蒸汽裂解模拟装置的二自由度内模控制.pdf

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1、第11期赵众等.蒸汽裂解模拟装置的二自由度内模控制蒸汽裂解模拟装置的二自由度内模控制赵众1方睿1孙康2(1.北京化工大学自动化研究所,北京100029;2.中国石油化工股份有限公司北京化工研究院,北京100029)摘要针对中石化某裂解装置的控制问题,通过实测模型,根据内模控制理论,提出一种二自由度的内模控制器的设计和参数整定方法。通过参数整定,所设计的控制器可以控制系统,同时具有良好的设定值跟踪特性和抑制干扰特性。将该二自由度控割器设计方法应用于蒸汽裂解装置中,减小了装置升温过程的波动,克服了保温过程的扰动,并且缩短了

2、升温时间,提高了生产效率。关键词裂解装置二自由度控制内模控制参数整定中图分类号TPl3文献标识码A文章编号1000-3932(2011)11.1287-04蒸汽裂解模拟试验装置是在实验室条件下,用少量原料对工业裂解炉对流段和辐射段的工业生产参数进行模拟。在蒸汽裂解炉的工艺流程中,温度达到设定值(600—700℃)后,要求温度控制精度为±2。C,温度控制精度和稳定时间直接影响试验数据的可靠性和精确性。在中石化某裂解装置中,采用的是温度直接控制电炉丝加热功率的单回路PID控制方法。PID控制器的优点在于结构简单、可靠性高,

3、但对于时滞系统的控制效果并不理想。系统时滞的存在使被控系统稳定性降低,动态质量下降⋯。由于裂解炉对象的时间常数大、时滞明显,炉内各段的温度耦合影响强烈,导致在升温段温度波动剧烈,温度超调量大;另一方亟由于进料油品的成分、流量会随着每天的试验要求有所不同,导致在保温阶段进料时控制系统克服干扰的能力很差,温度波动过大,温度控制偏差超过±20。C,且稳定时间过长(随油品的不同通常在20~30min),严重影响了油品质量。史密斯预估器旧。的提出为解决时滞问题提供了可行性的方法。但由于史密斯预估器需要考虑被控对象的真实模型,而实

4、际系统中辨识模型与实际模型往往存在偏差,导致控制鲁棒性差。为提高系统鲁棒性,GarciaCE和MorariM提出了内模控制方法¨3,在控制器中加入滤波环节,可以消除模型偏差的影响,获得较好的控制效果。但是传统的内模控制器是一自由度控制器,不能同时满足良好的设定值跟踪特性和抑制干扰特性,实际应用中需要在两者之间折中。笔者从内模控制的原理出发”1,针对裂解装置控制中的性能要求,提出了二自由度”’61内模控制器,即通过调节两个参数同时满足两种指标的控制。通过调节参数A,和A:可以同时实现良好的设定值跟踪特性和抑制干扰特性。1

5、二自由度内模控制器设计1.1二自由度内模控制二自由度内模控制器结构如图1所示。其中P(s)为实际被控对象,M(s)为被控对象模型,G(s)为内模控制器,1t(s)为扰动通道模型,酲为控制器的输出,r,y、d分别为控制系统的设定值、输出值和扰动变量,F。(s)和F:(s)为低通滤波器。图1二自由度内模控制器的结构由图1可得二自由度内模控制的传递函数表达式:小,:丽高器粉品lF2蒜器糍m,㈩+(s)G(s)[P(s)一肼(s)]1⋯”7把模型M(s)分解为非最小相位部分M。(s)和最小相位部分M。(s),即:肘(s)=M。

6、(s)M。(s)(2)则:收稿日期:2011-07—12(修改稿)基金项目:国家自然科学基金资助项目(60774080,60974065);国家“863”计划项目(2009AA042135)化工自动化及仪表第38卷G(5)=M/,‘(s)F。(s)、F:(s)采用如下形式‘7川:州牡南,2(s)-赤(3)(6),定义互补灵敏度函数r的最大值为:M,=maxl7.(油)I(11)(4)(5)式中A。,A:——滤波器时间常数。当系统在标准状况下,即P(s)=M(s),由式(1)一(5)得到系统的互补灵敏度函数为:T=Ml(

7、5)F-(s)=肘·(3’赤‘6)灵敏度函数为:

8、s=[I—JjIf。(s)F:(5)]日(s)=[1。肼t(s’赤I]日(s)(7)‘^,s+)由式(6)、(7)可知,二自由度内模控制器具有两个可调参数A。和A:,分别对应了设定值跟踪特性和抑制干扰特性。调整参数A.,A。越小,互补灵敏度函数带宽越大,系统能够跟踪更大频率范围的输入信号,且设定值跟踪响应越快,但同时系统鲁棒性较差;A.越大,互补灵敏度函数带宽越窄,设定值跟踪响应越慢,跟踪特性较差,但鲁棒性好。调整参数A:,A。越小,灵敏度函数带宽越窄,对于扰动信号具有

9、很好的滤波效果,控制器抑制干扰特性增强,但响应速度慢;A:越大,灵敏度函数带宽越大,抑制干扰特性减弱,但响应速度加快。通过以上分析可知,当参数A。为合适值时,可以得到较好的控制器鲁棒性和跟踪特性;当参数A:为合适值时,可以得到较好的干扰抑制特性和响应速率。1.2控制器参数整定为了得到较好的干扰抑制特性,考虑式(7),定义灵敏度函数

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