CN102629133B - 一种在分散控制系统中实现迭代计算功能的组态方法 - Google Patents

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Abstract

一种在分散控制系统中实现迭代计算功能的组态方法，用于解决分散控制系统中的控制问题。其技术方案是：在DCS上通过组态软件对每一个参与迭代计算的非线性方程设计一个PID控制回路，将整个迭代计算过程转化成为一个多回路控制系统，调试PID控制器参数使系统稳定且无静态偏差，则控制系统的输出即为非线性方程的实数解。本发明实现了分散控制系统中的迭代计算，具有组态简单、控制效果好、收敛性好、参数整定方便、适用于任何DCS等优点，非常适合工程技术人员使用。

Description

一种在分散控制系统中实现迭代计算功能的组态方法
技术领域
本发明涉及一种在分散控制系统中通过组态方式实现迭代计算控制的方法，属控制技术领域。
背景技术
分散控制系统（简称DCS）具有工作高效、性能可靠的优点，在工业自动化中应用非常广泛，大型火力发电厂、化工厂、钢铁厂等工业企业大量使用DCS完成设备状态监测、过程自动控制、生产信息管理等方面的工作。
在上个世纪，受DCS内工业计算机计算能力的限制，DCS难以完成复杂的数学计算任务。为了保证数据处理的实时性，许多涉及复杂数学计算的场合采用简化公式、多点折线拟合、查表等方式减少计算量。但随着计算机技术的发展，DCS不断升级换代，其CPU运算能力、存储空间、通信性能有了实质性的提高，DCS数据处理能力已经不再是制约复杂计算的瓶颈。因此，一些相对复杂的设备性能计算、效率分析、软测量、智能控制等方法能够在DCS中实现，对提升工业过程测量、控制、运行、管理的水平，进而提高设备运行安全性、经济性和环保性发挥着越来越重要的作用。
中国专利文献CN101446807A是本发明最接近的现有技术。先进的测量、控制、分析方法往往要使用迭代计算功能。在数学上，迭代计算是计算机求解一元或多元非线性方程的基本方法，在工程中也有着非常广泛的应用。例如，在流量测量中，标准节流装置的流量、流出系数、差压之间存在着复杂的非线性关系，必须采用迭代计算才能保证在全量程范围内流量测量的准确性，但在工业中为了计算简便，往往将流出系数近似为一常数参与计算，这增加了测量的非线性误差。再如，在锅炉燃烧优化中计算理论燃烧温度，燃料燃烧产生热量、烟气比热、烟气温度之间存在着复杂的非线性关系，只能通过迭代计算进行求解。
DCS是以组态的方式实现各种逻辑功能的，DCS组态软件提供基本的信号输入输出、数学运算、时间信号处理、逻辑信号处理等功能模块，由组态设计人员将各个功能模块相互搭接实现需要的功能。同计算机编程语言不同，组态中的各种功能模块设计更加贴近于工业应用，这能够使组态设计人员将主要的精力放在其所需要实现的具体逻辑功能上，而不需要过多考虑计算机如何完成这些逻辑功能具体的运算过程，因此受到过程控制及工业自动化方面技术人员的青睐。但正因如此，DCS组态软件省略了计算机编程语言中经常使用的循环、判断跳转等逻辑功能，导致DCS组态难以实现一些通用的数学计算方法，如迭代计算等等，成为限制先进测量、控制、分析方法在DCS中应用的一道门槛。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种在分散控制系统中实现迭代计算功能的组态方法。
本发明所述问题通过下述技术方案实现：
一种在分散控制系统中实现迭代计算功能的组态方法，该方法在DCS上通过组态软件对每一个参与迭代计算的非线性方程设计一个比例、积分、微分（简称PID）控制回路，将整个迭代计算过程转化成为一个多回路控制系统，实现分散控制系统中的迭代计算，具体步骤如下：
a. 迭代公式整理：
假设原始多元非线性方程组包含m个独立方程：
Figure 55462DEST_PATH_IMAGE001
Figure 463310DEST_PATH_IMAGE002
……
Figure 754614DEST_PATH_IMAGE003
其中， x 1，x 2，…，x n为输入变量， y 1，y 2，…，y m 为输出变量。将每个原始方程的所有项都移到等式左侧，得到变形后的迭代方程组：
；
Figure 282864DEST_PATH_IMAGE005
；
…
Figure 545218DEST_PATH_IMAGE006
；
b. 多回路控制系统设计：
在DCS上通过组态软件设计多个与迭代方程相对应的控制回路，每个控制回路包括一个PID控制器、一个减法器、一个高低限幅器和一个一阶惯性环节，所述控制回路中PID控制器的设定值为零，反馈值取变形后的迭代方程左侧函数的计算值，设定值与反馈值在减法器中求偏差后输入PID控制器，PID控制器的输出信号送入高低限幅器的输入端，高低限幅器的输出信号经一阶惯性环节处理后得到对应迭代方程的输出变量；
c. PID控制器参数整定：
在DCS投入运行后，对多回路控制系统中所有PID控制器的比例、积分、微分增益进行在线整定，在输入变量稳定，且各个PID控制器前无静态偏差后，各个一阶惯性环节的输出值即为迭代计算结果。
上述在分散控制系统中实现迭代计算功能的组态方法，所述高低限幅器的低限值和高限值分别取对应输出变量合法变化范围的最小值和最大值。
上述在分散控制系统中实现迭代计算功能的组态方法，所述一阶惯性环节由积分环节单位负反馈构成。
本发明对每一个参与迭代计算的非线性方程设计一个PID控制回路，将整个迭代计算过程转化成为一个多回路控制系统，具有组态简单、控制效果好、收敛性好、参数整定方便、适用于任何DCS等优点，非常适合工程技术人员使用。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是多变量控制回路设计图；
图2是给水流量计算组态逻辑。
图中及文中各符号为：x 1，x 2，…，x n 、输入变量；y 1，y 2，…，y m 、输出变量；s、拉氏变换中的复变量；1/s 、积分运算；H//L、高低限幅器，H代表高限，L代表低限；q m、给水质量流量（Kg/s）；C、标准喷嘴的流出系数（无量纲）；β、标准喷嘴孔径比（无量纲）；ε、流体压缩系数（无量纲）；d t、工作温度下标准喷嘴内径（m）；ρ、给水密度（Kg/m3）；Δp、给水流经标准喷嘴产生的差压（Pa）；R ed、雷诺数（无量纲）；D t、工作温度下管道内径（m）；η、流体黏度（Pa·s）。
具体实施方式
发明技术方案
本发明提出一种在分散控制系统（DCS）中，利用组态方式实现迭代计算的方法。该方法对每一个参与迭代计算的非线性方程设计一个PID控制回路，将整个迭代计算过程转化成为一个多回路控制系统。
与纯数学意义上的多元非线性方程组不同，在工程应用场合，迭代方程组输入输出变量都具有实际物理意义。因此，输入变量均为实数并且只能在一定的合法的范围变化；输出变量存在实数解，并且在其合法变化范围内的实数解是唯一的。这是本发明的使用限制。
（1）迭代公式整理
原始多元非线性方程组包含n个输入变量分别为：x 1，x 2，…，x n；m个输出变量分别为：y 1，y 2，…，y m；m个独立方程。将所有参与迭代计算方程的所有项都移到等式左侧，如式（1）至式（3）所示。
Figure 538582DEST_PATH_IMAGE007
；                     （1）
；                 （2）
…                                         
Figure 561082DEST_PATH_IMAGE006
。                 （3）
（2）多回路控制系统设计
方程组包含m个方程和m个输出变量，则设计m个多回路控制系统。参考附图1。其中第j（j为1~m之间的整数）个控制系统设计方法如下：取方程右侧的零为控制系统设定值，取方程左侧函数的计算输出值为控制系统反馈值，设定值与反馈值求偏差后进入PID控制器。控制器的输出经过高低限幅环节后进入一个由积分环节单位负反馈构成的一阶惯性环节，一阶惯性环节的输出即为迭代方程的一个输出y j。y j的初始值可以通过设置一阶惯性环节的积分初值来实现，y j的合法取值范围通过设置高低限幅环节的高低限来实现。得到的y j再来参与反馈值计算，从而构成完整的多回路控制系统。
（3）PID控制器参数整定
在DCS投入运行后，对多回路控制系统中所有PID控制器的参数进行在线整定。为了保证各个控制回路无静态偏差，PID控制器的积分增益不能为零。虽然整个系统为多变量非线性系统，但因每一个回路的被控对象的动态环节都为简单的一阶惯性环节，所以PID控制器参数的整定非常容易。实际应用中，系统达到稳定后，各个PID控制器前的偏差均为零，各个一阶惯性环节的输出值即为迭代计算结果。
3.3 发明实施步骤
以标准喷嘴给水流量计算公式为例说明本发明实施步骤。给水流量计算包括3个迭代方程，分别为：
                   （4）
Figure 107787DEST_PATH_IMAGE009
       （5）
Figure 349412DEST_PATH_IMAGE010
                            （6）
方程组中各项符号分别为：q m给水质量流量（Kg/s）；C标准喷嘴的流出系数（无量纲）；β标准喷嘴孔径比（无量纲）；ε流体压缩系数，对于给水等不可压缩流体取1（无量纲）；d t工作温度下标准喷嘴内径（m）；ρ给水密度（Kg/m3）；Δp给水流经标准喷嘴产生的差压（Pa）；R ed雷诺数（无量纲）；D t工作温度下管道内径（m）；η流体黏度（Pa·s）。
（1）迭代公式整理
将式（4）至式（6）整理为：
Figure 93377DEST_PATH_IMAGE011
                    （7）
       （8）
Figure 665490DEST_PATH_IMAGE013
                         （9）
式（7）、（8）、（9）构成的迭代方程组中，输入变量为工作温度下标准喷嘴内径d t、工作温度下管道内径D t、孔径比β、给水密度ρ、给水流经标准喷嘴产生的差压Δp；输出变量为给水质量流量q m、流出系数C、雷诺数R ed；ε和η是常数，取设计值。
（2）多回路控制系统设计
在DCS上通过组态软件设计多回路控制系统，组态逻辑图见附图2。迭代计算包含3个方程和3个输出变量，因此设计3个控制回路。对于每一个控制回路，零为设定值，反馈值由式（7）、（8）、（9）的左侧公式计算，附图2中的f 1、f 2、f 3分别见式（10）、（11）、（12）。设定值与反馈值的偏差值送入PID控制器，PID输出经过一高低限幅环节后，进入一个由积分环节单位负反馈构成的一阶惯性环节，惯性环节的输出即为迭代方程组的一个输出变量。
Figure 394411DEST_PATH_IMAGE014
            （10）
Figure 942067DEST_PATH_IMAGE015
   （11）
Figure 33520DEST_PATH_IMAGE016
                     （12）
在标准喷嘴全量程范围内，给水质量流量q m、流出系数C、雷诺数R ed的高低限值由厂家设计手册给出，将其设置到高低限幅环节中；迭代初始值可以使用生产厂家给出的额定给水流量下的设计参数，将其设置到积分环节中。
（3）PID控制器参数整定
组态完成后，在DCS运行状态下在线整定PID控制器参数。在输入变量稳定，各个PID控制器前偏差均达到零后，系统可以投入使用。
本发明设计思路清晰，组态方便，不涉及复杂数学概念。针对具体工程问题设计迭代计算方案，往往需要较高的数学水平并且需要使用一定的数学技巧。本方法计算步骤简单，只需按部就班操作即可实现迭代计算功能，非常适合工程技术人员使用。
本发明中采用一阶惯性被控对象非常容易控制，PID控制器对此类型对象具有很好的适应性，能够保证非常复杂、非线性很强的迭代计算公式大范围内快速收敛。
本方法没有使用复杂计算模块，适合于所有DCS。

Claims (3)

1.一种在分散控制系统中实现迭代计算功能的组态方法，其特征是，该方法在DCS上通过组态软件对每一个参与迭代计算的非线性方程设计一个PID控制回路，将整个迭代计算过程转化成为一个多回路控制系统，实现分散控制系统中的迭代计算，具体步骤如下：
a. 迭代公式整理：
假设原始多元非线性方程组包含m个独立方程：
Figure 201210121737X100001DEST_PATH_IMAGE001
Figure 245419DEST_PATH_IMAGE002
……
Figure 201210121737X100001DEST_PATH_IMAGE003
其中， x 1，x 2，…，x n为输入变量，n为输入变量的个数； y 1，y 2，…，y m 为输出变量，m为输出变量的个数；将每个原始方程的所有项都移到等式左侧，得到变形后的迭代方程组：
Figure 224876DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 201210121737X100001DEST_PATH_IMAGE005
；
…
Figure 598089DEST_PATH_IMAGE006
；
b. 多回路控制系统设计：
在DCS上通过组态软件设计多个与迭代方程相对应的控制回路，每个控制回路包括一个PID控制器、一个减法器、一个高低限幅器和一个一阶惯性环节，所述控制回路中PID控制器的设定值为零，反馈值取变形后的迭代方程左侧函数的计算值，设定值与反馈值在减法器中求偏差后输入PID控制器，PID控制器的输出信号送入高低限幅器的输入端，高低限幅器的输出信号经一阶惯性环节处理后得到对应迭代方程的输出变量；
c. PID控制器参数整定：
在DCS投入运行后，对多回路控制系统中所有PID控制器的参数进行在线整定，在输入变量稳定，各个PID控制器前误差均达到零后，各个一阶惯性环节的输出值即为迭代计算结果。
2.根据权利要求1所述在分散控制系统中实现迭代计算功能的组态方法，其特征是，所述高低限幅器的低限值和高限值分别取对应输出变量合法变化范围的最小值和最大值。
3.根据权利要求1或2所述在分散控制系统中实现迭代计算功能的组态方法，其特征是，所述一阶惯性环节由积分环节单位负反馈构成，通过设置积分初值设置迭代计算初值。
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