涪陵气田PID控制系统的应用及智能化发展探讨

摘要：介绍了PID控制的基本原理，利用PID控制实现页岩气田远程调产功能。在PID参数整定的基础上，指出传统PID参数整定具有物理意义明确、易于掌握的优点以及其参数优化不够的缺点，进而引入智能化发展趋势，将模糊控制和神经网络控制等智能控制方法与PID控制方法有机地结合起来，使PID参数的整定更加完善化，以适应实际生产过程中对各种对象的控制要求，为气田的智能化建设添砖加瓦。

关键词：PID控制；智能控制；智能化

一、引言

在工业生产过程控制中，经常用到闭环控制方式来实现温度、液位、压力、流量等模拟量控制，当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制[1]。本文就涪陵页岩气田远程调产功能引入PID控制系统的应用，并针对PID控制器及其相关智能化技术作一探讨。

二、PID控制技术在页岩气流量中的应用

2.1 系统描述

目前涪陵页岩气田试验井组部分集气站完成远程调产功能的应用，系统利用控制器之间的MODBUS协议通讯，间接完成对阀门开度的控制，实现远程调产功能。本文设计通过利用PID模块完成定流量采气，从而实现远程调产能。

2.2 系统组成

页岩气流量通过水套加热炉前电动阀门控制，由阀门定位器（4-20mA）控制阀门的开度。分离器出口采集温度、压力、差压信号，送PLC进行产量计算。最后由PLC通过一定的算法处理完后输出4-20mA的阀门控制信号。

以PLC 为控制核心构成的闭环控制系统中，检测单元将被控对象实际的测量值PV 转换为1～5V的电压信号，该模拟信号通过PLC的AI 模块，进行A/D 转换。把定标后所得的数值作为PID 模块的输入，来执行PID运算，将测量值PV与给定值SP进行比较，根据二者的偏差e（t）进行PID算法的运算，得到输出操作信号u（t）。再经过PLC的AO模块进行D/A转换，转换后的信号作用于驱动执行机构，實现对被控对象的控制。

2.3 PID控制方程

对连续时间类型，PID 控制方程的标准形式为：

u（t）=Kp[e（t）++] （1）

（1）式中：

u（t） ——PID控制器的输出，与执行机构的开度相对应；

t ——采样时间；

Kp——PID控制器比例增益；

e（t） ——PID控制器的偏差输入；

TI ——PID控制器的积分时间常数；

公式（1）中等号右边的3项分别是比例、积分和微分部分，它们分别与输入量偏差e（t）、偏差的积分和偏差的微分de（t））/dt成正比。

三、智能化控制技术的探讨

3.1 常规PID控制器的不足

基于采用PID 算法的控制系统其控制品质的优劣在很大程度上取决于对PID上述3 个参数的整定，而其整定方法都是根据对象特性离线进行的[2]。实际上大多数工业对象都不同程度地存在非线性、时变、干扰等特性，随着环境的变化对象的参数甚至结构都会发生变化，用原先整定好的PID参数实施控制很难达到理想的控制效果。

3.2 智能控制器的介绍

近年来，人们将常规PID控制技术与智能控制技术有机地结合起来，形成了许多形式的智能PID控制器，通过PID参数自整定方案解决传统PID参数整定的不足。

3.2.1 模糊PID控制器

模糊控制是基于专家经验和领域知识总结出若干条模糊控制规则，构成描述具有不确定性复杂对象的模糊关系，通过被控系统输出误差及误差变化和模糊关系的推理合成获得控制量，从而对系统进行控制[3]。

模糊PID控制器由参数可变的PID控制器及一个模糊控制器共同构成。模糊控制器完成PID控制器三参数的在线整定，而控制信号则由PID控制器生成。这种也被称为“PID参数自调整模糊控制器”[3]。文献[4]提出由三个二维的子模糊控制器分别在线调整PID三参数，时间t作为三个子模糊控制器共同的输人，能根据PID三参数在不同时刻所起的作用进行在线整定。

3.2.2 神经网络PID控制

神经网络控制方法是基于人脑控制行为的生理学研究而发展起来的一种智能控制方法。建立人工控制器的正向模型，经过训练，神经网络将记忆该控制器的动态特性，并且接受输入信息，最后输出与人工控制器相似的控制作用[5]。

为此，人们将其与常规PID控制器结合起来，构成神经网络PID控制器。此时，神经网络控制器实际上是一个前馈控制器，它建立的是对被控对象的一种求逆过程。其通过向传统调节器的输出进行学习，在线调整自己，使反馈误差趋向于零，以使自己逐渐在控制作用中占据主导地位，最终取消反馈调节器的作用[6]。

四、结语

涪陵页岩气田通过PID控制系统实现对页岩气流量的远程调产功能具有可行性，PID系统的建立提高了涪陵页岩气田的自动化水平。同时因为传统PID控制器的自身不足，引入智能化发展趋势，将模糊控制、神经网络控制等智能控制方法与PID控制方法有机地结合起来，以适应实际生产过程中对各种对象的控制要求，为气田的智能化建设添砖加瓦。

参考文献：

[1]百度百科.PID控制[EB/OL].[2016-6-5].

[2]宋运忠.PID参数整定发展的趋势[J].焦作工学院学报，1999，18（5）：369-371.

[3]夏红，宋建成.模糊PID控制器的发展[J].化工时刊，2013，17（1）：1-4.

[4]诸静等.模糊控制原理与应用[M].北京：机械工业出版社.1995.

[5]叶定春.PID调节器及其智能化控制技术的探讨[J].煤气与热力，2013，24（5）：256-259.

[6]赵望达，鲁五等.PID控制器及其智能化方法探讨[J].化工自动化及仪表，2010，26（6）：45-48.