CN101329585A - 一种液位与流量协调控制方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液位与流量协调控制方法及系统，由液位速率在线实时计算器，液位与上下偏差检测器，液位和液位速率控制器液位与流量协调控制器；液位速率在线实时计算器，根据生产过程中已有的液位测量值，给出液位速率实时变化信息，通过液位区域上下限检测器给出液位或其未来预估值是否超出允许变化区域上下限及超出上下限的数值信息，加上实测的液位信息，送给液位和液位速率控制器，计算给出当前时刻抽出流量调节阀V或抽出流量PI控制器给定值的调整量，实现液位与流量的协调控制，在保持液位变化不超出上下限的条件下，可使容器流出流量或流入流量变化平缓，从而使整个生产过程运行平稳。

Description

一种液位与流量协调控制方法及设备

技术领域

本发明涉及生产过程控制领域的连续工业生产装置中容器液位与流量协调控制一种方法及设备。

背景技术

在连续工业生产装置中，尤其在石油化工生产过程中，常常需要将各种容器中的液位控制在给定的区域内，以保证生产的正常运行。目前最常见的方法是通过比例积分(PI)控制器，调整由离心泵抽出容器的物料流量，在流入容器流量或其它干扰变化时，使液位维持在给定值上。但调整的抽出流量会有“超调”，即其波动幅度会超过流入流量干扰的波动幅度。在很多情况下，第一个容器的抽出流量又是下游生产单元的进料，抽出流量的大幅度波动，不利于下游生产过程的平稳运行。若下游生产单元中容器液位控制的抽出流量又是再下一个生产单元的进料流量，其液位控制使其抽出流量波动进一步增大，不利于整个生产过程的平稳运行。若生产过程中用调整容器流入流量的手段维持液位在给定值上，同样会使流入流量有较大幅度的波动，影响上游生产过程的平稳运行。这是很多连续生产过程中存在的问题。下面均以抽出流量作为液位的调整手段进行说明。

为解决以上问题，当前常见的方法之一是用PI控制器组成液位与流量串级控制，适当调整PI控制器的参数，使PI输出和相应的抽出流量变化平缓。另一种是液位的非线性控制，即液位在偏离给定值较小时，不调整流量或调整的放大倍数很小，或实施液位区域控制，当容器液位在给定的区域内不进行调整，使流量不变或变化较小。当容器液位偏离较大或超出给定区域上下限时，则加大调整的放大倍数，使液位不会有大的偏离。

现有方法不足之处在于对容器的液位控制以液位为唯一被控变量，只靠PI控制器参数的调整很难兼顾液位控制和流量平稳的要求。实施液位的非线性控制或区域控制，由于用泵抽出的容器中的液位在正常液位变化范围内无自衡能力，或称为具有积分特性，液位不能在上下限区域内平稳不变，经过一定时间，液位会超出区域上限或超出区域下限，迫使控制器对流量进行较大幅度的调整，以使液位不超限，却造成抽出流量的较大波动。

发明内容

本发明的目的是利用原有的容器液位控制手段，即调节自容器抽出的流量或流入容器的流量，使液位不超限，流量变化平缓，适应生产过程特点，满足生产过程要求。

达到这一目的所采用的方法如下：

(1)以液位变化速率为被控变量，给定值为零，使液位平稳不变；

(2)以液位为另一被控变量，实施液位的区域控制：为此，通过液位与其上下限偏差检测器，实时检测液位是否超出给定的上限Hsp和下限Lsp，并给出液位偏差E：

若液位L高于给定上限Hsp，则：E＝L-Hsp

若液位L低于给定下限Lsp，则：E＝L-Lsp

若液位L处于给定上下限间，即Hsp＞L＞Lsp，则：E＝0

按上述液位偏差，实施对液位的控制，使液位偏差不大。

为了更好的控制，可按液位的未来预估值计算偏差。

(3)对只有抽出流量(或流入流量)可作为调整手段的实际情况，实施液位速率与液位的协调控制。即按液位偏差的大小，对液位和液位速率加权，当液位处于给定上下限之间，偏差为零时，对液位加权系数为零，对液位速率加权系数达设定的最大值，实现液位零速率控制，使液位平稳。随着液位偏差绝对值的增大，对液位的加权系数增大，对液位速率的加权系统减小，实施二者的协调控制；当液位达到或超出允许的上限Hlm或下限Llm时，对液位速率的加权系数为零，对液位的加权达到设定的最大值，使液位不超上下限。实施以上控制策略的控制器称为液位速率与液位协调控制器。

(4)由实测的液位信号，在线实时计算液位变化速率，以提供液位速率控制所需信息，由于实测液位信号中夹杂有燥声，为得到液位速率的有效信息，通过滤波器对实测液位信号和液位速率计算结果进行滤波，构成液位速率在线实时计算器。

(5)给出本发明的液位流量协调控制系统：由上述液位速率在线实时计算器，液位与其上下限偏差检测器，液位速率和液位协调控制器构成的液位流量协调控制器；与已有生产过程中的容器、液位测量器、离心泵、调节阀或流量控制器，构成液位与流量协调控制系统；由液位测量器L给出液位信号，送到液位与其上下限偏差检测器和液位速率在线检测器，两者的计算结果再送至液位速率与液位协调控制器，其计算结果再送给调节阀或控制器，调整抽出或流入容器的流量，构成液位流量协调控制系统。

实施本发明后，在保持液位变化不超出上下限的条件下，可使容器流出流量或流入流量变化平缓，从而使整个生产过程运行较平稳。与惯用的PI液位控制相比，在经常出现的流入流量发生脉冲变化后，流出流量波动幅度可减小45-75％，在流入流量发生阶跃变化后，流出流量波动幅度可减小30-50％，出现波动的时间可减少30％。串连的容器(生产单元)液位越多，进入最后一级容器(生产单元)的流量波动幅度越小，效果越明显。

附图说明

图1液位流量协调控制系统。

T-容器、L-液位测量器、P-离心泵、V-调节阀、PI-流量控制器。

1-液位速率在线实时计算器、2-液位与其上下限偏差检测器、3-液位速率与液位协调控制器

图2在工业控制系统上用模块组态实现液位速率计算的一种流程。

图3通过数值计算实现液位速率在线实时计算的一种方法流程。

图4在工业控制计算机上用模块组态实现液位与流量协调控制。

图5用非线性加权预估协调控制器实现液位与流量协调控制。

图6应用例：T-1，T-2，T-3为三个串联的容器

L₁，L₂，L₃为三个容器液位测量变送器

F₀，F₁，F₂，F₃为流量测量变送器

P-1，P-2，P-3为三个离心泵

LFCC-1，LFCC-2，LFCC-3为三个液位流量协调控制器。

具体实施方式

本发明可通过各种现代工业控制系统，如DCS，PLC，或其它工业控制计算机系统及与之连网的计算机上实现，也可按本发明的方法设计专有设备实现。实现方式是多样的，既使在同样型号的控制系统上，同一功能也可有不同的实现方式，举例说明如下：

本发明的液位流量协调控制系统：由上述液位速率在线实时计算器1，液位与其上下限偏差检测器2，液位速率和液位协调控制器3构成的液位流量协调控制器，简称LFCC；与已有生产过程中的容器T、液位测量器L、离心泵P、调节阀V或流量控制器PI，构成液位与流量协调控制系统；由液位测量器L给出液位信号，送到液位与其上下限偏差检测器2和液位速率在线检测器1，两者的计算结果再送至液位速率与液位协调控制器3，其计算结果再送给调节阀V或PI控制器，调整抽出或流入容器的流量，构成液位流量协调控制系统。(图1)

1.液位速率在线实时计算

依据已有的实测液位测量信号进行计算。由于实测液位信号中有燥声，首先要对实测液位进行滤波处理，常见的有以下方式：

①一阶滤波，其传递函数为：

其数值计算方式为：

L₁(k)＝fL₁(k-1)+(1-f)L₀(k)

L₀(k)＝当前时刻实测液位信号值(％)

L₁(k)，L₁(k-1)＝当前和前一时刻滤波后的液位值(％)

f＝滤波系数0＜f＜1

②滑动平均滤波：

$L_1\left(k\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(k-i+1)$ N＝滑动平均步数

L₁(k)＝当前时刻滤波后的液位值(％)

③加权滑动平均滤波：

$L_1\left(k\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(N-i+1)L_0(k-i+1)}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(N-i+1)}$ N＝滑动平均步数

L₁(k)＝当前时刻滤波后的液位值(％)

L₀(k-i+1)＝当前时刻前第(i-1)时刻的实测液位值(％)

④限速滤波

if：L₀(k)-L₀(k-1)＞L_V0   then：L₁(k)＝L_V0

if：L₀(k)-L₀(k-1)＜-L_V0  then：L₁(k)＝-L_V0

else：L₁(k)＝L₀(k)

其中：L_V0＞0是设定的速率限

⑤可变限速滤波

初始化：L_V＝L_V0

if：L₀(k)-L₀(k-1)＞L_V0   then：L₁(k)＝L_V0，L_V＝L_V+α

if：L₀(k)-L₀(k-1)＜-L_V0  then：L₁(k)＝-L_V0，L_V＝L_V+α

else：L₁(k)＝L₀(k) L_V＝L_V-β if：L_V≤L_V0，L_V＝L_V0

其中：L_V0＞0是设定的初始速率限L_V是自动改变的速率限β≥α≥0

具体应用时，应根据液位信号中的燥声程度选用合适的滤波方法，一般地，燥声程度低，可选用较简单的方法，如一阶滤波。

各种滤波方法可用已有功能模块实现，或用数值计算方法实现。

由滤波后得到的液位信号L₁(k)实时计算液位速率，这里给出两个典型方法：

①利用现代工业控制系统中的功能模块计算(图2)

2-1：超前-滞后(Lead-Lag)模块，其传递函数为：

2-2：一阶惯性(Lag)模块，其传递函数为：

2-3：加减运算器模块：1-1输出减去1-2输出：

$\frac{T_{1}S+1}{T_{2}S+1}-\frac{1}{T_{2}S+1}=\frac{T_{1}S}{T_{2}S+1}$ T₁＞＞T₂

形成对输入液位信号的微分，给出液位变化速率信息。

②用数值计算方法计算液位变化速率(图3)

当前时刻液位变化速率V(k)

$V\left(k\right)=\frac{L_1\left(k\right)-L_1(k-1)}{T_S}(\%/h)$

T_S＝两次读取实测液位信号的时间间隔(h)

对上述计算结果再进行滤波，可用一阶滤波。

可将以上液位速率计算结果乘以小于1的衰减系数，以减小流量波动。

计算所得液位速率可再经过滤波，送给液位速率与液为协调控制器。

2.液位与给定上下限偏差检测：给出液位是否超出上下限及其偏差大小的信息，一般工业控制机中均有此功能模块，也可用数值计算方法实现。

3.液位速率与液位协调控制器，有以下两种实现方法：

①在现代工业控制系统上用功能模块构成，图4给出一个实例：

4-1：液位控制器：采用比例积分控制器(PI)模块。

4-2：液位速率控制器：采用积分控制器(I)或比例积分控制器(PI)模块。

4-3：液位与其上下限偏差检测，由选择器模块实现：液位超上限或超下限时，将液位PI控制器输出送调节阀，将送给调节阀的信息反馈到液位速率控制器4-2，使液位速率控制器不起作用。当液位处于上下限内的区域时，将液位速率控制器输出送调节阀，并将送给调节阀位的信号反馈到液位PI控制器，使其不起控制作用。

②利用我国发明专利99105546.2构成的非线性加权或操作变量中值输出的预估协调控制器VSUPCC，按本发明的要求，在工业控制计算机或与其连网的上位机上实现本发明，其特点是用模型对未来液位和液位速率的变化进行预估计算，根据预估值进行液位速率与液位的协调控制。

如图5。其中：

5-1液位变化速率计算器：先作加权滑动平均滤波或可变限幅滤波，再进行液位速率的数值计算，再经一阶滤波后作为液位速率信号送给液位速率和液位协调控制器VSUPCC。由于采用模型预估值，在实际液位尚未超限时可预先进行控制，得到更好的控制效果。

5-2液位与上下限预估偏差检测器；

5-3液位和液位速率预估协调控制器：

L-PI：生产过程中已具有的液位PI控制器。

F-PI：生产过程中已具有的抽出流量PI控制器。

容器：生产单元中具有液位控制要求的塔器。

预估计算所用的动态数学模型如下：

以抽出流量G_out(吨/小时)作为调节手段：

$\frac{{\mathrm{dG}}_{\mathrm{out}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-a_g{G}_{\mathrm{out}}\left(t\right)+b_{g}U\left(t\right)$

a_g＞0，取决于响应快慢，参考值：2-6(min^-1)

具有流量PI控制时：U(t)为流量PI给定值，b_g＝a_g

无流量PI控制时，U(t)是调节阀的开度，b_g取决于调节阀特性

t为时间，以分钟(min)为单位

液位L(％)：

$\frac{\mathrm{dL}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{60}\frac{100}{\mathrm{\ρAR}}[G_{\mathrm{in}}\left(t\right)-G_{\mathrm{out}}\left(t\right)]$

G_in＝流入容器的流量(吨/小时)R＝液位计量程(m)

A＝容器截面积(m²)ρ＝流体密度(吨/m³)

液位速率V：

以(吨/小时)为单位：V(t)＝G_in(t)-G_out(t)

以(％/min)为单位： $V\left(t\right)=\frac{1}{60}\frac{100}{\mathrm{\ρAR}}[G_{\mathrm{in}}\left(t\right)-G_{\mathrm{out}}\left(t\right)]$

按以上模型实时计算液位速率与液位的未来预估值，并进一步计算给出流量调节阀或PI控制器的调整作用。

应用例(图6)

对于三个串联容器T-1(原料罐)，T-2(分馏塔)，T-3(分馏塔)的液位控制，抽出流量为每个液位控制用的调整变量，同时又是下一个容器的进料流量，更需要液位流量协调控制。每个容器的液位均采用本发明给出的由模型预估液位和液位速率的协调控制LFCC，共需三个LFCC，由一个VSUPCC控制器实现。进料流量F₀是主要干扰，当其发生变化时，采用本发明LFCC和惯用的液位PI控制的对比如下：

Claims (4)

1.一种液位与流量协调控制方法，其特征在于：

(1)以液位变化速率为被控变量，给定值为零，使液位平稳不变；

(2)以液位为另一被控变量，实施液位的区域控制：为此，通过液位与其上下限偏差检测器，实时检测液位是否超出给定的上限Hsp和下限Lsp，并给出液位偏差E：

若液位L高于给定上限Hsp，则：E＝L-Hsp

若液位L低于给定下限Lsp，则：E＝L-Lsp

若液位L处于给定上下限间，即Hsp＞L＞Lsp，则：E＝0

按上述液位偏差，实施对液位的控制，使液位偏差不大。

为了更好的控制，可按液位的未来预估值计算偏差。

(3)对只有抽出流量(或流入流量)可作为调整手段的实际情况，实施液位速率与液位的协调控制。即按液位偏差的大小，对液位和液位速率加权，当液位偏差为零时，对液位加权系数为零，对液位速率加权系数达设定的最大值，实现液位零速率控制，使液位平稳。随着液位偏差绝对值的增大，对液位的加权系数增大，对液位速率的加权系统减小，实施二者的协调控制；当液位达到或超出允许的上限Hlm或下限Llm时，对液位速率的加权系数为零，对液位的加权达到设定的最大值，使液位不超上下限。实施以上控制策略的控制器称为液位速率与液位协调控制器。

(4)由实测的液位信号，在线实时计算液位变化速率，以提供液位速率控制所需信息，由于实测液位信号中夹杂有燥声，为得到液位速率的有效信息，通过滤波器对实测液位信号和液位速率计算结果进行滤波，构成液位速率在线实时计算器。

2.根据权利要求1所述的一种液位与流量协调控制方法实现所用的设备，其特征在于：它是用于实现权利要求1所述的液位流量协调控制方法，由液位速率在线实时计算器，液位与其上下限偏差检测器，液位速率和液位协调控制器构成的液位流量协调控制器；与已有生产容器、液位测量器、离心泵、调节阀、流量控制器，构成液位与流量协调控制系统；由液位测量器给出液位信号到液位与其上下限偏差检测器和液位速率在线检测器，两者的计算结果再送至液位速率与液位协调控制器，其计算结果再送给调节阀或流量控制器，由离心泵控制容器液位速率和液位。

3.根据权利要求1所述的一种液位与流量协调控制方法实现所用的设备，其特征在于：采用比例积分控制器模块实现液位控制，采用积分控制器或比例积分控制器模块实现液位速率控制，采用选择器模块，实现液位与上下限偏差检测，采用滞后(一阶惯性)、超前-滞后、加减、滤波等模块实现液位速率在线实时计算。

4.根据权利要求1所述的一种液位与流量协调控制方法实现所用的设备，其特征在于：根据液位、液位速率与流量的动态数学模型，对液位和液位速率进行预估，给出液位和液位速率未来时刻预估偏差，据以实施液位流量协调控制，所用模型如下：

以抽出流量G_out(吨/小时)作为调节手段：

$\frac{d{G}_{\mathrm{out}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-a_g{G}_{\mathrm{out}}\left(t\right)+b_{g}U\left(t\right){,a}_g>0,$ 取决于响应快慢，参考值：2-6(min^-1)

具有流量PI控制时：U(t)为流量PI给定值，b_g＝a_g

无流量PI控制时，U(t)是调节阀的开度，b_g取决于调节阀特性

t为时间，以分钟(min)为单位

液位L(％)：

$\frac{\mathrm{dL}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{60}\frac{100}{\mathrm{\ρAR}}[G_{\mathrm{in}}\left(t\right)-G_{\mathrm{out}}\left(t\right)]$

G_in＝流入容器的流量(吨/小时)

R＝液位计量程(m)A＝容器截面积(m²)ρ＝流体密度(吨/m³)

液位速率V：

以(吨/小时)为单位：V(t)＝G_in(t)-G_out(t)

以(％/min)为单位： $V\left(t\right)=\frac{1}{60}\frac{100}{\mathrm{\ρAR}}[G_{\mathrm{in}}\left(t\right)-G_{\mathrm{out}}\left(t\right)].$