郭 輝，朱培祥

（1.新疆工業(yè)高等專科學(xué)校電氣工程系，新疆 烏魯木齊 830091；2.烏魯木齊瑞安特自動化設(shè)備有限公司，新疆 烏魯木齊 830091）

1 引言

原油加熱是原油蒸餾的重要環(huán)節(jié)之一，加熱爐燃燒系統(tǒng)自動控制的基本任務(wù)是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量，滿足原油蒸餾的需要并能保證經(jīng)濟燃燒和加熱爐的安全運行。

加熱爐出口總管溫度是加熱爐環(huán)節(jié)最重要的參數(shù)，出口溫度的穩(wěn)定對于常壓塔等后續(xù)工藝的生產(chǎn)穩(wěn)定、輕油收率的提高至關(guān)重要。生產(chǎn)要求加熱爐出口總管溫度保持在365±2℃范圍內(nèi)。煉油廠加熱爐擴容改造中，加熱爐的容量增加了1.5倍，在試運行過程中，應(yīng)用舊的控制系統(tǒng)運行，出現(xiàn)了輸出狀態(tài)不穩(wěn)定，加熱爐出口總管溫度經(jīng)常在設(shè)定值365℃附近產(chǎn)生較大范圍（約±20℃）的波動，會出現(xiàn)控制系統(tǒng)報警，嚴重時導(dǎo)致停爐事故。

2 原加熱爐前饋-負反饋控制系統(tǒng)存在的問題分析

圖1 加熱爐前饋-負反饋控制系統(tǒng)方案

影響加熱爐出口溫度的因素很多，最主要的因素有兩個，一個是原油進料總量，另一個是燃料量。受生產(chǎn)任務(wù)的限制，原油進料總量不能作為控制量進行調(diào)節(jié)。將原油進料總量作為前饋，以出口總溫度作為反饋量，控制量選擇燃料流量，如圖1所示為原加熱爐采用前饋-負反饋控制系統(tǒng)方案。將各種干擾作為前饋引入，避開爐膛溫度測量不準的問題，當負荷增加的時候，爐膛溫度隨之降低，出口溫度也隨之降低，繼而反饋回來增加燃料流量，使得爐膛溫度上升，從而出口總溫也上升，維持在其設(shè)定值附近；當負荷降低的時候，爐膛溫度隨之升高，出口溫度也隨之升高，繼而反饋回來減少燃料流量，使得爐膛溫度下降，從而出口總溫也下降，但并沒有克服系統(tǒng)因負荷擴容等因素引起的純滯后過大問題，純滯后過大引起的控制特性變差，集中表現(xiàn)在燃料對出口溫度的模型參數(shù)中。如圖2所示為加熱爐前饋-負反饋控制系統(tǒng)方框圖。

圖2 加熱爐前饋-負反饋控制系統(tǒng)方框圖

應(yīng)用階躍響應(yīng)系統(tǒng)辨識，獲得舊、新的系統(tǒng)的被控對象 GO（s）、G′O（s）傳遞函數(shù)為：

式中：k為可變常數(shù)。

控制輸入 X（s）、擾動輸入 F（s）對輸出的共同影響為：

從加熱爐被控對象的特性可知,傳遞函數(shù)發(fā)生了較大的變化，尤其是加熱爐擴容后，系統(tǒng)的純滯后時間增加很多，被控過程具有186s的純滯后,這十分不利于溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,若要保證控制系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性,主調(diào)節(jié)器的動作只能很慢,即執(zhí)行器的動作速率只能很慢,所以舊系統(tǒng)無法有效地抑制加熱爐負荷變化對出口溫度的影響。

實踐也表明：由于系統(tǒng)時延加大、系統(tǒng)具有較強的非線性時變特性，舊的前饋-負反饋控制系統(tǒng)不能達到加熱爐出口溫度在365±2℃的效果。

合理的想法是先通過增益自適應(yīng)Smith預(yù)估補償控制技術(shù)對被控對象進行動態(tài)補償，使補償后的等效被控對象有較好的動態(tài)特性（較小的慣性和滯后）。Smith預(yù)估補償技術(shù)就是一種有效的動態(tài)特性補償技術(shù),考慮到加熱爐溫度被控對象的開環(huán)增益變化較大,采用一種基于增益自適應(yīng)的Smith補償控制方法。

3 前饋-增益自適應(yīng)Smith預(yù)估補償技術(shù)的控制系統(tǒng)改造

在新型的加熱爐溫度控制系統(tǒng)中,要對被控過程進行動態(tài)補償,使補償后的等效對象沒有純滯后環(huán)節(jié),對過程純滯后經(jīng)典的補償方法是采用傳統(tǒng)的Smith預(yù)估補償,但傳統(tǒng)Smith預(yù)估補償要求所采用的補償模型與被控過程的數(shù)學(xué)模型是完全一致,否則補償后的等效對象中無法消除純滯后。而由于實際被控過程的開環(huán)增益是變化的，傳統(tǒng)的Smith預(yù)估器很難確保所采用的補償模型與對象模型完全一致。因此，采用如圖3所示的前饋-增益自適應(yīng)補償功能的預(yù)估控制方案,目的是即使所采用的補償模型的開環(huán)增益與被控過程的開環(huán)增益不同,仍能使補償后的廣義等效對象中沒有純滯后環(huán)節(jié),以加快調(diào)節(jié)器的動作速度，提高控制品質(zhì)。

圖3 前饋-增益自適應(yīng)Smith預(yù)估補償技術(shù)的控制系統(tǒng)方框圖

該控制器既有進料流量的前饋調(diào)節(jié)功能，又有純滯后補償功能，補償控制是在Smith預(yù)估補償控制的基礎(chǔ)上增加一個除法器、一個導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)和一個乘法器。利用這三個環(huán)節(jié)提供一個自動校正預(yù)估器增益信號。

根據(jù)實驗結(jié)果?。?/p>

補償后的廣義等效對象特性為：

可以看到，盡管被控對象開環(huán)增益k是變化的，但所補償后的廣義等效對象中已不存在純滯后環(huán)節(jié);同時不難看出,通過微分環(huán)節(jié)可以進一步改善廣義等效對象的特性。全部控制策略均在霍尼韋爾可編程調(diào)節(jié)器的組態(tài)軟件中編程實現(xiàn),新的加熱爐溫度控制系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試后投入運行,對其進行了詳細的測試，經(jīng)一年的運行結(jié)果表明，該設(shè)計在負荷擾動時對抑制溫度調(diào)節(jié)的動態(tài)誤差與設(shè)計意圖基本相符，穩(wěn)態(tài)時,加熱爐溫度的最大動態(tài)偏差在±2℃之內(nèi)，達到了預(yù)期的效果。

4 結(jié)束語

對生產(chǎn)過程控制大滯后問題，采用增益自適應(yīng)的Smith預(yù)估補償控制技術(shù)，是一種較好的解決方法,前饋控制與增益自適應(yīng)Smith預(yù)估補償控制相結(jié)合，可以對可測不可控的干擾量進行控制，達到更好的控制品質(zhì)。從而有效地解決了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)閥動作快速性之間的矛盾,它在石油化工、發(fā)電廠等大滯后過程控制中具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］田玉楚.大時滯工業(yè)過程的雙控制器結(jié)構(gòu).自動化學(xué)報,1999，25（6）：824-827.

［2］邵裕森.過程控制工程.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［3］朱麟章.過程控制系統(tǒng)及設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社，1996.