一類反轉(zhuǎn)異常工況的選擇性控制策略與分析

趙曉鷹 羅雄麟

(中國石油大學(xué)自動(dòng)化研究所，北京 102249)

反轉(zhuǎn)異常工況表示某些石油化工設(shè)備在運(yùn)行過程中，隨著操縱變量的增大，被控變量呈現(xiàn)出與正常工況相反的變化趨勢(shì)，穩(wěn)態(tài)增益符號(hào)變化，從正作用變?yōu)榉醋饔谩４藭r(shí)需要進(jìn)行相應(yīng)的處置操作[1]，否則設(shè)備在異常工況運(yùn)行時(shí)會(huì)造成很嚴(yán)重的安全威脅和經(jīng)濟(jì)損失[2～4]。

精餾塔是石油化工過程中可能出現(xiàn)反轉(zhuǎn)異常現(xiàn)象的設(shè)備之一。精餾塔在正常工況運(yùn)行時(shí)，操縱變量為塔頂回流量，被控變量為塔頂溫度，塔頂溫度隨著回流量的增大而下降[5]。但是當(dāng)回流量增大到一定程度再繼續(xù)增大時(shí)，由于液相負(fù)荷大到一定程度后會(huì)出現(xiàn)漏液和塔板效率下降的現(xiàn)象，導(dǎo)致塔頂溫度出現(xiàn)反轉(zhuǎn)異常，呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，塔頂溫度不降反升，不能達(dá)到要求的溫度設(shè)定值，產(chǎn)品質(zhì)量不合格。鑒于此，劉保柱提出了一種尋找精餾塔最佳回流量降低能耗的方法[6],Sealey C J提出了一種精餾塔最優(yōu)回流比設(shè)計(jì)方法[7]，但是這些文獻(xiàn)并沒提到一旦設(shè)備進(jìn)入反轉(zhuǎn)狀態(tài)該如何進(jìn)行控制。

另外一種經(jīng)常在石油化工中用到并且會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)異常現(xiàn)象的設(shè)備為換熱器。吳剛建立了換熱器正常和異常工況下的動(dòng)態(tài)機(jī)理模型[8]，操縱變量為殼程流體入口流量(熱流進(jìn))，被控變量為管程流體出口溫度(冷流出)，正常工況時(shí)，被控變量隨著操縱變量的增大而增大[9]，當(dāng)操縱變量大到一定程度時(shí)，會(huì)引起殼程流體向管程流體漏流，并且殼程流體入口流量越大漏流量越大，導(dǎo)致操縱變量再繼續(xù)增大，被控變量不再繼續(xù)增大而是反轉(zhuǎn)變小。換熱器漏流出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象后，單一PID控制過程中若給定值超過被控變量頂點(diǎn)，則導(dǎo)致操縱變量會(huì)越來越大，并且被控變量無法達(dá)到給定值，偏差越來越遠(yuǎn)，致使能耗變大。單一PID不再滿足控制要求，有必要對(duì)這類反轉(zhuǎn)異常工況設(shè)計(jì)選擇性控制策略。

針對(duì)精餾塔及換熱器等化工過程的異常工況，Brydon D A等提出了一種應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線診斷精餾塔故障并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制的方法[10],Tudón-Martíneza J C等提出了在換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)未知情況下應(yīng)用歷史數(shù)據(jù)在線診斷換熱器故障的控制方法[11]。這些方法在該類易出現(xiàn)反轉(zhuǎn)異常故障的設(shè)備控制中失效，不能實(shí)現(xiàn)操縱變量和被控變量的控制要求，為此筆者針對(duì)該類反轉(zhuǎn)異常工況的控制過程，提出選擇性控制策略，將操縱變量和被控變量控制在允許范圍內(nèi)，從而彌補(bǔ)以上方法的不足。

1 反轉(zhuǎn)異常工況的特性分析①

1.1 反轉(zhuǎn)的含義

設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)，被控變量隨著操縱變量變大而呈現(xiàn)一種固定的變化趨勢(shì)(增大或者減小)，但是當(dāng)操縱變量不斷增大超過某個(gè)范圍后，被控變量不再呈現(xiàn)正常工況時(shí)的變化趨勢(shì)而是呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)，類似這樣的異常工況定義為反轉(zhuǎn)異常工況，理想反轉(zhuǎn)現(xiàn)象和實(shí)際過程中的反轉(zhuǎn)異常工況現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 反轉(zhuǎn)異常工況示意圖

由圖1可知對(duì)象在反轉(zhuǎn)過程中分為兩段：正常工況和反轉(zhuǎn)異常工況。對(duì)于理想的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，其中有反轉(zhuǎn)點(diǎn)F，F(xiàn)對(duì)應(yīng)的操縱變量為uc，即當(dāng)操縱變量小于uc時(shí)，被控對(duì)象處在正常工況階段工作；當(dāng)操縱變量大于uc時(shí)，被控對(duì)象變化趨勢(shì)與正常工況相反，開始出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，進(jìn)入反轉(zhuǎn)異常工況；當(dāng)操縱變量等于uc時(shí)，被控變量達(dá)到頂點(diǎn)H位置，并且整個(gè)控制過程中被控變量不可能超過H；對(duì)于實(shí)際的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，正常工況操縱變量接近uL，穩(wěn)態(tài)增益平穩(wěn)變化，異常工況下當(dāng)操縱變量超過uH時(shí)穩(wěn)態(tài)增益變化變大。因此實(shí)際反轉(zhuǎn)控制過程中應(yīng)考慮uL和uH的存在。

1.2 反轉(zhuǎn)異常時(shí)穩(wěn)態(tài)增益的變化

設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)，被控對(duì)象穩(wěn)態(tài)增益沿固定方向變化，但是當(dāng)操縱變量超過uc時(shí)，設(shè)備進(jìn)入反轉(zhuǎn)異常工況，被控對(duì)象穩(wěn)態(tài)增益開始變?yōu)榉捶较颍瑘D1中在正常工況時(shí)穩(wěn)態(tài)增益為正，反轉(zhuǎn)異常工況時(shí)穩(wěn)態(tài)增益由正變?yōu)樨?fù)，此時(shí)進(jìn)入反轉(zhuǎn)異常工況。

當(dāng)穩(wěn)態(tài)增益變?yōu)榉捶较驎r(shí)，若控制過程中給定值超過被控變量的頂點(diǎn)值H，導(dǎo)致操縱變量會(huì)越來越大，這樣被控變量會(huì)沿反方向變化，偏離給定值越來越遠(yuǎn)。因此在控制過程中，給定值要在頂點(diǎn)附近，操縱變量應(yīng)控制在uc以內(nèi)，一旦超過uc應(yīng)變換控制策略，通過控制器間的不斷切換將被控變量和操縱變量控制在指定范圍內(nèi)。

2 選擇性控制策略

在某些石油化工過程中，對(duì)可能出現(xiàn)反轉(zhuǎn)異常工況現(xiàn)象的設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)，若采用單一PID控制，會(huì)導(dǎo)致操縱變量超過反轉(zhuǎn)點(diǎn)，使得被控變量與設(shè)定值偏差越來越大，被控變量出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，控制系統(tǒng)將進(jìn)入異常工況，使設(shè)備無法正常運(yùn)行，造成一定危害。因此對(duì)于類似精餾塔及換熱器等常用的石油化工設(shè)備控制系統(tǒng)，應(yīng)采用選擇性控制策略。

選擇性控制系統(tǒng)就是在整個(gè)控制系統(tǒng)中含有選擇單元的系統(tǒng)，是將邏輯控制與常規(guī)控制相結(jié)合，以增強(qiáng)系統(tǒng)的控制能力[12]，選擇控制系統(tǒng)可以根據(jù)邏輯得出結(jié)果，決定該控制系統(tǒng)的控制策略和方向，使系統(tǒng)從正常控制器切換到異常控制器，從而轉(zhuǎn)入安全通道，脫離異常工況帶來的危險(xiǎn)[13,14]，彌補(bǔ)單一PID控制的不足。選擇控制系統(tǒng)最常用的類型就是在兩個(gè)控制器之間加一個(gè)選擇器，兩個(gè)控制器分別為正常工況時(shí)工作的正常控制器和異常工況出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象工作的異常控制器。一般選擇性控制系統(tǒng)的方框圖如圖2所示。

圖2 選擇性控制系統(tǒng)方框圖

對(duì)于該類理想的會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)異常現(xiàn)象的被控對(duì)象，選擇性控制策略應(yīng)確定：當(dāng)操縱變量小于uc時(shí)，用C+控制器；當(dāng)操縱變量超過uc時(shí)，切換到C-控制器；整個(gè)控制過程中，操縱變量作為檢測(cè)信號(hào)反饋到選擇器，選擇器根據(jù)操縱變量的大小選擇相應(yīng)的控制器。選擇器的選擇規(guī)律為：

此時(shí)，工作在正常工況的正常控制器如果為正作用，則工作在異常反轉(zhuǎn)工況的異常控制器應(yīng)該為負(fù)作用；如果正常控制器為負(fù)作用則異常控制器為正作用，總之，由于穩(wěn)態(tài)增益的變化符號(hào)，正常控制器作用與異常控制器作用應(yīng)該相反。由于類似圖1中正常工況的穩(wěn)態(tài)增益為一定值，異常工況穩(wěn)態(tài)增益為一相反負(fù)值的理想反轉(zhuǎn)現(xiàn)象在現(xiàn)實(shí)生活中并不存在，用的比較多的是實(shí)際反轉(zhuǎn)對(duì)象。

對(duì)于換熱器這類易出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的生產(chǎn)裝置，當(dāng)操縱變量小于uL時(shí)，未發(fā)生漏流現(xiàn)象，被控變量隨著操縱變量的增大而增大，此時(shí)應(yīng)用C+控制器；當(dāng)操縱變量超過uH時(shí)，被控變量開始按與原來相反的趨勢(shì)變化，開始出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，穩(wěn)態(tài)增益變號(hào)，控制器選為C-控制器；當(dāng)操縱變量介于uL和uH之間時(shí)，穩(wěn)態(tài)增益平穩(wěn)變化，控制器應(yīng)保持上一步輸出，用C0控制器；該類實(shí)際的反轉(zhuǎn)對(duì)象，正常工況和異常工況的穩(wěn)態(tài)增益都是變化的，并且變化趨勢(shì)正好相反，存在著某個(gè)范圍內(nèi)的增益突變，所以對(duì)于該類實(shí)際反轉(zhuǎn)對(duì)象的選擇性控制策略應(yīng)確定為：

對(duì)于該類存在實(shí)際反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的被控對(duì)象的控制過程中，正常控制器的正/反作用也應(yīng)該和理想反轉(zhuǎn)現(xiàn)象一樣與異常控制的正/反作用相反，只有這樣才能將被控變量和操縱變量均控制在正常工況允許的范圍內(nèi)，使裝置可以正常運(yùn)行，避免危險(xiǎn)產(chǎn)生。

被控變量頂點(diǎn)位置和操縱變量反轉(zhuǎn)點(diǎn)可以根據(jù)所建立對(duì)象的動(dòng)態(tài)機(jī)理模型求取，判斷反轉(zhuǎn)點(diǎn)位置屬于故障診斷范疇，筆者采用的是根據(jù)被控對(duì)象穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，確定操縱變量反轉(zhuǎn)點(diǎn)F和被控變量頂點(diǎn)H，通過仿真可知在選擇性控制策略下，該類反轉(zhuǎn)異常工況能取得滿意的控制效果。

3 換熱器反轉(zhuǎn)異常工況下選擇性控制舉例

3.1 換熱器動(dòng)態(tài)機(jī)理數(shù)學(xué)模型的建立

換熱器有效長度為L。假設(shè)當(dāng)殼程流體入口流量過大時(shí)會(huì)發(fā)生殼程向管程漏流的現(xiàn)象，漏流位置l且l

3.2 換熱器反轉(zhuǎn)異常現(xiàn)象分析

在上述換熱器模型中，操縱變量為殼程流體入口流量m1,被控變量為管程流體出口溫度T2，通過給定不同的殼程流體入口流量的值得出殼程流體出口溫度T1和管程流體出口溫度T2的響應(yīng)圖(圖3)。不同殼程流量下漏流量的模擬曲線如圖4所示。

圖3 殼程流體入口流量與管程流體出口溫度響應(yīng)曲線

圖4 不同殼程入口流量下漏流量的模擬曲線

由于控制系統(tǒng)中的被控變量為管程流體出口溫度T2，由圖3可知，當(dāng)m1在303kg/s范圍內(nèi)，管程流體出口溫度隨著殼程流體入口流量的增大而增大，換熱器工作在正常工況下；當(dāng)m1繼續(xù)增大超過303kg/s時(shí)，換熱器已經(jīng)發(fā)生殼程向管程漏流現(xiàn)象，并且由圖4可知隨著殼程流體入口流量的繼續(xù)增大，漏流量越來越大，導(dǎo)致管程流體出口溫度T2不再繼續(xù)增大反而開始減小，被控變量開始出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)異常現(xiàn)象，換熱器進(jìn)入異常工況。該模擬曲線與實(shí)際結(jié)果比較接近，可以表征實(shí)際漏流現(xiàn)象。

3.3 模型選擇性控制仿真

由于換熱器殼程流體入口流量超過303kg/s時(shí)，殼程流體已經(jīng)向管程漏流，此時(shí)管程流體出口溫度不再上升反而出現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)殼程流體入口流量超過305kg/s時(shí)穩(wěn)態(tài)增益會(huì)發(fā)生突變，所以控制策略應(yīng)該擇為：

搭建選擇性控制結(jié)構(gòu)仿真平臺(tái)。被控變量管程流體出口溫度T2、操縱變量殼程流體入口流量m1和不同控制規(guī)律的切換如圖5所示。

a. 溫度響應(yīng)

b. 流量響應(yīng)

c. 選擇性控制策略時(shí)不同控制規(guī)律切換

3.4 換熱器選擇控制性策略下的效果分析

由圖5可知，在采用單一PID控制時(shí)，管程出口溫度與設(shè)定值偏差會(huì)越來越大導(dǎo)致操縱變量m1也越來越大，當(dāng)m1超過反轉(zhuǎn)點(diǎn)再繼續(xù)增大時(shí)溫度不再上升反而下降，使得被控變量偏離設(shè)定值越來越遠(yuǎn)，偏差越來越大，導(dǎo)致溫度和流量均不能控制在要求范圍內(nèi)，控制品質(zhì)較差，不能由異常工況控制到正常工況。

采用選擇性控制策略，操縱變量超過反轉(zhuǎn)點(diǎn)切換到流量控制器，小于反轉(zhuǎn)點(diǎn)切換到正常溫度控制器，由于不停地切換控制器，選擇性控制策略下的流量響應(yīng)曲線振蕩較頻繁，不能很快將流量控制住，但是通過這樣不停地切換最終可以將殼程流體入口流量控制在反轉(zhuǎn)點(diǎn)范圍內(nèi)，使換熱器在正常工況下運(yùn)行，溫度可以穩(wěn)定在設(shè)定值不變，控制效果較單一PID控制有了較大改善，能達(dá)到滿意的控制結(jié)果。

由圖5c可知，經(jīng)過控制器不停地切換，最終控制器可以穩(wěn)定在正常工況的溫度控制器，使換熱器最終保持在正常工況下運(yùn)行，因此，選擇控制性策略是合理的方案。

4 結(jié)論

4.1某些常用的石油化工設(shè)備，如精餾塔及換熱器等確實(shí)存在著反轉(zhuǎn)異常現(xiàn)象，操縱變量超過反轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)，被控變量不再按原來的變化趨勢(shì)變化，而是呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。

4.2對(duì)于該類存在反轉(zhuǎn)異常現(xiàn)象的設(shè)備，采用單一PID控制規(guī)律不能滿足控制要求，一旦設(shè)備進(jìn)入異常工況，被控變量和操縱變量均無法控制到正常工況允許范圍內(nèi)，易發(fā)生危險(xiǎn)。

4.3采用選擇性控制策略可以解決單一PID控制存在的問題，當(dāng)操縱變量超過反轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)可以切換到取代控制器，這樣反復(fù)切換可以將操縱變量控制在反轉(zhuǎn)點(diǎn)以內(nèi)，不發(fā)生反轉(zhuǎn)異常現(xiàn)象，被控變量也可以控制在設(shè)置值附近，有很好的控制效果，因此，對(duì)于這類會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)異常現(xiàn)象的設(shè)備應(yīng)采用選擇性控制策略。