硫酸生产PID三项参数对控制曲线的影响-礼正来

硫酸生产PID三项参数对控制曲线的影响

在硫酸生产过程中，PID作为一种主要的控制策略，被广泛应用于各类控制系统中。它由被控对象、测量变送环节、反馈控制器及末端执行机构等部分组成。然而，在实际操作中，许多人对PID整定感到无从下手，这主要归因于对PID三个参数的内涵及其对控制曲线影响的不熟悉。

本文旨在以简洁明了的语言解析PID的概念，并通过仿真曲线形式详细阐述硫酸化工生产过程中PID三项参数对整定曲线的具体影响。

1.阈值判断法的局限

在实际硫酸生产过程中离不开对温度、压力、液位、组分、流量化工五大参数进行控制。本文以温度控制为例，首先在不加任何控制算法的情况下能想到的是简单的阈值判断法来进行温度调控，当温度大于某个定值温度时立马解除相关联的升温措施，在理想的安全生产环境下，会得到一张控制曲线：

图1.1 阈值控制下的仿真拟合曲线

仿真结果显示出上下无规律的波动，控制器件的灵敏度和加热性能等因素可能导致其产生振荡，且难以有效控制。在硫酸生产过程中，由于温度高且存在变送滞后和热传导滞后等问题，阈值控制无法及时响应，振动还会增大。此时，PID控制的优势便得以凸显。PID是“Proportion Integration Differentiation”的缩写，本质上是一个公式，由比例项（Proportion）、积分项（Integration）和微分项（Differentiation）三部分构成，其具体形式如下所示：

U（t）代表输出控制量;

Kp表示比例增益；

Ti表示积分时间；

Td表示微分时间；

err（t）表示的误差即我们的设定值（SV）与过程变量（PV）的差值

1.1 比例增益Kp

根据公式，可以明显看出，在积分和微分不参与的情况下，PID的kp值实际上与输出信号呈线性关系。假如输出控制量（阀门开度）的值得范围在 20%—70%，输入的err范围在50-100℃当为50℃时输出量需要到达到20%，就需要通过比例系数来构建输入与输出的线性关系。对于kp，其值越大比例作用增大，可以加快调节速度，减少误差，但是过大的比例增益会出现振荡现象使得系统稳定性下降。下方的对比图可以直观展示随着比例增益的不断增大，会出现何种现象。

图1.1.1 Kp比例增益为1

图 1.1.2 Kp比例增益为3

图 1.1.3 Kp比例增益为5.7

对比三幅控制曲线，合适的Kp值能够有效加快调节速度并消除稳态误差。过小的Kp值会导致明显的稳态误差，而过大的Kp值则会出现等幅振荡的情况。

1.2 积分时间Ti

只有比例增益的控制曲线与上文提到的阈值判断法并无显著差异，甚至过小或过大的比例增益效果还不如阈值判断法。在此基础上，引入积分和微分控制，其中积分系数对应于控制曲线下方的面积，这个面积值代表相应时间段的误差累计。将该累计值乘以系数进行变换后，叠加到输出上，可在一定程度上消除稳态误差，提升系统稳定性。积分时间与积分作用成反比。接下来，将展示并分析有比例作用参与的积分控制曲线，探讨积分在控制曲线中的具体作用。

图1.2.1 P=3 I=0.002时的控制曲线图

图1.2.2 P=3 I=0.018时的控制曲线图

图1.2.3 P= 3I=0.089时的控制曲线图

观察三幅图，与仅含比例增益的控制曲线图相比，较小的积分作用对稳态误差有一定的消除效果，但并不显著；随着积分作用的增强，可以看到控制曲线与目标线逐渐重合，稳态误差基本消除。然而，继续加大积分作用，明显出现衰减振荡波形，且持续时间较长，波形最终仍会趋于目标值。因此，积分作用能够有效消除稳态误差，但过大的积分作用会导致动态响应变慢，出现长周期的衰减振荡。在实际控制过程中，允许过程变量（PV）在一定范围内波动。选择适当的比例作用可以加快调节速度，但会伴随一定的超调量，需确保该超调量在生产误差允许范围内，以实现控制系统的稳定、准确和快速响应。图1.2.4展示了在适宜比例作用下的控制曲线。