劉會(huì)平，陳郇，李大字

(1. 中國寰球工程有限責(zé)任公司 東南亞地區(qū)管理公司，新加坡 416202；2. 北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

加氫改質(zhì)裝置是石油化工行業(yè)常見的重要的二次加工裝置，通過在一定條件下的加氫技術(shù)來深度提升油品質(zhì)量[1]。為減少系統(tǒng)中重質(zhì)成分在管道內(nèi)的積聚，以防管路阻塞，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的定期沖洗，自動(dòng)反沖洗過程是其中的重要環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)采用過濾后的清潔油品沖洗過濾器和排污油罐。但投運(yùn)后自動(dòng)反沖洗頻率高，造成該過程中由于原料油的流量突然變化使得原料油緩沖罐液位發(fā)生很大的波動(dòng)，會(huì)對(duì)整個(gè)裝置都有很大的影響[2]。為了解決該問題，一種方法是使用前饋串級(jí)回路，通過控制原料油進(jìn)料量以提前調(diào)節(jié)原料油緩沖罐液位，雖然該方法能有較強(qiáng)的抗干擾能力，但使得系統(tǒng)的響應(yīng)變得較慢[3]。另一種方法是采用自抗擾控制，該方法擁有很強(qiáng)的抗干擾能力與快速的響應(yīng)時(shí)間，所以本文將該控制算法應(yīng)用在原料油緩沖罐液位的控制中，以獲得更好的控制性能。

1 問題描述

本文以某公司柴油加氫改質(zhì)裝置為研究對(duì)象，原料油緩沖罐控制回路如圖1所示。自上游而來的原料油需經(jīng)過自動(dòng)反沖洗過濾器過濾，再經(jīng)換熱器(E213，E211)冷卻后，進(jìn)入原料緩沖罐(D101)。當(dāng)流入過濾器的原料油進(jìn)出口兩端差壓(PISA202)達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)反沖洗操作。在對(duì)D101罐進(jìn)行反沖洗時(shí)，由于沖洗介質(zhì)為原料油，原料油進(jìn)口流量的突然變化，造成D101罐液位(LIC601)波動(dòng)較大，其波動(dòng)范圍為55%～65%，同時(shí)造成罐頂壓力(PIC601)和E211溫度(TIC101)等控制回路的波動(dòng)，給后續(xù)流程造成影響。

圖1 原料油緩沖罐控制示意

2 自抗擾控制

自抗擾控制算法自提出以來已經(jīng)在許多實(shí)際過程中得到應(yīng)用與驗(yàn)證[4-5]，該算法在繼承傳統(tǒng)PID對(duì)模型無依賴的優(yōu)勢外，還具有較強(qiáng)的抗干擾能力。本文將其應(yīng)用在液位LIC601的控制中，使得原料油緩沖罐環(huán)境變化對(duì)周圍回路的影響降到最小。該算法最早由韓京清教授提出[6]，最初提出時(shí)為非線性形式，雖然具有很好的控制性能，但由于參數(shù)眾多，在實(shí)際應(yīng)用中較難推廣。高志強(qiáng)在該基礎(chǔ)上提出線性自抗擾控制算法，并提出帶寬參數(shù)化的調(diào)參方法[7-8]，使得自抗擾控制在實(shí)際生產(chǎn)中獲得進(jìn)一步的推廣應(yīng)用[9]。

線性自抗擾控制器主要包含“擴(kuò)張狀態(tài)觀測器”和“線性狀態(tài)誤差反饋”兩個(gè)部分，其中“擴(kuò)張狀態(tài)觀測器”主要實(shí)時(shí)估計(jì)系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)與異于標(biāo)準(zhǔn)型的“總擾動(dòng)”，進(jìn)而通過“線性狀態(tài)誤差反饋”對(duì)估計(jì)出來的“總擾動(dòng)”進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償以獲得期望的控制性能。線性自抗擾控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 線性自抗擾控制器結(jié)構(gòu)示意

圖2中，r(t)為給定值信號(hào)；u(t)為控制信號(hào)；y(t)為被控對(duì)象的輸出信號(hào)；z1，z2， …zn為擴(kuò)張狀態(tài)觀測器所估計(jì)的系統(tǒng)狀態(tài)；zn+1為擴(kuò)張狀態(tài)觀測器所估計(jì)的系統(tǒng)總擾動(dòng)；b0為被控對(duì)象增益的估計(jì)值；ω(t)為外界擾動(dòng)；u0(t)為誤差反饋控制量。

一階自抗擾控制器的控制作用u0一般選擇比例作用，如式(1)所示：

(1)

3 方案改進(jìn)

LIC601的穩(wěn)定與否，對(duì)整個(gè)反沖洗過程的順利運(yùn)行有至關(guān)重要的作用。提出的改進(jìn)方法是根據(jù)LIC601波動(dòng)曲線，基于自抗擾控制的串級(jí)及流量補(bǔ)償控制方案。改進(jìn)方案如下：

1)增加原料油進(jìn)料量控制器FIC101與LIC601構(gòu)成自抗擾的串級(jí)前饋控制回路。

2)當(dāng)PISA202達(dá)到設(shè)定差壓時(shí)，反沖洗開始，在串級(jí)控制的基礎(chǔ)上增加一個(gè)可自由給定的原料油進(jìn)料量，當(dāng)反沖洗結(jié)束時(shí)，該增加量自動(dòng)終止，使反沖洗過程中LIC601回路中控制閥提前調(diào)節(jié)，減少液位波動(dòng)，同時(shí)減少反沖洗對(duì)原料罐周邊回路的影響。

改進(jìn)后控制方案如圖3所示。

圖3 原料油緩沖罐改進(jìn)后控制方案示意

由圖3可知，計(jì)算補(bǔ)償模塊實(shí)現(xiàn)上述基于自抗擾控制的串級(jí)及流量補(bǔ)償控制方案，該方案在DCS中實(shí)現(xiàn)。

4 方案驗(yàn)證

將該改進(jìn)方案在D101罐的液位控制中實(shí)現(xiàn)，罐液位h、E211出口溫度θ改進(jìn)前后控制性能對(duì)比見表1所列，控制效果對(duì)比如圖4所示。

表1 改進(jìn)方案與單回路PID控制方案控制性能對(duì)比

從表1可以明顯看出，改進(jìn)方案相比于單回路PID控制方案，液位和溫度等值的波動(dòng)更小，抗干擾的能力得到了很大的提升，這一點(diǎn)也可以在圖4中的對(duì)比得以驗(yàn)證。

圖4 改進(jìn)方案與單回路PID控制方案控制效果對(duì)比示意

從圖4可以看出，D101罐的液位LIC601與E211出口溫度TIC101的實(shí)際測量值在PID控制時(shí)具有周期性的大波動(dòng)，控制效果不理想。在采用了改進(jìn)方案之后，在干擾下可以很快地跟蹤新的設(shè)定值，并且沒有超調(diào)，波動(dòng)也相對(duì)較小。顯示了其對(duì)設(shè)定值變化時(shí)的跟蹤能力很好，相比于原系統(tǒng)中的大超調(diào)與長時(shí)間相比，抗擾性能大幅提升。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)加氫改質(zhì)裝置中原料油緩沖罐液位的控制問題進(jìn)行優(yōu)化，將單回路控制方案改為串級(jí)加前饋方案，并通過加入線性自抗擾控制器，使得原料油緩沖罐液位能快速跟蹤設(shè)定值，同時(shí)也有很強(qiáng)的抗干擾能力，相比于單回路PID控制方法，在控制性能上有了較大的提升。