基于内模控制理论的参数整定

王民涛，谢克明

（1.中国平煤神马集团，河南平顶山467000；2.郑州电力高等专科学校，郑州450004）

1 内模控制理论的定义

内模控制理论的原理，源于20世纪90年代末期黑箱理论的深化，是以控制对象的结果反推实现条件的过程，并建立对应的数学模型，对结果进行预估，形成快速响应机制。

由于常规控制理论的局限，典型控制回路的组态与参数整定及使用效果不够理想，主要表现在整定周期长、抗干扰能力差等方面。针对这些不足，笔者在新建项目中，利用新颖的内模控制理论，成功地克服了以上问题，保证了生产系统的稳定和产品质量的提升。文中针对基于内模控制理论的典型控制回路的参数整定加以分析。

2 典型回路的基本控制方案

2.1 工艺要求

在某大型化工项目中，原料混合罐D160作为加氢反应器R310的给料缓冲，在整个生产过程中占有重要的地位。能否保证氢氧化钠（NaOH）、乙醇（EtOH）与己二腈（AND）以一定的比例进入D160，将直接影响到最终产品的质量。因此，工艺要求：

1）氢氧化钠流量qm2与己二腈流量qm1保持一定的比例关系。

2）乙醇流量qm3与qm1保持一定的比例关系。

3）D160的液位稳定在一定高度。

4）泵P164A及P164B都停时，己二腈、氢氧化钠、乙醇进料阀全关。

5）保证最终产品的浓缩生产稳定连续。

2.2 基本控制方案

根据上述工艺要求，采用两个单闭环比值调节系统及一个单回路调节系统，使qm2与qm1，qm3与qm1保持一定比例关系。双闭环比值调节回路如图1所示。

单回路调节系统通过控制己二腈进料阀控制D160液位的稳定，如图2所示。

图1 双闭环比值调节回路示意

图2 液位闭环调节系统示意

3 控制回路调节器PID参数整定

调节器参数的整定是根据已定的控制方案确定调节器的最佳参数（比例度δ、积分时间TI及微分时间TD）值，使系统能获得好的调节质量。

在第一期装置中，由于PID参数的设置不是十分合理，控制效果较差，常需要人工干预。控制发散，操作人员常将控制器打到手动状态，使阀位的输出保持在一个定值，降低了自控率和控制效果。通常被控对象越复杂，控制器越常处于手动状态，基础PID回路参数整定不合理，最终产品的控制趋势常常出现不理想的状态，影响了产品质量和安全生产，同时也不利于节能降耗。

3.1 内模控制技术及其应用

3.1.1 PID整定过程

首先，按常规PID控制算法有以下3种类型：

其次，将以上PID控制的基本类型转化为替代模型，即先进控制模型和混合控制模型，根据内模控制理论，推导出更新型内模-PID整定方法，如图3所示。

图3 内模-PID整定过程示意

内模-PID整定一般在先进控制站中实施，也可以直接放在操作站中，此时操作站可以称为先进控制站。在现场，内模-PID整定控制一般是在已经正常运行的DCS上添加先进控制的功能，为了现场的稳定操作、安全等原因，一般另辟一块区域运行内模-PID整定控制软件。

过程数据存储在趋势数据中，为了获得这些数据，该方案基于OPC（OLE for Process Contro1）接口标准，编写一个和集散系统进行数据交换的软件接口，并建立模型，将内模-PID整定控制运算后的结果，传给实时控制系统。最后，通过软件包模块确立控制器参数优化整定软件包，如图4所示。

图4 控制器参数优化整定软件包

3.1.2 内模控制所需的物理环境

在该装置的DCS中，利用工程师站下装PID参数自整定软件包和数据接口软件包，即该工程师站既充当OPC服务器，又充当内模-PID整定控制站。

3.1.3 控制对象特性的获取方法

无论是闭环和开环控制回路均可进行辨识。辨识可以采用开环（控制器处于手动）阶跃输入的方式。在该装置中，由于回路数较多，PID调节器参数初始整定不良，一个回路的波动将导致其他回路受影响，甚至造成整个装置控制的不稳定。因此，新的控制方法一般采用开环辨识（有控制器存在），保证辨识信号对生产的影响最小。辨识输入信号为给定值的扰动，为了解决闭环可辨识性问题，选用求解速度快的随机数直接搜索算法，根据已知的控制器参数，求解出对象的特性。

该方法整定的PID参数具有解耦能力，即能够形成有效的大闭环回路、较强的扰动抑制功能，从而以运算的结果作为给定值，满足整个控制回路参数的自动调整。

该实例中，通过内模-PID整定后的参数值见表1所列。

表1 内模-PID整定后的参数值

4 效果分析

改进后的控制方案（相对于第一期装置），实际控制效果表明，可以保证装置控制的可靠性。采用先进内模控制理论组态和整定控制器的参数，响应速度快、超调小或无超调，抗干扰能力强，现场应用的效果如图5所示。

图5 内模理论应用效果示意

由图5中可以看出，完成一个调节周期不大于50 s，最大超调值不超过3%，具有较强的抗干扰能力。该较复杂的多控制回路中，各项性能指标已达到很好的程度。

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