022年4月，为电解装置C线更换完原氯调节阀定位器后，C线原氯总管压力波动明显变大，波动范围为94.6～96.1 kPa，给合成炉氯氢配比控制带来严重困扰，导致氯化氢纯度下降。随即在线优化PID参数，将比例度由60改为65后，原氯总管压力波动明显降低，为95.1～95.4 kPa。
3.3 优化PID参数，使电解槽进槽盐水流量波动变小
2022年5月，为电解装置D线A槽更换完阀门气缸后，阳极进槽流量波动明显变大，上下波动范围约4 m3/h。随即在线整定PID参数，将比例度由150改为250，积分时间由0.6改为0.65后，阳极进槽流量波动变为1.5 m3/h。
在工业生产中，主要通过临界比例度法、衰减曲线法和经验凑试法进行PID参数整定。前两种整定方法是基于外来干扰的响应曲线，须给被控参数施加一个外来阶跃扰动，在实际生产过程中在线整定PID参数显然是不适用的；
经验凑试法在实际生产过程中对整定人员的经验要求较高。基于上述情况，北元化工在氯乙烯聚合装置试用了某公司PID评估与整定系统，该系统主要具备PID整定功能与PID评估功能。
控制回路评估整定项目所设计的软件包括FinData和LoopSenser。其中FinData通过OPC与DCS OPCserver进行通信，用于数据的采集与存储；
LoopSenser进行控制回路评估与整定。整体软件部署方便快捷，日常操作简单，不会带来操作上的负担。
4.1 PID整定功能
4.1.1 PID整定原理[3]
该PID整定系统的主要原理是通过OPC通信协议采集DCS的数据，并存储到历史数据库中，将采集到的测量值(PV)、设定值(SV)、阀门开度值(MV)在PID整定系统内根据递推最小二乘法进行模型辨识与降阶后，近似得到现场实际被控对象放大系数K、时间常数T、滞后时间τ，对辨识到的模型与实际模型进行拟合度对比。若模型拟合度较高，则证明优化整定后的PID参数更适用于现场工况。
4.1.2 PID整定参数试验情况
(1)回路2FIC1121B(C线聚合釜B副回路流量调节)调试。
原始参数:
P:200；
I:60。
软件推荐参数：
P(弱)：149.73；
I(弱)：9；
P(强)：63.71；
I(强)：9。
实际输入参数：
P：160；
I：10。
效果分析：副回路跟随特性明显变好，主回路聚合釜温度变化不太明显。
(2)回路2FIC1126F(催化剂注水流量调节)调试。
原始参数：
P：400；
I：60。
软件推荐参数：
P：400；
I：4。
实际输入参数：
P：400；
I：15。
效果分析：催化剂注水流量控制回路波动有所变小，波动范围由782 ～815 L/h变为795～806 L/h(设定值800 L/h)。
(3)回路2FIC1122C(搅拌密封水流量)调试。
原始参数：
P：200；
I：20。
软件推荐参数：
P(弱)：328.27；
I(弱)：6；
P(强)：88.72；
I(强)：6。
实际输入参数：
P：180；
I：15。
效果分析：搅拌密封水流量控制回路波动范围由656～741 L/h变为685～705 L/h(设定值700 L/h)，波动范围明显变小。
(4)回路2FIC1002(冷水槽入口流量调节)调试。
原始参数：
P：150；
I：20。
软件推荐参数：
P(弱)：238.67；
I(弱)：8；
P(强)：108；
I(强)：8。
实际输入参数：
P：120；
I：15。
效果分析：冷水槽入口流量波动范围由115～129 m3/h变为125～136 m3/h(设定值为130 m3/h)。可以看出：调整前，测量值始终小于设定值，存在固定负余差；
调整后，测量值在设定值附近波动，曲线性能有所变好。
4.2 PID评估功能
该PID评估与整定系统还可以对生产系统的单回路控制曲线进行分析。通过算法提取出输出响应曲线的衰减比、最大超调量、调节周期和余差等一系列性能参数，对曲线性能进行分析，然后对PID参数的匹配情况进行打分，得分在80分以上的控制回路在生产规程中可以准确、快速地跟踪设定值，能够很好地抵抗外界干扰。在实际使用中，可以根据回路得分情况对控制回路的PID参数进行适当的调整。
在生产线评估界面中，包含如下信息：
(1)生产线选择，用于选择不同生产线，对控制回路的PID参数进行评估。
(2)1 h/24 h选择，用于选择1 h评估结果或者24 h评估结果。
(3)时间选择，用于选择指定时间的评估结果。
(4)定位按钮，点击该按钮，显示“(3)”时间的评估结果。
(5)最新按钮，点击该按钮，显示最新评估结果。
(6)生产线自控率，给出生产自控率。
(7)生产线分数分布，给出生产线各分数回路数量。
(8)工段1自控率，该生产线工段1的自控率。
(9)工段1分数分布，给出该生产线工段1各分数回路数量。
(10)工段2自控率，该生产线工段2的自控率。
(11)工段2分数分布，给出该生产线工段2各分数回路数量。
(12)在该界面可以同时显示两条生产线。
通过对界面不同功能的选择，可以自动生成报表，方便进行数据统计与分析。
PID整定在化工生产过程中非常重要。PID评估与整定系统一方面在一定程度上可以指导PID参数整定，优化单回路控制系统的性能；
另一方面可以自动生成报表，对现有PID回路进行评分，自动计算出生产线的自动控制投用率。