加热炉先进控制系统设计

1、目录摘要ABSTRACT第1章引言1.1 题目的背景1.2 研究现状概述1.3 题目的意义第2章2.1 .加热炉的概况2.2 先进控制概况第3章加热炉先进控制设计方案3.1 延迟焦化加热炉工艺简介3.2 常规控制方案以及存在的问题3.3 研究内容及预期目标3.4 先进控制方案设计3.5 预测函数控制原理3.6 运用MATLAB进行仿真分析3.7 加热炉先进控制在DCS上实现第4章总结加热炉先进控制系统设计摘要加热炉是炼油化工生产过程中常用的换热设备。作为炼油化工生产的关键设备，加热炉的控制是实现“安、稳、长、满、优”生产操作的关键。但由于加热炉的控制与其上下游的生产过程密切相关，受各种不确定因

2、素和过程干扰的影响较大，难以获得满意的控制效果。针对采用常规控制出口温度波动大，燃烧状况差等现状，将预测函数控制（PFC）应用于加热炉控制中，设计开发了以计算量小，鲁棒性强的预测函数控制为核心算法，辅以前馈，反馈控制的延迟焦化加热炉先进控制系统。其中分别对加热炉出口温度，烟道内的氧含量和炉膛负压先行先进控制。在MATLAB的Simulink中进行系统仿真实验。并以CS3000集散控制系统（DCS）为开发平台，充分利用DCS自带的各种常规控制模块，运算和逻辑模块进行控制算法的组态，实现先进控制的各种功能。它可以克服各种扰动的影响，使被控变量保持在工艺所允许的范围内平稳运行。先进控制系统投运以来，

3、提高了该加热炉的平稳性，增强了鲁棒性，改善了燃烧状况，提高了热效率，稳定了产品质量。关键词：加热炉；延迟焦化；先进控制；预测函数控制第1章绪论1.1 背景加热炉是炼油化工生产过程中常用的换热设备作为炼油化工生产的关键设备，加热炉的控制是实现“安、稳、长、满、优”生产操作的关键。实施加热炉先进控制，实现其长期平稳、优化操作对进一步提高企业经济效益具有重要的现实意义。但由于加热炉的控制与其上下游的生产过程密切相关，受各种不确定因素和过程干扰的影响较大，难以获得满意的控制效果。例如在炼油工业中加热炉的生产装置中，大部分的执行机构采用的都是蝶阀。由于这些阀门具有严重的非线性特性，使得加热炉常规的PID

4、控制很难投用。如烟道内的氧含量控制，炉膛负压控制等。着是因为常规的PID控制很容易导致这些蝶阀进入非线性操作区域，进而造成加热炉操作的不平稳，甚至引起事故。1.2 现状概述目前有许多关于加热炉的控制方案。其中毕嘉宾1利用PLC来实现对大型加热炉的控制。在这之前，加热炉的调节指标较差，应用PLC自动控制系统后，具出炉温度的稳态误差达到了预期目标。许志军2提出了在加热炉控制中应用SCADA系统。系统控制中着重解决了氧量控制问题、网络问题及系统干扰等问题，可以实现加热炉原油出炉温度控制、显示、事故追忆、系统联锁保护及网络功能。常富明网设计了熔盐加热炉控制系统，其中着重阐述了熔盐的温度控制系统、重油与

5、助燃风比值控制系统和盘管预热控制系统。罗真4在加热炉控制系统中采用了DYZR型电液执行。使加热炉控制系统的抗干扰能力有所提高。由于加热炉的控制受各种不确定因素和过程干扰的影响相对较大，所以难以获得满意的控制效果。针对这种情况，WangWei5提出了用于加热炉控制的一种混合监督控制方法。张智杰6在加热炉控制中采用了LOGO。他在加热炉控制系统的设计过程中充分利用了LOGO的各功能模块，不仅满足了设计要求，还可以方便、快捷地实现控制目的。针对加热炉比率控制系统控制对象的数学模型难以建立，贺勇7采用了P-Fuzzy-P控制对煤气加热炉进行控制，用这种新型的比例-模糊-PI控制方法解决这一系列难题，效

6、果也比较理想。针对PID调节难以实现多输入、多输出，非线性复杂系统对快速性、控制精度高的要求。Abilov网采用模糊控制思想实现了炼油加热炉的温度控制。采用模糊控制技术与常规PID控制相结合，实现加热炉各段温度设定值自修正、各段炉温自协调、各参数在线自整定的自寻优最佳燃烧控制。TimothyAV9采用动态热传导分析的方法，将整个加热炉内区域细分成一系列节点，通过分析各节点的热交换机理的方法对温度进行控制。王子威10在圆筒加热炉控制系统中，采用了常规控制与热效率在线自寻最优控制相结合的方法，组成加热炉热效率最优控制系统。控制过程主要是瓦斯流量热平衡控制和过剩空气系数最优控制。实际应用表明，所设计

7、系统方案简单，控制稳定，干扰抑制能力有所提高。1.3 加热炉先进控制的意义近年来，虽然有许多关于加热炉的控制方法，但其中仍然存在一些不足，如稳定性和鲁棒性较差，动态和静态控制精度较低，无法满足工艺的要求。为此，针对加热炉控制目前存在的问题，在前人研究工作的基础上，进一步展开加热炉先进控制策略的研究。针对出现的问题，根据其工艺特点建立了先进控制系统，采用鲁棒性强、易于工程实施的预测函数控制策略，在CS300Q|i散控制系统（DCS）中实现了加热炉的先进控制，它可以克服各种扰动的影响，使被控变量保持在工艺所允许的范围内平稳运行。所设计的先进控制系统提高了该加热炉的平稳性，改善了燃烧状况，提高了热效

8、率，稳定了产品质量。第2章综述2.1加热炉概况2.1.1加热炉在炼油化工生产中常见的加热炉是管式加热炉。其形式可以分为箱式、立式和圆筒炉三大类。对于加热炉，工艺介质受热升温或同时进行汽化，起温度的高低会直接影响后一工序的操作工况和产品质量。当炉子温度过高时，会使物料在加热炉内分解，甚至造成结焦而烧坏炉管。加热炉的平稳操作可以延长炉管使用寿命。因此，加热炉出口温度必须严加控制。加热炉是传热设备的一种，同样具有热量传递过程。热量通过金属管壁传给工艺介质，因此它们同样符合导热与对流传热的基本规律。但加热炉属于火力加热设备，首先有燃料的燃烧产生炽热的火焰和高温的气流，主要通过辐射传热将能量传给炉壁，然

9、后由炉壁传给工艺介质，工艺介质在辐射室获得的热量约占总热负荷的70%80%,而在对流段获得的热量约占热负荷的20%30%。因此加热炉的传热过程比较复杂，想从理论上获得对象特性是很困难的。加热炉的对象特性一般基于定性分析和实验测试获得，从定性角度出发，可以看出其传热过程为：炉膛炽热火焰辐射给炉管，经过传导，对流传给工艺介质。所以与一般传热对象一样，具有较大的时间常数和纯滞后时间。特别是炉膛，它具有较大的热容量，故滞后更为显著，因此加热炉属于一种多容量的被控对象。根据若干实验测试，并做了一些简化，可以用一阶环节加纯滞后来近似，其时间常数和纯滞后时间与炉膛容量大小及工艺介质停留时间有关。炉膛容量大，

10、停留时间长，则时间常数和纯滞后时间大，反之亦然。2. 1.2加热炉常见控制方案1单回路控制方案（1）扰动分析加热炉的最主要控制指标往往是工艺介质的出口温度，此温度为控制系统的被控变量，而操纵变量为燃料油或燃料气的流量。对于不少加热炉来说，温度控制指标要求相当严格，例如允许被动范围±（12）C。影响窟的出口温度的扰动因素有：工艺截止进料的流量、温度、组分，燃料方面有燃料油（或气）的压力、成分、燃料油的物化情况，空气过量情况，喷嘴的阻力，烟囱抽力等。在这些扰动因素中有的是可控的，有的是不可控的。为了保证加热炉出口稳定，对扰动应采取必要的措施。（2）单回路控制系统的分析例：某一燃油加热炉控

11、制系统，起主要控制系统是以加热炉出口温度为被控变量，燃料油流量为超重变量组成的单回路控制系统。采用单回路控制系统往往很难满足工艺要求，因为加热炉需要将工艺介质（物料）从几十度升温到数百度，其热负荷很大。当燃料油（或气）的压力或热值（组分）有波动时，就会引起炉出口温度的显著变化。采用单回路控制时，当加热量改变后，由于传递滞后和测量滞后较大，控制作用不及时，而使炉出口温度波动较大，满足不了工艺生产要求。因此单回路控制系统仅适用于下列情况：1对炉出口温度要求不十分严格；2外来扰动缓慢而较小，且不频繁；3炉膛容量较小，既滞后不大。2审级控制方案为了改善控制品质，满足生产的需要，石油化工和炼油厂中的加热

12、炉大多采用审级控制系统。加热炉的审级控制方案，由于扰动因素以及炉子形式不同，可以选择不同的副变量。加热炉用级控制的形式，主要有以下几种：1炉出口温度对炉膛温度的审级控制；2炉出口温度对燃料油（或气）流量的审级控制；3炉出口温度对燃料油（或气）阀后压力的审级控制；4采用压力平衡式控制阀（浮动阀）的控制。例：加热炉出口温度和炉膛温度的审级控制当受到扰动因素例如有燃料油的压力，热值和烟囱抽力等作用后，首先将反映炉膛温度的变化，以后在影响到炉出口温度，而前者滞后远较后者小。根据测试，前者仅为3MIN,而后者长达15MIN。采用炉出口温度和炉膛温度审级后，就把原来滞后的对象一分为二，副回路起超前作用，能

13、使这种扰动因素影响到炉膛温度时，就迅速采取控制手段，这将显著改善控制质量。这种审级控制方案对下述情况更为有效。1热负荷较大，而热强度较小。即不允许炉膛温度有较大波动，以免影响设备。2当主要扰动是燃料油或气的热值变化时，其他审级控制方案的内环无法感受。3在同一个炉膛内有两组炉管，同时加热两种物料。此时虽然仅控制一组温度，但另一组亦较平稳。由于把炉膛温度作为副变量，因此采用这种方案时还应注意下述几方面。1应选择有代表性的炉膛温度检测点而且要反映快，但选择时较困难，特别对圆筒炉。2为了保护设备炉膛温度不应有较大波动，所以在参数整定时，对于副控制器不应整定的过于灵敏且不加微分作用。3由于炉膛温度较高，

14、测温元件及其保护套管材料必须耐高温。2.2先进控制概况2.2.1 自适应控制自适应控制可以看作是一个能根据环境变化智能调节自身特性的反馈控制系统以使系统能按照一些设定的标准工作在最优状态。一般地说，自适应控制在航空、导弹和空间飞行器的控制中很成功。可以得出结论，传统的自适应控制适合（1）没有大时间延迟的机械系统；（2）对设计的系统动态特性很清楚。但在工业过程控制应用中，传统的自适应控制并不如意。PID自整定方案可能是最可靠的，广泛应用于商业产品，但用户并不怎么喜欢和接受。传统的自适应控制方法，要么采用模型参考要么采用自整定，一般需要辨识过程的动态特性。它存在许多基本问题（1）需要复杂的离线训练

15、；（2）辨识所需的充分激励信号和系统平稳运行的矛盾；（3）对系统结构假设；（4）实际应用中，模型的收敛性和系统稳定性无法保证。另外，传统自适应控制方法中假设系统结构的信息，在处理非线性、变结构或大时间延迟时很难。2.2.2 鲁棒控制鲁棒控制是一个着重控制算法可靠性研究的控制器设计方法。鲁棒性一般定义为在实际环境中为保证安全要求控制系统最小必须满足的要求。一旦设计好这个控制器，它的参数不能改变而且控制性能保证。鲁棒控制方法，是对时间域或频率域来说，一般假设过程动态特性的信息和它的变化范围。一些算法不需要精确的过程模型但需要一些离线辨识。一般鲁棒控制系统的设计是以一些最差的情况为基础，因此一般系统

16、并不工作在最优状态。鲁棒控制方法适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用，同时过程的动态特性已知且不确定因素的变化范围可以预估。飞机和空间飞行器的控制是这类系统的例子。过程控制应用中，某些控制系统也可以用鲁棒控制方法设计，特别是对那些比较关键且（1）不确定因素变化范围大；（2）稳定裕度小的对象。但是，鲁棒控制系统的设计要由高级专家完成。一旦设计成功，就不需太多的人工干预。另一方面，如果要升级或作重大调整，系统就要重新设计。2.2.3 预测控制预测控制或称为模型预测控制（MPC）是仅有的成功应用于工业控制中的先进控制方法之一。各类预测控制算法都有一些共同的特点，归结起来有三个基本特征：（1）预测模

17、型，（2）有限时域滚动优化，（3）反馈校正。这三步一般由计算机程序在线连续执行。预测控制是一种基于预测过程模型的控制算法，根据过程的历史信息判断将来的输入和输出。它强调模型的函数而非模型的结构，因此，状态方程、传递函数甚至阶跃响应或脉冲响应都可作为预测模型。预测模型能体现系统将来的行为，因此，设计者可以实验不同的控制律用计算机仿真观察系统输出结果。预测控制是一种最优控制的算法，根据补偿函数或性能函数计算出将来的控制动作。预测控制的优化过程不是一次离线完成的，是在有限的移动时间问隔内反复在线进行的。移动的时间间隔称为有限时域，这是与传统的最优控制最大的区别，传统的最优控制是用一个性能函数来判断全

18、局最优化。对于动态特性变化和存在不确定因素的复杂系统无需在全局范围内判断最优化性能，因此这种滚动优化方法很适用于这样的复杂系统。预测控制也是一种反馈控制的算法。如果模型和过程匹配错误，或者是由于系统的不确定因素引起的控制性能问题，预测控制可以补偿误差或根据在线辨识校正模型参数。虽然预测控制系统能控制各种复杂过程，但由于其本质原因，设计这样一个控制系统非常复杂，要有丰富的经验，这也是预测控制不能预期那样广泛得到应用的主要原因。预测控制适用于先进过程控制（APC）和监督控制场合，其控制输出作用主要是跟踪设定值的变化。但预测控制并不能很好地处理调节控制难题。2.2.4 最优控制最优控制是现代控制理论

19、的一个重要组成部分。成功应用于航天航空和军事领域，在许多方面改变了人们的生活。一个典型的最优控制问题描述如下：被控系统的状态方程和初始条件给定，同时给定目标函数。然后寻找一个可行的控制方法使系统从输出状态过渡到目标状态，并达到最优的性能指标。动态规划、最大值原理和变分法是最优控制理论的基本内容和常用方法。庞特里亚金极大值原理和贝尔曼动态规划是在约束条件下获得最优解的两个强有力的工具，应用于大部分最优控制问题。在实际应用中，最优控制很适用于航天航空和军事等领域，例如空间飞行器的登月、火箭的飞行控制和防御导弹的导弹封锁。工业系统中也有一些最优控制的应用，例如生物工程系统中细菌数量的控制等。然而，绝

20、大多数过程控制问题都和流量、压力、温度和液位的控制有关，用传统的最优控制技术来控制它们并不合适。2.2.5 智能控制智能控制是现代控制技术的又一个重要领域。关于智能控制有不同的定义。参考一个应用各种人工智能技术的范例，智能控制可以包括如下几种方法：（1）学习控制系统；（2）专家系统；（3）模糊控制；（4）神经网络控制。学习控制系统学习控制系统采用模式识别技术获得控制回路当前的状态，然后根据回路状态和储存的历史信息和经验知识作出控制决定。由于学习控制系统受储存的知识的限制，它至今还没有得到广泛的应用。专家系统专家系统是根据专家系统技术，使用一个知识库来作出控制决定的。知识库由专家的经验知识，在线

21、获得的系统信息和推理机组成。由于专家系统的知识以符号表示而且总是离散的，因此它适用于生产计划、调度和故障诊断等决策问题。但不适用于解决连续控制问题。模糊控制与学习控制系统和专家系统不同，模糊控制是模糊推理和控制技术相结合的产物。用模糊集合和模糊概念描述过程系统的动态特性，以数学公式的形式来代表系统的信息或经验知识。根据模糊集和模糊逻辑来作出控制决策。虽然模糊控制在解决复杂控制问题方面有很大的潜力，但是其设计过程复杂而且要求具备相当的专业知识。另外，由于没有许多基本的数学运算，所以模糊数学不属于数学领域的范畴。例如，模糊控制中并不一定存在加法的逆。因此，解一个模糊方程很困难，而传统控制理论和应用

22、中解微分方程是最基本的。所以，缺乏好的数学工具是模糊控制需要克服的根本问题。神经网络控制神经网络控制是一种使用人工神经网络的控制方法。因为人工神经网络是建立在强有力的数学基础上，所以它有很大的潜力，这个数学基础包括了各种各样的已被充分理解的数学工具。在无模型自适应控制器中人工神经网络也是一个重要组成部分。随着社会的发展，目前以有许多种先进控制算法。这里采用了计算量小，鲁棒性强的预测函数控制为核心算法，辅以前馈，反馈控制对延迟焦化加热炉进行先进控制。第3章加热炉先进控制系统设计3.1 延迟焦化加热炉工艺简介加热炉是炼油化工生产过程中常用的换热设备。延迟焦化加热炉其中比较重要的一种。在炼油工业中加

23、热炉的生产装置中，大部分的执行机构采用的都是蝶阀。由于这些阀门具有严重的非线性特性，常规的PID控制由于抗干扰性，鲁棒性比较差，但往往满足不了工艺的要求。焦化装置的生产操作和其他炼油装置（如常减压，催化裂化等）有所不同，其属于半连续半间歇的操作模式。所谓半连续半间歇是指装置的生产过程的间歇的，也就是采用一炉两塔的工作方式。而焦碳这种频繁预热和切换，使得总塔顶回到分储塔底的油气量在一段时间内明显减少，导致分储塔底循环油的温度下降，进而导致炉辐射进料温度的变化，从而影响了加热炉控制的平稳性。基本工艺流程如图3.1去南科寮删节司与DRE。串击一去点科柳酥网|7»169| "ICd

24、)T&JI13S中砧一七ITW1BEI _,EDO Lrm曜 49 L. E：rnfsiDd二,界炉-10373ST101/&. 6图3.1加热炉工艺流程图焦化加热炉F101/3,系立管式加热炉，主要任务是对原料渣油、分储塔底循环油迅速加热，为原油的进一步深加工提供原料。燃料主要是自产的高压瓦斯气，从南北两侧分两路进入加热炉。原料渣油从南北两侧分两路送入加热炉对流室预热至330c左右（南侧TR8152331C,北侧TR8153334C）,之后合并进入分储塔（T102）底，与焦炭塔顶来的油气接触并传热传质，原料中轻组份蒸发，上升至精储段进行分离，而原料中蜡油以上储分与来自焦炭塔顶

25、油气中被冷凝的重组份一起流入塔底。约360c（TR8121）的分储塔底油经加热炉辐射进料泵（P102/3）分两路送至加热炉辐射室迅速加热至495C（南侧TRC8103北侧TRC8105,之后进入焦炭塔（T101/5、6）进行裂解反应。3.2 常规控制方案以及存在的问题从工艺流程我们可看到，加热炉作为原料的加热设备，其控制的平稳性将会影响到整个装置的平稳性。而在保证加热炉安全操作条件下，炉出口温度是一个非常重要的控制指标。焦化加热炉出口温度的高低会直接影响后续工序的操作工况和产品质量，炉出口温度过高会使原料在加热炉内分解，甚至会造成结焦而烧坏炉管；炉出口温度过低会使原料后续反映不完全，影响产品的

26、产量和质量，因此，焦化加热炉出口温度必须严格加以控制。然而，由于焦化装置的焦碳塔间歇操作特点，使得影响炉口温度的干扰因素较多，如原料的进料流量、温度的波动，进入炉膛的空气量的大小、预热后的空气温度波动，焦碳塔的预热和切换，燃料压力和热值的变化等等。其中许多干扰因素是随机的、不可控的。在这些扰动作用下，仅仅采用常规的PID控制或PID用级控制的控制效果往往难以在跟踪性，鲁棒性及抗干扰性方面达到满意的要求。加热炉原有控制方案是根据炉出口温度的变化通过PID控制器直接调节燃料阀，通过改变进炉燃料瓦斯流量来保持出口温度的稳定。但由于没有考虑辐射进料温度波动以及进料流量变化对出口温度的影响，导致在焦炭塔

27、预热切换时，加热炉的出口温度波动较大。另外，加热炉作为装置的能耗大户，具优化、节能控制对整个装置平稳、长周期运行以及节能有着十分重要的意义。判断加热炉是否节能的主要指标是炉膛负压和烟气中的氧含量。在保证加热炉安全运行的条件下，烟气氧含量则成为了最重要的热效率指标，其主要体现在过剩空气系数上，过剩空气系数为实际进入炉内的空气量与理论空气量之比。氧含量越高，过剩空气系数越大，通过烟气排入大气的热量就越多，热效率就越低。同时，氧含量越低，燃料燃烧不完全，烟气中带走大量一氧化碳，热效率也会下降。因此，氧气含量既要足够使燃料充分燃烧，又不能过剩太多，即应处于低氧燃烧状态。目前加热炉烟气氧含量控制仍采用手

28、动调节，即根据烟道氧含量测量值，手动调节变频鼓风机风门的开度，来保持氧含量在工艺指标规定的范围内。这种调节手段显然无法保证加热炉的最佳燃烧状态，能耗较大，即便是采用常规的单回路控制也无法做到。原因是常规调节手段没有考虑到各种干扰对氧含量的影响。其中对氧含量影响最直接的扰动是燃料量变化。实际运行过程中，当燃料量变化时，空气量也应该随着相应的变化，以保持一定的空气一一燃料比，这样氧含量才能维持在规定的范围内，处于最佳燃烧状态。但是空气量随燃料量变化存在较大滞后，使得只有在检测到氧含量变化时，空气量才开始变化，这大大影响了加热炉的燃烧状况。炉膛压力控制系统是加热炉优化运行的一个重要指标。在加热炉最佳

29、燃烧的基础上，一般采取调节烟道闸板的开启度来实现炉膛压力的控制。这种方法的前提条件是炉膛压力的采样点要准确，因为炉膛压力在炉膛内部是不均匀分布的，采样点选取不当会最终影响控制精度。炉膛压力的常规控制方法主要有定值控制系统、前馈反馈控制系统等。这些控制方通常是经典的PID控制，但往往达不到控制要求，其主要原因是：加热炉火嘴的火焰为不稳定的，因此炉膛压力测量值也有波动；炉膛压力检测装置的位置也影响控制精度；它们没有考虑加热炉负荷、进风量、燃料量、环境等干扰因素的影响，导致加热炉无法维持在最佳燃烧状态。3.3 研究内容预期目标3.3.1 焦化加热炉先进控制系统研究内容主要包括以下三个方面。1）加热炉

30、辐射出口温度先进控制；2）氧含量先进控制；3）炉膛负压先进控制；3.3.2 焦化加热炉先进控制系统需达到如下五个控制目标。1）循环油出口温度、加热炉炉膛负压和烟气氧含量等各项被控变量均严格控制在给定指标之内2）被控变量要求波动小，平稳度高。3）加热炉在生产运行中能够最大限度地发挥热效率，从而降低能耗，节约燃料。4）必要情况下，先进控制系统能够实现无扰动切出，恢复加热炉常规控制。5）加热炉先进控制系统具有较强的通用性，能够进一步推广应用于常减压、加氢等其他单炉膛底烧型加热炉。3.3.3 先进控制具有以下特点1）实用性根据工艺操作特点，先进控制策略利用CS3000系统中自带的模块组态实现。充分考虑

31、了现场技术人员和操作人员的需要和建议，所设计的系统用户界面简洁明了，操作方便。整个方案具有较高的系统可靠性、可实现性和易操作性。2）先进性采用先进的模型化方法、预测控制、规则控制等技术，所形成的先进控制策略具有较好的自适应能力，并易于维护和扩展。3.4 先进控制方案设计F101/3加热炉先进控制系统主要包括：炉出口温度、烟气氧含量、炉膛负压、先进控制子系统。涉及前馈、反馈、用级等多种控制结构，以具有高效、实用、计算量小等特点的预测函数控制为核心算法，利用DCS自带的基本运算模块进行组态、编制控制算法，实现加热炉先进控制。如图3.2加热炉先进控制系炉出口温度控制烟气氧含量控制炉膛负压控制子系统子

32、系统图3.2F101/3加热炉先进控制系统结构图先进控制系统的基本控制策略3.4.1 出口温度先进控制子系统（流程图如图3.2）分为南北两路：TRC8103、TRC8105。以TRC8103为例进行说明。控制方案原有控制方案单回路PID控制。控制方块图如下:图3.2原有控制方法结构图出口温度ToTR8121和进料流量该控制方法根据炉出口温度To的变化直接调节瓦斯阀门的开度，改变瓦斯流量FRQ8120,以保持出口温度的稳定。但没有考虑辐射进料温度FRC8104变化对出口温度的影响，导致出口温度波动较大。先进控制方案控制方块图如下：图3.3SVTo图3.3炉出口温度（位号:采用以预测函数控制（PF

33、C）为监督层，常规PID控制为控制层的透明控制策略。由于控制层采用频率较高的常规PID控制，可以抑制系统的二次干扰，而PFC具有较强的鲁棒性、抗干扰能力和快速跟踪能力，两者结合的控制效果优于常规PID控制。透明控制结构如图4所示。保留原有PID控制模式不变并作为内层，外层为我们所设计的先进控制器（PFC）,外层是以内层PID闭环回路为控制对象的监督控制，外层先进控制器T3_APC的输出用来修正内层PID控制器TRC8103的设定值，T3_APC的输入SV为工艺要求确定的理想出口温度。为克服辐射进料流量、进料温度对出口温度的影响，引入前馈进行补偿，以提高出口温度的控制精度。当过程出现干扰引起循环

34、油出口温度To发生波动偏离理想设定值SV时，外层的先进控制器T3_APC在线优化得到内层PID温度控制器的设定值MV,通过调节高压瓦斯阀的开度，改变加热炉的加热量，以克服出口温度To的波动。当进料流量FRC8104和进料温度TR8121发生变化时，会引起出口温度To波动。通过引入前馈控制Gff,提前做出补偿。控制指标焦化加热炉循环油出口温度：495i2cC。TRC8105回路的先进控制策略同上。3.4.2 炉膛负压先进控制子系统控制变量（CV）位号：PRC8112A（东侧）、PRC8112B（H侧）操作变量（MV）:东西两侧的烟道挡板由于东西两侧完全一样，故以PRC8112A回路为例进行说明。

35、控制方案原有控制方案炉膛负压是实现加热炉安全燃烧的一个重要指标。由于东西两侧负压间的耦合，使得原有的常规PID控制无法投用。目前采用手动调节烟道挡板开度实现加热炉炉膛负压的控制,如图3.4所示。这种控制方法弊处较多，它没有考虑加热炉负荷、进风量、燃料量、环境等干扰因素的影响，导致加热炉无法维持在最佳燃烧状态。nUMEO152.orI-甲DRfi'lQlO.KLD3HUW甑TRBL54653.T登日巴，磔L班四口.我历1二元-'TH01&3T.DR 口&133,1420344X川”a«州工赳缔L3*炉南仰图3.4炉膛负压系统3,占7 .口口 1图3.5加

36、热炉烟气系统采用带前馈的预测函数控制策略（FPFC）,控制结构如图3.6所示。图3.6炉膛负压（位号：PRC8112A）先进控制结构图pPA APC的输入SV为工艺要求确根据炉膛负压PRC8112A的变化，先进控制器PA_APC计算出烟道挡板的开度MV,来控制炉膛负压。并考虑进风量的变化作为前馈进行补偿。定的理想炉膛负压，Gff为前馈控制器。当检测到炉膛负压PRC8112A变化时，偏离了理想设定值SV,PA_APC根据预测模型在线优化计算得到烟道挡板开度，以改变炉膛负压，使之达到理想设定值。当空气量FR8109发生变化时，通过前馈控制Gff进行补偿，这样使得还没等检测到炉膛负压变化就能提前调整

37、烟道挡板开度，及时稳定炉膛负压在规定的范围内，保证加热炉的最佳运行。控制指标加热炉炉膛负压：-50-10P3PRC8112B回路的先进控制策略同上。3.4.3 烟气氧含量先进控制子系统控制变量（CV）位号：AR8102操作变量（MV）位号：HRC8101控制方案原有控制方案加热炉烟气氧含量是提高热效率，降低能耗的主要指标。目前焦化加热炉烟气氧含量的控制主要通过手动调节风门HRC8101的开度，改变进入加热炉内的风量FR8109来实现。由于加热炉的负荷（处理量）以及油性经常变化，焦炭塔预热、切换引起的炉出口温度To的波动，都会引起燃料量FRQ8120、FRQ8121的变化，这样在进风量FR810

38、9保持不变的情况下，会导致氧含量AR8102的频繁变化，使得加热炉的燃烧状况无法维持在最佳状态。而操作员要经常手调进风量，以维持一定的空燃比。这就是原有手动调节氧含量控制方法的弊端所在。先进控制方案采用带前馈的预测函数控制策略（FPFC）,控制结构如图3.7所示燃料量变化FRQ8120+FRQ8121*Gd'!GffSV氧含量。2%SVMV+.+-一HRC8101风口挡板加热炉*PV根据氧含量AR8102的变化，先进控制器AIR_APC计算出风门挡板的开度MV,改变进入加热炉的进风量，来控制氧含量。同时，将燃料量FRQ8120+FRQ8121作为前馈进行补偿，以克服燃料量变化对氧含量的

39、影响。AIR_APC的输入SV为工艺要求确定的理想氧含量，Gff为前馈控制器。当检测到的氧含量02%发生变化时，偏离了理想设定值SV,先进控制器AIR_APC根据预测模型在线优化得到风门HRC8101的开度MV,进而通过改变进风量控制烟气氧含量AR8102。当燃料量FRQ8120+FRQ8121变化时，通过前馈控制器Gff进行补偿，这样不需要等到检测到氧含量值的时侯，空气量就随着燃料量的变化而变化，提前改变了空燃比，使得燃烧处在最佳状态。控制指标加热炉烟气氧含量：3%5%。3.5 预测函数控制基本原理预测函数控制PFQPredictiveFunctionControl）是基于预测控制原理发展起

40、来的一种新的预测控制技术，具有计算量小，鲁棒性强，对于大纯滞后对象控制效果十分理想等特点。一般预测控制的三个基本特征：预测模型、滚动优化、反馈校正。PFC把控制输出的结构视为确保控制系统性能的关键。它认为在输出频谱有限的情况下，控制输出只能属于一组与设定值参考轨迹和对象性质有关的特定的函数族，这一函数称为基函数。每一时刻的控制输出可看作是由事先选定的若干个基函数的线性组合。通过它们的已知响应合成系统的输出预报值，在此基础上用优化算法求出各个基函数的线性加权系数，进而算出未来的控制输入。1)模型输出假设先进控制算法中预测控制器的预测模型为一阶惯性加纯滞后模型G(s)=kmTmS 1e-ms(3-

41、1)式中:G(S)为对象模型的传递函数，Km、Tm、%分别为对象模型的稳态增益、时间常数和纯滞后时间。在加一个零阶保持器后，可求得模型的差分方程：ym(k+1)=amy(k)+km(1-am)u(k-L)(3-2)式中am=e(工/Tm),Ts为采样周期，L为的整数部分。Ts预测函数控制认为控制输入的结构是确保控制性能的关键。在预测函数控制中，新加入的控制作用被表示为若干已知基函数的线形组合，基函数可取为阶跃函数，斜坡函数等。当设定值在预测时域里变化率小于或等于某一阈值日时，控制输入可取一个基函数，即采用阶跃响应函数。根据阶跃函数和预测函数结构化控制变量的特点，可得u(k+i)=u(k),i=

42、1,2,(3-3)PFC需根据当前已知信息和未来加入的控制量来推导出未来预测时域内过程预测输出值。为此，先假设式(3-2)中的L=0,然后根据式(3-2),(3-3)可得未来W的模型预测输出值：ym(k+p)=a：ym(k)+km(1-am)u(k)(3-4)式中：a：ym(k)为模型的自由响应，Km(1-am)u(k)为模型的强迫响应2)滚动优化取优化性能指标如下h2AminJP='yr(ki)-y(ki)2(3-5)i±1y(k+i尸ym(k+i)+e(k+i)(3-6)其中y(k+i)为预测过程输出，hi,h2为优化时域，ym(k+i)为k+i时刻的模型输出，e(k+i

43、)为预测误差，y(k+i)为k+i时刻的参考轨迹输出，设参考轨迹为如下一阶指数形式yr(k+i尸c(k+i)-订c(k)-yp(k)(3-7)式中九二e(二/Tm),c为设定值，Tr是95%的参考轨迹响应时间，也称柔化系数。3)误差校正实际情况下，由于模型失配、二次输入以及早声的影响，预测模型输出与过程输出之间常存在着误差。为此，对未来优化时域中的误差进行预测，预测的方法有多种，这里未来预测误差取为e(k+i)=yp(k)-ym(k)(3-8)式中ym(k)为k时刻的模型输出，yp(k)为k时刻的过程测量值。4)控制量的求取将式(3-4)代入性能指标式(3-5)中可看到，需要优化求解的参数只有

44、一个u(k),取预测时域为H,优化时域中的hi,h2分别等于H。根据优化性能指标式(3-5)可得yr(k H)=ym(k+H)+ e(k H)(3-9)根据PFC的参考轨迹式(7),则K+H时刻的参考轨迹为y(k+H) =c(k+H) -Hc(k)-yp(k)(3-10)这样，根据(3-8), (3-9), (3-10)可推倒出K时刻的控制输出u(k)u(k)=c(k + h) - 九H c(k) 一 yp(k)(1 -寸)+ ym(k)(1 -a：)Km(1-aH)(3-11)当Lw 0时，参考Smith预估器的思想，PFC仍采用L=0的模型，但要对系统输出进行修正，具 体修正方法为：ypa

45、v(k)=y p(k) ym(k) -ym(k -L)(3-12)为修正后的对象输出值，修正后的预测误差e(k+H)=ypav(k)-ym(k)综合(3-11),(3-12)可得一阶惯性纯滞后过程的预测函数控制输出为HHHc(kh)-c(k)-ypav(k)(1-)ym(k)(1-am)u(k)=Km(1-aH)(3-13)(3-14)3.6运用MATLA进行仿真分析图3.8先进控制仿真系统运用MATLAB中的Simulink中进行系统仿真实验。如图3.8SVrt)1-exptTs/TrrHDotProductsymlj'LjSubsystem检则垓显播最uM)yM)l-expTs/T

46、m/HUPFMSubsystemsDivide图3.10实际过程仿真模型图3.9预测控制器仿真模型广义时尊3.14控制系统仿真参数设置界面图3.11广义对象仿真模型BlockPiarameters:SubsystemSubTytiem(mask)Far»eters采样时间方累牝系数n100预崛域HpoOKCsneelIKelpTimeoffset03.12PFC和PID对比仿真曲线SubsystemGn&sk)BlockParameters:5tBp2StepOutput&step.ParsmetersSteptime：2000Initialvaluft：riFina

47、lvalue：lo-Sampletime：T'Interpretvectcrparajnetersasl-BEnablezarccrussing：detactionOKCancelHelp图3.14参数设置界面图3.15PFC和PID对比仿真曲线在图3.12和3.15中利用先进控制器与常规PID控制器在抗干扰性方面进行了对比研究,可以发现，利用先进控制器使得过程输出到达稳定时间以及干扰存在时的回复时间明显快于常规PID控制器如图3.15所示。图3.16控制系统仿真参数设置界面图3.17PFC和PID对比仿真曲线修改输入信号的参数如图3.16所示。利用先进控制器比常规PID控制器进行对比

48、如图3.17所示。采用PFC控制系统的跟踪性有所提高图3.18控制系统仿真参数设置界面设置实际过程中的广义对象的参数如图3.18所示。当模型失配时，利用先进控制器仍能获得满意的控制效果。先进控制器的鲁棒性强于常规PID控制器。可见基于透明控制结构的预测函数控制的控制性能优于常规PID控制器如图3.19所示。3.7加热炉先进控制在DCS±实现3.7.1 DCS组态图工业过程控制经历了直接数字控制（DDC）到集散型控制系统（DCS）的转变过程。由于DCS组态灵活、扩展方便、可靠性高、危险分散，它综合了计算机技术、网络通讯技术、自动化技术、冗余以及自诊断技术等先进技术，目前已成为一种主流的

49、工业过程控制系统。目前焦化加热炉控制系统已经采用了横河公司的CS3000集散控制系统，该系统直接实现过程控制功能的是现场控制站FCS,它由现场控制单元组成，其中包括常规控制功能模块、顺序控制功能模块等。通过对这些模块的组态，实现逻辑连接，即可实现一定的控制方案。为了降低系统的投资和避免重复建设，充分挖掘DCS自身的强大功能，本课题利用DCS自带的数据运算模块和常规控制模块进行先进控制算法的组态、编程，实现加热炉的先进控制。这种实现方式相对于把先进控制建立在上位机上的方式，更为可靠，工艺技术人员和操作人员更易接受。以加热炉出口温度TRC8103为例，先进控制算法的DCS组态如图3.20所示。炉出

50、口温度先进控制子系统炉出口温度TRC8103先进控制：预测函数控制DLAYiM=髭CPVQ02MMMMM I.N:FRC8104.PV 了：诃 H 3 X 4,F40013二CPV Q01组态说明:L LAG ,LwM滤波处理SF1 CALCU , : 111 F4_D04 c31J1LD LAG b r flrf iL-HH-M-JCPVQIAN KU I OUTPUTQUlWMMMM""TO8121.PV ；匚-M-MKM-H HM-” F4 005.CPV_T MMCPV IN用于存放初始参数CF4_0O3HCALCUL M . KCPV -> TRCglO3,

51、BIM IM啊 到 一W-：T4 004"海、，LDLAG 、 ，卜 IL-hH-lCPVX M-特 乂 T4 005.CPVM_K W工程师接口点操作员接口点预测函数控制器008、T5_008用于计算先进控制器的控制输出(PID控制器的设定值)；006、T5_006用于计算当前k时刻预测模型的输出ym(k);007、T5_007用于计算k-l时刻预测模型的输出ym(k-l);001、T5_001、003、T5_003、004、T5_004、005、T5_005用于计算预测函数控制器的系数前馈补偿控制器F4_005、F5_005-用于计算进料流量FRC8105变化的累计量；T4_00

52、5、TR5_005用于计算进料温度TR8121变化的累计量；F4_004、F5_004用于计算克服进料量FRC8105变化所需的前馈补偿量；T4_004、TR5_004用于计算克服进料温度TR8121变化所需的前馈补偿旦.里；F4_003、F5_003-用于计算总的前馈补偿量数据设定模块TRC8103_INIT、TRC8105_INIT用于控制器初始参数设定；TRC8103_SET1、TRC8105_SET1用于操作参数设定；TRC8103_SET2、TRC8105_SET2用于工程师参数设定实施要点1)无扰动切换将原有常规PID控制模块(TRC8103、TRC8105)、先进控制器输出模块(

53、008、T5_008)设置为具有输出跟踪功能，利用PID模块的CAS端子和AUT端子，即可实现先进控制与常规控制间无扰动切换。2)控制量约束控制量约束主要分为控制幅度的高低限制、变化速度的限制，如式(3-15)、(3-16)所示：umin-u(k)"umax(3-15)一Vmin；U(k)-U(k-1)Vmax(3-16)在计算控制规律之后，按照相应的规则综合考虑取值。3.7.2 焦化加热炉F101/3先进控制系统操作正确的、规范的操作和使用是保证加热炉先进控制系统正常、安全、长期运行的关键。卜面将对如何操作和使用F101/3加热炉先进控制系统进行详细的介绍。先进控制的操作主要包括：先进控制的投用以及切除；先进控制的各种参数的设定和修改。先进控制的操作环境包括：操作员级别