本發(fā)明涉及一種石化裝置工藝中液位-流量串級控制回路的非線性區(qū)域控制方法，屬于石油化工裝置控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在大型的石化裝置中，隨著裝置的現(xiàn)代化、自動化、一體化水平逐步提升，石化裝置設(shè)備間的關(guān)系越來越緊密，上、下游工藝有著連續(xù)生產(chǎn)的關(guān)系，上游設(shè)備的出料往往作為下游設(shè)備進料，比如精餾塔設(shè)備即為石化生產(chǎn)流程工藝中典型的生產(chǎn)設(shè)備，而復(fù)雜的生產(chǎn)流程存在幾個甚至十幾個精餾塔進行連續(xù)生產(chǎn)，這給裝置的穩(wěn)定運行增加很大的難度，一旦裝置中某一設(shè)備出現(xiàn)了波動，其將影響整個裝置的正常運行。

目前對于諸如前述的塔間存在連續(xù)性生產(chǎn)的塔件設(shè)備，主要采取的控制方案為傳統(tǒng)的液位-流量串級控制或者串級均勻控制，對于串級控制方案，其設(shè)計目標(biāo)一般是以主回路液位為主要控制對象，確保塔液位的穩(wěn)定，而當(dāng)液位波動時，需要通過出料量來保證其穩(wěn)定，由于上游設(shè)備的出料為下游設(shè)備的進料，這樣往往導(dǎo)致下游設(shè)備難以平穩(wěn)運行，另外，精餾塔由于進料干擾，導(dǎo)致液位測量存在虛假現(xiàn)象，液位測量值波動較頻繁，從而導(dǎo)致出口流量頻繁動作，對下游工藝生產(chǎn)不利；而對于串級均勻控制，其結(jié)構(gòu)設(shè)計與串級控制方案相同，其設(shè)計目標(biāo)為允許液位在一定范圍波動，從而使得出口流量對液位進行緩慢調(diào)整，此種控制方案適用于干擾不大，液位控制要求不高的情況。對于干擾大，液位控制要求高的工藝需求，串級均勻控制方案難以達到滿意的效果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決液位-流量串級控制問題，本發(fā)明提出一種非線性區(qū)域控制方法，該方法結(jié)合專家系統(tǒng)和非線性區(qū)域控制思想，針對化工生產(chǎn)流程工業(yè)中精餾塔間連續(xù)生產(chǎn)的工藝特點，對塔液位-流量實施一種智能非線性區(qū)域控制。該方法的基本設(shè)計思想為液位在小范圍波動，使控制器對液位施加較平穩(wěn)的控制，隨著液位偏差增大到預(yù)先設(shè)定的閾值，對其實施較強的調(diào)節(jié)，此方法的優(yōu)點在于大大減小了虛假液位的頻繁干擾導(dǎo)致的流量頻繁動作，減少對下游工藝流程的影響，當(dāng)液位偏差大于設(shè)定的閾值時，使液位控制器的作用增強，可以快速使液位回到平穩(wěn)閾值內(nèi)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種液位-流量非線性區(qū)域控制方法，其方法原理模塊圖見圖1所示，下面介紹該方法的原理。

針對一般PID控制器的比例、積分、微分作用的輸入輸出運算如下式(1)所示：

式中，MV(t)為控制器計算輸出；K_p為控制器比例參數(shù)；I為控制器積分參數(shù)；D為控制器微分參數(shù)；E(t)為過程被控變量測量值PV與設(shè)定值SV的差，及E(t)＝PV-SV，t為時間。

首先根據(jù)實際的工藝情況設(shè)定一個偏差絕對值的閾值TW，該閾值表示，當(dāng)偏差絕對值在此范圍內(nèi)，控制器比例參數(shù)的調(diào)節(jié)強度緩慢增加，如下式(2)所示：

式中，E(t)為偏差；K_e為實際有效比例參數(shù)；TW(TW＞0)為設(shè)定閾值；α(0＜α＜1)為可變系數(shù)，其物理意義為當(dāng)偏差E(t)達到閾值TW時，控制器的有效比例參數(shù)占設(shè)定的控制器比例參數(shù)比例。

當(dāng)偏差絕對值超過設(shè)定的閾值TW，控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)強度按預(yù)先設(shè)定的指數(shù)函數(shù)非線性增加，如下式(3)所示：

當(dāng)實際有效比例參數(shù)K_e增加到β(β≥1)倍K_p時，即偏差絕對值增加到時，其中e為自然常數(shù)，ln(·)為自然對數(shù)函數(shù)，使控制器調(diào)節(jié)強度穩(wěn)定在β倍K_p，如下式(4)所示：

K_e＝βK_p (4)

通過上述對控制器比例參數(shù)的有效值進行分析，隨著偏差的增大，把控制器有效比例參數(shù)歸納為下式(5)：

其變化趨勢曲線見圖2所示。

另外，對于控制器的積分參數(shù)，也同樣采取控制作用隨著偏差增大而增強的方案，偏差在設(shè)定閾值TW范圍內(nèi)時，控制器積分參數(shù)變化在較弱的水平，如此能夠大大減弱噪聲及虛假液位的干擾；當(dāng)偏差增加到大于設(shè)定閾值TW，小于的區(qū)域，使控制器積分參數(shù)由弱到強，變化速度兩倍于閾值TW范圍的參數(shù)變化，如此能夠達到減緩偏差逐漸增大的趨勢，避免偏差增加過大；當(dāng)偏差增加到大于時，使控制器積分參數(shù)恒定在預(yù)先設(shè)定的較強水平，以確保過程變量被控制回平穩(wěn)范圍內(nèi)。

上述控制器積分參數(shù)隨著被控變量偏差在不同區(qū)域的變化而變化的關(guān)系歸納如下式(6)所示：

其中，皆為常數(shù)，I_e為有效控制器積分參數(shù)。控制器積分參數(shù)I_e變化趨勢曲線見圖3所示。

綜合對液位-流量非線性區(qū)域控制方法的分析，與現(xiàn)有傳統(tǒng)的PID控制器相比，本發(fā)明所提出的方法具有如下幾個優(yōu)點：

1、該方法在很大程度上減小了噪聲及虛假液位的干擾，避免了由于液位頻繁波動導(dǎo)致流量閥高頻率動作，大大減小了上游干擾對下游工藝運行的影響；

2、該方法具有一定的智能性和自適應(yīng)性功能。針對過程被控變量偏差的變化程度，實時地調(diào)整控制器的比例、積分參數(shù)，達到調(diào)整控制作用強度變化的目的，實現(xiàn)液位-流量的智能非線性區(qū)域控制。

附圖說明

圖1是非線性區(qū)域控制方法原理模塊圖；

圖2是非線性區(qū)域控制方法的控制器比例參數(shù)變化圖；

圖3是非線性區(qū)域控制方法的控制器積分參數(shù)變化圖；

圖4是非線性區(qū)域控制方法的具體實例效果對比曲線圖。

具體實施方式

針對本發(fā)明所提出的方法，下面結(jié)合一個實例予以說明。

某煉化廠一個精餾塔對象，塔底液位控制回路LIC120003和塔底出口流量控制回路FIC120003組成串級回路對塔底液位進行控制，塔底液位由于受塔進料及儀表自身測量影響，存在測量虛假現(xiàn)象，液位測量值波動較頻繁，從而導(dǎo)致塔底出口流量頻繁動作，不利于下游工藝的穩(wěn)定生產(chǎn)。因此對其液位控制器LIC120003采用本發(fā)明所設(shè)計的非線性區(qū)域控制方法進行設(shè)計，其控制器參數(shù)設(shè)計為K_p＝2；I＝10；D＝0；TW＝1.0；α＝0.25；β＝2.0；

對上述精餾塔塔底液位實施本發(fā)明設(shè)計的非線性區(qū)域控制方法后，與實施之前常規(guī)控制對比效果如圖4所示，圖中LIC120003.PV為液位的測量值，F(xiàn)IC120003.PV為塔底輸出流量，可以明顯看出，實施非線性區(qū)域控制前，塔底輸出流量波動較頻繁，不僅影響閥設(shè)備壽命，且流量波動頻繁更是影響了下游的穩(wěn)定生產(chǎn)；對液位實施非線性區(qū)域控制后，塔底輸出流量的波動情況得到明顯改善，波動較大程度減緩，有效克服了虛假液位測量對工藝生產(chǎn)的影響。