專利名稱：：一種液位與流量協(xié)調(diào)控制方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域的連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)裝置中容器液位與流量協(xié)調(diào)控制一種方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
：在連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)裝置中，尤其在石油化工生產(chǎn)過程中，常常需要將各種容器中的液位控制在給定的區(qū)域內(nèi)，以保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行。目前最常見的方法是通過比例積分(PI)控制器，調(diào)整由離心泵抽出容器的物料流量，在流入容器流量或其它干擾變化時(shí)，使液位維持在給定值上。但調(diào)整的抽出流量會(huì)有"超調(diào)"，即其波動(dòng)幅度會(huì)超過流入流量干擾的波動(dòng)幅度。在很多情況下，第一個(gè)容器的抽出流量又是下游生產(chǎn)單元的進(jìn)料，抽出流量的大幅度波動(dòng)，不利于下游生產(chǎn)過程的平穩(wěn)運(yùn)行。若下游生產(chǎn)單元中容器液位控制的抽出流量又是再下一個(gè)生產(chǎn)單元的進(jìn)料流量，其液位控制使其抽出流量波動(dòng)進(jìn)一步增大，不利于整個(gè)生產(chǎn)過程的平穩(wěn)運(yùn)行。若生產(chǎn)過程中用調(diào)整容器流入流量的手段維持液位在給定值上，同樣會(huì)使流入流量有較大幅度的波動(dòng)，影響上游生產(chǎn)過程的平穩(wěn)運(yùn)行。這是很多連續(xù)生產(chǎn)過程中存在的問題。下面均以抽出流量作為液位的調(diào)整手段進(jìn)行說明。為解決以上問題，當(dāng)前常見的方法之一是用PI控制器組成液位與流量串級控制，適當(dāng)調(diào)整PI控制器的參數(shù)，使PI輸出和相應(yīng)的抽出流量變化平緩。另一種是液位的非線性控制，即液位在偏離給定值較小時(shí)，不調(diào)整流量或調(diào)整的放大倍數(shù)很小，或?qū)嵤┮何粎^(qū)域控制，當(dāng)容器液位在給定的區(qū)域內(nèi)不進(jìn)行調(diào)整，使流量不變或變化較小。當(dāng)容器液位偏離較大或超出給定區(qū)域上下限時(shí)，則加大調(diào)整的放大倍數(shù)，使液位不會(huì)有大的偏離?，F(xiàn)有方法不足之處在于對容器的液位控制以液位為唯一被控變量，只靠PI控制器參數(shù)的調(diào)整很難兼顧液位控制和流量平穩(wěn)的要求。實(shí)施液位的非線性控制或區(qū)域控制，由于用泵抽出的容器中的液位在正常液位變化范圍內(nèi)無自衡能力，或稱為具有積分特性，液位不能在上下限區(qū)域內(nèi)平穩(wěn)不變，經(jīng)過一定時(shí)間，液位會(huì)超出區(qū)域上限或超出區(qū)域下限，迫使控制器對流量進(jìn)行較大幅度的調(diào)整，以使液位不超限，卻造成抽出流量的較大波動(dòng)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是利用原有的容器液位控制手段，即調(diào)節(jié)自容器抽出的流量或流入容器的流量，使液位不超限，流量變化平緩，適應(yīng)生產(chǎn)過程特點(diǎn)，滿足生產(chǎn)過程要求。達(dá)到這一目的所采用的方法如下(1)以液位變化速率為被控變量，給定值為零，使液位平穩(wěn)不變；(2)以液位為另一被控變量，實(shí)施液位的區(qū)域控制為此，通過液位與其上下限偏差檢測器，實(shí)時(shí)檢測液位是否超出給定的上限Hsp和下限Lsp，并給出液位偏差E:若液位L高于給定上限Hsp，貝U:E=L-Hsp若液位L低于給定下限Lsp，貝(J:E=L-Lsp若液位L處于給定上下限間，即Hsp〉L〉Lsp，貝l」E二0按上述液位偏差，實(shí)施對液位的控制，使液位偏差不大。為了更好的控制，可按液位的未來預(yù)估值計(jì)算偏差。(3)對只有抽出流量(或流入流量)可作為調(diào)整手段的實(shí)際情況，實(shí)施液位速率與液位的協(xié)調(diào)控制。即按液位偏差的大小，對液位和液位速率加權(quán)，當(dāng)液位處于給定上下限之間，偏差為零時(shí)，對液位加權(quán)系數(shù)為零，對液位速率加權(quán)系數(shù)達(dá)設(shè)定的最大值，實(shí)現(xiàn)液位零速率控制，使液位平穩(wěn)。隨著液位偏差絕對值的增大，對液位的加權(quán)系數(shù)增大，對液位速率的加權(quán)系統(tǒng)減小，實(shí)施二者的協(xié)調(diào)控制；當(dāng)液位達(dá)到或超出允許的上限Him或下限Llm時(shí)，對液位速率的加權(quán)系數(shù)為零，對液位的加權(quán)達(dá)到設(shè)定的最大值，使液位不超上下限。實(shí)施以上控制策略的控制器稱為液位速率與液位協(xié)調(diào)控制器。(4)由實(shí)測的液位信號，在線實(shí)時(shí)計(jì)算液位變化速率，以提供液位速率控制所需信息，由于實(shí)測液位信號中夾雜有燥聲，為得到液位速率的有效信息，通過濾波器對實(shí)測液位信號和液位速率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行濾波，構(gòu)成液位速率在線實(shí)時(shí)計(jì)算器。(5)給出本發(fā)明的液位流量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)由上述液位速率在線實(shí)時(shí)計(jì)算器，液位與其上下限偏差檢測器，液位速率和液位協(xié)調(diào)控制器構(gòu)成的液位流量協(xié)調(diào)控制器；與己有生產(chǎn)過程中的容器、液位測量器、離心泵、調(diào)節(jié)閥或流量控制器，構(gòu)成液位與流量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；由液位測量器L給出液位信號，送到液位與其上下限偏差檢測器和液位速率在線檢測器，兩者的計(jì)算結(jié)果再送至液位速率與液位協(xié)調(diào)控制器，其計(jì)算結(jié)果再送給調(diào)節(jié)閥或控制器，調(diào)整抽出或流入容器的流量，構(gòu)成液位流量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。實(shí)施本發(fā)明后，在保持液位變化不超出上下限的條件下，可使容器流出流量或流入流量變化平緩，從而使整個(gè)生產(chǎn)過程運(yùn)行較平穩(wěn)。與慣用的PI液位控制相比，在經(jīng)常出現(xiàn)的流入流量發(fā)生脈沖變化后，流出流量波動(dòng)幅度可減小45-75%，在流入流量發(fā)生階躍變化后，流出流量波動(dòng)幅度可減小30-50%，出現(xiàn)波動(dòng)的時(shí)間可減少30%。串連的容器(生產(chǎn)單元)液位越多，進(jìn)入最后一級容器(生產(chǎn)單元)的流量波動(dòng)幅度越小，效果越明顯。圖1液位流量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。T-容器、L-液位測量器、P-離心泵、V-調(diào)節(jié)閥、PI-流量控制器。1-液位速率在線實(shí)時(shí)計(jì)算器、2-液位與其上下限偏差檢測器、3-液位速率與液位協(xié)調(diào)控制器圖2在工業(yè)控制系統(tǒng)上用模塊組態(tài)實(shí)現(xiàn)液位速率計(jì)算的一種流程。圖3通過數(shù)值計(jì)算實(shí)現(xiàn)液位速率在線實(shí)時(shí)計(jì)算的一種方法流程。圖4在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上用模塊組態(tài)實(shí)現(xiàn)液位與流量協(xié)調(diào)控制。圖5用非線性加權(quán)預(yù)估協(xié)調(diào)控制器實(shí)現(xiàn)液位與流量協(xié)調(diào)控制。圖6應(yīng)用例T-1，T-2，T-3為三個(gè)串聯(lián)的容器L，L2，L3為三個(gè)容器液位測量變送器F。，F(xiàn)uF2，F(xiàn)3為流量測量變送器P-1，P-2，P-3為三個(gè)離心泵LFCC-1，LFCC-2，LFCC-3為三個(gè)液位流量協(xié)調(diào)控制器。具體實(shí)施方式本發(fā)明可通過各種現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)，如DCS,PLC,或其它工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及與之連網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，也可按本發(fā)明的方法設(shè)計(jì)專有設(shè)備實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)方式是多樣的，既使在同樣型號的控制系統(tǒng)上，同一功能也可有不同的實(shí)現(xiàn)方式，舉例說明如下本發(fā)明的液位流量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)由上述液位速率在線實(shí)時(shí)計(jì)算器1，液位與其上下限偏差檢測器2，液位速率和液位協(xié)調(diào)控制器3構(gòu)成的液位流量協(xié)調(diào)控制器，簡稱LFCC;與已有生產(chǎn)過程中的容器T、液位測量器L、離心泵P、調(diào)節(jié)閥V或流量控制器PI，構(gòu)成液位與流量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；由液位測量器L給出液位信號，送到液位與其上下限偏差檢測器2和液位速率在線檢測器l，兩者的計(jì)算結(jié)果再送至液位速率與液位協(xié)調(diào)控制器3，其計(jì)算結(jié)果再送給調(diào)節(jié)閥V或PI控制器，調(diào)整抽出或流入容器的流量，構(gòu)成液位流量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。(圖1)1.液位速率在線實(shí)時(shí)計(jì)算依據(jù)巳有的實(shí)測液位測量信號進(jìn)行計(jì)算。由于實(shí)測液位信號中有燥聲，首先要對實(shí)測液位進(jìn)行濾波處理，常見的有以下方式①一階濾波，其傳遞函數(shù)為~^~，其數(shù)值計(jì)算方式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>丄。(A)=當(dāng)前時(shí)刻實(shí)測液位信號值(%)A("，丄,(A-1)=當(dāng)前和前一時(shí)刻濾波后的液位值(％)/=濾波系數(shù)0</<1②滑動(dòng)平均濾波A("^丄i(A-,+i)〃=滑動(dòng)平均步數(shù)=當(dāng)前時(shí)刻濾波后的液位值(%)③加權(quán)滑動(dòng)平均濾波f:(iv-/+1)丄。("/+1)A(":^~~^-〃=滑動(dòng)平均步數(shù)厶("=當(dāng)前時(shí)刻濾波后的液位值(%)丄。w-/+1)=當(dāng)前時(shí)刻前第(i-i)時(shí)刻的實(shí)測液位值(%)④限速濾波:丄0(A)—々(A:—1)<—丄^:A(A)=—丄y。其中~。>0是設(shè)定的速率限⑤可變限速濾波初始化；=4。z/:Z0(A:)—Z0(A:—1)<—Zy。Z/2ew:Z!(A:)二一Zyo，Z^二Zy+ae/化丄!("二丄o(A)/^=;—/z/:Zy^Z^。，其中4?！?)是設(shè)定的初始速率限丄,是自動(dòng)改變的速率限/》a20具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)液位信號中的燥聲程度選用合適的濾波方法，一般地，燥聲程度低，可選用較簡單的方法，如一階濾波。各種濾波方法可用已有功能模塊實(shí)現(xiàn)，或用數(shù)值計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)。由濾波后得到的液位信號L(k)實(shí)時(shí)計(jì)算液位速率，這里給出兩個(gè)典型方法①利用現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中的功能模塊計(jì)算(圖2)2-1:超前-滯后(Lead-Lag)模塊，其傳遞函數(shù)為^2-2:—階慣性(Lag)模塊，其傳遞函數(shù)為12-3:加減運(yùn)算器模塊1-1輸出減去卜2輸出ZZli—丄=1Wr,+ir2s+ir,+i2形成對輸入液位信號的微分，給出液位變化速率信息。②用數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算液位變化速率(圖3)當(dāng)前時(shí)刻液位變化速率V(k)71、//2)r,=兩次讀取實(shí)測液位信號的時(shí)間間隔(/z)對上述計(jì)算結(jié)果再進(jìn)行濾波，可用一階濾波?？蓪⒁陨弦何凰俾视?jì)算結(jié)果乘以小于i的衰減系數(shù)，以減小流量波動(dòng)。計(jì)算所得液位速率可再經(jīng)過濾波，送給液位速率與液為協(xié)調(diào)控制器。2.液位與給定上下限偏差檢測給出液位是否超出上下限及其偏差大小的信息，一般工業(yè)控制機(jī)中均有此功能模塊，也可用數(shù)值計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)。3.液位速率與液位協(xié)調(diào)控制器，有以下兩種實(shí)現(xiàn)方法①在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)上用功能模塊構(gòu)成，圖4給出一個(gè)實(shí)例4-1:液位控制器采用比例積分控制器(PI)模塊。4-2:液位速率控制器采用積分控制器(I)或比例積分控制器(PI)模塊。4-3:液位與其上下限偏差檢測，由選擇器模塊實(shí)現(xiàn)液位超上限或超下限時(shí)，將液位P工控制器輸出送調(diào)節(jié)閥，將送給調(diào)節(jié)閥的信息反饋到液位速率控制器4-2，使液位速率控制器不起作用。當(dāng)液位處于上下限內(nèi)的區(qū)域時(shí)，將液位速率控制器輸出送調(diào)節(jié)閥，并將送給調(diào)節(jié)閥位的信號反饋到液位P工控制器，使其不起控制作用。②利用我國發(fā)明專利99105546.2構(gòu)成的非線性加權(quán)或操作變量中值輸，按本發(fā)明的要求，在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)或與其連網(wǎng)的上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，其特點(diǎn)是用模型對未來液位和液位速率的變化進(jìn)行預(yù)估計(jì)算，根據(jù)預(yù)估值進(jìn)行液位速率與液位的協(xié)調(diào)控制。如圖5。其中5-1液位變化速率計(jì)算器先作加權(quán)滑動(dòng)平均濾波或可變限幅濾波，再進(jìn)行液位速率的數(shù)值計(jì)算，再經(jīng)一階濾波后作為液位速率信號送給液位速率和液位協(xié)調(diào)控制器VSUPCC。由于采用模型預(yù)估值，在實(shí)際液位尚未超限時(shí)可預(yù)先進(jìn)行控制，得到更好的控制效果。5-2液位與上下限預(yù)估偏差檢測器；5-3液位和液位速率預(yù)估協(xié)調(diào)控制器L-PI:生產(chǎn)過程中已具有的液位PI控制器。F-PI:生產(chǎn)過程中已具有的抽出流量PI控制器。容器生產(chǎn)單元中具有液位控制要求的塔器。預(yù)估計(jì)算所用的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型如下以抽出流量(7。,(噸/小時(shí))作為調(diào)節(jié)手段^〉0，取決于響應(yīng)快慢，參考值:2-6(min—1)具有流fiP/控制時(shí)f/(0為流量戶/給定值，~="g無流量尸/控制時(shí)，f/^是調(diào)節(jié)閥的開度，6g取決于調(diào)節(jié)閥特性Z為時(shí)間，以分鐘(min)為單位,—1100<^60p^/Gw=流入容器的流量(噸/小時(shí))7=液位計(jì)量程(111)j二容器截面積(m2)/^流體密度(噸/m3)液位速率V:以(噸/小時(shí))為單位=-G。w々)以(％/min)為單位<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>按以上模型實(shí)時(shí)計(jì)算液位速率與液位的未來預(yù)估值，并進(jìn)一步計(jì)算給出流量調(diào)節(jié)閥或PI控制器的調(diào)整作用。應(yīng)用例(圖6)對于三個(gè)串聯(lián)容器T-l(原料罐)，T-2(分餾塔)，T-3(分餾塔)的液位控制，抽出流量為每個(gè)液位控制用的調(diào)整變量，同時(shí)又是下一個(gè)容器的進(jìn)料流量，更需要液位流量協(xié)調(diào)控制。每個(gè)容器的液位均采用本發(fā)明給出的由模型預(yù)估液位和液位速率的協(xié)調(diào)控制LFCC，共需三個(gè)LFCC，由一個(gè)VSUPCC控制器實(shí)現(xiàn)。進(jìn)料流量F。是主要干擾，當(dāng)其發(fā)生變化時(shí)，采用本發(fā)明LFCC和慣用的液位PI控制的對比如下<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>權(quán)利要求1.一種液位與流量協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于(1)以液位變化速率為被控變量，給定值為零，使液位平穩(wěn)不變；(2)以液位為另一被控變量，實(shí)施液位的區(qū)域控制為此，通過液位與其上下限偏差檢測器，實(shí)時(shí)檢測液位是否超出給定的上限Hsp和下限Lsp，并給出液位偏差E若液位L高于給定上限Hsp，則E＝L-Hsp若液位L低于給定下限Lsp，則E＝L-Lsp若液位L處于給定上下限間，即Hsp＞L＞Lsp，則E＝0按上述液位偏差，實(shí)施對液位的控制，使液位偏差不大。為了更好的控制，可按液位的未來預(yù)估值計(jì)算偏差。(3)對只有抽出流量(或流入流量)可作為調(diào)整手段的實(shí)際情況，實(shí)施液位速率與液位的協(xié)調(diào)控制。即按液位偏差的大小，對液位和液位速率加權(quán)，當(dāng)液位偏差為零時(shí)，對液位加權(quán)系數(shù)為零，對液位速率加權(quán)系數(shù)達(dá)設(shè)定的最大值，實(shí)現(xiàn)液位零速率控制，使液位平穩(wěn)。隨著液位偏差絕對值的增大，對液位的加權(quán)系數(shù)增大，對液位速率的加權(quán)系統(tǒng)減小，實(shí)施二者的協(xié)調(diào)控制；當(dāng)液位達(dá)到或超出允許的上限Hlm或下限Llm時(shí)，對液位速率的加權(quán)系數(shù)為零，對液位的加權(quán)達(dá)到設(shè)定的最大值，使液位不超上下限。實(shí)施以上控制策略的控制器稱為液位速率與液位協(xié)調(diào)控制器。(4)由實(shí)測的液位信號，在線實(shí)時(shí)計(jì)算液位變化速率，以提供液位速率控制所需信息，由于實(shí)測液位信號中夾雜有燥聲，為得到液位速率的有效信息，通過濾波器對實(shí)測液位信號和液位速率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行濾波，構(gòu)成液位速率在線實(shí)時(shí)計(jì)算器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液位與流量協(xié)調(diào)控制方法實(shí)現(xiàn)所用的設(shè)備，其特征在于它是用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的液位流量協(xié)調(diào)控制方法，由液位速率在線實(shí)時(shí)計(jì)算器，液位與其上下限偏差檢測器，液位速率和液位協(xié)調(diào)控制器構(gòu)成的液位流量協(xié)調(diào)控制器；與已有生產(chǎn)容器、液位測量器、離心泵、調(diào)節(jié)閥、流量控制器，構(gòu)成液位與流量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；由液位測量器給出液位信號到液位與其上下限偏差檢測器和液位速率在線檢測器，兩者的計(jì)算結(jié)果再送至液位速率與液位協(xié)調(diào)控制器，其計(jì)算結(jié)果再送給調(diào)節(jié)閥或流量控制器，由離心泵控制容器液位速率和液位。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液位與流量協(xié)調(diào)控制方法實(shí)現(xiàn)所用的設(shè)備，其特征在于采用比例積分控制器模塊實(shí)現(xiàn)液位控制，采用積分控制器或比例積分控制器模塊實(shí)現(xiàn)液位速率控制，采用選擇器模塊，實(shí)現(xiàn)液位與上下限偏差檢測，采用滯后(一階慣性)、超前-滯后、加減、濾波等模塊實(shí)現(xiàn)液位速率在線實(shí)時(shí)計(jì)算。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液位與流量協(xié)調(diào)控制方法實(shí)現(xiàn)所用的設(shè)備，其特征在于根據(jù)液位、液位速率與流量的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，對液位和液位速率進(jìn)行預(yù)估，給出液位和液位速率未來時(shí)刻預(yù)估偏差，據(jù)以實(shí)施液位流量協(xié)調(diào)控制，所用模型如下以抽出流量G。w(噸/小時(shí))作為調(diào)節(jié)手段^^=-"/^0)+^W0"g>0,取決于響應(yīng)快慢，參考值:2-6(min—"具有流SP/控制時(shí)UW為流量尸/給定值，無流量尸/控制時(shí)，f/^是調(diào)節(jié)閥的開度,6g取決于調(diào)節(jié)閥特性Z為時(shí)間，以分鐘(min)為單位液位L(%):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>=流入容器的流量(噸/小時(shí))i二液位計(jì)量程(m)j二容器截面積(m2)/^流體密度(噸/m3)液位速率V:以(噸/小時(shí))為單位<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>%/min)為單位<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>全文摘要本發(fā)明涉及一種液位與流量協(xié)調(diào)控制方法及系統(tǒng)，由液位速率在線實(shí)時(shí)計(jì)算器，液位與上下偏差檢測器，液位和液位速率控制器液位與流量協(xié)調(diào)控制器；液位速率在線實(shí)時(shí)計(jì)算器，根據(jù)生產(chǎn)過程中已有的液位測量值，給出液位速率實(shí)時(shí)變化信息，通過液位區(qū)域上下限檢測器給出液位或其未來預(yù)估值是否超出允許變化區(qū)域上下限及超出上下限的數(shù)值信息，加上實(shí)測的液位信息，送給液位和液位速率控制器，計(jì)算給出當(dāng)前時(shí)刻抽出流量調(diào)節(jié)閥V或抽出流量PI控制器給定值的調(diào)整量，實(shí)現(xiàn)液位與流量的協(xié)調(diào)控制，在保持液位變化不超出上下限的條件下，可使容器流出流量或流入流量變化平緩，從而使整個(gè)生產(chǎn)過程運(yùn)行平穩(wěn)。文檔編號G05D27/00GK101329585SQ20081011710公開日2008年12月24日申請日期2008年7月24日優(yōu)先權(quán)日2008年7月24日發(fā)明者璞袁申請人:璞袁