多液位與加熱爐復合系統的協調控制

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

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多液位與加熱爐復合系統的協調控制

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

摘要：多液位與加熱爐復合系統是一類具有液位和加熱爐支路間的強耦合性及大滯后與非線性等特性的復雜工業過程。針對這類系統的多液位控制與加熱爐支路溫度平衡控制問題，根據解耦與平衡的思想，提出了一種基于總容量平衡的變周期液位控制的協調控制方法，從結構上實現了多液位控制與支路溫度平衡控制的分離，耦合性分析也說明了方法的可行性，最終實現了復合系統的整體協調控制。基于HYSYS流程模擬的仿真實驗表明了所提出控制方法的有效性。

關鍵詞：過程控制；平衡；優化設計；多液位；協調控制

2015-12-14收到初稿，2015-12-28收到修改稿。

聯系人：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加熱爐加熱以滿足下游工藝過程對進料熱焓的要求，像這樣的聯合控制問題廣泛存在于工業生產中，占有重要地位。容器的液位和加熱爐進料量的操作平穩與否對加熱爐出口的控制品質及加熱爐的運行安全有著重要的影響。液位系統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支路以保證各支路出口熱焓的一致性，都給這種類型的控制帶來了挑戰[1]。通常采用的均勻控制方案[2]，沒有充分利用對象特性，控制效果差，甚至不能投用。近年來，出現了一些結合模糊控制、內模控制、預測控制或者神經網絡的先進控制方案，取得了一定的控制效果[3-6]。文獻[7]基于模型預測最優均勻液位控制思想，有效處理了臥式罐的均勻液位控制問題。文獻[8]針對在線優化的較大計算量問題，通過模型預測控制算法導出了均勻液位的切換PI控制律，簡化了在線測控制的在線優化，提出了一種基于模糊規則的液位優化并增強了對隨機擾動的適應性。文獻[9]避免預測控制的在線優化，提出了一種基于模糊規則的液位控制系統，取得較好的控制效果。文獻[10]針對單液位對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整，具有更強的魯棒性。對于耦合的雙液位系統，則結合最優PID控制、模糊控制、滑模控制等方法[11-14]。對于加熱爐，為了安全生產，避免個別支路溫度過高，需要進行支路平衡控制[15-18]。文獻[19]給出了一種基于穩態能量平衡的支路平衡控制方法，通過分配支路流量來達到各支路出口溫度一致的目的，并實現在各支路出口溫度一致情況下總量的提降量。文獻[20]將塔底液位控制引入精餾過程的集成控制中，控制塔產品質量的同時兼顧液位控制，得到了良好的控制效果。但對于加熱爐上游有多個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且強耦合的生產過程達到滿意的控制效果，存在較高的安全隱患。

本文針對這個問題，通過提出基于容量平衡的多液位多支路協調控制方法，以解決該生產過程的自動控制與平穩操作問題。

1 問題描述

以某企業瀝青相加熱爐系統為例，原料緩沖罐分兩路進入兩個抽提塔，抽提塔分別出來的瀝青相溶液匯合后，進入加熱爐加熱。抽提塔要求其液位在適當范圍內，以保證好的分離效果和安全操作；加熱爐要求進料量變化平緩，減少對出口溫度控制的擾動。同時，加熱爐分為多個支路，由于爐膛溫度分布不均勻，或管內外結焦灰垢等造成傳熱特性差異等原因導致支路間出口溫度差異，這易導致爐管結焦和爐管燒穿等能耗浪費與生產安全問題。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。在兩個抽提塔液位控制回路中，設被控變量為L1、L2，操作變量閥位為LV1、LV2；在加熱爐支路流量控制回路中，設被控變量為F1、F2，操作變量閥位為FV1、FV2。

開環情況下，若為了降低L1，增大LV1，則引起L2升高，F1、F2增大。若為了降低F1，減小FV1，則引起F2增大，L1、L2升高。

閉環情況下，兩液位控制的調節變量即流量之和與加熱爐支路總流量必須一致。F1、F2設定值必須跟隨L1、L2的調節，可見，這4個控制器耦合非常嚴重。

2 系統分析

利用基于HYSYS流程模擬軟件建立的實際對象的仿真來表現系統的耦合問題。

圖1給出了L1液位控制器給定值階躍的運行情況。可以看出，液位調整時間長，流量波動大，會干擾下游加熱爐和分餾塔的平穩運行。

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

進一步通過建立控制對象的模型，通過理論分析系統的耦合關系。

通過對仿真對象的測試取得該系統4個控制回路的關聯模型，得到以開環放大系數pij=(?yi/?uj)u為元素的開環增益矩陣P

進而得到相對增益矩陣

可以看出，對應的相對增益陣列不具備主對角優勢，可見原控制回路耦合嚴重，無法滿足控制要求。

綜上所述，需要控制系統解除存在的強耦合問題，同時滿足下列控制要求：①L1、L2和F1、F2都要滿足生產控制要求，保證生產順利；②L1、L2之差滿足要求，滿足抽提塔正常生產；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 復合系統控制策略

本節根據多液位系統總量物料平衡關系和動態預測思想，融合多支路能量平衡控制方法[19]，提出一種串聯實現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施基于總量的物料關系平衡調節，維持總液位穩定，兼顧流量平緩變化；多液位平衡控制部分分配各個液位的輸出閥位。

圖2 控制結構Fig.2 Control structure

3.1 基于總量的多液位控制

首先，根據多液位系統總容量-總流量的物料平衡關系，重新選擇控制變量，設計解耦方案。對于兩個液位對象物理結構一致的情況，新控制方案的變量為

新控制方案的主要思路是通過總流出量Fs調節平均液位l，閥位變化ν的分配來協調各個液位差z。

然后，針對多液位系統的總量控制方案，引入一種基于動態預測思想的變周期液位控制方法。這種方法采用動態前饋與穩態反饋的方法，魯棒性強，且對模型精度要求很低。控制器每周期循環監測，在預測出液位超限情況時，實施總量控制與液位均衡控制，然后進入較長穩定周期。穩態反饋，不像常規PID控制依賴動態誤差信息的反饋進行連續調節，從而避免了反饋控制在非線性嚴重時的不穩定問題和頻繁調整，具有更強實用性[21]。

平均液位的變周期液位控制問題數學描述如下

式中，ts是采樣時間，T1是預測時域，T2是控制所需步長，ε為權重系數，f是總容量Φ與平均液位l的函數關系，ν為其余進出流量。

結合多液位平衡方法，變周期非線性多液位控制及平衡改進算法如圖3所示。圖中控制增量的計算如下

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

圖4 多液位與加熱爐復合系統仿真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L1＞L2

3.2 耦合性分析

通過對仿真對象的測試得到式(2)所示的控制方案下的開環增益陣列Pnew

可見，語法隱喻的一致式和隱喻式的語義并非所謂的“同樣的所指”。它們源自同一情景或經驗內容，最多可以說是語義相似；由于反映的是不同的識解和編碼方式，因此具體語義存在差異。

相對增益矩陣為

可看出，變量之間的耦合性已基本可以忽略。

4 仿真實驗結果

如圖4所示，基于UniSim Design流程模擬軟件建立了實際對象的仿真。

對象關聯特性已由上述開環增益矩陣P給出，對其施加多液位系統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，液位控制區間為[40,60]，液位差控制區間為[?5,5]；支路平衡控制的監控周期為1 min，等待周期為10 min。

在進料流量干擾下，控制系統的運行情況如圖5所示。

圖5 抽提塔進料流量階躍擾動控制過程Fig.5 Control process of tower feed flow step disturbance

當在35 min液位預測值超出所設上限60%時，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總流量的提高將兩個支路流量同時增大。在40 min時，液位控制再次增大了總流量，且此時液位差超過所設上限5%時，液位控制使得液控閥位差增大，實質上分別增大了LV1和減小了LV2。經過兩次調整，液位L1開始平穩下降，保證了不超出所設控制區間。之后通過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，對液位也沒有造成擾動。同時，在將液位保持在控制區間內的同時，流量變化次數少且幅度小，減小了對后續裝置的影響。

5 結 論

本文從分析多液位系統與多支路加熱爐系統的耦合性出發，建立了新的適應多液位與多支路加熱爐的控制方案。在此基礎上，采用基于總容量的變周期液位控制方法實現多液位的穩定與均衡。進一步，結合基于能量平衡的加熱爐支路平衡控制，實現復合多液位與加熱爐系統的整體協調控制。通過新方案的解耦改進和變周期液位控制和加熱爐支路平衡控制的各自的穩定性保證，能夠很容易保證整個復合控制系統的穩定性。基于動態流程模擬的仿真實驗表明，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的生產安全隱患，克服了液位控制之間、液位與加熱爐之間的耦合所導致的常規控制方案無法投用的難題，實現了復合多液位與加熱爐系統整體平穩運行，驗證了所提方案的分析結論和有效性。該控制思路也能推廣到類似工業過程中的問題。

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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

中圖分類號：TQ 028.8

文獻標志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）03—0690—05

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃項目（2012CB720500）；國家自然科學基金項目（21276137）。

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