预测控制及其在合成氨氢氮比系统中的应用.docx
4页
预测控制及其在合成氨氢氮比系统中的应用陈观明马学军马敬葛明陈艳丽( 西南化工研究设计院 ,四川双流 ,610225)( 泽普石化厂 ,新疆泽普 ,844804)摘要 阐述了时滞系统多步 MAC 预测控制算法 针对氢氮比系统对象特点 ,设计了一种多步 MAC 预测控制算法与 PID 算法相结合的串级控制方案 ,并在一个中型合成氨厂实施 文中还介绍了系统实施方案及应用效果关键词 : 合成氨 氢氮比控制 预测控制 串级控制1 引 言预测控制是 70 年代后期产生的一类新型计 算机控制算法 ,是目前在工业过程控制领域中应用较广的一类算法 最早应用于工业过程的预测 控制算法 有 Richale 、Mchra 等 人 提 出 的 建 立 在 非参数模型脉冲响 应 基 础 上 的 模 型 预 测 启 发 控 制 (MPHC) 1 ,或称为模型算法控制 (MAC) 2 ,以及 Culter 等提出的 , 建立在非参数模型算法阶 跃 响 应基础上的动态矩阵控制 (DMC) 3 由于这类算法采用多步预测 、 滚动优化和误差反馈校正 ,且采 用直接从生产现场检测到的过程响应作为模型而不需要事先知道过程模型的结构和参数等有关先 验知识 ,因而控制效果好 、 鲁棒性强 ,适用于控制 比较复杂且难以建立机理模型的工业生产过程 。
所以它一出现就受到国内外工程界和控制界的重 视 ,并已在石油 、 化工 、 电力等工业部门的控制系 统中得到了成功的应用4 ,5 氢氮比控制具有大滞后 、 积分特性 、 非线性和 时变性 ,多年来一直是化工过程控制中的一个难 题 ,国内外许多专家学者和工程技术人员都为之作出了很多有益的探索和实践6 ～9 ,但不少研究 所采用的控制算法难以做到真正工业应用 本文针对氢氮比系统的对象特点 ,考虑到预 测控制方法所具有的优点 ,在一个以天然气为原料的连续制气合成氨生产装置上 ,运用 MAC 预测 控制算法 ,设计了一套预测加 PID 串级氢氮比控 制系统 ,获得了满意的控制效果 2 时滞系统多步 MAC 预测控制算法 模型算法控制 (MAC) 基本上包括 : ① 预测模型 ; ② 反馈校正 ; ③ 滚动优化 ; ④ 参考输入轨迹等几部分 它采用基于脉冲响应的非参数模型作为 预测模型 ,用过去和未来的输入输出信息 ,根据预测模型 ,预测系统未来的输出状态 ,经过用模型输 出误差进行反馈校正以后 ,再与参考轨迹进行比 较 ,应用二次型性能指标进行滚动优化 ,然后再计 算当前时刻应加于系统的控制动作 ,完成整个控 制循环 。
2 . 1 预测模型根据线性系统离散卷积定理 ,一个被控系统 的预测模型可以用下式表示 :ym ( k + d + 1) = h1 u ( k) + h2 u ( k - 1) + +(1)hN u ( k + 1 - N )式中 :ym ( k + d + 1) — — — ( k + d + 1) 时刻预测模型输出 ;u ( k) — — — k 时刻系统的输入 ;h1 , h2 ,, hN — — — 被控系统的脉冲响应序列值 ;N — — — 脉冲响应序列长度 ;d — — — 时滞步数 对式 (1) 进行差分运算 ,即得增量模型 :ym ( k + d + 1) = ym ( k + d) + h1Δu ( k) + h2Δu ( k+ hNΔu ( k + 1 - N)(2)- 1) +式中 Δu ( k + 1 - i) = u ( k + 1 - i) - u ( k -i )( i = 1 , 2 ,, N )对于多步预测 ,设 P 为预测时域长度 , M 为收稿日期 1998 - 08 - 15 。
控制时域长度 ,且 N ≥ P ≥M ,并设 k + M - 1 时 刻后控制量不再改变 ,则有 :N ym ( k + d + i) = ym ( k + d + i - 1) + ∑hj u ( kj = 1 + i - j)令( i = 1 , 2 ,, P)(3)Y m ( k + 1) = [ ym ( k + d + 1) , ym ( k + d + 2) ,, ym ( k + d + P) ] T ΔU ( k) = [Δu ( k) ,Δu ( k + 1) ,,Δu ( k + M- 1) ] TΔU ( k - 1) = [Δu ( k - 1) ,Δu ( k - 2) ,,Δu ( kN) ] T+ 1 -I = 1 , 1 , 1 ] T对式 (3) 进行化简合并 ,得到多步预测模型的 矩阵表达式 :Y m ( k + 1) = GΔU ( k)+ d) I 式中 :+ FΔU ( k -1)+ ym ( k(4)(5)G =gij ] P ×Mgij=i +1 - j ∑hk ( i = 1 , 2 ,, P ; j = 1 , 2 ,, M ; j ≤ i )k = 10( j > i)的控工人劳动强度大 ,影响合成氨产量及能耗 。
为此 ,借助微机这一先进的工具 ,采用预测控制策略构 成氢氮比预测控制系统是十分必要的 3 . 2控制方案设计针对被控对象的特点 ,本文采用多步 MAC 预 测控制算法 、PID 算法及前馈调节相结合的控制规律构成氢氮比前馈串级控制系统 系统结构方 块图如图 1 所示 ,方案设计主要思想如下 :a . 负荷 (原料气流量) 变化是该系统可测不可 控的干扰 ,为此 ,采用了一个前馈调节系统 ,以便 及时克服此干扰 极点配置副调流量控制器系数 k P调节 氮变氢图 1 氢氮比控制系统方块图b. 空气 流 量 波 动 较 大 , 必 须 采 用 闭 环 控 制 本系统中空气流量调节回路采用 YS280 单回路调 节器实现 c . 考虑到系统滞后时间长 ,为了能及时克服转化 、 变换工段产生的干扰 ,引入变换氢副调节回 路 此回路被控对象纯滞后时间短 ( 约 1 分钟) 、 时间常数小 ,故选用数字 PID 调节 调节器输出 作为流量调节器的给定值 d. 主被控对象氢氮比系统纯滞后时间长 、 惯 性大 、 干扰多 ,因此主控器选用 MAC 预测控制算 法 由于主对象存在积分环节 ,无法直接测得非 参数脉冲响应模型 ,故在系统中采用极点配置法 获得开环稳定的广义对象 ,从而可以得到非参数 脉冲响应模型 。
4预测模型测试由式 (1) 可知 ,要实施 MAC 算法 ,必须要获得 被控系统的非参数脉冲响应模型 ,即获得式 (1) 中根据下式 :h1 = a1ai -hi=ai - 1热的 h1 , h2 ,, hN 脉冲响应序列值 本文 MAC 算 法中的脉冲响应序列值从现场阶跃响应测试数据 中获得 现场测试具体步骤如下 :a . 投入空气流量及变换氢调节回路 b. 测试变换 氢 调 节 回 路 ( 副 回 路) 给 定 值 至 氢氮比之间的广义对象模型 c . 用以上模型进行计算机仿真 ,选定一合适 的极点配置系数 kp d. 对 kp 值进行现场实际测试调整 ,以获得合 适的广义主对象阶跃响应特性 e . 用得到的广义主对象阶跃响应序列数据 ,前馈调节给定值MAC PID流量 对象副 对象主 对象氢比测量 测量换测量原料气流量·28 ·化 工 自 动 化 及 仪 表第 26 卷YS280 的外给定 ,这样通过 YS280 上的内外给定切 换 ( C/ A 切换) ,可以方便地实现氢氮比人机控制 切换 系统构成如图 3 所示 应用程序用 QB 及汇编语言混合编制 。
除实 现控制功能外 ,系统还可以实现参数分组显示 、 实时趋势及历史趋势显示 、 报警记录与显示 、 参 数整定等功能 显示了该控制系统的实时运行结果 图 4 氢氮比预测串级控制趋势图参 考 文 献Richalet J ,et al . Model Predictive Heuristic Control :Application to In2dustrial Process. Automatica ,1978 ;14(5) :4132428Rouhami R , Mehra R. K. Model Algorithmic Control ( MAC) , BasicTheoretical Properties. Automatic ,1982 ;18(4) :4012414Cutler C. R. , Ramaker B. L . Dynamic Matrix Control2A ComputerControl Algorithm. Proc . JACC ,SanFrancisco ,1980Advanced Control and Information Systems’97 . Hydrocarbon Process2ing ,1997 ;76(9) :872133钱伯章. 当代石油化工自动化的技术发展要点. 化工自动化及 仪表 ,1996 ;23(6) :327陈铁军 ,邱祖廉等. 高精度氢氮比控制系统. 西安交通大学学 报 ,1988 ; (1)张洪垠. 氢氮比控制系统. 化工自动化及仪表 ,1992 ; 19 ( 2) : 6210李 平 ,王树青等. 新型的合成氨氢氮比控制系统. 化工自动 化及仪表 ,1994 ;21(3) :7210赵 进 ,孙华田. 合成氨氢氮比微机控制系统. 化工自动化及 仪表 ,1997 ;24(4) :1121512氨生产过程 3 图 3 氢氮比微机控制系统4 6 运行结果本文运用 MAC 预测控制算法所设计的一套 预测加 PID 串级氢氮比预测控制系统已于 1998206 在新疆泽普石化厂合成氨生产装置上投入运 行 。
在连续 72 h 的考核运行中 ,氢氮比控制精度 在 ±0 . 1 以 内 , 工 况 稳 定 情 况 下 可 控 制 在 ±0 . 05以内 与原来的手动控制相比 ,提高了控制精度 , 减轻了工人的劳动强度 ,稳定了生产工况 ,为工厂 的节能 、 降耗和增产提供了一种有效的工具 图 456789小点滴·七段码 — — —BCD 码或十进制码转换装置7107 A/ D 转换器大量用于数字式自动化仪表 ,但由于其输出信号线太多 (每位 7 根) ,当需要将它和计算机通信或以BCD 码或十进制码输出去驱动显示 、 控制设备时会深感不便 图 1 、 图 2 给出了具体实现电路 ,将图 1 、 图 2 的电路结合起 来 ,再利用现有的 BCD 码 — — — 十进制码译码器如 CD4028 就可实现七段码到十进制码的转换 ,但需将 CD4028 的输入输出 引脚重新定义 图 1 七段码 — — —BCD 译码逻辑图图 2 实现代码 1111 变成 1000 逻辑图 (天津理工学院韩启纲)IPC/ 586RS2485D/ AADAMADAMYS280合成。
