（控制理论与控制工程专业论文）工业加热炉控制方法的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着科学技术的迅猛发展和d c s 技术的成熟，工业上对复杂系统实行自动控 制的要求也随之提高，我国的工业加热炉大多处于常规控制和简单控制，当前的 常规控制或简单控制已经无法满足工业生产的需要，为了进一步提高控制精度从 而提高经济效益并增加系统的稳定性，以d c s 为基础采用先进控制方法是有效的 途径。 在石化工业中，加热炉是能源消耗的大户，而各企业内部的节能增效也为工 业加热炉先进控制系统的推广提供了良好的机遇。不管采用哪种先进控制器，控 制器的设计都是基于过程对象的动态特性，无论采用哪种控制方案，我都要求控 制器是鲁棒的。 本文以大庆石化公司炼油厂常减压车间加热炉的出口温度控制为研究背景， 对常减压生产过程的工艺特性进行了深入的分析，简要的介绍了加热炉的工作机 理和一套常减压车间的t d c 3 0 0 0d c s 系统。并且在对常规的控制器和相关理论 深入了解的基础上，结合实际生产中存在的问题，针对厂方原有的控制方案提出 了相应的改进设计，引入自适应方法来获得更好的控制效果，提出了用针对燃料 流量的控制取代厂方针对燃料阀门的控制方案，并尝试把内模结构应用在现场的 控制系统中。最后进行了现场模拟实验，实践表明，所应用的控制器性能令人满 意，具有很好的鲁棒性和抗干扰能力，先进控制一定会具有更广阔的发展前景。 关键词：集散控制系统；先进控制；自适应；加热炉 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s i n g m a t u r i 妙o fd c s ，c o m p l e x i t ya n du n c e r t a i n t yo fi m p l e m e n t a t i o no fa u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mt ok e e pu pw i t ht h es i m p l ec o n t r o lo rc o n v e n t i o n a lc o n t r o lh a sb e e nf 打f a i l e dt o m e e tt h en e e d so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，i no r d e rt om r t l l e ri m p r o v et 1 1 ec o n t r 0 1q u a j i t y i m p r o v i n ge c o n o m i ce 衢c i e n c y ，b a s e do nt h ed c s ，t h eu s eo fa d v a n c e dc o n t r 0 1m e t h o d s a r ee f 诧c t i v em e a n s i nt l l ep e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，如m a c ee n e 唱yc o n s u m p t i o ni sa m 萄o ru s e r ，c h i n a s i n d u g t r i a lm m a c ea r ei nc o n v e n t i o n a lc o n t r o l ，a n de n t e 印r i s e sp a ym o r ea t t e n t i o nt o e n e 唱yc o n s e a t i o no fi n d u s t r i a lm m a c e ，i t sag o o do p p o n l m i t yf o rt 1 1 ep r o m o t i o no f a d v a l l c e de o n t i 0 ls y s t e m r e g a r d l e s so fw h i e ha d v a i l e e dc o n t r o l l e r t h ec o n t r o l l e rd e s i g n i sb a s e do nt h ed y n 踟i cc h a i i a c t e r i s t i c so fo b j e c t s d e s c r i p t i o n o ft l l e d y n 锄i c c h 缸a c t 耐s t i c so ft 1 1 ep r o c e s s ( s u c h2 l sp r o c e s sm o d e l i n g ) i sn o tv e 巧a c c u r a t e ，a n dm e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o c e s si t s e l fc h a n g e s 诚t l lt i m ea i l dt h e r e f o r ea s k e dt h ec o m r o l l e r o fs u c hp e r t u r b a t i o nm o d e li sn o ts e n s i t i v e ，o rs a yt h a tt h ec o n t l - o l l e ri sr o b u s t t h i sp a p e rb a s e do nd a q i n gp e t r o c h e m i c a lc o 印o r a t i o nr e n n e r yc r u d eo i lu 血t ， a n a l y s i so nt 1 1 ew o r k i n gm e c h a n i s mo ft 1 1 em m a c e ，百v eas i m p l ei n t r o d u c ea b o u t t d c - 3 0 0 0d c s a r e rad e p t hu n d e r s t a n d i n ga tt h eb a s i ct 1 1 e o 巧w ea i ma tt h ea c t u a l p r o b l 锄sa n dh a v e ac o r r e s p o n d i n gi m p r 0 v ed e s i g i l ，t l l ei n t r o d u c t i o no fo n 1 i n e s e l f ：m n i n gm e c h a n i s mm o d e l t oo b t a i nb e t t e rc o n t r o lp e o 肿a 1 1 c e ，a n dt r yt oi m c c o n t r 0 1a p p l i c a t i o n si na t m o s p h e r i ct o w e re x p o r t 凡m a c et e m p e r a m r ec o n t r 0 1 f i n a j ly ， m es c e n es i m u l a t i o n ，p r a c t i c es h o w sm a tm ee x c e l l e n tp e r f 0 肌a i l c eo ft h ec o n t r o l l e r a n dh a sas n o n ga m i j 锄m i n gc 印a b i l i t ya n dr o b u s t n e s s ，i ti ss u i “l b l ef o r 印p l i c a t i o ni n u - a b s t r a c t p r o c e s sc o n 仃0 la r ev e 巧g o o dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：d i s t r i b m e dc o l l 仃o ls y s t e m ；a d v a i l c e dc o n _ c r o l ；a d 印t i v e ；f 啪a c e i i i 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨蕉江太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 学位论文作者签名：劣矧 签字日期：砂口矿年6 月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解墨垄堕态堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权墨蕉江太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。 学位论文作者签名：本蚓 新躲移幻 签字日期：沙年月f 日签字日期：乙尸年多月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文选题的目的和意义 当前，国内外控制界都把复杂系统的控制作为控制科学发展的前沿研究方向， 以大型复杂工业过程作为重要的研究领域，是这一学科向前发展的一个主要动力。 加热炉的温度控制也是控制领域的难点，其具有非线性、时变、大时滞、强耦合 等特性。面对这样的被控对象，常规的p i d 控制器就显得望尘莫及了。所以人们 开始寻求用某些先进控制算法来解决这些问题【l 】。 本课题以大庆石化公司炼油厂常减压加热炉控制系统为对象，分析研究了厂 方的控制策略和一些控制算法在这个过程对象中的应用。常减压过程是炼油厂的 龙头，直接处理大庆油田和俄罗斯的石油原料，其生产水平的高低直接影响到企 业对原料的使用效率和下游产品的质量。而控制水平的高低又是决定生产水平的 一个主要因素。常减压装置每年要消耗大量的能源和原料，是石化工业生产中非 常重要的一个环节，也是一个比较复杂的系统，因为它涉及到很多装置，各个装 置之间必然有很大的关联性，从而相互影响。而加热炉的出口温度控制也是控制 的难点，一般用作炼油厂加热炉的燃料约占全厂原油加工量的5 8 。在炼油装 置中，加热炉的建设费用占总建设费用的2 0 左右，是总设备制造费用的3 0 以上 【2 】。因此，提高加热炉的控制水平无论从提高产品质量还是节约能源方面都具有十 分重要的意义。 炼油厂的加热炉根据其燃料不同大体可以分为三种，即：燃气型加热炉、燃油 型加热炉、油气混烧型加热炉。一般来说炼油厂常减压加热炉为油气混烧加热炉， 为了降低原油加热的成本，必须少烧或者不烧燃料油，因此厂里要求尽量多烧燃 料气，所以燃油阀门尽量要小，因此气阀开度通常比较大( 3 0 8 0 ) ，这时候气压 波动与阀门间存在严重的关联作用，使控制难度明显增大。当燃料气压力降低到 o 0 9 m p a 时，这个时候燃气性质很不好，燃气量也非常少，出口温度下降非常快， 黑龙江大学硕士学位论文 靠烧燃气不可能使出口温度始终跟踪设定值，因此必须调节燃油来控制出口温度， 而维持出口温度的设定值达到工艺要求。每当这种情况发生时，车间操作工必须 把瓦斯阀门从自动投成手动，不改变瓦斯阀门开度，而通过手动调节燃料油阀门 来控制出口温度。这种调节方法性能很大程度上与操作工经验有关，控制效果很 不好，出口温度波动特别大，通常出口温度波动范围在3 5 0 3 8 0 之间，这种情况 下的加热炉燃烧状况很不好，燃烧效率低，经常冒黑烟，造成了燃料的浪费。瓦 斯压力的不稳定和原料油进料量的波动增大了出口温度控制的难度。可见常减压 加热炉系统是一个时变、大时滞、多干扰的复杂系统，为了对加热炉系统实现稳定 控制，并且对燃料油阀门和瓦斯阀门的切换实现自动控制，无须人为干预，必须 寻求出一种稳定控制的方法。 1 2 先进控制方法 1 2 1 先进控制方法的概念 先进控制方法是一种能满足比较的复杂生产过程的被控对象的控制要求，能 在更高的层次上考虑过程对象的控制方法，通常多是基于生产过程模型，借助充 分的数学计算，不同于常规的p i d 控制，一般应具有比常规p i d 控制更好的控制 效果，它依赖于计算机完成复杂控制运算，并且可以为工厂获得更大利润而实施 的控制策略的统称p j 。 先进控制方法的产生，并不单纯是理论发展的需要，而是工业实践向控制提 出的挑战。早在上世纪6 0 年代形成的现代控制理论，在航天、航空等领域都取得 了显著的成果，其中比较典型的如利用状态空间法分析和设计提高了人们对被控 对象的洞察能力，和在更高层次上设计控制系统的方法和手段。尤其是基于最优 性能指标的设计理论和方法，对于在工业过程中追求更高控制质量和经济利益的 控制工程师来说，无疑具有很大的吸引力。然而，通过实践，人们发现完美的理 论与控制实践之间还存在着较大的差距，主要体现在以下几个方面1 4 】： 第1 章绪论 ( 1 ) 由于现实当中的工业对象的结构、参数和环境都具有很大的不确定性， 因而，按照理论模型得到的最优控制在实际工程中往往不能保持最优，有时甚至 会引起控制品质的严重下降。在工程实践中，工程师们更关注的是控制系统在不 确定性影响下保持鲁棒的能力，而不能只是追求理论上的最优性。 ( 2 ) 先进控制希望得到控制对缘精确的数学模型，而在工业生产过程中的对 象往往是多输入、多输出的复杂系统，并伴随着大时滞、非线性、强干扰等特性， 其数学模型很难精确建立，随着这种精确性的提高也意味着模型的复杂程度提高， 而在实际工程应用中，往往需要简化，从而很难保证得到对象精确的模型。 ( 3 ) 工业控制中必须考虑到控制手段的经济性和可行性，对工业控制计算机 的要求不能太高，因此，控制算法必须简易以满足实时性的要求，现代控制理论 的许多算法往往过于复杂，目前难以用低性能的计算机实现。 以上三点原因阻碍了先进控制方法在复杂工业过程中的有效应用，也向专家 学者们提出了新的挑战。为了克服理论与应用之间的不协调，上世纪7 0 年代以来 人们除了加强对传统控制的理论研究外，工程师们也开始尝试打破传统方法如p i d 算法的约束，试图面对工业过程的特点，寻找一些对模型要求低、控制综合质量 好、在线计算简单的新型控制算、法【5 1 。在这个背景下，产生了内模控制、自适应控 制、神经网络控制、预测控制、模糊控制等先进控制方法 1 2 2 先进控制方法的特点 先进控制方法主要有以下特点嘲： a 先进控制通常用来处理复杂的多变量过程控制问题或者含有大时滞、强耦合的 过程对象。它是建立在常规控制回路之上的动态协调约束控制，可以使控制系 统适应实际工业生产过程动态特性和操作要求。例如h o n e ”v e l l 公司的多变量预 估控制技术( r m p c t ) 在处理这些问题上己经十分成熟，并且在很多石油化工装 置上得以成功应用。 b 先进控制是一种基于模型的控制策略。h o n e y w e l l 公司的多变量预估控制技术 黑龙江大学硕士学位论文 ( r m p c t ) 就是模型预测控制的一种。例如模型预测控制和推断控制等。 c 先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持平台。由于先进控制受到算法的 复杂性和计算机硬件两方面因素的影响，早期的先进控制算法通常是在上位机 实施的。随着计算机功能的不断增强，更多的先进控制策略可以与常规控制回 路一起在d c s 上实现。后一种方式可有效的增强先进控制应用的可靠性，并且 方便维护。 大庆石化分公司第一套常减压装置先进控制全部在d c s 上实现。并且，先进 控制软件( r m p c t ) 和集散控制系统( h o n e ”e l l 公司的t d c 3 0 0 0 ) 同为美国 h o n e y w e l l 公司的产品，这为先进控制技术在该装黄上实施创造了有力的条件【7 1 。 从全厂综合优化控制角度来看，性能良好的先进控制是在线优化得以实施的 前提，并进而可将企业领导者的经营决策、生产管理和调度的有关信息及时落实 到各厂生产装置的实际运行中，并可真正实现全厂综合优化控制。 1 2 3 先进控制技术的发展与现状 从上世纪4 0 年代开始至今，在工业控制当中，采用p i d 控制规律的单输入单输 出简单反馈控制回路是过程控制的核心结构。其理论基础是经典控制理论，主要 采用频域分析方法进行控制系统的设计和综合。目前，p i d 控制仍被广泛应用，即 便是在大量采用d c s 控制的现代化的工业生产过程中，p i d 控制回路仍占总回路数 的8 0 9 0 【8 1 。这是因为p i d 控制算法是简单而有效的操作方式，足以维护一般工 业过程的平稳操作与运行。然而，简单的单回路p i d 控制并不能适用于所有的控制 过程和不同的控制要求。从上世纪5 0 年代开始逐渐发展出了串级、比值、前馈和 s m i t h 预估控制等复杂控制系统。 为了更好的理解和认识先进控制在整个过程控制领域中的地位，现引用过程 控制专家d e s e b o 唱对有关过程控制策略的分类【引。详见表卜1 。 表卜1 过程控制策略分类 t a b l e1 lt h ec l a s s i 6 c a t i o no fp r o c e s sc o n t r o ls t r a t e g y 4 第1 章绪论 第一类：传统控制策略手动控制p i d 控制比值控制 串级控制前馈控制 第二类：先进控制一经典技术增益调整时滞补偿解耦控制 选择性超驰控制器 第三类：先进控制一流行技术内模控制自适应控制 模型预测控制统计质量控制 第四类：先进控制一潜在技术最优控制专家控制非线性控制 神经控制器模糊控制 第五类：先进控制一研究中的策略 鲁棒控制以和u 综合 石化行业目前应用的主要先进控制软件产品可以归结为表卜l 中的第三类。 1 3 工业加热炉控制技术国内外应用现状 1 3 1 国外加热炉控制系统的发展概况 从上世纪6 0 年代以来，由于工业现代化的需要，由其是在计算机技术和电子 技术的迅猛发展以及自动控制理论的发展推动下，国外的加热炉控制系统发展十 分迅速，在智能化、自适应等方面取得显著成果，在这些方面美国、日本、德国、 瑞典等国家的技术比较领先，他们已经有很多商品化的、性能优异的温度控制器 及仪器仪表，并占领了我国的大部分市场。他们主要具有如下的特点【9 】： 1 ) 能够适应大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。 2 ) 能够适应被控对象数学模型难以建立的温度控制系统。 3 ) 这些温度控制系统普遍采用运用先进控制算法如：自适应控制、预测控制、模 糊控制、神经网络和人工智能等理论及计算机技术。 4 )这些控制器普遍具有参数自整定功能。有的还有自学习功能，借助计算机技 术，主要根据控制对象的变化和历史经验来自动调整相关控制参数，以随时 黑龙江大学硕士学位论文 保证控制效果的最优化。 5 )普遍看来这些温度控制器具有精度高、智能性强、鲁棒性好等特点。 在石化装置中使用先进控制技术可以提高控制的平稳度提高生产的灵活性， 从而增加企业的经济效益。自上世纪8 0 年代以来，过程控制技术在国外发展迅速， 近百家公司推出了数百项先进控制软件，并在装置中得到应用。 比较典型的有美国c o m oo i l 公司在日本大阪s a k a i 炼油厂1 9 8 8 年在其常减 压装置上成功地应用了s e t p o i n t 公司开发的多变量模型预估控制器( m v m p c ) ，其 技术要点是：通过阶跃响应辨识过程对象模型；用分析仪表在线检测产品质量；操 作变量取塔顶温度、煤油抽出量、轻柴油抽出量、重柴油抽出量和加热炉出口温 度。据称经济效益可观，仅需一年就能收回投资川。 1 3 2 国内加热炉控制系统的发展概况 加热炉控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的 温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的美国、日本、德国等国家相 比，仍然有着一定的差距。 目前，我国在这方理论研究已经达到国际水平但在总体技术应用方面很落后。 成熟产品主要以“点位”控制及常规的p i d 控制器为主，它只能适应一般温度系 统控制，而在面对滞后、复杂、时变温度系统控制的时候就有些无能为力了【1 2 】。 而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内产品还不成熟，形成商 品化并广泛应用的控制仪表较少。 国内先进控制比较典型的有韩志刚教授创立的无模型控制理论，设计并制造 了无模型控制系列产品，对大时滞、非线性、时变、强干扰、强耦合环节有很好 的控制功能，它对我国生产过程控制中半个世纪以来p i d 控制方法的统治地位提 出了挑战，无模型控制方法已广泛的应用在石油、化工、电力、冶金、轻工等行 业，效果显著。 目前，国内外温度控制系统及仪表正朝着高精度、高速度、智能化、小型化、 6 第1 罩绪论 等方面发展。 1 4 论文的研究内容和任务 本项目基于大庆石化分公司炼油厂第一套常减压装置的整套系统上，目的是 比较分析当前加热炉控制中的主要控制方法，尝试在常减压加热炉实例中采用先 进控制算法，尽量减少燃料油消耗的情况下，通过调节燃料气来控制出口温度， 要求出口温度在设定值附近稳定。系统要能有效地抑制进料量波动和瓦斯压力波 动对出口温度的影响。 本课题的工作任务： 采用从局部到全局的设计思想，即先了解控制对象特性与关键的干扰量，合 理设计控制方案，选用先进控制算法对该系统建模，并根据该模型设计相应的控 制器。利用该方法实现先进控制和p i d 控制的并行处理。同时，遵循理论联系实 践的路线，利用生产实践中所测得的实际数据，对理论推导所得出的结果进行仿 真，然后进一步分析所得算法并加以改进。 黑龙江大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章基本理论 在滞后过程控制中应用最多的是p i d 控制和s m i t h 预估控制。采用p i d 控制 时，很难取得理想的控制效果，而采用s m i t h 预估控制往往由于模型难以精确获得 而使控制效果下降。与这两种控制策略相比，内模控制( i m c ) 的时滞克服效果更 好，对模型精度的要求不高，仅有一个需要调整的参数，从而使得滞后过程的控 制方法更加丰富。 本章先介绍了p i d 控制和内模控制的结构、原理及主要性质，简要分析了 s m i t h 控制的不足之处，并指出作为传统的s m i t h 预估控制算法的扩展，内模控制 不仅保留了s m i t h 预估控制克服大时滞的优点，而且在性能上有所改善，鲁棒性得 到提高，是一类基于非参数模型的、较适合于纯滞后过程控制的工业过程高级控 制算法，设计也更为直观简便。 2 2p id 控制原理 大庆石化公司常减压装置是个老装置其先进控制系统中基本上保持了原有的 全部p i d 单回路。p i d 算法应用了近半个世纪，经久不衰，究其原因主要有两方面： 一是结构简单，易于操作；二是对于较简单的被控对象使用简便且有较好的鲁棒 性。 比例，积分与微分( p i d ) 控制是建立在经典控制论基础上的一种控制策略。 由于控制器的结构简单，又可以补偿大多数特性参数的要求，因此在工业控制中 仍被普遍广泛地采用f 1 4 】。 p i d 控制器分为模拟和数字两种，前者主要用于连续系统，后者用于离散系 统和采样系统。 模拟p i d 的数学描述为： 川叫州+ 扣州毗剀 沿， 式中，k 。为比例系数，z 为积分时间常数，乃为微分时间常数。 数字p i d 控制器表达式为： “( 七) ：k p p ( 七) + 吾兰p ( ) + 孚【p ( 七) 一p ( 七一1 ) 】 ( 2 2 ) ，= 0 p i d 控制器各环节的主要作用如下： ( 1 ) 比例环节：k 口增大等价于系统的开环增益增加，会引起系统响应速度，稳 态误差减少，超调量增大。当k 。过大时，会使闭环系统不稳定。 ( 2 ) 积分环节：主要作用是消除系统的稳态误差。积分作用的强弱取决于积分 时间常数7 。增大，系统超调量变小，响应速度变慢。 ( 3 ) 微分环节：主要作用是提高系统的响应速度，同时减少系统超调量，抵消 系统惯性环节的相位滞后，使系统稳定性明显改善。乃偏大或偏小，都会使超调 量增大，调节时间加长。由于该环节所产生的控制量与信号变化速率有关，故对 于毫无变化或变化缓慢的系统，微分环节不起作用。 近些年来，人们在传统p i d 控制器上作了许多改进，对新型p l d 做了大量的 研究，综合起来主要有以下四类1 5 卜【1 8 】： ( 1 ) 自适应p i d 控制，将自适应控制与常规p i d 控制器相结合，可分为两大类： 基于被控过程参数辨识的“参数自适应p i d 控制器”和基于被控过程某些特征值 的“非参数自适应p i d 控制器 。参数自适应p i d 控制器依赖于模型参数的在线辨 识，占用计算机工作时间多，且不适合中、高阶被控过程、复杂控制和高性能的 控制对象。非参数自适应p i d 控制器只需对被控过程的少量特征值进行设计，不 受系统模型阶数的制约，但可能引起系统自激振荡，同时整定得到的p i d 参数不 黑龙江大学硕士学位论文 是最优参数。自适应p i d 控制效果的好坏取决于辨识模型的精确度，这对复杂系 统是非常困难的。 ( 2 ) 智能p i d 控制，是智能控制与p i d 控制相结合，不依赖系统的精确数学模 型，对系统参数变化鲁棒性好。 ( 3 ) 模糊p i d 控制与模糊自适应p i d 控制，是将以模糊集合论、模糊语言变量 及模糊逻辑推理为基础的模糊控制引入p i d 控制。其中模糊控制器的性能至关重 要，而其自身性能取决于模糊语言规则和合成推理方法以及模糊策略，实践证明， 可用的完备的知识库和推理模式的建立也是一件十分困难的事。 ( 4 ) 预测p i d 控制，是将预测控制与p i d 控制相结合。预测控制不需要精确的 数学模型，能在线滚动优化以实现综合控制。其中模型算法p i 控制，动态矩阵p i 控制，广义预测p i 控制和广义预测极点配置p i 控制具有相同的设计思想：通过在 性能指标函数中引入预测输出误差和预测输出增量误差，构成一个具有p i 结构的 控制器。而预测串级控制则是利用串级控制，将预测控制与p i d 控制结合，通过 结构分析和分别采用不同的采样周期来利用两者的互补性，综合提高控制性能。 而实践证明，预测控制的好坏，直接影响预测控制p i d 的控制效果f 1 8 1 。 2 3s mit h 预估控制 通常，克服时滞的一个重要方法是对时滞进行补偿。有研究表明，是否需要 补偿取决于当被控过程的纯滞后时间t 与整个对象的过渡过程时间t 之比。当其 比值小于o 1 时，无须补偿；当比值达到0 ，5 时，采用常规的反馈调节很难满足 工艺上提出的较高动态要求，此时要采取补偿作用1 1 9 】。 上世纪5 0 年代0 j m s m i t h 针对纯滞后过程提出预估补偿算法，也称为史密 斯( s m i t 1 ) 预估控制算法。其基本思想是按照过程的特性预估出一种模型，加入到 反馈控制系统中，以消除或减弱闭环系统中纯滞后因素的影响，从而提高闭环系 统的动态质量。 第2 章基本理论 2 3 1s m i t h 预估控制的结构 s m i t h 提出在调节通道具有纯滞后的被控系统中采用并联补偿装置可以消除 纯滞后对过程的影响。其基本原理是，假设被控对象的传递函数为k ( s ) 补偿装 置的传递函数为( s ) ，则二者复合的方框图如图2 1 所示： 图2 1s m i t h 预估补偿原理图 f 遮2 1s m i t hf o r e c a s tc o m p e n s 撕o nt h e o 巧 我们来求补偿环节的传递函数( s ) 由图2 1 可知： 巳( s ) = m ( s ) 【( s ) + ( s ) 】 当( s ) = g o ( s ) p 。5 时，代入上式，得： c 卅( s ) = m ( s ) 【g o ( s ) p + 既( s ) 】 因为补偿的目的是为了消除纯滞后9 1 对控制过程的影响，即要使下式成立： 巳( 5 ) = m ( s ) g o ( s ) 由式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 得： g o ( s ) 8 邮+ 虼( s ) = g 0 ( s ) 可以推出补偿环节的传递函数 ( s ) = g o ( s ) ( 1 一p 。) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 黑龙江大学硕士学位论文 式( 2 7 ) 即为补偿装置所需要的数学模型，如图2 2 所示： 图2 2s m i t h 预估补偿系统方框图 f i g2 2b l o c kd i a g r a mo fs m i t hf b r e c a s tc o m p e n s a t i o ns y s t e m 从上图可以看到s m i t h 预估控制算法是将过程对象g 0 ( s ) p 。5 输出的信号c ( s ) 与预估补偿器g 0 ( s ) ( 1 一p 1 5 ) 的输出信号相加后作为反馈信号，因此这种补偿是超前 的反馈补偿，可知控制系统的闭环传函为： c ( j ) g 0 ( s ) q ( s ) p 吖5 一= - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 r ( j )1 + g o ( 5 ) g f ( s ) 由( 2 8 ) 式我们可以推出图2 2 的等效方框图为图2 3 ： r ( ( 2 8 ) 叫g 小，h 啪，r ( s ) 图2 3s m it h 预估控制等效方框图 f i g2 - 3p r e d i c t i v ec o n t r 0 ie q u i v a i e n tb i o c kd i a 伊a m 我们可以看出：无论给定值作用还是负荷扰动，闭环系统特征方程都是相同 的，即： l + g o ( s ) g c ( s ) = o ( 2 1 0 ) 闭环控制系统的动态特性主要取决于其闭环特征方程，经过s m i t h 预估补偿 后，原来带有时滞闭环系统的特征方程中不再含有纯滞后环节，而是将系统控制 第2 罩基本理论 过程曲线在时间轴上推迟一个一c 时间，所以预估补偿消除了纯滞后对过程的不利 影响，使系统品质与无滞后过程完全相同，故有可能通过提高调节器g c ( s ) 的增益 来提高闭环系统的动态质量。可见，从理论上讲s m i t h 预估控制在一定的范围内 能克服纯滞后的影响i 捌。 2 3 2s mit h 预估控制的缺点 s m i t h 预估控制系统的优点是将时滞环节移到了闭环之外，这样使带有时滞的 过程的控制品质得到大大的提高。但是，在实际应用中它的缺点是太过于依赖精 确的数学模型，当预估模型和实际对象存在误差时，控制品质会显著恶化，甚至 发散，而且对于外部扰动也非常敏感，鲁棒性较差。且对某些干扰的抵抗能力较 差【2 l 】。因此，s m i t h 预估控制系统对于模型参数有变化的系统很难有好的控制效果。 如图2 4 所示，当被控系统受到五或六干扰时，信号要经过几个环节的传递 之后才能得到补偿，并不像来自彳通道的干扰那样能立即得到补偿。因此，对于 这些类型的干扰，s m i t h 预估控制系统的调节效果就不是很理想。 图2 4s m i t h 预估控制的受干扰情况 f i g2 4s m i t hp r e d i c t i v ec o n t r 0 1b yi n t e m r e n c e 黑龙江大学硕士学位论文 2 4 内模控制原理 内模控制是一种基于过程数学模型进行控制器设计的控制策略。1 9 7 4 年，德 国学者f r a n k 首先在工业过程控制中提出内模控制结构，1 9 8 2 年，g a r c i a 和m o r 撕 完整地提出并改进了这控制结构，并将其取名为内模控制。 它具有一些别的控制策略无可比拟的优点，如设计简单、控制性能好、鲁棒 性好等等，是研究基于模型的控制算法的理论基础和提高常规控制系统设计水平 的有力工具。 2 4 1 内模控制系统的结构 内模控制结构图如下： ( s ) 图2 5 内模控制结构框图 f i g2 - 5i m cc o n f i g u r a t i o nb 1 0 c kd i a g r i l m 这里尺( s ) 为系统输入，d ( s ) 为干扰输入，】，( j ) 为系统的输出，矿( s ) 为内模输 出q ( s ) 为内模控制器，j p ( j ) 为被控对象，芦( s ) 为内部模型。 可以知道： ( 2 1 2 ) 第2 章基本理论 y ( s ) = d ( s ) + 丁；i 考p ( s ) 一d ( s ) 】 ( 2 一1 3 ) ( i ( s ) ：j 坠) _ 一 ( 2 1 4 ) 、7 1 + 9 ( s ) p ( s ) 一卢( s ) 】 从而，在内部模型准确时，即： p ( s ) = 多( s ) ( 2 一1 5 ) 此时，系统的反馈信号为0 ( s ) ，相当于开环结构，系统是稳定的；在被控对 象与内部模型失配时，反馈信号孑( s ) 将包含一些偏差的信息，通过调整c i ( s ) 就可 以获得较好的鲁棒性f 2 l 】。 2 4 2 内模控制系统的性质 由式2 1 2 可知，内模控制系统稳定的充要条件是使得下式的特征方程根严格 地位于单位圆内： 去巾顸州- o ( 2 - 1 6 ) ( 1 ) 对偶稳定性： 假设内部模型完全准确，即： p ( s ) = p ( s ) ( 2 1 7 ) 那么内模控制系统稳定的充要条件是： 被控对象p ( s ) 与控制器p ( s ) 都是稳定的。 ( 2 ) 理想控制器特性： 假设被控对象是稳定的，不存在时滞和非最小相位部分，即： p ( j ) = p ( s ) ( 2 一1 8 ) 黑龙江大学硕士学位论文 女口果取吲垆去 ( 2 - 1 9 ) 且模型的逆存在并可实现，根据式( 2 1 2 ) 可知，在任何干扰下系统输出都等 于设定值，即： 】，( s ) = 月( s ) ( 2 2 0 ) 此时，系统对任何干扰都能够克服，可以对设定值进行无偏差跟踪。实际上， 理想控制器是无法实现的，即使在没有时滞的时候。 如果闭环系统稳定而过程与模型失配，即： p ( s ) 卢( s ) ( 2 2 1 ) 此时偏差只能减少但不能消除。 但此时只要使控制器满足： 和) = 嘉 ( 2 - 2 2 ) 系统输出将产生无偏差作用，也就是对于任何的阶跃输入和常值干扰其输出 不会存在稳态误差。这也说明，内模控制本身含有误差的积分作用，不需要在设 计时再次引入积分因子。 2 4 3 内模控制系统的设计方法 内模控制系统的稳定性是基于内部模型精确的情况下得到的而这在实际应用 中很难保证。因为当模型与对象失配时，即使控制器和对象模型都稳定时，闭环 系统仍有可能不稳定。所以，内模控制系统的设计还要使系统具有足够的鲁棒性。 一般来讲我们按照内模控制的相消法设计，可分为以下两步【2 2 】： ( 1 ) 稳定控制器的设计 不考虑模型误差及约束条件，首先保证控制器的稳态无差。将p ( s ) 分解为两 部分，即： 第2 章基本理论 p ( s ) = 以( s ) p ，( s ) ( 2 2 3 ) 这里，以一( j ) 为最小相位部分，是稳定的，不含时滞部分，靠( s ) 为非最小相 位部分。可以令内模控制器为： 们) 2 南 ( 2 - 2 4 ) ( 2 ) 滤波器的设计 为了减小对建模误差的敏感性，可通过在反馈通道或内模控制器后附加一个 滤波器厂( s ) 来实现，如下图所示： 图2 6 含滤波器的内模控制结构图 f i g2 - 6t h eb l o c kd i a g r 锄o fi m cw i t hf i l t e r 当滤波器为一阶形式时，即在连续系统的传递函数为： 邢) = 六 ( 2 _ 2 5 ) 则上式在z 域的表达式为： 即) = 品( o 口 1 ) ( 2 _ 2 6 ) 这里口= pi ：，巧为控制系统采样周期，彳为滤波器的时间常数。 加入滤波器以后，原闭环系统的特征方程就变为： 1 + q ( s ) f ( s ) 【p ( s ) 一尸( s ) 】= o ( 2 2 7 ) 在模型失配时可以通过调整设计参数f ( s ) 使特征方程的根位于单位圆内。这 里口的值对内模控制系统的影响很大。当a 值很小时，可以明显地改善动态性能， 黑龙江大学硕士学位论文 但系统对模型误差比较敏感：而当口值较大接近于1 时，能显著地增强系统的鲁 棒性，但反应会相应变得迟钝。所以，口的取值必须在动态性能和鲁棒性之间取 一个适当的平衡点来达到较好的控制效果。 2 4 4 内模控制与s m i t h 预估控制的关系 上面讨论了s m i t h 预估控制和内模控制的结构与性质，内模控制实际上是 s m i t h 预估控制的扩展，而且在设计上更为简便，其鲁棒性和抗干扰性也有所改善。 下面分析两者之间的关系： 在s m i t h 预估控制系统中，当控制器采用常用的p i d 控制器时，可将其标准 结构改动为如图2 7 所示： 图2 7s m i t h 预估控制系统的内模结构 f j g2 7n e j m cs 仃u c t u r eo f p r e d j c t j v ec o n t r o js y s t e m 可以看出，内模控制器q ( s ) 与s m i t h 预估控制q ( s ) 关系如下： 胁蒜 协2 令 第2 章基本理论 f ( s ) = 1 ( 2 2 9 ) 则内模结构与s m i t h 预估控制系统标准结构等价。q ( s ) 的设计与开环系统一 样，f ( s ) 则取一阶的低通滤波器，只有一个调节参数。下面针对工业上典型的一阶 时滞对象为例加以说明。 对于工业上典型的一阶时滞对象： 耶) = 嵩p 一 ( 2 - 3 0 ) 显然有： 一只= 高 1 ) ( 2 - 3 1 ) s + j 则i m c 控制系统的q ( s ) 为： ) = 揣 ( 2 _ 3 2 ) 而s m i t h 预估控制器为p i 型，即： c = 也( + 专 3 3 ， 利用式( 2 2 7 ) ，推出p i d 型s m i m 预估控制结构与i m c 结构等价的成立条件： 七= _ 二一 ( 2 3 4 ) m 0 = 丁 ( 2 3 5 ) 系统响应的速度由五决定。五值的选取应该在快速性和鲁棒性之间折中，这种 设计较为简单明了，易于操作人员的调整。 以上分析可以说明： s m i 恤预估控制是i m c 的一种特例。内模控制不仅保留了s m i m 预估控制克服 大时滞的优点，而且在性能上也有更大的改善，设计也更为直观简便，鲁棒性也 有所提高。 黑龙江大学硕士学位论文 2 5 本章小节 本章主要介绍了p j d 控制和内模控制的结构、原理及主要性质，并指出作为 传统的s m i t h 预估控制算法的扩展，内模控制不仅保留了s m i t h 预估控制克服大 时滞的优点，而且在性能上有所改善，鲁棒性得到提高，是一类基于非参数模型 的、较适合于纯滞后过程控制的工业过程高级控制算法，设计也更为直观简便。 第3 章大庆石化公司常压加热炉系统 第3 章大庆石化公司常压加热炉系统 大庆石化公司常压加热炉 3 1 1 加热炉系统概述 在炼油装置中，原油蒸馏的常压炉与减压炉的处理量和热负荷都比较大。正 确选择炉型，以及采取各种措施提高加热炉的控制精度和热效率，对安全稳定生 产和降低全厂能耗，具有重要的意义。 我国目前采用的原油蒸馏加热炉有圆筒炉、卧管立式炉和立管箱式炉等炉形。 下面以圆筒炉为例来说明常压加热炉的一般结构。 圆筒炉的结构如图3 1 所示。圆筒炉管式加热炉一般由三个主要部分组成：辐 射室、对流室及烟囱，图3 一l 是一个典型的圆筒炉示意图管式炉，四周有炉墙( 由耐 火层、保温层等组成) ，里面有炉管，原料油从对流室的炉管( 对流管) 进入，经辐 射室的炉管( 辐射管) 加热到要求的温度后离开炉子。 燃料油或燃料气在炉膛里面燃烧，以辐射方式直接加热原料油，燃烧产生的 高温烟气进入对流室，以对流方式把热量传给原料，最后从烟囱中排出。对流室 除了用以加热油品以外，有时还有部分炉管用来生产过热蒸汽供装置内用。在加 热炉里8 0 的加热任务是在辐射室里完成的。 圆筒炉的结构比较紧凑，材料用量、成本和占地面积都比其它两种类型的加 热炉小很多。辐射管高度和炉管平面圆直径之比约在2 6 左右，所以沿管长方向的 受热不均匀系数较大，一般为1 卜2 0 ，故辐射管的平均热流密度也较低。为了弥 补这个不足，可以在炉膛中间增加炉管这样能够充分利用炉膛空间，从而提高辐 射管的平均热流密度，节省材料用量f 2 5 】。 黑龙江大学硕士学位论文 图3 1 圆筒炉结构 f i g3 - 1b u c k e tf u m a c es t r u c t u r e 和圆筒炉相比卧管立式炉的高宽比小，燃烧器沿管长分布，辐射管沿两面侧墙 第3 章大庆石化公司常压加热炉系统 排列，管长方向受热均匀，平均热流密度较高。但是沿辐射室高度方向受燃烧器 和火焰的方向制约，各部位的炉管热流密度仍有差异。 立管箱式炉的辐射室为矩形、炉管是垂直的。这种炉型的辐射管垂直布置， 节省了占地面积和对流炉管长。其辐射管可布置在加热炉对流室安放在炉顶或炉 侧面。立管箱式炉炉膛热密度大，适用于大型加热炉【2 5 】。 加热炉在炼油厂占有重要地位。一般用作炼油厂加热炉的燃料约占全厂原油 加工量的5 一8 。在炼油装置中，加热炉的建设费用占总建设费用的2 0 左右，是 总设备制造费用的3 0 以上。加热炉作为整个常减压装置的组成部分之一，它工作 的正常与否以及控制质量的好坏，将直接影