基于預(yù)測PI和雙重控制的算法在重交瀝青生產(chǎn)中的應(yīng)用

王成，汪文斌

(1. 東華大學(xué)，上海 201620； 2. 四川煙葉復(fù)烤有限公司，四川 成都 610041)

重交瀝青是將原油經(jīng)常減壓蒸餾或殘余物經(jīng)氧化及調(diào)合而制得，具有較好的流動性、熱穩(wěn)定性，持久的粘附性、彈塑性、電絕緣性及抗水性[1]。重交瀝青生產(chǎn)裝置是通過1臺雙開閥，向2根管道內(nèi)注入原料，再進(jìn)行多級換熱蒸餾，以往的換熱工藝是利用循環(huán)水來降低產(chǎn)品的溫度，循環(huán)水所吸收的熱能在冷卻塔中被釋放，造成了資源的浪費(fèi)。本文所采用的工藝是將需要加熱的原料與生產(chǎn)中需要降溫的產(chǎn)品進(jìn)行換熱，以此來達(dá)到熱能的回收，最后換熱結(jié)束后得到的重交瀝青從2根管道流出匯合。而根據(jù)工藝計(jì)算，當(dāng)2根管道的出口溫差達(dá)到某一設(shè)定的數(shù)值[2]，則換熱過程中熱能回收效率最大，能源損失最小。所以控制2根管道的出口溫差是該系統(tǒng)的關(guān)鍵。而生產(chǎn)過程溫度控制是一個大慣性、大滯后的系統(tǒng)，主要采用傳統(tǒng)的PID控制器[3]對其進(jìn)行有效的控制是一個難題。傳統(tǒng)的控制算法在實(shí)際生產(chǎn)過程中無法抑制滯后作用帶來的不利影響，也很難達(dá)到對流量的精準(zhǔn)控制，對溫度和流量的控制都有著很大的超調(diào)和較長的滯后，而且整個系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾性能都不夠好[4]。

本文采用預(yù)測PI與雙重控制算法相結(jié)合的方案，將瀝青生產(chǎn)工藝中的換熱過程看作一個整體，通過控制流量來達(dá)到對溫度的控制。采用雙重控制來滿足流量控制的高精度要求，通過調(diào)節(jié)入口閥門開度和變頻電機(jī)功率來實(shí)現(xiàn)，主控制器即總流量控制器，采用預(yù)測PI控制器來抑制時間滯后，副控制器即平均閥位控制器，則采用慢過程微調(diào)的原則設(shè)計(jì)，通過改變變頻電機(jī)功率來控制流量，但由于該過程屬于快調(diào)節(jié)過程，便通過積分控制器減小增益的方式來減緩調(diào)節(jié)作用[5]，使其有著微調(diào)的效果又不影響整體控制性能。溫度的控制通過控制流量實(shí)現(xiàn)，以出口溫差來調(diào)節(jié)閥門開度，利用流量變化使溫差達(dá)到設(shè)定值。具體控制原理如圖1所示。圖1中流量過程1和流量過程2是指2個流量控制器控制流量；流量1—溫度1和流量2—溫度2是指2根管道的物料經(jīng)過換熱后溫度變化的過程，當(dāng)外界交換熱能數(shù)值固定，影響溫度變化的主要因素就是流量的大小。

圖1 重交瀝青控制方案示意

1 重交瀝青生產(chǎn)控制系統(tǒng)

1.1 工藝流程

原料油自罐區(qū)由進(jìn)料泵送入裝置后，分為兩路分別進(jìn)行換熱，經(jīng)換熱后的原料油進(jìn)入初餾塔，塔頂油氣經(jīng)塔頂空冷器、冷凝器冷卻至40 ℃后進(jìn)入塔頂回流罐。冷卻后從塔頂回流罐抽出，一部分回流注入初餾塔內(nèi)，另一部分作為產(chǎn)品出裝置。初餾塔底重組分經(jīng)塔底泵抽出，通過流量控制進(jìn)入加熱爐1，加熱后進(jìn)入一級分離塔，一級分離塔頂油氣一部分經(jīng)冷卻回流注入一級分離塔內(nèi)，另一部分作為產(chǎn)品出裝置。一級分離塔底油經(jīng)泵抽出后進(jìn)入加熱爐2，加熱后，進(jìn)入二級分離塔塔底提鎦段，輕組分從塔底油中閃蒸出來，重組分落向塔底。二級分離塔頂設(shè)蒸汽及機(jī)械抽真空，塔頂油氣自塔頂揮發(fā)線餾出，經(jīng)塔頂冷凝器冷卻至40 ℃后進(jìn)入二級分離塔頂污油罐，不凝氣引至二級分離塔頂，分液后經(jīng)壓縮機(jī)加壓后出裝置，塔頂油氣在污油罐內(nèi)沉降分離后經(jīng)污油泵升壓后送出裝置。二級分離塔頂油氣一路打回初餾塔作為回流，與需要加熱的原油換熱，達(dá)到冷卻的目的又能給原油加熱；另一路外送出裝置得到產(chǎn)品。回流后經(jīng)過二級分離塔底冷卻至140 ℃后送出裝置，重交瀝青經(jīng)2根管道送出裝置匯合。重交瀝青工藝流程如圖2所示。該工藝的巧妙之處在于將加熱后需要冷卻的重交瀝青產(chǎn)品回流到原油初餾塔內(nèi)進(jìn)行換熱，這樣既提高了冷卻效率，又提升了原油溫度，降低了加熱爐的功耗。

圖2 重交瀝青工藝流程示意

1.2 重交瀝青控制模型

流量控制對瀝青質(zhì)量和能源回收非常重要，對入口流量的控制主要通過調(diào)節(jié)入口控制閥的開度，這種調(diào)節(jié)方式響應(yīng)較快，但開度過大時會超過閥門開度上限，從而達(dá)不到精準(zhǔn)控制，所以需要通過變頻電機(jī)調(diào)節(jié)來配合調(diào)節(jié)流量大小，但是變頻電機(jī)也是一個快速響應(yīng)的過程，使得雙重控制的效果不理想，所以本文采取減弱電機(jī)控制的效果來達(dá)到微調(diào)又不影響整體控制的準(zhǔn)確度。溫度過程就是原油經(jīng)過換熱器不斷進(jìn)行熱交換而溫度改變的過程，由于流量和溫度的調(diào)節(jié)均存在時滯和非線性的特性，都可以采用一階加純滯后環(huán)節(jié)近似。

針對重交瀝青生產(chǎn)工藝過程，對被控對象流量和溫度分別建立模型。兩個被控對象都可以使用一階加純滯后模型。一階加純滯后對象的傳遞函數(shù)如式(1)所示：

(1)

式中：KP，T，τ——分別是對象的增益、時間常數(shù)以及滯后時間。

流量控制是一個小容性、滯后時間較短的快過程，而溫度控制是一個大容性、時間滯后大的慢過程，其增益是一個負(fù)數(shù)。模型建立以后，筆者以某工廠的實(shí)際對象建立準(zhǔn)確的仿真模型，得到對象的傳遞函數(shù)如式(2)～式(5)所示。

流量傳遞函數(shù)：

(2)

溫度過程1的傳遞函數(shù)：

(3)

溫度過程2的傳遞函數(shù)：

(4)

變頻電機(jī)的傳遞函數(shù)：

(5)

2 預(yù)測PI控制器

1992年Haggland提出預(yù)測PI控制思想[6]之后，經(jīng)過專家學(xué)者的不斷改進(jìn)預(yù)測PI控制算法得到發(fā)展和完善，預(yù)測PI控制對多變量時滯過程有很好的控制效果，在重交瀝青的生產(chǎn)中運(yùn)用預(yù)測PI控制器能夠很好地抑制時滯帶來的不良干擾，得到較好的控制效果。預(yù)測PI控制器具有可調(diào)參數(shù)少，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，控制效果好和控制簡單的優(yōu)點(diǎn)[7]，在工業(yè)中有著很多應(yīng)用。算法的基本原理如式(6)～式(7)所示。

假設(shè)過程的傳遞函數(shù)如式(1)所示，若期待的閉環(huán)傳遞函數(shù)：

(6)

則控制器的傳遞函數(shù)：

(7)

式中：G0(s)——期待的閉環(huán)傳遞函數(shù)；GC(s)——控制器傳遞函數(shù)；GP(s)——過程對象傳遞函數(shù)；λ——可調(diào)參數(shù)，當(dāng)λ=1時，系統(tǒng)的開環(huán)與閉環(huán)的時間常數(shù)一致，當(dāng)λ>1時，系統(tǒng)的閉環(huán)響應(yīng)比開環(huán)響應(yīng)慢，當(dāng)λ<1時，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，閉環(huán)響應(yīng)比開環(huán)響應(yīng)快。

因此，控制器的輸入輸出關(guān)系：

(8)

式中：E(s)——控制器輸入的誤差函數(shù)；U(s)——控制器輸出函數(shù)。等式右邊第一項(xiàng)為PI控制器，第二項(xiàng)是預(yù)測控制器，可以表示為控制器在t時刻的輸出為基于時間區(qū)間[t-τ，t]的輸出預(yù)測得到的，該控制器被稱為預(yù)測PI控制器。預(yù)測PI控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 預(yù)測PI控制結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)以上模型可知： 通過控制閥開度對流量進(jìn)行控制，再通過雙管道的流量差對溫度偏差進(jìn)行控制，結(jié)合兩個過程的傳遞函數(shù)，分別設(shè)計(jì)預(yù)測PI控制器。控制器的傳遞函數(shù)見表1所列。

表1 流量過程和溫度過程控制器傳遞函數(shù)

3 雙重控制

3.1 原理簡介

雙重控制是指采用2個控制器控制1個操作變量，其中主控制器滿足有效性和快速性，但是經(jīng)濟(jì)性和工藝合理性較差；而副控制器滿足經(jīng)濟(jì)性和工藝合理性，但對干擾的克服不夠及時有效。設(shè)計(jì)雙重控制系統(tǒng)目的即在于滿足控制性能的快速性與工藝流程的經(jīng)濟(jì)合理性的平衡。系統(tǒng)中包含1個快響應(yīng)回路與1個慢響應(yīng)回路，實(shí)現(xiàn)理想的控制需求[8]。使用雙重控制可以使系統(tǒng)具有良好動態(tài)性能，同時能夠兼顧實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)成本控制。

雙重控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中：GC1(s)，GC2(s)為主控制器與副控制器，Go1(s)，Go2(s)為主控制對象與副控制對象。主控制對象的響應(yīng)時間較短，副控制對象的響應(yīng)時間較長。r1(s)為設(shè)定值，系統(tǒng)出現(xiàn)誤差時，主控制器發(fā)揮作用迅速消除誤差，輸出y(s)在短時間內(nèi)回到設(shè)定值。隨著偏差的不斷減小，GC2(s)發(fā)揮作用改變閥位開度，使得其緩慢回到r2(s)的設(shè)定值。這一過程解決了快慢響應(yīng)之間的矛盾，使系統(tǒng)具備了動靜結(jié)合的特點(diǎn)[9]。

圖4 雙重控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意

3.2 雙重控制的效果

綜上所述，流量控制的主控制器選擇了預(yù)測PI控制器，副控制器是通過調(diào)節(jié)變頻電機(jī)功率來控制流量。通過分析可知，副回路也是一個快速調(diào)節(jié)過程，對副控制器采取積分控制減小增益的方法，整個過程就是一個響應(yīng)時間較長的二階過程，能合理地將快速調(diào)節(jié)過程變成一個微調(diào)的過程，很好地解決了主副回路都是快速調(diào)節(jié)而導(dǎo)致控制效果不佳的問題。積分控制器如式(9)所示，積分控制下的雙重控制效果如圖5所示。

(9)

圖5 積分控制下的雙重控制效果示意

4 仿真分析與對比

以重交瀝青生產(chǎn)系統(tǒng)為控制對象，分析溫度過程和流量過程的特性，使用雙重控制控制流量，溫度控制采用預(yù)測PI控制器。仿真分析后，驗(yàn)證控制系統(tǒng)的控制效果，分析和評價(jià)控制性能。

1)使用預(yù)測PI控制和傳統(tǒng)PID控制控制流量的結(jié)果對比如圖6所示，預(yù)測PI控制響應(yīng)速度快，響應(yīng)曲線平滑，沒有震蕩和超調(diào)；而傳統(tǒng)PID控制有很大超調(diào)且響應(yīng)速度較慢[10]。給系統(tǒng)加階躍擾動來檢驗(yàn)算法的抗干擾能力，通過對比可知預(yù)測PI控制能更快更好地抑制干擾，使系統(tǒng)快速回到穩(wěn)定值。

圖6 流量控制中兩種算法控制效果對比示意

2)將流量控制回路的對象參數(shù)值按照一定比率更改，控制器不做任何改變，來比較兩種控制算法的魯棒性，如圖7所示，在系統(tǒng)模型失配的狀況下，預(yù)測PI算法控制的響應(yīng)速度更快且無超調(diào)，在面臨干擾作用時，體現(xiàn)出更好的抗干擾能力。

圖7 流量控制中兩種算法魯棒性對比示意

3)兩種控制算法控制溫度過程的效果對比如圖8所示，由圖8可知，預(yù)測PI算法有更快的響應(yīng)速度和更小的超調(diào)，控制效果更顯著。并且在有干擾時，預(yù)測PI算法體現(xiàn)出更好的抗干擾能力。

圖8 溫度控制中兩種算法控制效果對比示意

4)將溫度控制回路的對象參數(shù)值按照一定比率更改，比較兩種控制算法的魯棒性，如圖9所示，在系統(tǒng)模型失配的狀況下，預(yù)測PI算法控制響應(yīng)速度更快并且超調(diào)更小，在外部干擾的作用下，體現(xiàn)出更強(qiáng)的抗干擾能力，控制品質(zhì)更好。

圖9 溫度過程中算法魯棒性對比示意

5 結(jié)束語

本文根據(jù)重交瀝青生產(chǎn)過程的大滯后、大慣性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以流量控制來控制溫度的方案。 采取控制閥門開度和變頻電機(jī)功率的雙重控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制流量。以變頻電機(jī)功率為控制手段的副控制器為快反應(yīng)過程，加入積分控制減弱副控制器的控制效果，實(shí)現(xiàn)副控制器的微調(diào)。對溫度過程采用預(yù)測PI控制算法，達(dá)到對出口溫度偏差的準(zhǔn)確控制。通過系統(tǒng)仿真可知，基于預(yù)測PI和雙重控制的重交瀝青生產(chǎn)系統(tǒng)能夠達(dá)到很好的控制效果，控制器較傳統(tǒng)控制算法有著較強(qiáng)的抗干擾性、較快的響應(yīng)速度和較強(qiáng)的魯棒性。