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过程建模与反馈控制

来源:控制工程网2016.03.17阅读 574

  先进调节控制(ARC)可以解决许多工业控制方面的问题。在20世纪70年代,借助数字控制系统和过程控制计算机,设计人员开发出两项功能强大的先进调节控制技术:前馈控制和解耦控制。对于反馈控制,不管有多复杂,在发生扰动的时候其自身都不能保证重要的控制变量接近设定值。而设计前馈控制的初衷就是为了调整独立的操作变量,在机组进给速率发生变化时,能够确保重要的控制变量接近设定值。
  而做到这些靠的就是模型控制工程网版权所有,被收集起来的开环响应数据可以反映进给速率变化时控制变量的响应方式,这种响应一般适用于时滞和滞后模型。而“反转”模型是一种可以通过控制变量,进而调整操作变量的前馈模式,当进给速率发生变化时,可以保证控制变量接近设定值。
  在蒸馏塔里,塔顶温度是通过涡流来进行控制的,其挑战在于如何给进给速率进行时滞和超前或滞后补偿。可以通过正确的增益将增量变化轨迹传送到涡流来实现调整回流,从而消除扰动。如果前馈补偿做得完美,那么就不需要后续的反馈修正。
  模型预测控制(MPC)或多或少地为前馈变量(FFV)提供了相同的“模型预测”控制行为。相对于模型预测控制的前馈控制,先进调节控制的前馈控制可以做的更好。正确的增益或者操作变量的数量必须进行调整才能保证控制变量接近设定值,这并不是一个恒定的比率。例如,由于原料成分变化等原因,保证塔顶温度在设定点所需要的回流/进给比值今天的数值可能与昨天的数值不同。先进调节控制可以合并动态的、自适应的前馈增益补偿来应对过程变化,而模型预测控制则不可以。

  另外一个基于模型的先进调节控制的控制特性是解耦控制。与前面类似控制工程网版权所有,其初衷也是为了蒸馏塔而开发的。在很多生产高纯度产品的分馏塔里,热量和物料平衡是高度耦合的,如果移动分馏柱的一端必然会影响到另一端。可以对分馏柱两端同步进行解耦操作来将热量和物料平衡的紊乱降到最低。如果需要增加回流来实现塔顶产品纯度的最大化控制工程网版权所有,那么对重沸器热量进行类似的解耦操作会避免底部产品纯度的紊乱。
  40多年前开发的先进调节控制技术,通过一个模型来预测将要发生的事故并制定应对策略,从而反驳了先进调节控制不是模型预测控制的观点。先进调节控制可以成为多变量,因此前馈和解耦控制可以同时控制多个前馈变量和相关控制变量,通过控制多个操作变量来实现对多个控制变量的控制。与模型预测控制相比www.cechina.cn,先进调节控制通常成本更低、更耐用、更容易被操作员理解、需要的维护更少。所以,先进调节控制应该被当做解决大多数常见工业控制问题的首选。
  先进过程控制的3大要素
  先进过程控制(APC)虽然每次只是执行一点点,但是却能极大的改善流程。APC具有三个基本要素:时滞补偿,自适应调节和解耦。
  1、时滞补偿:这一因素往往没有被正确的理解。仅仅在回路的输入中插入一个时滞功能块是不够的;这样会忽视过程扰动对PID控制器输出的影响。Smith预估器允许控制回路根据扰动幅度的大小调整模型的偏差;改良的Smith预估器还允许控制器根据扰动调整增益和偏差。如果一台热交换器的入口温度受到扰动,则需要调节偏差的变化来保证恒定的出口温度;而对于一台进给速率受到扰动的热交换器来说,则需要通过调节其增益来保证出口温度。
  2、自适应调节:有时候被称为增益调度,对于pH来说是一个经典的受控变量。对于任何的过程响应变化,其循环变量在控制区间是呈线性变化的,如果循环变量变化趋势发生变化时,就需要自适应调节。这个实施起来并不困难,用户只需要知道控制区间的数量以及变化发生在回路响应中的哪些地方,然后通过一个调节软件包确定每一个线性区间的响应以及区间之间过渡区域的宽度即可。
  3、解耦:一些控制回路互相作用,甚至会互相冲突控制工程网版权所有,因此创建一个解耦网络是有必要的。举个例子石灰窑需要在窑两端对其温度进行控制,低温一端需要通过引风机的速度来控制,而高温一端则需要通过燃料流量来控制。通过保持恒定的燃料流量以及增加风机速度,高温一端的温度下降,而低温一端的温度上升。通过保持风机速度恒定以及增加燃料流量,两端的温度都上升,不过高温一端要比低温一端升温多得多。
  如果两个控制器都处于自动状态,它们会互相冲突。而要打破这种耦合关系,控制回路的输出需要通过一系列时滞和超前/滞后功能块来获取,并与其它控制回路的输出叠加在一起才可以。调节网络需要知道每个回路的相关时间常数,即时滞和响应时间。
  将这些相对简单的APC应用带入到某些在逻辑方面需要特殊算法的情况中,诸如模型预测或模糊逻辑,并注意在时滞补偿、自适应调节和解耦3个方面去调整,将会帮助用户改善运营和提高生产效率。(作者:Jim Ford)

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