CN108279568B - 用于变浓度槽的界位控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于变浓度槽的界位控制方法，属于过程控制领域，用于对混合液的界面进行控制，包括基于浓度值，结合分段拟合函数，确定密度值；基于差压式界位计工作原理得到界位修正值；根据界位修正值与预设的界位目标值得到控制偏差、偏差变化率，基于控制偏差和偏差变化率的取值进行PID过程控制，得到用于对界位进行控制的界位调节阀的控制量的取值。通过在界位控制过程中引入了基于分段函数对溶液密度值进行拟合的步骤，使得控制结果更为符合界位惯性大、呈非线性的特性，同时基于界面修正值得到最终PID过程控制的控制量，相对于现有技术中使用离散PID控制的方式，显著提高了界位控制精度。

Description

用于变浓度槽的界位控制方法

技术领域

本发明属于过程控制领域，特别涉及用于变浓度槽的界位控制方法。

背景技术

界位，指相界面位置，容器中两种互不相溶的液体，因其重度不同而形成分界面。界位控制广泛存在于萃取塔、分离器和溶液槽等化工设备中，是工业生产中常见的过程控制对象，它对生产的影响不容忽视。

对于溶液浓度不变的设备，其界位控制方法比较简单，根据界位计的测量数据，利用常规PID方法就可实现界位的控制。而在某些工业生产过程中，设备中溶液浓度会发生较大变化，此时对于在一定浓度标定下的界位计，其界位测量值与实际值有较大偏差。若仍用界位计测量值控制界位，必将出现控制不准确，从而影响生产。

由于界位与液位控制对象类似，具有大惯性、变化缓慢、呈现非线性的特点，目前采用常规PID方法对界位进行控制，但控制精度无法保证。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提供了用于通过界位修正值结合模糊PID控制方式最终提高界位控制精确性的用于变浓度槽的界位控制方法。

为了达到上述技术目的，本发明提供了用于变浓度槽的界位控制方法，用于对母槽中包括位于上层的溶液A和下层的溶液B的界面进行控制，所述界位控制方法，包括：

基于浓度计获取溶液A的浓度值c₁，结合浓度值与密度值的分段拟合函数，确定溶液A的密度值ρ₁；

基于差压式界位计工作原理，结合溶液A的密度值ρ₁，得到界位修正值h；

根据界位修正值h与预设的界位目标值h_set得到控制偏差e、偏差变化率ec，基于控制偏差e和偏差变化率ec的取值进行PID过程控制，得到用于对界位进行控制的界位调节阀的控制量h(k)的取值。

可选的，所述基于差压式界位计工作原理，结合溶液A的密度值ρ₁，得到界位修正值h，包括：

对于差压式界位计，由伯努利定理得到如公式一所示的表达式

对公式一进行整理得到如公式二所示的界位修正值h的表达式

其中，ρ₁为溶液A密度，ρ₂为溶液B密度，ρ为界位计标定时溶液A的密度；L为母槽液面高度，I为界位测量值，h为界位修正值。

可选的，所述根据界位修正值h与预设的界位目标值h_set得到控制偏差e、偏差变化率ec，基于控制偏差e和偏差变化率ec的取值进行PID过程控制，得到用于对界位进行控制的界位调节阀的控制量h(k)的取值，包括：

根据界位修正值h与预设的界位目标值h_set得到控制偏差e、偏差变化率ec；

基于控制偏差e、偏差变化率ec的取值范围确定PID过程控制中变化参数ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D的参数取值；

基于公式三得到PID过程控制中控制参数K_P、K_I、K_D的取值

其中，K'_P，K'_I，K'_D为初始设定的PID参数，ΔK_P，ΔK_I，ΔK_D为模糊控制器输出的变化参数，K_P、K_I、K_D为基于公式三得到的控制参数，k₃，k₄，k₅为系数；

结合公式四得到控制量h(k)的取值

其中，e(k)、e(k-1)和e(k-2)分别为k、k-1和k-2次采样时偏差，h(k-1)为k-1次采样时控制器输出的控制量。

可选的，所述根据界位修正值h与预设的界位目标值h_set得到控制偏差e、偏差变化率ec，包括：

基于公式五求得控制偏差e

e＝h-h_set 公式五，

其中，h为界面控制修正值，h_set为预设的界面目标值；

基于公式六求得偏差变化率ec

ec＝e(k)-e(k-1) 公式六，

其中，e(k)为k次采样的控制偏差，e(k-1)为k-1次采样时控制偏差。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

通过本实施例提出的界位控制方法，利用现有界位计和浓度计仪表，通过机理模型，获得槽内溶液浓度变化后的界位修正值，提高界位控制准确性。同时，在常规PID算法的基础上，添加一个模糊调节环节，构成模糊PID，并在线对PID中三个参数进行整定，进一步提高界位控制精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的用于变浓度槽的界位控制方法的流程示意图；

图2是本发明提供的界位控制方法的应用场景示意图；

图3是本发明提供的溶液A的浓度与密度的关系曲线变化示意图图；

图4是本发明提供的界位控制方法实施前的浓度-界位曲线变化示意图；

图5是本发明提供的界位控制方法实施后的浓度-界位曲线变化示意图。

具体实施方式

为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。

实施例一

本发明提供了用于变浓度槽的界位控制方法，用于对母槽中包括位于上层的溶液A和下层的溶液B的界面进行控制，所述界位控制方法，如图1所示，包括：

11、基于浓度计获取溶液A的浓度值c₁，结合浓度值与密度值的分段拟合函数，确定溶液A的密度值ρ₁；

12、基于差压式界位计工作原理，结合溶液A的密度值ρ₁，得到界位修正值h；

13、根据界位修正值h与预设的界位目标值h_set得到控制偏差e、偏差变化率ec，基于控制偏差e和偏差变化率ec的取值进行PID过程控制，得到用于对界位进行控制的界位调节阀的控制量h(k)的取值。

在实施中，本发明实施例提出的界位控制方法用于实施的具体应用场景如图2所示，进料溶液为A和B的混合物，在母槽中进行分层，上层为溶液A、下层为溶液B。上层溶液A浓度变化较大，通过溢流方式进入子槽；下层溶液B浓度基本稳定，通过调节界位调节阀来控制界位。母槽上部压力通过分程控制来控制，子槽采出线上安装有浓度计检测溶液A浓度。

图2中的附图标记为：1、母槽；2、进料溶液；3、上层溶液A；4、下层溶液B；5、母槽采出液；6、界位调节阀；7、界位计；8、子槽采出液；9、浓度计；10、子槽；11、压力调节阀。

基于图2提供的应用场景，本发明实施例提出的界位控制方法首先通过已知的分段函数对溶液A的密度值进行拟合，得到与当前获取到的溶液A的浓度值对应的溶液A的密度值，接着根据差压式界位计工作原理得到对当前溶液A的密度值对应的界位修正值；最终在现有的PID控制方式的基础上，增加基于界位修正值进行模糊PID控制的步骤，最终得到图2中界位调节阀6具体控制量的取值，完成针对溶液A和溶液B之间的界位控制过程。

由于在界位控制过程中引入了基于分段函数对溶液密度值进行拟合的步骤，使得控制结果更为符合界位惯性大、呈非线性的特性，同时基于界面修正值得到最终PID过程控制的控制量，相对于现有技术中使用离散PID控制的方式，显著提高了界位控制精度。

值得注意的是，步骤11中提出的分段函数拟合的步骤，是对溶液A浓度与密度的关系进行拟合，已知的各分段函数的具体形式表示为如y＝a+bx所示的一次函数表达式，在分段函数中代入已知的浓度值c₁计算出溶液A的密度值ρ₁。

前文中提出的PID(比例(proportion)、积分(integral)、导数(derivative))控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

可选的，所述基于差压式界位计工作原理，结合溶液A的密度值ρ₁，得到界位修正值h，包括：

对于差压式界位计，由伯努利定理得到如公式一所示的表达式

对公式一进行整理得到如公式二所示的界位修正值h的表达式

其中，ρ₁为溶液A密度，ρ₂为溶液B密度，ρ为界位计标定时溶液A的密度；L为母槽液面高度，I为界位测量值，h为界位修正值。

在实施中，伯努利方程是流体定常流动的动力学方程，意为流体在忽略粘性损失的流动中，流线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持不变。

现有的差压式界位计基于连通管原理，基于伯努利方程建立差压式界位计的压强表达式，如公式一所示。

对公式一中的两个压强表达式进行整理，获取到如公式二所示的关于界位修正值h的表达式，便于后续步骤中基于公式二得到的界位修正值h的数值进行界位控制。

可选的，所述根据界位修正值h与预设的界位目标值h_set得到控制偏差e、偏差变化率ec，基于控制偏差e和偏差变化率ec的取值进行PID过程控制，得到用于对界位进行控制的界位调节阀的控制量h(k)的取值，包括：

根据界位修正值h与预设的界位目标值h_set得到控制偏差e、偏差变化率ec；

基于控制偏差e、偏差变化率ec的取值范围确定PID过程控制中变化参数ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D的参数取值；

基于公式三得到PID过程控制中控制参数K_P、K_I、K_D的取值

其中，K'_P，K'_I，K'_D为初始设定的PID参数，ΔK_P，ΔK_I，ΔK_D为模糊控制器输出的变化参数，K_P、K_I、K_D为基于公式三得到的控制参数，k₃，k₄，k₅为系数；

结合公式四得到控制量h(k)的取值

其中，e(k)、e(k-1)和e(k-2)分别为k、k-1和k-2次采样时偏差，h(k-1)为k-1次采样时控制器输出的控制量。

在实施中，基于PID控制方式对界位进行准确控制的方式最终是基于界位调节阀实现的。

本步骤中提出的PID控制过程分为模糊PID控制以及离散PID控制。

前一步骤主要是基于前文得到的界位修正值h确定PID中控制参数K_P、K_I、K_D的取值，后者则是基于得到的控制参数取值计算界位调节阀的控制量h(k)。

首先为了得到控制参数的取值，需要根据界位修正值h与预设的界位目标值h_set得到控制偏差e、偏差变化率ec，接着基于控制偏差e、偏差变化率ec的数值确定K_P、K_I、K_D的模糊控制规则，最终完成控制参数的数值选取。

建立模糊控制规则如下：

①ec<0时，e偏差较大时，为使系统输出偏向稳态的速度越快越好，即以消除偏差为主，取较大的ΔK_I，较小的ΔK_P和较大的ΔK_D。

②e很小时，比例值要增大，积分值减小，微分适中。当e减小至小于零后，比例值ΔK_P要减小，积分值ΔK_I要增大，微分ΔK_D取值适中。

③e等于零时且ec较小时，为使系统具有良好的稳态特性，比例值ΔK_P和积分值ΔK_I取中等。

根据控制偏差e和偏差变化率ec，在模糊控制规则表中查出ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D，进而根据公式三基于已知的K'_P，K'_I，K'_D PID参数最后计算出实时PID控制参数K_P、K_I、K_D。

在获取到控制参数K_P、K_I、K_D后，需要基于公式四进行离散PID控制、即获取到界位调节阀的控制量h(k)。

其中，e(k)、e(k-1)和e(k-2)分别为k、k-1和k-2次采样时偏差，h(k-1)为k-1次采样时控制器输出的控制量。

将经过前述步骤得到的众多参数代入公式四中，完成求解得到控制量h(k)，并令图2中的界位调节阀6根据得到的控制量h(k)对母槽1中的溶液量进行精确控制，从而实现混合溶液中界位的准确控制。

可选的，所述根据界位修正值h与预设的界位目标值h_set得到控制偏差e、偏差变化率ec，包括：

基于公式五求得控制偏差e

e＝h-h_set 公式五，

其中，h为界面控制修正值，h_set为预设的界面目标值；

基于公式六求得偏差变化率ec

ec＝e(k)-e(k-1) 公式六，

其中，e(k)为k次采样的控制偏差，e(k-1)为k-1次采样时控制偏差。

在实施中，确定公式三中的参数以及公式四中使用的控制偏差e、偏差变化率ec的计算过程分别依据上述公式五、公式六进行获取。

通过本实施例提出的界位控制方法，利用现有界位计和浓度计仪表，通过机理模型，获得槽内溶液浓度变化后的界位修正值，提高界位控制准确性。同时，在常规PID算法的基础上，添加一个模糊调节环节，构成模糊PID，并在线对PID中三个参数进行整定，进一步提高界位控制精度。

本发明提供了用于变浓度槽的界位控制方法，用于对母槽中包括位于上层的溶液A和下层的溶液B的界面进行控制，控制方法包括基于浓度计获取溶液A的浓度值c₁，结合浓度值与密度值的分段拟合函数，确定溶液A的密度值ρ₁；基于差压式界位计工作原理，结合溶液A的密度值ρ₁，得到界位修正值h；根据界位修正值h与预设的界位目标值h_set得到控制偏差e、偏差变化率ec，基于控制偏差e和偏差变化率ec的取值进行PID过程控制，得到用于对界位进行控制的界位调节阀的控制量h(k)的取值。通过在界位控制过程中引入了基于分段函数对溶液密度值进行拟合的步骤，使得控制结果更为符合界位惯性大、呈非线性的特性，同时基于界面修正值得到最终PID过程控制的控制量，相对于现有技术中使用离散PID控制的方式，显著提高了界位控制精度。

实例测试

某槽进料为A、B混合液，进料温度为6-7℃。进入母槽后，两溶液发生分层，上层为溶液A，下层为溶液B，槽上部压力和槽液位稳定。溶液A浓度在30％-60％之间较大变化，可通过浓度仪实时检测；溶液B浓度保持不变，密度为1.36g/cm3。溶液A在6.5℃时，浓度与密度的关系曲线如图3所示：

对上面溶液A浓度-密度曲线进行分段拟合，每段上浓度-密度关系式采用线性公式，在上位机上通过浓度数据计算密度值。再通过机理模型计算公式

由界位测量值I计算出界位修正值h。

取界位设定值为40％，K'_P＝120，K'_I＝0.007，K'_D＝0，k3＝0.05，k4＝0.03，k5＝0.05，采用本方案中的模糊PID算法，在上位机上计算得出阀位输出值。

在该槽中实施本控制方案后，界位的控制误差明显减小，同时界位实际值的标准偏差也大幅度降低，具体控制效果分别参考如图4所示的实施前与如图5所示的实施后的对比结果。

图4中表明在本发明实施例提出的界位控制方法实施前，界位实际值从溶液A浓度起始的48％经过较大幅值波动后缓慢向设定值40％靠近，界位测量值从起始的36％经过较大幅值波动后缓慢向设定值40％靠近。

图5中表明在本发明实施例提出的界位控制方法实施后，界位实际值、测量值从起始的40％迅速向设定值40％靠近，并随着溶液A的浓度变化依然稳定在设定值40％左右。

上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.用于变浓度槽的界位控制方法，用于对母槽中包括位于上层的溶液A和下层的溶液B的界面进行控制，其特征在于，所述界位控制方法，包括：

基于浓度计获取溶液A的浓度值c₁，结合浓度值与密度值的分段拟合函数，确定溶液A的密度值ρ₁；

基于差压式界位计工作原理，结合溶液A的密度值ρ₁，得到界位修正值h；

根据界位修正值h与预设的界位目标值h_set得到控制偏差e、偏差变化率ec，基于控制偏差e和偏差变化率ec的取值进行PID过程控制，得到用于对界位进行控制的界位调节阀的控制量h(k)的取值。

2.根据权利要求1所述的用于变浓度槽的界位控制方法，其特征在于，所述基于差压式界位计工作原理，结合溶液A的密度值ρ₁，得到界位修正值h，包括：

对于差压式界位计，由伯努利定理得到如公式一所示的表达式

对公式一进行整理得到如公式二所示的界位修正值h的表达式

其中，ρ₁为溶液A密度，ρ₂为溶液B密度，ρ为界位计标定时溶液A的密度；L为母槽液面高度，I为界位测量值，h为界位修正值。

3.根据权利要求1所述的用于变浓度槽的界位控制方法，其特征在于，所述根据界位修正值h与预设的界位目标值h_set得到控制偏差e、偏差变化率ec，基于控制偏差e和偏差变化率ec的取值进行PID过程控制，得到用于对界位进行控制的界位调节阀的控制量h(k)的取值，包括：

根据界位修正值h与预设的界位目标值h_set得到控制偏差e、偏差变化率ec；

基于控制偏差e、偏差变化率ec的取值范围确定PID过程控制中变化参数ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D的参数取值；

基于公式三得到PID过程控制中控制参数K_P、K_I、K_D的取值

其中，K'_P，K'_I，K'_D为初始设定的PID参数，ΔK_P，ΔK_I，ΔK_D为模糊控制器输出的变化参数，K_P、K_I、K_D为基于公式三得到的控制参数，k₃，k₄，k₅为系数；

结合公式四得到控制量h(k)的取值

其中，e(k)、e(k-1)和e(k-2)分别为k、k-1和k-2次采样时偏差，h(k-1)为k-1次采样时控制器输出的控制量。

4.根据权利要求3所述的用于变浓度槽的界位控制方法，其特征在于，所述根据界位修正值h与预设的界位目标值h_set得到控制偏差e、偏差变化率ec，包括：

基于公式五求得控制偏差e

e＝h-h_set 公式五，

其中，h为界面控制修正值，h_set为预设的界面目标值；

基于公式六求得偏差变化率ec

ec＝e(k)-e(k-1) 公式六，

其中，e(k)为k次采样的控制偏差，e(k-1)为k-1次采样时控制偏差。

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