基于模擬鍋爐的串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

翁振斌

摘 要： 以介紹串級控制系統(tǒng)為主題，以北京化工大學(xué)發(fā)明研制的新一代多功能過程與控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)MPCE-1000D為實(shí)驗(yàn)對象，完成了基于MPCE-1000D的串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試。論文就串級控制和單回路控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及由改變參數(shù)整定和增加外部擾動(dòng)，對系統(tǒng)平衡的影響進(jìn)行了比較，闡述了串級控制系統(tǒng)在社會生產(chǎn)實(shí)踐過程中具有不可以代替的作用，以及生產(chǎn)中的過程中采用串級控制的可行性。

關(guān)鍵詞： 串級控制系統(tǒng)； MPCE-1000D； 設(shè)定值階躍干擾； 外部干擾

中圖分類號： TP 271+.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1671-2153（2016）05-0101-04

0 引 言

串級控制系統(tǒng)的起源來自工業(yè)生產(chǎn)過程中日益增長的提高系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求。當(dāng)對象的容量比較大的時(shí)候，或者過程負(fù)荷或干擾變化比較劇烈和頻繁，又或者某些對象具有一定的“非本質(zhì)”非線性，而對控制質(zhì)量要求又比較高時(shí)，可以采用串級控制這種方法[1]。本文首先通過改變原設(shè)定參數(shù)，串級控制系統(tǒng)展現(xiàn)出了良好的性能，只在一個(gè)微小起伏之后回復(fù)到平衡的狀態(tài)，單回路控制系統(tǒng)卻要經(jīng)過連續(xù)的振蕩才可以回復(fù)到平衡狀態(tài)。而后通過對外部施加擾動(dòng)，串級控制系統(tǒng)在很短的時(shí)間內(nèi)又恢復(fù)到平衡狀態(tài)，而單回路控制系統(tǒng)會需要相當(dāng)長的一段時(shí)間才能恢復(fù)到平衡狀態(tài)，這種遲滯的現(xiàn)象在現(xiàn)實(shí)的工業(yè)生產(chǎn)中是非?？膳碌?，易造成較大損失，因此可見串級控制系統(tǒng)的好處，以及在工業(yè)生產(chǎn)過程中采用串級控制系統(tǒng)的重要性[2]。

1 MPCE-1000D實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 本次實(shí)驗(yàn)的總體設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)在北京化工大學(xué)發(fā)明研制的新一代多功能過程與控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)MPCE-1000D平臺上，通過對緩沖罐壓力構(gòu)成的副回路與反應(yīng)釜壓力構(gòu)成的主回路形成串級控制系統(tǒng)，最終將反應(yīng)釜中壓力P7穩(wěn)定在2 MPa，進(jìn)行串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與整定。

1.2 過程說明

圖1為氣體壓縮系統(tǒng)，主要設(shè)備和變量有：透平式氣體壓縮機(jī)，壓縮機(jī)出口壓力P4，出口流量F3，出口雙效閥V3，氣體緩沖罐，罐內(nèi)壓力P5，罐出口流量F4，罐出口雙效閥V4，被充壓的裝置用釜式反應(yīng)器代替，裝置壓力P7，裝置的出口流量為F6，出口雙效閥V6。

1.3 系統(tǒng)開車及正常運(yùn)行

（1）關(guān)閉壓縮機(jī)出口閥V3，低負(fù)荷啟動(dòng)氮?dú)鈮嚎s機(jī)，打開S4開關(guān)；

（2）手動(dòng)緩慢將V3打開到100%，緩沖罐開始充壓；

（3）手動(dòng)緩沖罐出口閥V4打開，開度約80%，反應(yīng)器開始充壓；

（4）手動(dòng)緩慢將反應(yīng)器出口閥V6打開，開度約30%，觀察當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，壓縮機(jī)出口壓力P4，緩沖罐壓力P5，現(xiàn)場設(shè)備壓力P7呈逐級下降趨勢。

2 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與整定

2.1 串級控制系統(tǒng)

系統(tǒng)采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的控制器相串接組成，其中一個(gè)控制器的輸出值作為另一個(gè)控制器的設(shè)定值的系統(tǒng)，稱為串級控制系統(tǒng)。圖2為一個(gè)典型串級控制的系統(tǒng)連接圖。

2.2 換熱器串級控制實(shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)工藝過程描述

通過對緩沖罐壓力構(gòu)成的副回路與反應(yīng)釜壓力構(gòu)成的主回路構(gòu)成串級控制系統(tǒng)，最終將反應(yīng)釜中壓力P7穩(wěn)定在2MPa。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及連接

（1）在上位機(jī)計(jì)算機(jī)中啟動(dòng)測試軟件，選擇并進(jìn)入氣體壓縮工程。

（2）在設(shè)備盤臺上連接線路。

1）把兩根黑色導(dǎo)線將緩沖罐壓力P5以及反應(yīng)釜壓力P7和液晶顯示屏下方第二排6和7號黑孔相連接，使P5、P7在液晶顯示器上第二排以數(shù)字方式顯示；

2）把三根黑色導(dǎo)線分別將氣體入口流量F3、緩沖罐與反應(yīng)釜間流量F4以及反應(yīng)釜出口流量F6，和液晶顯示屏下方第三排11、12、13號黑孔相連，使F3、F4、F6在液晶顯示器上第三排以數(shù)字方式顯示。

2.2.3 控制方案設(shè)計(jì)與組態(tài)

系統(tǒng)中所產(chǎn)生的干擾，主要是由于氣體入口處流量F3的波動(dòng)所造成。該干擾經(jīng)過緩沖罐后，間接的對反應(yīng)釜內(nèi)部的壓力造成影響，整個(gè)過程耗時(shí)較長。這時(shí)如果采用單回路控制，以反應(yīng)釜內(nèi)部壓力P7為被控變量，以開關(guān)V3或開關(guān)V4作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，那么當(dāng)控制器感應(yīng)到反應(yīng)釜內(nèi)部壓力P7有變化時(shí)，再通過控制閥進(jìn)行調(diào)整則耗時(shí)太長。對生產(chǎn)影響較大。而此時(shí)如果采用串級控制，可以在F3存在擾動(dòng)時(shí)，立即利用副環(huán)快速消除該擾動(dòng)，保證應(yīng)釜內(nèi)部壓力P7的穩(wěn)定。

從原則上看，副環(huán)的設(shè)計(jì)可以將緩沖罐壓力P5或氣體流量F3作為副被控變量來設(shè)計(jì)。但是，與F3相比，P5對反應(yīng)釜內(nèi)部壓力P7的影響作用更為直接。同時(shí)，需要注意的是，本實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)前后相互關(guān)聯(lián)的多容系統(tǒng)。緩沖罐對象與反應(yīng)釜對象間存在相互的影響作用。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，兩處壓力將重新進(jìn)行分布。根據(jù)質(zhì)量平衡原理，F(xiàn)3、F4、F6三處流量應(yīng)當(dāng)相等。在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行調(diào)整的動(dòng)態(tài)過程中，氣體流量將出現(xiàn)先高后低（或先低后高）的非單調(diào)劇烈變化。所以，以流量作為副被控變量，會引起控制器大幅振蕩，對現(xiàn)實(shí)中的工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響。綜上所述，選擇P5作為副被控變量，與控制器PIC-02構(gòu)成副環(huán)。具體控制方案和組態(tài)畫面如圖3所示。

2.2.4 控制方案運(yùn)行與調(diào)試

（1）準(zhǔn)備工作。將主、副控制器參數(shù)按照表1進(jìn)行設(shè)置，其余參數(shù)按默認(rèn)值設(shè)定。

（2）將V3和V6和壓縮機(jī)開關(guān)S3設(shè)置如表2所示。

（3）打開PIC-01與PIC-02的控制面板。

2.2.5 控制效果測試

要測試串級控制系統(tǒng)的控制性能，這里通過對設(shè)定值施加階躍干擾和施加外部干擾兩種方式，與單回路控制系統(tǒng)進(jìn)行比對。

（1）設(shè)定值階躍干擾方式。在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后，將主環(huán)控制器PIC-01的設(shè)定值改為2.5 MPa。

（2）外部干擾方式。在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后，將壓縮機(jī)出口閥V3開度由50%增大到70%，使F3流量發(fā)生較大的變化。

3 結(jié)果與分析

在系統(tǒng)壓力發(fā)生改變時(shí)，氣體流量將會發(fā)生大幅變化，并且其趨勢呈現(xiàn)非單調(diào)變化，因此對控制系統(tǒng)的要求比較高，普通的單回路控制系統(tǒng)無法滿足要求。

（1）因?yàn)榫彌_罐的體積遠(yuǎn)小于反應(yīng)釜的體積，所以在時(shí)間常數(shù)與滯后時(shí)間上前者也要遠(yuǎn)小于后者。這為串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用提供了良好的條件。

（2）世隔絕串級控制系統(tǒng)當(dāng)中回路的設(shè)計(jì)，應(yīng)該將盡可能多的干擾包含在副環(huán)控制回路之內(nèi)[3]。副被控變量應(yīng)該選擇與主被控變量有比較大影響的工藝參數(shù)。這里為了避免主、副環(huán)控制器間產(chǎn)生共振，所以副環(huán)可以只使用純比例控制器[4]。

（3）串級控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定過程應(yīng)遵循先副環(huán)后主環(huán)的順序，并且多次重復(fù)進(jìn)行。除衰減曲線法之外，實(shí)際應(yīng)用過程中，也可以通過經(jīng)驗(yàn)法來進(jìn)行多次嘗試整定。調(diào)試后的參數(shù)，要滿足副環(huán)快速反應(yīng)的特點(diǎn)[5]。

（4）串級控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中，要遵循先手動(dòng)后自動(dòng)，先副環(huán)后主環(huán)的順序逐步進(jìn)行。充分利用控制器在手動(dòng)狀態(tài)下，SP值跟蹤PV值，以及在串級控制系統(tǒng)在未串級前，主控制器OP值跟蹤副控制器SP值的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)手、自動(dòng)狀態(tài)的無擾動(dòng)切換，以盡可能地減少對系統(tǒng)的沖擊。

（5）從施加兩種干擾的比對結(jié)果來看，即使在20%的干擾情況下，串級控制系統(tǒng)還是能表現(xiàn)出良好的控制效果。

（6）當(dāng)原先設(shè)定值發(fā)生改變后，串級控制系統(tǒng)的抗干擾能力明顯優(yōu)于單回路控制系統(tǒng)。

（7）采用串級控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)趨于平衡的時(shí)間明顯短于單回路控制系統(tǒng)，說明串級控制系統(tǒng)可以更快的從外界干擾的不平衡回到平衡，而單回路控制系統(tǒng)則需要較長的振蕩時(shí)間，盡管最終也將恢復(fù)到平衡狀態(tài)，但是耗時(shí)過長，并不適合在現(xiàn)實(shí)的工業(yè)生產(chǎn)中使用[6]。

表3為在施加相同階躍擾動(dòng)的時(shí)候（設(shè)定值PI-07改變值相同），對比串級控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間更短，速度更快。而單回路控制系統(tǒng)則需要更長的振蕩時(shí)間來恢復(fù)平衡狀態(tài)。

表4為在施加相同外部擾動(dòng)的時(shí)候（閥門V3開度從50%開大到70%），對比串級控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)無論從最大偏差還是恢復(fù)平衡的調(diào)節(jié)時(shí)間上都明顯優(yōu)于單回路控制系統(tǒng)。

（8）從上述比對實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推斷出：串級控制系統(tǒng)在改變原先設(shè)定參數(shù)值或者受到外界擾動(dòng)后，恢復(fù)到平衡狀態(tài)的時(shí)間要少于單回路控制系統(tǒng)，換句話說，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中選擇串級控制系統(tǒng)是非常有必要性的，也可以下結(jié)論說串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比，其優(yōu)越性非常明顯。

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Abstract： This article previously fed - a new generation of multi-function process control experiment system feedback control system for industrial applications background， Beijing University of Chemical Technology invention developed MPCE-1000D as experimental subjects completed the Design and tuning feedforward control system MPCE-1000D's . Stability of papers on the cascade control and single-loop control system and the role of the changing parameter setting and increased external disturbance， the impact on the balance of the system compared to explain the cascade control system can not be replaced in the process of social production practice and the production process using cascade control is feasible.

Keywords： feed forward control system； MPCE-1000D； set point step disturbance； external interference

（責(zé)任編輯：徐興華）