燃料氣橇的先進控制系統(tǒng)設(shè)計與研究

王永吉，聶中文，王懷義

（中國石油天然氣管道工程公司,河北 廊坊 065000）

0 引言

燃料氣橇是站場生產(chǎn)及生活用氣的重要單元，也是站內(nèi)設(shè)備用氣調(diào)壓的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其主要作用是調(diào)節(jié)長輸管線內(nèi)的高壓燃氣以滿足下游設(shè)備用氣壓力要求。燃料氣橇上壓縮機用氣路出口壓力需調(diào)至3.4~3.9MPa，鍋爐及發(fā)電機用氣路出口壓力需調(diào)至0.4MPa，燃料氣橇的兩路出口都需要平穩(wěn)快速地調(diào)至指定壓力范圍內(nèi)。燃料氣橇具有內(nèi)在機理復雜、耦合性強以及傳遞函數(shù)不明確等特點。常規(guī)的控制方案有PID[1]單回路和串級控制方案。但由于投產(chǎn)工藝條件復雜，固定的數(shù)學模型以及PID參數(shù)很難滿足不同階段的用氣要求和預期的控制效果。因此，本文設(shè)計了一種基于MPFC（多變量預測控制）算法的控制方案，選擇供電電流為控制變量，使得在快速收斂性和抗干擾性等方面的系統(tǒng)輸出較傳統(tǒng)的PID[2]算法，都有顯著地提升。

1 工藝流程和特點

燃料氣橇具備過濾、計量、加熱、調(diào)壓、安全切斷、安全放散等功能，其主要由閥門、過濾器、質(zhì)量流量計、電加熱器、安全切斷閥、調(diào)壓器、安全放散閥、現(xiàn)場儀表及遠傳儀表等組成。

基本工藝流程：來自上游系統(tǒng)的6.88~6.93MPa的天然氣進入本站，經(jīng)過濾后分兩路，一路經(jīng)質(zhì)量流量計計量、加熱、調(diào)壓后降至3.4~3.9MPa接入壓縮機單元；另一路降至0.4MPa后，接入發(fā)電機及生活用氣單元；具體的工藝流程見圖1。

從工藝流程可以看出，燃料氣橇的輸出溫度和電加熱器之間包含調(diào)壓和電加熱單元，且調(diào)壓單元內(nèi)部又分為3個組成部分，因此控制過程具有傳遞函數(shù)不明晰、強耦合及大滯后等特點。這給出口溫度指標的控制增加了難度。

2 基于MPFC[3]控制方案的設(shè)計

2.1 產(chǎn)品質(zhì)量控制方案

根據(jù)燃料氣橇工藝流程的特征，采用MPFC控制算法對系統(tǒng)的輸入、輸出進行控制，采用二階加純滯后環(huán)節(jié)模擬電加熱器以及調(diào)壓單元，選擇控制變量為橇出口溫度，被控變量電加熱器輸出功率和折流板角度，控制的質(zhì)量指標為出口溫度≤5℃；控制器設(shè)計結(jié)合燃料氣橇工藝過程，并結(jié)合被控對象遲滯特性和外界擾動因素，以在線滾動優(yōu)化的方式給出基本控制回路的設(shè)定值，從而使燃料氣橇出口溫度平穩(wěn)快速地向指標函數(shù)收斂。

圖1 燃料氣橇工藝流程圖Fig.1 Ffuel system fl ow chart

圖2 MPFC算法控制算法模型Fig.2 MPFC method control algorithm model

表1 系統(tǒng)初始化設(shè)置Table 1 System initialization

表2 擾動點設(shè)置及方向Table 2 Disturbance points and direction

2.2 控制算法建模

為了突出MPFC控制算法對于不同模型之間的失配控制優(yōu)勢，采取2X2的矩陣，通過改變模型的參數(shù)，來設(shè)定不同被控模型，其中G11(S)、G12(S)為第一種模型搭配，G21(S)、G22(S)是第二種模型搭配，基于MPFC算法設(shè)計的燃料氣橇模型如圖2所示。

在進行相應(yīng)模塊的設(shè)計時，需要考慮以下幾點。

2.2.1 建模采用二階加純滯后的形式，預測模型傳遞函數(shù)

圖3 傳統(tǒng)PID和MPFC算法的對比Fig.3 The contrast of traditional PID and MPFC algorithm

2.2.2 由于燃料氣橇傳遞函數(shù)復雜，設(shè)計系統(tǒng)的誤差預測及補償環(huán)節(jié)

為了補償由于傳遞函數(shù)失配引起的控制穩(wěn)定性和精度的下降，對模型的輸出進行誤差補償

2.2.3 Smith[4]預估補償

根據(jù)Smith預估的思想和單值預測算法，對二階加純滯后系統(tǒng)進行預估補償，補償后可以將傳遞函數(shù)開環(huán)傳遞函數(shù)中的遲滯因子調(diào)整到函數(shù)外,從而便于進行系統(tǒng)分析。

1）推導燃料氣橇在無滯后環(huán)節(jié)的情況下，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

表3 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)Table 3 Simulation result data

2）對控制量進行修正。

修正后系統(tǒng)輸出為

其中ypavj和y(k)是k時刻補償后的系統(tǒng)和模型輸出；ypj(k)和ym2(k)是k時刻補償前的系統(tǒng)和模型輸出。

3）建立指標函數(shù)。

根據(jù)控制目標，建立二階收斂指標函數(shù)

變量含義如下：

n：輸出變量的個數(shù)；

H1、H2：是化時域；

yri(k+j)：系統(tǒng)第i個輸出在(k+j)時刻的參考軌跡；

3 仿真

本文針對燃料氣橇的特性和控制要求，并結(jié)合二階加純滯后的系統(tǒng)模型以及多變量預測函數(shù)控制算法，對系統(tǒng)做初始化見表1。

為了說明MPFC算法的優(yōu)越性，將其與傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)作對比，觀察對比結(jié)果。系統(tǒng)仿真共持續(xù)1000個采樣周期，其中出口溫度要求≥5℃，考慮到投產(chǎn)和運行的實際要求，在系統(tǒng)運行的不同階段，分別設(shè)置設(shè)定值5℃和10℃；同時，實際的工業(yè)過程會遇到未知的干擾，如上游來氣壓力變化和下游用氣設(shè)備起停，因此外加擾動見表2。

其中擾動1幅值10.8，擾動2幅值8.8，在上述條件下，給出系統(tǒng)的仿真曲線如圖3所示。

3.1 平穩(wěn)性分析

平穩(wěn)性是燃料氣橇運行的重要指標，可以從輸出向輸入收斂的快速性、超調(diào)量和誤差絕對值積分3個方面考慮，詳見表3。

從表3可以得出如下結(jié)論：

表4 MPFC和PID幅值擾動分析Table 4 MPFC and PID amplitude perturbation analysis

1）針對橇出口輸出溫度向設(shè)定值收斂的速度，MPFC算法要遠優(yōu)越于PID算法，相比提前20個采樣周期已經(jīng)收斂于5℃。

2）針對橇出口輸出溫度的超調(diào)量，MPFC算法由于收斂因子的存在，非常平穩(wěn)，沒有正向超調(diào)量的存在，而PID算法則存在大幅的正向和反向超調(diào)，給系統(tǒng)的平穩(wěn)控制制造了瓶頸。

3）針對于絕對誤差積分而言，MPFC算法在擾動下的積分值只有57，而PID算法為103，因此從平穩(wěn)性分析而言，MPFC算法比PID算法更適合調(diào)壓撬的控制。

3.2 抗擾定性分析

抗擾性是考察算法抗干擾能力和模型失配情況下對輸出的控制能力，詳見表4。

從表4可以得出如下結(jié)論：

1）針對調(diào)壓橇的出口溫度，當橇負荷增減以及受到其他因素干擾的時候，MPFC算法在50個Loop內(nèi)，即可以回到設(shè)定值。

2）針對調(diào)壓橇模型失配的情況，MPFC控制算法由于有誤差補償環(huán)節(jié)，可以通過k時刻的誤差修正k+1時刻的誤差，而PID[5]控制算法只能針對固定的模型以及調(diào)整后固定的P、I、D值。

4 結(jié)論

本文介紹了多變量預測控制算法的基本原理，并結(jié)合了燃料氣橇的工藝流程和控制指標提出了基于MPFC算法和PID算法的比較，通過仿真可以得出，MPFC算法在實現(xiàn)控制系統(tǒng)的抗擾性和平穩(wěn)性方面，要優(yōu)于傳統(tǒng)的PID算法。綜上所述，MPFC控制算法具有快速、實時、穩(wěn)定的特點，具有應(yīng)用于實踐中的可行性。

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