模糊控制在無(wú)位置反饋再生氣加熱爐上的應(yīng)用

，

（1.中油管道機(jī)械制造有限責(zé)任公司 儀表及撬裝設(shè)計(jì)研究所，河北 廊坊 065000；2.華北電網(wǎng)廊坊供電公司 調(diào)度所，河北 廊坊 065000）

1 引言

石油號(hào)稱“工業(yè)的血液”，在世界的任何角落，石油是必不可少的。加熱爐是長(zhǎng)輸管道和油田生產(chǎn)中廣泛使用的設(shè)備，在石油長(zhǎng)輸管道以及油田生產(chǎn)中占有重要的地位。再生氣加熱爐是常見(jiàn)的加熱爐之一，以天然氣為被加熱介質(zhì)，大多采用管式直接加熱方式，將天然氣加熱到200～300℃后進(jìn)入分子篩脫水。燃燒器是加熱爐的核心組成部分，按控制方式分為兩段式和比例式2類，其中比例式可控性強(qiáng)。比例式燃燒器可選配滑動(dòng)式反饋電位計(jì)，用以指示燃燒器負(fù)荷大小。但是滑動(dòng)式反饋電位計(jì)存在著價(jià)格高、易受干擾、易損壞等缺陷，給加熱爐日常運(yùn)行和維護(hù)帶來(lái)不便。模糊控制是在總結(jié)人類自然語(yǔ)言概念、操作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，模仿人類智能的一種控制方法［1］。利用累計(jì)下來(lái)的操作經(jīng)驗(yàn)，不依賴精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)加熱爐系統(tǒng)采取模糊控制，有望達(dá)到良好的效果。

2 被控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1 再生氣加熱爐結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of resurgent gases furnace

再生氣加熱爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。爐體包括輻射室、對(duì)流室、煙囪等，下部為輻射室，上部為對(duì)流室和煙囪，立式布置，底燒式結(jié)構(gòu)。再生氣先進(jìn)入對(duì)流室，再進(jìn)入輻射室，充分換熱，熱效率可達(dá)80%以上。燃燒器是加熱爐的核心組成部分，幾大常見(jiàn)品牌有：Baltur、Oilon、Saacke、Weishaupt等。本系統(tǒng)采用的是Baltur TBG120LX ME燃?xì)獗壤饺紵鳎ㄒ韵潞?jiǎn)稱TBG120）。TBG120燃?xì)饬亢椭硷L(fēng)量均由蝶閥控制，分別由兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。TBG120配備Dungs MPA 22電子式程控器，控制燃燒器點(diǎn)火、燃料與助燃風(fēng)匹配、安全回路切斷等。TBG120可在助燃風(fēng)門伺服電機(jī)上安裝滑動(dòng)式反饋電位計(jì)，通過(guò)反饋回來(lái)的電阻值來(lái)指示當(dāng)前風(fēng)門的開(kāi)度。由于燃燒器處于室外、風(fēng)門伺服電機(jī)靠近熱源、燃燒器風(fēng)門開(kāi)關(guān)頻繁等因素，滑動(dòng)式反饋電位計(jì)在使用過(guò)程中表現(xiàn)出精度偏低，易受干擾，使用壽命短等缺點(diǎn)，有些站場(chǎng)甚至數(shù)月就需要更換一次。加熱爐是一個(gè)典型大慣性、純滯后、多變量、復(fù)雜時(shí)變系統(tǒng)，而且各工藝參數(shù)間具有強(qiáng)耦合特性［2］。模糊控制不需要知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，能實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性系統(tǒng)的控制，對(duì)對(duì)象參數(shù)的變化有較強(qiáng)的適應(yīng)性［3］。在加熱爐上使用模糊控制有望達(dá)到不錯(cuò)的效果。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)硬件部分實(shí)現(xiàn)起來(lái)很簡(jiǎn)單，控制元件選用 PLC，CPU型號(hào)為西門子S7－200CPU 224XP CN，配備熱電阻輸入模塊EM231CN RTD。用熱電阻測(cè)量再生氣出爐溫度，通過(guò)EM231CN RTD模塊傳給PLC作為系統(tǒng)的輸入，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)輸入Fig.2 The input of the system

系統(tǒng)的輸出部分如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)輸出Fig.3 The output of the system

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及結(jié)論

4.1 定義變量

系統(tǒng)輸入PV（再生氣出加熱爐溫度），SP（再生氣出爐溫度設(shè)定值）。系統(tǒng)輸出U1（開(kāi)風(fēng)門），U2（關(guān)風(fēng)門）。中間變量E＝SP－PV；T1為調(diào)節(jié)周期；DPV＝PVn－PV（n－1），其中PVn代表本調(diào)節(jié)周期的系統(tǒng)輸入，PV（n－1）代表上個(gè)調(diào)節(jié)周期的系統(tǒng)輸入；T2為誤差累計(jì)周期；IE＝En＋E（n－1），En代表本誤差累計(jì)周期的系統(tǒng)誤差，E（n－1）代表上個(gè)誤差累計(jì)周期的系統(tǒng)誤差（只在系統(tǒng)處于NM和PM之間時(shí)累加）；QE誤差累計(jì)臨界值。T3，T4，T5，T6為調(diào)節(jié)風(fēng)門時(shí)間，其中T3＞T4＞T5＞T6。

4.2 模糊化

誤差E的論域如圖4所示。系統(tǒng)要求將再生氣溫度加熱到300℃，控制精度1%。根據(jù)控制要求，論域中各標(biāo)記取值如下：ENB＝－10，ENM＝－6，ENS＝ －3，EZO＝0，EPS＝3，EPM＝10，EPB＝30，其劃分的區(qū)間分別用E1到E8表示。

圖4 誤差論域Fig.4 The universe of discourse of error

圖5為溫度變化速率DPV的論域。根據(jù)燃燒器熱負(fù)荷和加熱爐熱效率，將各標(biāo)記值取值如下：DNB＝－3，DNM＝－1.5，DNS＝－0.5，DZO＝0，DPS＝0.5，DPM＝1.5，DPB＝3，其劃分的區(qū)間分別用D1到D8表示。

圖5 溫度變化速率論域Fig.5 The universe of discourse of temperature variance ratio

4.3 規(guī)則庫(kù)

規(guī)則庫(kù)語(yǔ)句定義如下。升溫階段：1）E≥EPB，伺服電機(jī)控制風(fēng)門完全打開(kāi)。2）EPM≤E＜EPB，控制溫度變化速率在1.5℃／min到3℃／min之間。當(dāng)DPV≥3℃／min時(shí)，關(guān)風(fēng)門T3；當(dāng)0.5℃／min≤DPV≤1.5℃／min時(shí)，開(kāi)風(fēng)門T5；當(dāng)0≤DPV≤0.5℃／min時(shí)，開(kāi)風(fēng)門T4；當(dāng)DPV≤0，開(kāi)風(fēng)門T3。3）EPS≤E＜EPM，控制溫度變化速率在0.5℃／min到1.5℃／min之間。當(dāng)DPV≥3℃／min時(shí)，關(guān)風(fēng)門T3；當(dāng)1.5℃／min≤DPV≤3℃／min時(shí)，關(guān)風(fēng)門T4；當(dāng)0≤DPV≤0.5 ℃／min時(shí)，開(kāi)風(fēng)門T5；當(dāng) －0.5℃／min≤DPV≤0時(shí)，開(kāi)風(fēng)門T4；當(dāng)DPV≤－0.5℃／min時(shí)，開(kāi)風(fēng)門T3。4）EZO≤E＜EPS，控制溫度變化速率保持在0.5℃／min以內(nèi)。當(dāng)DPV≥3℃／min時(shí)，關(guān)風(fēng)門T3；當(dāng)1.5℃／min≤DPV≤3℃／min時(shí)，關(guān)風(fēng)門T4；當(dāng)0.5℃／min≤DPV≤1.5 ℃／min時(shí)，關(guān)風(fēng)門T5；當(dāng) －0.5℃／min≤DPV≤0 時(shí)，開(kāi)風(fēng)門T5；當(dāng) －1.5℃／min≤DPV≤－0.5℃／min時(shí)，開(kāi)風(fēng)門T4；當(dāng)DPV≤－1.5℃／min時(shí)，開(kāi)風(fēng)門T3。降溫階段規(guī)則與升溫階段相同，只是開(kāi)關(guān)風(fēng)門動(dòng)作相反。在此調(diào)節(jié)規(guī)則基礎(chǔ)上引入誤差累計(jì)臨界值QE，將誤差累計(jì)值與臨界值比較來(lái)限制誤差控制精度范圍內(nèi)的系統(tǒng)輸出。當(dāng)系統(tǒng)誤差處于ENS和EPS之間時(shí)開(kāi)始計(jì)算累計(jì)誤差I(lǐng)E，如果IE＞QE，說(shuō)明穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)溫度未達(dá)到設(shè)定點(diǎn)的時(shí)間偏多，則DNS＜DPV＜DPS時(shí)禁止關(guān)風(fēng)門；如果IE＜－QE，說(shuō)明穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)溫度超過(guò)設(shè)定點(diǎn)的時(shí)候偏多，則DNS＜DPV＜DPS時(shí)禁止開(kāi)風(fēng)門。根據(jù)規(guī)則庫(kù)語(yǔ)句定義制定模糊控制規(guī)則表如表1所示。其中“＋”代表開(kāi)風(fēng)門，“－”代表關(guān)風(fēng)門，“0”代表風(fēng)門不動(dòng)作。

表1 模糊控制規(guī)則表Tab.1 Rule list of fuzzy control

4.4 解模糊化

1）通過(guò)觸摸屏向PLC輸入系統(tǒng)的設(shè)定值SP，調(diào)節(jié)周期T1，誤差累計(jì)周期T2，風(fēng)門調(diào)節(jié)時(shí)間T3，T4，T5，T6，誤差累計(jì)臨界值QE，誤差標(biāo)記值，溫度變化速率標(biāo)記值。2）在PLC的每個(gè)掃描周期內(nèi)計(jì)算系統(tǒng)誤差E。在每個(gè)調(diào)節(jié)周期T1內(nèi)計(jì)算溫度變化速率DPV，并將其換算成℃／min。在每個(gè)誤差累計(jì)周期T2內(nèi)且誤差ENS＜E＜EPS時(shí)計(jì)算誤差累計(jì)值IE。3）根據(jù)誤差標(biāo)記值和溫度變化速率標(biāo)記值確定E和DPV在論域上的隸屬關(guān)系，并置位相應(yīng)的標(biāo)識(shí)位（如E3、D5）。將IE與QE比較，當(dāng)IE≤QE時(shí)，置QE1位為“1”；當(dāng)IE≥－QE時(shí)，置QE2位為“1”。4）依據(jù)模糊控制規(guī)則表編制開(kāi)負(fù)荷控制程序、關(guān)負(fù)荷控制程序分別如圖6、圖7所示。5）系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)根據(jù)PV值的曲線調(diào)整各參數(shù)值，調(diào)整后的參數(shù)如下：SP依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，一般設(shè)定為280℃，T1＝30s，T2＝20s，T3＝1.2s，T4＝0.8s，T5＝0.4s，T6＝0.2s，QE＝8.7℃。

圖6 開(kāi)負(fù)荷控制程序Fig.6 The control program to increase load

圖7 關(guān)負(fù)荷控制程序Fig.7 The control program to decrease load

采用模糊控制，對(duì)比例式燃燒器采用開(kāi)關(guān)控制，避免使用反饋電位計(jì)和伺服放大板，達(dá)到了較好控制效果，同時(shí)減少了日常運(yùn)行維護(hù)的工作量和成本。站場(chǎng)運(yùn)行1a來(lái)系統(tǒng)穩(wěn)定未出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題。但是程序可讀性不夠高，調(diào)試過(guò)程較為繁瑣，而且該程序沒(méi)有自我學(xué)習(xí)功能，當(dāng)站場(chǎng)條件發(fā)生較大改變時(shí)需要重新設(shè)置參數(shù)，有待改進(jìn)。

［1］李慧，安幼林，李晨.基于COM組件的開(kāi)放式故障診斷系統(tǒng)框架研究［J］.儀表技術(shù)，2009（4）：36－38.

［2］黃翼虎.長(zhǎng)輸原油管道加熱爐自控技術(shù)的研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2005.

［3］樊丁，于普文，吳琪華.模糊控制理論在航空渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.航空學(xué)報(bào)，1993，4（4）：145－152.