一類反轉異常工況的選擇性控制策略與分析

趙曉鷹 羅雄麟

(中國石油大學自動化研究所，北京 102249)

反轉異常工況表示某些石油化工設備在運行過程中，隨著操縱變量的增大，被控變量呈現出與正常工況相反的變化趨勢，穩態增益符號變化，從正作用變為反作用。此時需要進行相應的處置操作[1]，否則設備在異常工況運行時會造成很嚴重的安全威脅和經濟損失[2～4]。

精餾塔是石油化工過程中可能出現反轉異常現象的設備之一。精餾塔在正常工況運行時，操縱變量為塔頂回流量，被控變量為塔頂溫度，塔頂溫度隨著回流量的增大而下降[5]。但是當回流量增大到一定程度再繼續增大時，由于液相負荷大到一定程度后會出現漏液和塔板效率下降的現象，導致塔頂溫度出現反轉異常，呈現相反的變化趨勢，塔頂溫度不降反升，不能達到要求的溫度設定值，產品質量不合格。鑒于此，劉保柱提出了一種尋找精餾塔最佳回流量降低能耗的方法[6],Sealey C J提出了一種精餾塔最優回流比設計方法[7]，但是這些文獻并沒提到一旦設備進入反轉狀態該如何進行控制。

另外一種經常在石油化工中用到并且會出現反轉異常現象的設備為換熱器。吳剛建立了換熱器正常和異常工況下的動態機理模型[8]，操縱變量為殼程流體入口流量(熱流進)，被控變量為管程流體出口溫度(冷流出)，正常工況時，被控變量隨著操縱變量的增大而增大[9]，當操縱變量大到一定程度時，會引起殼程流體向管程流體漏流，并且殼程流體入口流量越大漏流量越大，導致操縱變量再繼續增大，被控變量不再繼續增大而是反轉變小。換熱器漏流出現反轉現象后，單一PID控制過程中若給定值超過被控變量頂點，則導致操縱變量會越來越大，并且被控變量無法達到給定值，偏差越來越遠，致使能耗變大。單一PID不再滿足控制要求，有必要對這類反轉異常工況設計選擇性控制策略。

針對精餾塔及換熱器等化工過程的異常工況，Brydon D A等提出了一種應用神經網絡在線診斷精餾塔故障并實現優化控制的方法[10],Tudón-Martíneza J C等提出了在換熱器內部結構未知情況下應用歷史數據在線診斷換熱器故障的控制方法[11]。這些方法在該類易出現反轉異常故障的設備控制中失效，不能實現操縱變量和被控變量的控制要求，為此筆者針對該類反轉異常工況的控制過程，提出選擇性控制策略，將操縱變量和被控變量控制在允許范圍內，從而彌補以上方法的不足。

1 反轉異常工況的特性分析①

1.1 反轉的含義

設備在正常運行時，被控變量隨著操縱變量變大而呈現一種固定的變化趨勢(增大或者減小)，但是當操縱變量不斷增大超過某個范圍后，被控變量不再呈現正常工況時的變化趨勢而是呈現出相反的趨勢，類似這樣的異常工況定義為反轉異常工況，理想反轉現象和實際過程中的反轉異常工況現象如圖1所示。

圖1 反轉異常工況示意圖

由圖1可知對象在反轉過程中分為兩段：正常工況和反轉異常工況。對于理想的反轉現象，其中有反轉點F，F對應的操縱變量為uc，即當操縱變量小于uc時，被控對象處在正常工況階段工作；當操縱變量大于uc時，被控對象變化趨勢與正常工況相反，開始出現反轉現象，進入反轉異常工況；當操縱變量等于uc時，被控變量達到頂點H位置，并且整個控制過程中被控變量不可能超過H；對于實際的反轉現象，正常工況操縱變量接近uL，穩態增益平穩變化，異常工況下當操縱變量超過uH時穩態增益變化變大。因此實際反轉控制過程中應考慮uL和uH的存在。

1.2 反轉異常時穩態增益的變化

設備在正常運行時，被控對象穩態增益沿固定方向變化，但是當操縱變量超過uc時，設備進入反轉異常工況，被控對象穩態增益開始變為反方向，圖1中在正常工況時穩態增益為正，反轉異常工況時穩態增益由正變為負，此時進入反轉異常工況。

當穩態增益變為反方向時，若控制過程中給定值超過被控變量的頂點值H，導致操縱變量會越來越大，這樣被控變量會沿反方向變化，偏離給定值越來越遠。因此在控制過程中，給定值要在頂點附近，操縱變量應控制在uc以內，一旦超過uc應變換控制策略，通過控制器間的不斷切換將被控變量和操縱變量控制在指定范圍內。

2 選擇性控制策略

在某些石油化工過程中，對可能出現反轉異常工況現象的設備進行控制時，若采用單一PID控制，會導致操縱變量超過反轉點，使得被控變量與設定值偏差越來越大，被控變量出現反轉現象，控制系統將進入異常工況，使設備無法正常運行，造成一定危害。因此對于類似精餾塔及換熱器等常用的石油化工設備控制系統，應采用選擇性控制策略。

選擇性控制系統就是在整個控制系統中含有選擇單元的系統，是將邏輯控制與常規控制相結合，以增強系統的控制能力[12]，選擇控制系統可以根據邏輯得出結果，決定該控制系統的控制策略和方向，使系統從正常控制器切換到異常控制器，從而轉入安全通道，脫離異常工況帶來的危險[13,14]，彌補單一PID控制的不足。選擇控制系統最常用的類型就是在兩個控制器之間加一個選擇器，兩個控制器分別為正常工況時工作的正常控制器和異常工況出現反轉現象工作的異常控制器。一般選擇性控制系統的方框圖如圖2所示。

圖2 選擇性控制系統方框圖

對于該類理想的會發生反轉異常現象的被控對象，選擇性控制策略應確定：當操縱變量小于uc時，用C+控制器；當操縱變量超過uc時，切換到C-控制器；整個控制過程中，操縱變量作為檢測信號反饋到選擇器，選擇器根據操縱變量的大小選擇相應的控制器。選擇器的選擇規律為：

此時，工作在正常工況的正常控制器如果為正作用，則工作在異常反轉工況的異常控制器應該為負作用；如果正常控制器為負作用則異常控制器為正作用，總之，由于穩態增益的變化符號，正常控制器作用與異常控制器作用應該相反。由于類似圖1中正常工況的穩態增益為一定值，異常工況穩態增益為一相反負值的理想反轉現象在現實生活中并不存在，用的比較多的是實際反轉對象。

對于換熱器這類易出現反轉現象的生產裝置，當操縱變量小于uL時，未發生漏流現象，被控變量隨著操縱變量的增大而增大，此時應用C+控制器；當操縱變量超過uH時，被控變量開始按與原來相反的趨勢變化，開始出現反轉，穩態增益變號，控制器選為C-控制器；當操縱變量介于uL和uH之間時，穩態增益平穩變化，控制器應保持上一步輸出，用C0控制器；該類實際的反轉對象，正常工況和異常工況的穩態增益都是變化的，并且變化趨勢正好相反，存在著某個范圍內的增益突變，所以對于該類實際反轉對象的選擇性控制策略應確定為：

對于該類存在實際反轉現象的被控對象的控制過程中，正常控制器的正/反作用也應該和理想反轉現象一樣與異常控制的正/反作用相反，只有這樣才能將被控變量和操縱變量均控制在正常工況允許的范圍內，使裝置可以正常運行，避免危險產生。

被控變量頂點位置和操縱變量反轉點可以根據所建立對象的動態機理模型求取，判斷反轉點位置屬于故障診斷范疇，筆者采用的是根據被控對象穩態數據，確定操縱變量反轉點F和被控變量頂點H，通過仿真可知在選擇性控制策略下，該類反轉異常工況能取得滿意的控制效果。

3 換熱器反轉異常工況下選擇性控制舉例

3.1 換熱器動態機理數學模型的建立

換熱器有效長度為L。假設當殼程流體入口流量過大時會發生殼程向管程漏流的現象，漏流位置l且l

3.2 換熱器反轉異常現象分析

在上述換熱器模型中，操縱變量為殼程流體入口流量m1,被控變量為管程流體出口溫度T2，通過給定不同的殼程流體入口流量的值得出殼程流體出口溫度T1和管程流體出口溫度T2的響應圖(圖3)。不同殼程流量下漏流量的模擬曲線如圖4所示。

圖3 殼程流體入口流量與管程流體出口溫度響應曲線

圖4 不同殼程入口流量下漏流量的模擬曲線

由于控制系統中的被控變量為管程流體出口溫度T2，由圖3可知，當m1在303kg/s范圍內，管程流體出口溫度隨著殼程流體入口流量的增大而增大，換熱器工作在正常工況下；當m1繼續增大超過303kg/s時，換熱器已經發生殼程向管程漏流現象，并且由圖4可知隨著殼程流體入口流量的繼續增大，漏流量越來越大，導致管程流體出口溫度T2不再繼續增大反而開始減小，被控變量開始出現了反轉異常現象，換熱器進入異常工況。該模擬曲線與實際結果比較接近，可以表征實際漏流現象。

3.3 模型選擇性控制仿真

由于換熱器殼程流體入口流量超過303kg/s時，殼程流體已經向管程漏流，此時管程流體出口溫度不再上升反而出現下降趨勢，當殼程流體入口流量超過305kg/s時穩態增益會發生突變，所以控制策略應該擇為：

搭建選擇性控制結構仿真平臺。被控變量管程流體出口溫度T2、操縱變量殼程流體入口流量m1和不同控制規律的切換如圖5所示。

a. 溫度響應

b. 流量響應

c. 選擇性控制策略時不同控制規律切換

3.4 換熱器選擇控制性策略下的效果分析

由圖5可知，在采用單一PID控制時，管程出口溫度與設定值偏差會越來越大導致操縱變量m1也越來越大，當m1超過反轉點再繼續增大時溫度不再上升反而下降，使得被控變量偏離設定值越來越遠，偏差越來越大，導致溫度和流量均不能控制在要求范圍內，控制品質較差，不能由異常工況控制到正常工況。

采用選擇性控制策略，操縱變量超過反轉點切換到流量控制器，小于反轉點切換到正常溫度控制器，由于不停地切換控制器，選擇性控制策略下的流量響應曲線振蕩較頻繁，不能很快將流量控制住，但是通過這樣不停地切換最終可以將殼程流體入口流量控制在反轉點范圍內，使換熱器在正常工況下運行，溫度可以穩定在設定值不變，控制效果較單一PID控制有了較大改善，能達到滿意的控制結果。

由圖5c可知，經過控制器不停地切換，最終控制器可以穩定在正常工況的溫度控制器，使換熱器最終保持在正常工況下運行，因此，選擇控制性策略是合理的方案。

4 結論

4.1某些常用的石油化工設備，如精餾塔及換熱器等確實存在著反轉異常現象，操縱變量超過反轉點時，被控變量不再按原來的變化趨勢變化，而是呈現出相反的變化趨勢。

4.2對于該類存在反轉異常現象的設備，采用單一PID控制規律不能滿足控制要求，一旦設備進入異常工況，被控變量和操縱變量均無法控制到正常工況允許范圍內，易發生危險。

4.3采用選擇性控制策略可以解決單一PID控制存在的問題，當操縱變量超過反轉點時可以切換到取代控制器，這樣反復切換可以將操縱變量控制在反轉點以內，不發生反轉異常現象，被控變量也可以控制在設置值附近，有很好的控制效果，因此，對于這類會出現反轉異常現象的設備應采用選擇性控制策略。