亓魯剛，呂文祥，高小永，欒志業(yè)，黃德先（清華大學(xué)自動(dòng)化系，北京 100084）

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多液位與加熱爐復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制

亓魯剛，呂文祥，高小永，欒志業(yè)，黃德先
（清華大學(xué)自動(dòng)化系，北京 100084）

摘要：多液位與加熱爐復(fù)合系統(tǒng)是一類(lèi)具有液位和加熱爐支路間的強(qiáng)耦合性及大滯后與非線性等特性的復(fù)雜工業(yè)過(guò)程。針對(duì)這類(lèi)系統(tǒng)的多液位控制與加熱爐支路溫度平衡控制問(wèn)題，根據(jù)解耦與平衡的思想，提出了一種基于總?cè)萘科胶獾淖冎芷谝何豢刂频膮f(xié)調(diào)控制方法，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了多液位控制與支路溫度平衡控制的分離，耦合性分析也說(shuō)明了方法的可行性，最終實(shí)現(xiàn)了復(fù)合系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)控制。基于HYSYS流程模擬的仿真實(shí)驗(yàn)表明了所提出控制方法的有效性。

關(guān)鍵詞：過(guò)程控制；平衡；優(yōu)化設(shè)計(jì)；多液位；協(xié)調(diào)控制

2015-12-14收到初稿，2015-12-28收到修改稿。

聯(lián)系人：黃德先。第一作者：亓魯剛（1986—），男，博士研究生。

引 言

罐、塔等容器中的物料流經(jīng)加熱爐加熱以滿足下游工藝過(guò)程對(duì)進(jìn)料熱焓的要求，像這樣的聯(lián)合控制問(wèn)題廣泛存在于工業(yè)生產(chǎn)中，占有重要地位。容器的液位和加熱爐進(jìn)料量的操作平穩(wěn)與否對(duì)加熱爐出口的控制品質(zhì)及加熱爐的運(yùn)行安全有著重要的影響。液位系統(tǒng)具有明顯的大的容量滯后及控制通道非線性，再加上加熱爐的被加熱流體要合理地分配到各個(gè)支路以保證各支路出口熱焓的一致性，都給這種類(lèi)型的控制帶來(lái)了挑戰(zhàn)[1]。通常采用的均勻控制方案[2]，沒(méi)有充分利用對(duì)象特性，控制效果差，甚至不能投用。近年來(lái)，出現(xiàn)了一些結(jié)合模糊控制、內(nèi)?？刂?、預(yù)測(cè)控制或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)控制方案，取得了一定的控制效果[3-6]。文獻(xiàn)[7]基于模型預(yù)測(cè)最優(yōu)均勻液位控制思想，有效處理了臥式罐的均勻液位控制問(wèn)題。文獻(xiàn)[8]針對(duì)在線優(yōu)化的較大計(jì)算量問(wèn)題，通過(guò)模型預(yù)測(cè)控制算法導(dǎo)出了均勻液位的切換PI控制律，簡(jiǎn)化了在線測(cè)控制的在線優(yōu)化，提出了一種基于模糊規(guī)則的液位優(yōu)化并增強(qiáng)了對(duì)隨機(jī)擾動(dòng)的適應(yīng)性。文獻(xiàn)[9]避免預(yù)測(cè)控制的在線優(yōu)化，提出了一種基于模糊規(guī)則的液位控制系統(tǒng)，取得較好的控制效果。文獻(xiàn)[10]針對(duì)單液位對(duì)象提出一種變周期非線性液位控制方法，避免了流量的頻繁調(diào)整，具有更強(qiáng)的魯棒性。對(duì)于耦合的雙液位系統(tǒng)，則結(jié)合最優(yōu)PID控制、模糊控制、滑?？刂频确椒╗11-14]。對(duì)于加熱爐，為了安全生產(chǎn)，避免個(gè)別支路溫度過(guò)高，需要進(jìn)行支路平衡控制[15-18]。文獻(xiàn)[19]給出了一種基于穩(wěn)態(tài)能量平衡的支路平衡控制方法，通過(guò)分配支路流量來(lái)達(dá)到各支路出口溫度一致的目的，并實(shí)現(xiàn)在各支路出口溫度一致情況下總量的提降量。文獻(xiàn)[20]將塔底液位控制引入精餾過(guò)程的集成控制中，控制塔產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)兼顧液位控制，得到了良好的控制效果。但對(duì)于加熱爐上游有多個(gè)液位控制并保障加熱爐各支路的出口溫度平衡的要求，目前還沒(méi)有可供使用的方法，DCS上的控制回路難以投入自控，人工操作很難使這種多目標(biāo)且強(qiáng)耦合的生產(chǎn)過(guò)程達(dá)到滿意的控制效果，存在較高的安全隱患。

本文針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)提出基于容量平衡的多液位多支路協(xié)調(diào)控制方法，以解決該生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制與平穩(wěn)操作問(wèn)題。

1 問(wèn)題描述

以某企業(yè)瀝青相加熱爐系統(tǒng)為例，原料緩沖罐分兩路進(jìn)入兩個(gè)抽提塔，抽提塔分別出來(lái)的瀝青相溶液匯合后，進(jìn)入加熱爐加熱。抽提塔要求其液位在適當(dāng)范圍內(nèi)，以保證好的分離效果和安全操作；加熱爐要求進(jìn)料量變化平緩，減少對(duì)出口溫度控制的擾動(dòng)。同時(shí)，加熱爐分為多個(gè)支路，由于爐膛溫度分布不均勻，或管內(nèi)外結(jié)焦灰垢等造成傳熱特性差異等原因?qū)е轮烽g出口溫度差異，這易導(dǎo)致?tīng)t管結(jié)焦和爐管燒穿等能耗浪費(fèi)與生產(chǎn)安全問(wèn)題。因此，考慮抽提塔液位控制與加熱爐出口控制外，還要考慮支路溫度平衡控制。在兩個(gè)抽提塔液位控制回路中，設(shè)被控變量為L(zhǎng)1、L2，操作變量閥位為L(zhǎng)V1、LV2；在加熱爐支路流量控制回路中，設(shè)被控變量為F1、F2，操作變量閥位為FV1、FV2。

開(kāi)環(huán)情況下，若為了降低L1，增大LV1，則引起L2升高，F(xiàn)1、F2增大。若為了降低F1，減小FV1，則引起F2增大，L1、L2升高。

閉環(huán)情況下，兩液位控制的調(diào)節(jié)變量即流量之和與加熱爐支路總流量必須一致。F1、F2設(shè)定值必須跟隨L1、L2的調(diào)節(jié)，可見(jiàn)，這4個(gè)控制器耦合非常嚴(yán)重。

2 系統(tǒng)分析

利用基于HYSYS流程模擬軟件建立的實(shí)際對(duì)象的仿真來(lái)表現(xiàn)系統(tǒng)的耦合問(wèn)題。

圖1給出了L1液位控制器給定值階躍的運(yùn)行情況。可以看出，液位調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，流量波動(dòng)大，會(huì)干擾下游加熱爐和分餾塔的平穩(wěn)運(yùn)行。

圖1 液位L1給定值階躍擾動(dòng)Fig.1 Step disturbance of L1set point

進(jìn)一步通過(guò)建立控制對(duì)象的模型，通過(guò)理論分析系統(tǒng)的耦合關(guān)系。

通過(guò)對(duì)仿真對(duì)象的測(cè)試取得該系統(tǒng)4個(gè)控制回路的關(guān)聯(lián)模型，得到以開(kāi)環(huán)放大系數(shù)pij=(?yi/?uj)u為元素的開(kāi)環(huán)增益矩陣P

進(jìn)而得到相對(duì)增益矩陣

可以看出，對(duì)應(yīng)的相對(duì)增益陣列不具備主對(duì)角優(yōu)勢(shì)，可見(jiàn)原控制回路耦合嚴(yán)重，無(wú)法滿足控制要求。

綜上所述，需要控制系統(tǒng)解除存在的強(qiáng)耦合問(wèn)題，同時(shí)滿足下列控制要求：①L1、L2和F1、F2都要滿足生產(chǎn)控制要求，保證生產(chǎn)順利；②L1、L2之差滿足要求，滿足抽提塔正常生產(chǎn)；③考慮加熱爐支路出口溫度平衡控制消除安全隱患，合理分配F1、F2。

3 復(fù)合系統(tǒng)控制策略

本節(jié)根據(jù)多液位系統(tǒng)總量物料平衡關(guān)系和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)思想，融合多支路能量平衡控制方法[19]，提出一種串聯(lián)實(shí)現(xiàn)多液位平衡與多支路平衡的變周期非線性液位控制方案，如圖2所示。圖中非線性液位控制部分實(shí)施基于總量的物料關(guān)系平衡調(diào)節(jié)，維持總液位穩(wěn)定，兼顧流量平緩變化；多液位平衡控制部分分配各個(gè)液位的輸出閥位。

圖2 控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Control structure

3.1 基于總量的多液位控制

首先，根據(jù)多液位系統(tǒng)總?cè)萘?總流量的物料平衡關(guān)系，重新選擇控制變量，設(shè)計(jì)解耦方案。對(duì)于兩個(gè)液位對(duì)象物理結(jié)構(gòu)一致的情況，新控制方案的變量為

新控制方案的主要思路是通過(guò)總流出量Fs調(diào)節(jié)平均液位l，閥位變化ν的分配來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)液位差z。

然后，針對(duì)多液位系統(tǒng)的總量控制方案，引入一種基于動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)思想的變周期液位控制方法。這種方法采用動(dòng)態(tài)前饋與穩(wěn)態(tài)反饋的方法，魯棒性強(qiáng)，且對(duì)模型精度要求很低。控制器每周期循環(huán)監(jiān)測(cè)，在預(yù)測(cè)出液位超限情況時(shí)，實(shí)施總量控制與液位均衡控制，然后進(jìn)入較長(zhǎng)穩(wěn)定周期。穩(wěn)態(tài)反饋，不像常規(guī)PID控制依賴(lài)動(dòng)態(tài)誤差信息的反饋進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，從而避免了反饋控制在非線性嚴(yán)重時(shí)的不穩(wěn)定問(wèn)題和頻繁調(diào)整，具有更強(qiáng)實(shí)用性[21]。

平均液位的變周期液位控制問(wèn)題數(shù)學(xué)描述如下

式中，ts是采樣時(shí)間，T1是預(yù)測(cè)時(shí)域，T2是控制所需步長(zhǎng)，ε為權(quán)重系數(shù)，f是總?cè)萘喀蹬c平均液位l的函數(shù)關(guān)系，ν為其余進(jìn)出流量。

結(jié)合多液位平衡方法，變周期非線性多液位控制及平衡改進(jìn)算法如圖3所示。圖中控制增量的計(jì)算如下

圖3 變周期多液位控制算法Fig.3 Variable period prediction control approach of liquid level

圖4 多液位與加熱爐復(fù)合系統(tǒng)仿真Fig.4 Simulation of multiple liquid levels and furnace composite system

最后，液位均衡控制閥位分配原則如下，假設(shè)L1＞L2

3.2 耦合性分析

通過(guò)對(duì)仿真對(duì)象的測(cè)試得到式(2)所示的控制方案下的開(kāi)環(huán)增益陣列Pnew

可見(jiàn)，語(yǔ)法隱喻的一致式和隱喻式的語(yǔ)義并非所謂的“同樣的所指”。它們?cè)醋酝磺榫盎蚪?jīng)驗(yàn)內(nèi)容，最多可以說(shuō)是語(yǔ)義相似；由于反映的是不同的識(shí)解和編碼方式，因此具體語(yǔ)義存在差異。

相對(duì)增益矩陣為

可看出，變量之間的耦合性已基本可以忽略。

4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖4所示，基于UniSim Design流程模擬軟件建立了實(shí)際對(duì)象的仿真。

對(duì)象關(guān)聯(lián)特性已由上述開(kāi)環(huán)增益矩陣P給出，對(duì)其施加多液位系統(tǒng)的變周期非線性液位控制和支路平衡控制，其中變周期液位控制的ts=1 min，T1= 30，T2=60，液位控制區(qū)間為[40,60]，液位差控制區(qū)間為[?5,5]；支路平衡控制的監(jiān)控周期為1 min，等待周期為10 min。

在進(jìn)料流量干擾下，控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況如圖5所示。

圖5 抽提塔進(jìn)料流量階躍擾動(dòng)控制過(guò)程Fig.5 Control process of tower feed flow step disturbance

當(dāng)在35 min液位預(yù)測(cè)值超出所設(shè)上限60%時(shí)，液位控制使得總流量增大，但被限制在最大增量5 t·h?1，而支路平衡控制根據(jù)總流量的提高將兩個(gè)支路流量同時(shí)增大。在40 min時(shí)，液位控制再次增大了總流量，且此時(shí)液位差超過(guò)所設(shè)上限5%時(shí)，液位控制使得液控閥位差增大，實(shí)質(zhì)上分別增大了LV1和減小了LV2。經(jīng)過(guò)兩次調(diào)整，液位L1開(kāi)始平穩(wěn)下降，保證了不超出所設(shè)控制區(qū)間。之后通過(guò)改變加熱爐支路爐管的傳熱阻力造成支路溫度不一致，支路平衡控制基于熱量平衡重新分配支路流量，但總流量保持不變，對(duì)液位也沒(méi)有造成擾動(dòng)。同時(shí)，在將液位保持在控制區(qū)間內(nèi)的同時(shí)，流量變化次數(shù)少且幅度小，減小了對(duì)后續(xù)裝置的影響。

5 結(jié) 論

本文從分析多液位系統(tǒng)與多支路加熱爐系統(tǒng)的耦合性出發(fā)，建立了新的適應(yīng)多液位與多支路加熱爐的控制方案。在此基礎(chǔ)上，采用基于總?cè)萘康淖冎芷谝何豢刂品椒▽?shí)現(xiàn)多液位的穩(wěn)定與均衡。進(jìn)一步，結(jié)合基于能量平衡的加熱爐支路平衡控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)合多液位與加熱爐系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)控制。通過(guò)新方案的解耦改進(jìn)和變周期液位控制和加熱爐支路平衡控制的各自的穩(wěn)定性保證，能夠很容易保證整個(gè)復(fù)合控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；趧?dòng)態(tài)流程模擬的仿真實(shí)驗(yàn)表明，此策略消除了由于液位不均衡和支路溫度不平衡可能帶來(lái)的生產(chǎn)安全隱患，克服了液位控制之間、液位與加熱爐之間的耦合所導(dǎo)致的常規(guī)控制方案無(wú)法投用的難題，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合多液位與加熱爐系統(tǒng)整體平穩(wěn)運(yùn)行，驗(yàn)證了所提方案的分析結(jié)論和有效性。該控制思路也能推廣到類(lèi)似工業(yè)過(guò)程中的問(wèn)題。

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研究論文

Received date: 2015-12-14.

Foundation item: supported by the National Basic Research Program of China (2012CB720500) and the National Natural Science Foundation of China (21276137).

Coordinated control of multiple liquid levels and furnace composite system

QI Lugang, Lü Wenxiang, GAO Xiaoyong, LUAN Zhiye, HUANG Dexian
(Department of Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract：The composite system of multiple liquid levels and furnace is a kind of complex industrial process with strong coupling, large delay and nonlinear characteristics. For the control of multiple liquid levels and furnace pass temperature in such systems, on the level of decoupling and balance, a variable period prediction control approach based on the total capacity is proposed. So multi-level control and pass temperature balance control is decoupled on the control structure, and coupling analysis shows the feasibility of the method. Then the overall coordination control can be realized. Simulation results on HYSYS Flow sheeting demonstrate the effectiveness of this approach.

Key words：process control；equilibrium；optimal design；multiple liquid levels；coordinated control

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151893

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 028.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0438—1157（2016）03—0690—05

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB720500）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21276137）。

Corresponding author:Prof. HUANG Dexian, huangdx@tsinghua.edu.cn