CN106468879B - 一种液位-流量非线性区域控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液位‑流量非线性区域控制方法，属于石油化工装置控制技术领域。该方法在很大程度上减小了噪声及虚假液位的干扰，避免了由于液位频繁波动导致流量阀高频率动作，大大减小了上游干扰对下游工艺运行的影响。针对过程被控变量偏差的变化程度，实时地调整控制器的比例、积分参数，达到调整控制作用强度变化的目的，实现液位‑流量的智能非线性区域控制。该方法使控制器对液位施加较平稳的控制，随着液位偏差增大到预先设定的阈值，对其实施较强的调节，此方法大大减小了虚假液位的频繁干扰导致的流量频繁动作，减少对下游工艺流程的影响，当液位偏差大于设定的阈值时，使液位控制器的作用增强，可以快速使液位回到平稳阈值内。

Description

一种液位-流量非线性区域控制方法

技术领域

本发明涉及一种石化装置工艺中液位-流量串级控制回路的非线性区域控制方法，属于石油化工装置控制技术领域。

背景技术

在大型的石化装置中，随着装置的现代化、自动化、一体化水平逐步提升，石化装置设备间的关系越来越紧密，上、下游工艺有着连续生产的关系，上游设备的出料往往作为下游设备进料，比如精馏塔设备即为石化生产流程工艺中典型的生产设备，而复杂的生产流程存在几个甚至十几个精馏塔进行连续生产，这给装置的稳定运行增加很大的难度，一旦装置中某一设备出现了波动，其将影响整个装置的正常运行。

目前对于诸如前述的塔间存在连续性生产的塔件设备，主要采取的控制方案为传统的液位-流量串级控制或者串级均匀控制，对于串级控制方案，其设计目标一般是以主回路液位为主要控制对象，确保塔液位的稳定，而当液位波动时，需要通过出料量来保证其稳定，由于上游设备的出料为下游设备的进料，这样往往导致下游设备难以平稳运行，另外，精馏塔由于进料干扰，导致液位测量存在虚假现象，液位测量值波动较频繁，从而导致出口流量频繁动作，对下游工艺生产不利；而对于串级均匀控制，其结构设计与串级控制方案相同，其设计目标为允许液位在一定范围波动，从而使得出口流量对液位进行缓慢调整，此种控制方案适用于干扰不大，液位控制要求不高的情况。对于干扰大，液位控制要求高的工艺需求，串级均匀控制方案难以达到满意的效果。

发明内容

为了解决液位-流量串级控制问题，本发明提出一种非线性区域控制方法，该方法结合专家系统和非线性区域控制思想，针对化工生产流程工业中精馏塔间连续生产的工艺特点，对塔液位-流量实施一种智能非线性区域控制。该方法的基本设计思想为液位在小范围波动，使控制器对液位施加较平稳的控制，随着液位偏差增大到预先设定的阈值，对其实施较强的调节，此方法的优点在于大大减小了虚假液位的频繁干扰导致的流量频繁动作，减少对下游工艺流程的影响，当液位偏差大于设定的阈值时，使液位控制器的作用增强，可以快速使液位回到平稳阈值内。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种液位-流量非线性区域控制方法，其方法原理模块图见图1所示，下面介绍该方法的原理。

针对一般PID控制器的比例、积分、微分作用的输入输出运算如下式(1)所示：

式中，MV(t)为控制器计算输出；K_p为控制器比例参数；I为控制器积分参数；D为控制器微分参数；E(t)为过程被控变量测量值PV与设定值SV的差，及E(t)＝PV-SV，t为时间。

首先根据实际的工艺情况设定一个偏差绝对值的阈值TW，该阈值表示，当偏差绝对值在此范围内，控制器比例参数的调节强度缓慢增加，如下式(2)所示：

式中，E(t)为偏差；K_e为实际有效比例参数；TW(TW＞0)为设定阈值；α(0＜α＜1)为可变系数，其物理意义为当偏差E(t)达到阈值TW时，控制器的有效比例参数占设定的控制器比例参数比例。

当偏差绝对值超过设定的阈值TW，控制器参数的调节强度按预先设定的指数函数非线性增加，如下式(3)所示：

当实际有效比例参数K_e增加到β(β≥1)倍K_p时，即偏差绝对值增加到时，其中e为自然常数，ln(·)为自然对数函数，使控制器调节强度稳定在β倍K_p，如下式(4)所示：

K_e＝βK_p (4)

通过上述对控制器比例参数的有效值进行分析，随着偏差的增大，把控制器有效比例参数归纳为下式(5)：

其变化趋势曲线见图2所示。

另外，对于控制器的积分参数，也同样采取控制作用随着偏差增大而增强的方案，偏差在设定阈值TW范围内时，控制器积分参数变化在较弱的水平，如此能够大大减弱噪声及虚假液位的干扰；当偏差增加到大于设定阈值TW，小于的区域，使控制器积分参数由弱到强，变化速度两倍于阈值TW范围的参数变化，如此能够达到减缓偏差逐渐增大的趋势，避免偏差增加过大；当偏差增加到大于时，使控制器积分参数恒定在预先设定的较强水平，以确保过程变量被控制回平稳范围内。

上述控制器积分参数随着被控变量偏差在不同区域的变化而变化的关系归纳如下式(6)所示：

其中，皆为常数，I_e为有效控制器积分参数。控制器积分参数I_e变化趋势曲线见图3所示。

综合对液位-流量非线性区域控制方法的分析，与现有传统的PID控制器相比，本发明所提出的方法具有如下几个优点：

1、该方法在很大程度上减小了噪声及虚假液位的干扰，避免了由于液位频繁波动导致流量阀高频率动作，大大减小了上游干扰对下游工艺运行的影响；

2、该方法具有一定的智能性和自适应性功能。针对过程被控变量偏差的变化程度，实时地调整控制器的比例、积分参数，达到调整控制作用强度变化的目的，实现液位-流量的智能非线性区域控制。

附图说明

图1是非线性区域控制方法原理模块图；

图2是非线性区域控制方法的控制器比例参数变化图；

图3是非线性区域控制方法的控制器积分参数变化图；

图4是非线性区域控制方法的具体实例效果对比曲线图。

具体实施方式

针对本发明所提出的方法，下面结合一个实例予以说明。

某炼化厂一个精馏塔对象，塔底液位控制回路LIC120003和塔底出口流量控制回路FIC120003组成串级回路对塔底液位进行控制，塔底液位由于受塔进料及仪表自身测量影响，存在测量虚假现象，液位测量值波动较频繁，从而导致塔底出口流量频繁动作，不利于下游工艺的稳定生产。因此对其液位控制器LIC120003采用本发明所设计的非线性区域控制方法进行设计，其控制器参数设计为K_p＝2；I＝10；D＝0；TW＝1.0；α＝0.25；β＝2.0；

对上述精馏塔塔底液位实施本发明设计的非线性区域控制方法后，与实施之前常规控制对比效果如图4所示，图中LIC120003.PV为液位的测量值，FIC120003.PV为塔底输出流量，可以明显看出，实施非线性区域控制前，塔底输出流量波动较频繁，不仅影响阀设备寿命，且流量波动频繁更是影响了下游的稳定生产；对液位实施非线性区域控制后，塔底输出流量的波动情况得到明显改善，波动较大程度减缓，有效克服了虚假液位测量对工艺生产的影响。

Claims (1)

1.一种液位-流量非线性区域控制方法，其特征在于：PID控制器的比例、积分、微分作用的输入输出运算如下式(1)所示：

式中，MV(t)为控制器计算输出；K_p为控制器比例参数；I为控制器积分参数；D为控制器微分参数；E(t)为过程被控变量测量值PV与设定值SV的偏差，即E(t)＝PV-SV，t为时间；

首先根据实际的工艺情况设定一个偏差绝对值的阈值TW，该阈值表示，当偏差绝对值在此范围内，控制器比例参数的调节强度缓慢增加，如下式(2)所示：

式中，E(t)为偏差；K_e为实际有效比例参数；TW为设定阈值，其中TW＞0；α为可变系数，其物理意义为当偏差E(t)达到阈值TW时，控制器的有效比例参数占设定的控制器比例参数比例，其中0＜α＜1；

当偏差绝对值超过设定的阈值TW，控制器的实际有效比例参数的调节强度按预先设定的指数函数非线性增加，如下式(3)所示：

当实际有效比例参数K_e增加到β倍K_p时，β≥1，即偏差绝对值增加到时，其中e为自然常数，ln(·)为自然对数函数，使控制器调节强度稳定在β倍K_p，如下式(4)所示：

K_e＝βK_p (4)

通过上述对控制器比例参数的有效值进行分析，随着偏差的增大，把控制器有效比例参数归纳为下式(5)：

对于控制器的积分参数，也同样采取控制作用随着偏差增大而增强的方案，偏差在设定阈值TW范围内时，控制器积分参数变化在较弱的水平，如此能够大大减弱噪声及虚假液位的干扰；当偏差增加到大于设定阈值TW，且小于等于的区域，使控制器积分参数由弱到强，变化速度两倍于阈值TW范围的参数变化，如此能够达到减缓偏差逐渐增大的趋势，避免偏差增加过大；当偏差增加到大于时，使控制器积分参数恒定在预先设定的较强水平，以确保过程变量被控制回平稳范围内；

上述控制器积分参数随着被控变量偏差在不同区域的变化而变化的关系归纳如下式(6)所示：

其中，皆为常数，I_e为有效控制器积分参数。