积分分离PID算法在甘油蒸馏中的应用

王伟 倪伟 钟群(淮阴工学院自动化学院， 江苏 淮安 223001)

积分分离PID算法在甘油蒸馏中的应用

王伟 倪伟 钟群(淮阴工学院自动化学院， 江苏 淮安 223001)

针对粗甘油精炼过程中甘油蒸馏釜温度控制系统具有惯性大、滞后严重的特点，设计了一种采用积分分离PID算法的釜温控制系统。使用MATLAB软件自带的Simulink仿真环境，构建釜温控制系统模型，并对其进行仿真，结果表明：该设计增强了系统的稳定性，提高了控制精度，减小了超调量。

蒸馏釜；温度控制；积分分离；MATLAB

粗甘油精炼过程中，为保证最终成品甘油的高纯度，甘油蒸馏工艺对蒸馏釜温度控制作出了较高的要求。而釜温控制系统具有惯性大、滞后严重的特点，若采用传统的PID控制系统，其执行元件不能对被控制量的变化做出快速反应，当短时间内出现较大偏差时，在积分项作用下，会产生较大的超调和长时间的振荡，控制量u将超出限制范围，引起积分失控，很难达到满意的控制效果[1-2]。因此，为了解决积分失控和提高控制质量，设计了一种基于S7-200 Smart PLC结合积分分离PID算法的釜温控制系统，既具有控制灵活、超调量小、实现容易的特点，又能有效地改善了系统响应时间和控制精度，更大程度上保证了甘油蒸馏的温度条件。

1 甘油蒸馏工艺

甘油蒸馏工艺流程如图1所示，粗甘油进入处于真空状态下的T101蒸馏釜中，在导热油加热下汽化，釜顶少量冷凝液经过V102旋液分离器分离回流至蒸馏釜中，而过滤后的甘油蒸气将进入逐级冷凝工艺环节。其中蒸馏釜T101的温度由进釜的导热油SV101调节阀控制。釜底的有机盐、无机盐、难挥发的其他杂质等高沸点组分将进入到重组分釜提炼处理。

图1 甘油蒸馏工艺示意图

2 釜温控制系统

甘油蒸馏釜温度控制系统基本结构如图2所示，由S7-200 SMART控制器、蒸馏釜、温度传感器、温度变送器、电磁调节阀等几个部分组成。系统的控制原理为：温度传感器将采集到的甘油蒸馏釜温度信号，经过温度变送器转换为电流信号，模拟量输入模块将送进来的电流信号A/D转换为数字量，S7-200 SMART控制器将采集的温度值与设定的温度值做比较，算出偏差值，并经过控制算法运算得出输出控制量，该输出量再经过模拟量输出模块D/A转换为电流信号，传送给电磁调节阀，控制调节阀的开度以调节流向蒸馏釜的导热油流量，达到控制釜温的目的[3]。

图2 蒸馏釜温度控制系统结构框图

3 积分分离PID算法

在常规的PID数字控制器中引入积分环节的目的，主要是为了消除静态误差、提高控制精度。但在系统启动、结束或大幅度调整设定值时，系统输出的控制量在短时间内产生较大的偏差，造成PID运算的积分积累，控制量超过执行机构可能的最大动作范围对应的极限控制量，引发控制失效，并可能造成后续控制过程严重超调，引起系统不稳定。

为了解决上述问题，系统采用积分分离PID控制算法。积分分离的基本原理：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分环节，避免超调量的增大；当被控量接近给定值时，再加入积分控制作用，以消除静差，提高控制精度[4]。具体实现如下：

根据实际情况，设定积分分离限值ε＞0；

当|e(k)|＞ε，即偏差值较大时，采用PD控制，取消积分项作用，使系统有较快的响应，改善动态品质；

当|e(k)|≤ε，即偏差值较小时，采用PID控制，提高系统稳态精度。

积分分离PID控制算法表示为：

式中：KP为比例系统；KI为积分系数；KD为微分系数；T为采样时间，β为积分项的开关系数。

釜温控制系统的积分分离PID算法流程如3所示，其中r(k)和y(k)分别为蒸馏釜釜温的给定值和测量值。

图3 积分分离PID算法流程图

4 系统仿真与分析

利用Matlab软件提供的Simulink工具箱对所设计的基于积分分离PID算法的釜温控制系统进行建模和仿真。根据测量的温度曲线，画图和计算，得出被控对象釜温传递函数为G(s)=1/(240s+1) e^(-60t)。把温度给定值设定为186℃，积分限值ε设为18。在Simulink中构建了如图4所示的釜温控制系统模型。

图4 釜温控制系统模型结构图

传统PID控制系统温度变化仿真曲线如图5所示，积分分离PID控制系统温度变化仿真曲线如图6所示。从仿真结果可以直观看出，采用传统PID算法的温度控制系统有较大的超调，需要较长的时间达到稳定。而采用积分分离PID算法的温度控制系统超调小，响应速度快，在短时间内达到稳定。

图5 传统PID控制系统温度变化曲线

图6 积分分离PID控制系统温度变化曲线

5 结语

为了解决粗甘油精炼中蒸馏釜温度控制系统惯性大、滞后严重的问题，本文设计了基于积分分离PID算法的釜温控制系统，并使用Matlab软件进行建模仿真。实验结果表明：该设计相比传统的PID控制方式，能够有效地抑制超调量，提高响应速度，消除静差，满足甘油蒸馏工艺对釜温的精确控制要求，且方法简单，具有较高的实用价值。

[1]杨久红,王小增.积分分离PID控制算法的电阻炉温度控制系统[J].计算机测量与控制,2012，20(1):66-69.

[2]王蕊,苗宝增,王秀英.造纸生产积分分离PID串级温度控制器[J].生产实践,2009，28(6):70-72.

[3]王春雷,邓远超,费凌.反应釜温控系统的积分分离PID算法及仿真[J].机械工程与自动化,2009，(04):70-72.

[4]李昂.积分分离PID控制算法在PLC炉温控制系统中的应用[J].电子设计工程,2013，21(24):54-58.

Application Of Integralseparation PID Algorithm In Glycerine Distillation

Wang Wei,Ni Wei,ZhongQun(College Of Automation,HuaiyinInstitude of Technology,Huaian Jiangsu 223001)

According to the characteristics of larger inertia and serious hysteresis of the glycerine distillation temperature control system in the process of crude glycerol re fi ning,a kettle temperature control system based on integral separation PID algorithm is designed.UsingSimulink environmentwhich built in MATLAB software,the model of kettle temperature control system is constructed and simulated,the results show that the design enhancesthe stability of the system,improves the control accuracy and reduces overshoot.

distillation kettle; Temperature control; Integral separation; MATLAB

王伟(1991-)，男，江苏宿迁人，现就读于淮阴工学院，在读研究生，专业方向:化工过程自动化。