沈國(guó)良 季壽宏 譚 漢 邵 迪 楊雪峰

（1.浙江浙能天然氣運(yùn)行有限公司，浙江 杭州 310052；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 310000；3.中國(guó)石油新疆油田公司重油開發(fā)公司，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

天然氣站場(chǎng)控制系統(tǒng)中，針對(duì)壓力和流量的控制一般以傳統(tǒng)的PID控制器為主，相關(guān)的改進(jìn)型控制也主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者理論方法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行更改，缺乏實(shí)際應(yīng)用案例。為此，以浙江省天然氣管網(wǎng)所屬的站場(chǎng)作為研究對(duì)象，在總結(jié)多種目前針對(duì)氣體系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)［1-6］，經(jīng)過多次測(cè)試，開發(fā)了一種基于冗余設(shè)置的調(diào)節(jié)支路聯(lián)動(dòng)串聯(lián)控制方法，該方法以傳統(tǒng)的PI控制器為主體，通過跟蹤調(diào)節(jié)過程的特征量變化分區(qū)分段進(jìn)行控制參數(shù)優(yōu)化，試圖達(dá)到穩(wěn)定控制的目的。

1 調(diào)節(jié)功能設(shè)計(jì)

浙江省天然氣管網(wǎng)所屬的徐村灣站采用施耐德Premium系列TSX P57 3634M型控制器進(jìn)行場(chǎng)站壓力和流量控制，程序下載后掃描周期為25 ms；工藝區(qū)設(shè)置有兩級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中上游為兩路DN100電動(dòng)調(diào)節(jié)閥（PV136401和PV136402），下游為兩路自力式調(diào)節(jié)閥（PCV136501和PCV136502），相互間距不足10 m，見圖1。自2013年投產(chǎn)后，主調(diào)的PV閥一直處于手動(dòng)或半自動(dòng)控制狀態(tài)。

圖1 徐村灣站工藝流程圖

在調(diào)節(jié)功能設(shè)計(jì)時(shí)，采用增量型PI，通過調(diào)節(jié)設(shè)備特性和模糊算法來進(jìn)行參數(shù)修正。

1.1 調(diào)節(jié)設(shè)備特性

對(duì)調(diào)節(jié)閥的跟隨速度和流通量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1和表2。表中OP為閥門百分比開度，CV為百分比流量。

對(duì)表1和表2的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，為避免系統(tǒng)耦合［7-8］，且考慮到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥（PV）的調(diào)節(jié)速度小于自力式調(diào)節(jié)閥（PCV），所以需要限定閥位增量每秒不超過2.65%，并通過降低PV的控制速度使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定以保證調(diào)節(jié)曲線收斂；另外，對(duì)調(diào)節(jié)特性曲線進(jìn)行擬合，求一階導(dǎo)數(shù)后，將其引入?yún)?shù)的二次修正計(jì)算，進(jìn)行下一階段的分段優(yōu)化。

表1 調(diào)節(jié)開度百分比表

表2 流量百分比CV表

1.2 控制算法設(shè)計(jì)

采用基本的模糊算法進(jìn)行設(shè)計(jì)［9-11］，在此基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際情況將誤差ER和誤差變化EC分別劃分為正大（PB）、正中（PM）、正?。≒S）、零（ZO）、負(fù)小（NS）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NB）7個(gè)模糊集，統(tǒng)一采用三角分布作為隸屬度函數(shù)，見圖2。

圖2 論域-隸屬度函數(shù)劃分圖

而在對(duì)PI曲線的實(shí)際追蹤過程中，在保證調(diào)節(jié)曲線收斂的情況下進(jìn)行控制規(guī)則的設(shè)計(jì)，以正向調(diào)節(jié)為例（誤差為正），誤差先后經(jīng)歷正大到負(fù)大、負(fù)大到正小、正小到零直至趨近穩(wěn)定的幾個(gè)區(qū)域，而相應(yīng)誤差變化則先后經(jīng)歷負(fù)大到零到正大、再到負(fù)中至零至正小，最后為零并趨近穩(wěn)定的幾個(gè)區(qū)域，而反向調(diào)節(jié)則區(qū)間不變，正負(fù)相反，以此設(shè)立模糊規(guī)則表（表3）。

表3 模糊規(guī)則樣表

在去模糊化的過程中，采用重心法實(shí)時(shí)計(jì)算PI參數(shù)的修正值對(duì)應(yīng)在論域上的坐標(biāo)，考慮PLC控制器計(jì)算的周期性，將各隸屬度函數(shù)圍成的面積組合后，在論域坐標(biāo)上以間隔Interval離散化并采用近似法計(jì)算，最后轉(zhuǎn)化成一次修正值和。

其中：

最后將閥門特性函數(shù)引入權(quán)重系數(shù)W的計(jì)算［12］，一方面將傳統(tǒng)模糊算法靜態(tài)的權(quán)重系數(shù)動(dòng)態(tài)化，另一方面對(duì)閥門特性函數(shù)進(jìn)行修正以減少閥門特性的非等百分比影響，以獲得更好的控制效果：

通過式（6）和式（7）對(duì)PI的參數(shù)基數(shù)和分別進(jìn)行修正，得到最終參數(shù)：

式（2）至（4）中，x、y分別為圖2中隸屬度坐標(biāo)系中的坐標(biāo)軸；f（x）為同一x坐標(biāo)下隸屬度值最大的隸屬度函數(shù)；n為將f（x）離散化后的分段數(shù)量，Interval對(duì)應(yīng)每個(gè)函數(shù)段在x軸上的跨度，X對(duì)應(yīng)每個(gè)函數(shù)段在x軸上的起始分段坐標(biāo)值；Vi為f（x）的第i個(gè)分段與x＝X、函數(shù)x＝X＋I(xiàn)nterval以及x軸圍成的圖形面積；VXi為Vi對(duì)x坐標(biāo)的積分，即相關(guān)f（x）函數(shù)段在x軸上的重積分；Gx為f（x）與x軸圍成的整個(gè)圖形的重心G在x軸上的坐標(biāo)。

2 支路冗余控制功能設(shè)計(jì)

在支路冗余控制方面，采用增量型PI控制，即針對(duì)多個(gè)調(diào)節(jié)支路，僅設(shè)置一個(gè)調(diào)節(jié)控制器，通過不同支路的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行串聯(lián)設(shè)置的方式來實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制。同時(shí)為避免單一支路瞬間負(fù)荷過大，每個(gè)調(diào)節(jié)閥劃分為0～30%、30%～60%、60%～100%3個(gè)調(diào)節(jié)階段，且始終保證兩條支路處于相鄰或相同的調(diào)節(jié)階段，以降低支路切換過程中的擾動(dòng)，并結(jié)合控制算法來降低調(diào)節(jié)過程中的超調(diào)量。

3 實(shí)際應(yīng)用測(cè)試

將系統(tǒng)投入原站場(chǎng)后，從抗耦合能力、調(diào)節(jié)適應(yīng)性、支路切換補(bǔ)償時(shí)的抗擾動(dòng)性3個(gè)實(shí)際需求方向進(jìn)行應(yīng)用和分析。

3.1 系統(tǒng)的解耦功能

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖3所示，在傳統(tǒng)PID控制模式下參數(shù)固定，在T1時(shí)刻系統(tǒng)開始發(fā)散，但在T2時(shí)刻控制模式改變后，經(jīng)過一個(gè)波峰的自適應(yīng)調(diào)整，到T3時(shí)刻已基本消除兩節(jié)調(diào)節(jié)器間的互擾。

圖3 耦合工況下的收斂調(diào)節(jié)圖

3.2 系統(tǒng)的控制特性

通過1MPa的階躍信號(hào)對(duì)改進(jìn)型PI控制進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，調(diào)節(jié)曲線見圖4，并從時(shí)域的6個(gè)特性方面與傳統(tǒng)型PI控制進(jìn)行比對(duì)［13］，結(jié)果見表4。分析圖4，在T4時(shí)刻，對(duì)壓力調(diào)節(jié)進(jìn)行1.0 MPa反向階躍設(shè)定，待系統(tǒng)調(diào)節(jié)至穩(wěn)定后，隨即進(jìn)行同幅度的正向階躍測(cè)試，直至T5時(shí)刻系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；同時(shí)從表4的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)在正反向調(diào)節(jié)過程中的調(diào)整時(shí)間分別由傳統(tǒng)的54 s和98 s分別縮短為46 s和44 s，而最大超調(diào)量也由35%和81%降低到2%左右，所以改進(jìn)后系統(tǒng)的控制特性無論在快速響應(yīng)性上還是控制穩(wěn)定性上均有顯著改善。

3.3 支路切換的擾動(dòng)性

圖4 控制特性及支路切換調(diào)節(jié)效果圖

表4 壓力階躍測(cè)試表

支路切換實(shí)際是控制備用支路對(duì)主用支路進(jìn)行調(diào)節(jié)補(bǔ)償。實(shí)際測(cè)試時(shí)，在最高可調(diào)節(jié)壓力下，將備用支路設(shè)置至最低調(diào)節(jié)特性閥位，并關(guān)閉主用支路安全切斷閥以達(dá)到快速切斷的目的，測(cè)試結(jié)果見表5和圖4。分析圖4可知，在T5時(shí)刻，主用支路（調(diào)節(jié)閥1）瞬間截?cái)?，受限于下游?fù)荷、管容、調(diào)節(jié)閥開閥速度等因素，系統(tǒng)不可避免的進(jìn)入欠調(diào)狀態(tài)，但得益于備用支路（調(diào)節(jié)閥2）的代償效果，在經(jīng)過0.94 MPa的最大欠調(diào)，88 s的調(diào)整，到T6時(shí)刻，備用支路基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)主路的補(bǔ)償輸配，且最大超調(diào)控制在5%左右，實(shí)現(xiàn)了支路間的無擾切換。

表5 壓力調(diào)節(jié)支路切換測(cè)試表

4 結(jié)論

1）在控制器設(shè)計(jì)時(shí)，尤其對(duì)于未知控制對(duì)象， PID控制以其簡(jiǎn)單有效作為首要選擇。但是對(duì)于本項(xiàng)目中這種下游負(fù)荷變化快且擾動(dòng)極大的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID控制也存在適應(yīng)性的問題。針對(duì)該情況，在傳統(tǒng)控制領(lǐng)域，目前主要的方式以改進(jìn)型PID系統(tǒng)為主，通過參數(shù)的自整定自適應(yīng)來優(yōu)化控制性能，通過專家經(jīng)驗(yàn)法［14］、模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)［15］等，不同的算法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，以期獲得更好的調(diào)節(jié)特性。

2）系統(tǒng)應(yīng)用中，在總結(jié)現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際需求，選擇了一種基于PI調(diào)節(jié)曲線特性，采用了以實(shí)時(shí)的誤差分析和模糊計(jì)算進(jìn)行分段優(yōu)化的自整定技術(shù)，同時(shí)用誤差變化率取代微分環(huán)節(jié)以減少回差干擾，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)控制特性的改善；通過開發(fā)過程中對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、超調(diào)量、抗干擾能力等進(jìn)行大量的測(cè)試，以及對(duì)投入生產(chǎn)后的實(shí)際反應(yīng)進(jìn)行綜合分析，表明系統(tǒng)在抗耦合性、適應(yīng)性、穩(wěn)定性和支路的無擾切換方面均具有較好的性能，具備較高的應(yīng)用價(jià)值［16］。