摘要
油页岩干馏工业越来越受到人们的重视。其干馏控制效果的优劣直接影响页岩油的产量，而温度控制又是页岩干馏炉控制系统中的关键环节，因此页岩炼油过程中的温度控制具有十分重要的现实意义。
由于干馏炉温度控制系统具有惯性、滞后和难以获得精确数学模型等特点，本文在串级PID控制的基础上引入模糊控制，作为智能控制算法应用于干馏炉温度控制系统，构成模糊PID控制器来整定温度控制系统主控回路的PID参数，这
样既保持了PID控制器的结构简单、适应性强的优点，又能在线调整PID控制器
的参数，以适应页岩干馏过程模型参数的变化。
最后通过Matlab仿真，分析了模糊PID控制器的动态响应和抗干扰能力，并
与传统串级PID控制进行比较。结果表明，设计的模糊PID控制器超调量较小，
调节时间短，抗干扰能力较好，能达到较好的控制效果。
关键词：温度控制；串级控制；模糊PID
前言
在我国油页岩制取页岩油技术中，主要是利用干馏技术对大块的油页岩进行制取页岩油。而对于小颗粒的油页岩则作为尾料，还没有找到有效的方法提取其中的页岩油。因此为了使小颗粒的油页岩资源能够得到充分的利用，寻找一种更加有效的加工制油方法是当前所要解决的问题。
干馏是页岩油关键的提炼步骤，在干馏炉干馏过程中，页岩的裂解是在一个密闭的空间里进行一系列复杂的物理和化学反应过程，并且在一定的温度范围内，油页岩热解生成页岩油、页岩半焦和热解气。在生产过程中，干馏炉的温度控制具有极其重要的地位，如果温度太高，油母页岩过度裂解，会减少页岩油的产量；但是温度过低，油母页岩裂解不充分，同样会影响页岩油的产量。所以，温度的高低在干馏炉控制系统中有着非常重要的作用。如何控制好干馏炉的温度，进而提高页岩油的产能，是本文研究的重点。
1.干馏过程的控制对象模型
一般情况下，页岩油的生产可以分为以下三个部分：原料部分、干馏部分以及油回收部分。页岩干馏炉的炼油工艺流程图如图1.1 所示。
图1.1 干馏炉的工艺流程图
在实际工程的控制中往往很难得到页岩干馏过程的精确数学模型。因此，ATP 干馏炉温度对象的建模应参照工程实践中的方法，即用曲线拟合的方法来
求得模型的近似数学模型。由于ATP 干馏炉温度对象具有滞后性、惯性的特点。因此，其温度控制对象的传递函数是具有一阶惯性加纯滞后的特性。即：
e−τs(1.1)
G1(s)=K
Ts+1
鼓风机的流量Q与频率f 成正比，根据参考文献[1]，并考虑空气管路传输的时延，可以将鼓风机近似模型G2(s)等效为一阶惯性加纯滞后环节。即：
e−τs(1.2)
G2(s)=K
Ts+1
根据该页岩炼油厂的实际测试及运行的数据，得到干馏炉模型的温度阶跃响应曲线，可将干馏炉温度模型用纯滞后环节和一阶惯性环节来表示。其传递函数为：
e−25s(1.3)
G1(s)=0.001524
s+0.0157
鼓风机近似模型G2(s)的参数为：
e−5s(1.4)
G2(s)=0.8
0.6s+1
2.串级PID控制
随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。串级控制是一种易于实现且效果又较好的控制方法，在生产过程中的应用也比较普遍[2]。
干馏炉温度的控制可以采用串级调节系统。在干馏炉的炉壁上有六个均匀分布的热电偶，它们会连续并且精确的测量温度的变化，当受到干扰时，该回路的热电偶会测量到该变化，反应到该回路控制器的输入端，控制器的流量控制回路能很快对变化做出判断，改变该回路中鼓风机的频率。这样，经过流量控制回路的控制，在干扰还未波及到干馏区温度之前就已经被克服，即便是干扰较大，其
大部分影响已经被流量控制回路所克服，波及到ATP干馏炉温度时，干扰已经很小。串级控制系统框图如图2.1 所示。
图2.1 串级控制系统框图
干馏炉温度串级控制系统有以下特点：
(1)流量调节回路具有快速调节作用，它能有效地克服二次扰动的影响；(2)由于流量调节回路起到了改善对象动态特性的作用，因此可以加大温度主调节器的增益，提高系统的工作频率；(3)由于流量调节回路的存在，使得整个串级控制系统具备了一定的自适应能力；(4)从串级控制系统本身的特性来讲，可以部分地克服页岩干馏过程中的滞后性。
在实际应用中，很多工业过程都具有高阶、非线性、大迟延及时变等特性，给以精确数学模型为基础的现代控制理论的应用带来了困难。PID控制器的参数整定必须相对于某一模型己知、系统参数已知的系统，但事实上大多数的生产过程都具有非线性和时变性，其特性随时间的变化而变化，而且干扰因素较多，当模型参数或者工况发生变化，运行人员要根据经验来改变参数，工程上通常用试凑法进行整定，需要反复试验，反复试凑工作量比较大，消耗大量的时间和精力，虽然这样在一定程度上也能满足运行要求，但是不可避免地存在盲目性[4]。所以有必要研究智能控制技术手段与PID控制相结合来控制较复杂的工业过程。
3.模糊PID控制
在页岩干馏串级控制系统中，若采用二维模糊控制，以温度的偏差和偏差变化率作为输入变量，可以获得类似常规比例微分控制器的作用，实现良好的动态特性。但是由于模糊控制器没有积分调节，不能消除静差，其稳定性不能达到预期的效果[3]。所以，为了实现ATP 干馏炉干馏区温度的无差控制，将模糊控制器与PID 控制器结合在一起。以温度的偏差e 和偏差变化率ec作为输入，根据偏差的特征，找出PID 参数与温度偏差e 、偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行中不断检测e与ec，根据模糊规则对三个参数进行修改，来满足不同e与ec对控制参数的不同要求，使干馏过程具有良好的动态和静态性能，进而获得更加满意的控制效果。
3.1温度控制回路模糊PID 控制器的设计
模糊控制器的结构对整个系统的性能有较大影响，必须根据被控对象具体情
