加热炉先进控制系统设计

目录摘要ABSTRACT第1章引言1.1题目的背景1.2研究现状概述1.3题目的意义第2章2.1.加热炉的概况2.2先进控制概况第3章加热炉先进控制设计方案3.1延迟焦化加热炉工艺简介3.2常规控制方案以及存在的问题3.3研究内容及预期目标3.4先进控制方案设计3.5预测函数控制原理3.6运用MATLAB进行仿真分析3.7加热炉先进控制在DCS上实现第4章总结加热炉先进控制系统设计摘要加热炉是炼油化工生产过程中常用的换热设备。作为炼油化工生产的关键设备，加热炉的控制是实现“安、稳、长、满、优”生产操作的关键。但由于加热炉的控制与其上下游的生产过程密切相关，受各种不确定因素和过程干扰的影响较大，难以获得满意的控制效果。针对采用常规控制出口温度波动大，燃烧状况差等现状，将预测函数控制（PFC）应用于加热炉控制中，设计开发了以计算量小，鲁棒性强的预测函数控制为核心算法，辅以前馈，反馈控制的延迟焦化加热炉先进控制系统。其中分别对加热炉出口温度，烟道内的氧含量和炉膛负压先行先进控制。在MATLAB中的Simulink中进行系统仿真实验。并以CS3000集散控制系统（DCS）为开发平台，充分利用DCS自带的各种常规控制模块，运算和逻辑模块进行控制算法的组态，实现先进控制的各种功能。它可以克服各种扰动的影响，使被控变量保持在工艺所允许的范围内平稳运行。先进控制系统投运以来，提高了该加热炉的平稳性，增强了鲁棒性，改善了燃烧状况，提高了热效率，稳定了产品质量。关键词：加热炉；延迟焦化；先进控制；预测函数控制第1章绪论1.1背景加热炉是炼油化工生产过程中常用的换热设备。作为炼油化工生产的关键设备，加热炉的控制是实现“安、稳、长、满、优”生产操作的关键。实施加热炉先进控制，实现其长期平稳、优化操作对进一步提高企业经济效益具有重要的现实意义。但由于加热炉的控制与其上下游的生产过程密切相关，受各种不确定因素和过程干扰的影响较大，难以获得满意的控制效果。例如在炼油工业中加热炉的生产装置中，大部分的执行机构采用的都是蝶阀。由于这些阀门具有严重的非线性特性，使得加热炉常规的PID控制很难投用。如烟道内的氧含量控制，炉膛负压控制等。着是因为常规的PID控制很容易导致这些蝶阀进入非线性操作区域，进而造成加热炉操作的不平稳，甚至引起事故。1.2现状概述目前有许多关于加热炉的控制方案。其中毕嘉宾[1]利用PLC来实现对大型加热炉的控制。在这之前，加热炉的调节指标较差，应用PLC自动控制系统后，其出炉温度的稳态误差达到了预期目标。许志军[2]提出了在加热炉控制中应用SCADA系统。系统控制中着重解决了氧量控制问题、网络问题及系统干扰等问题，可以实现加热炉原油出炉温度控制、显示、事故追忆、系统联锁保护及网络功能。常富明[3]设计了熔盐加热炉控制系统，其中着重阐述了熔盐的温度控制系统、重油与助燃风比值控制系统和盘管预热控制系统。罗真[4]在加热炉控制系统中采用了DYZⅡ型电液执行。使加热炉控制系统的抗干扰能力有所提高。由于加热炉的控制受各种不确定因素和过程干扰的影响相对较大，所以难以获得满意的控制效果。针对这种情况，WangWei[5]提出了用于加热炉控制的一种混合监督控制方法。张智杰[6]在加热炉控制中采用了LOGO。他在加热炉控制系统的设计过程中充分利用了LOGO的各功能模块，不仅满足了设计要求，还可以方便、快捷地实现控制目的。针对加热炉比率控制系统控制对象的数学模型难以建立，贺勇[7]采用了P-Fuzzy-PI控制对煤气加热炉进行控制，用这种新型的比例-模糊-PI控制方法解决这一系列难题，效果也比较理想。针对PID调节难以实现多输入、多输出，非线性复杂系统对快速性、控制精度高的要求。Abilov[8]采用模糊控制思想实现了炼油加热炉的温度控制。采用模糊控制技术与常规PID控制相结合，实现加热炉各段温度设定值自修正、各段炉温自协调、各参数在线自整定的自寻优最佳燃烧控制。TimothyAV[9]采用动态热传导分析的方法，将整个加热炉内区域细分成一系列节点，通过分析各节点的热交换机理的方法对温度进行控制。王子威[10]在圆筒加热炉控制系统中，采用了常规控制与热效率在线自寻最优控制相结合的方法，组成加热炉热效率最优控制系统。控制过程主要是瓦斯流量热平衡控制和过剩空气系数最优控制。实际应用表明，所设计系统方案简单，控制稳定，干扰抑制能力有所提高。1.3加热炉先进控制的意义近年来，虽然有许多关于加热炉的控制方法，但其中仍然存在一些不足，如稳定性和鲁棒性较差，动态和静态控制精度较低，无法满足工艺的要求。为此，针对加热炉控制目前存在的问题，在前人研究工作的基础上，进一步展开加热炉先进控制策略的研究。针对出现的问题，根据其工艺特点建立了先进控制系统，采用鲁棒性强、易于工程实施的预测函数控制策略，在CS3000集散控制系统（DCS）中实现了加热炉的先进控制，它可以克服各种扰动的影响，使被控变量保持在工艺所允许的范围内平稳运行。所设计的先进控制系统提高了该加热炉的平稳性，改善了燃烧状况，提高了热效率，稳定了产品质量。第2章综述2.1加热炉概况2．1．1加热炉在炼油化工生产中常见的加热炉是管式加热炉。其形式可以分为箱式、立式和圆筒炉三大类。对于加热炉，工艺介质受热升温或同时进行汽化，起温度的高低会直接影响后一工序的操作工况和产品质量。当炉子温度过高时，会使物料在加热炉内分解，甚至造成结焦而烧坏炉管。加热炉的平稳操作可以延长炉管使用寿命。因此，加热炉出口温度必须严加控制。加热炉是传热设备的一种，同样具有热量传递过程。热量通过金属管壁传给工艺介质，因此它们同样符合导热与对流传热的基本规律。但加热炉属于火力加热设备，首先有燃料的燃烧产生炽热的火焰和高温的气流，主要通过辐射传热将能量传给炉壁，然后由炉壁传给工艺介质，工艺介质在辐射室获得的热量约占总热负荷的70%~80%，而在对流段获得的热量约占热负荷的20%~30%。因此加热炉的传热过程比较复杂，想从理论上获得对象特性是很困难的。加热炉的对象特性一般基于定性分析和实验测试获得，从定性角度出发，可以看出其传热过程为：炉膛炽热火焰辐射给炉管，经过传导，对流传给工艺介质。所以与一般传热对象一样，具有较大的时间常数和纯滞后时间。特别是炉膛，它具有较大的热容量，故滞后更为显著，因此加热炉属于一种多容量的被控对象。根据若干实验测试，并做了一些简化，可以用一阶环节加纯滞后来近似，其时间常数和纯滞后时间与炉膛容量大小及工艺介质停留时间有关。炉膛容量大，停留时间长，则时间常数和纯滞后时间大，反之亦然。2．1．2加热炉常见控制方案1单回路控制方案(1)扰动分析加热炉的最主要控制指标往往是工艺介质的出口温度，此温度为控制系统的被控变量，而操纵变量为燃料油或燃料气的流量。对于不少加热炉来说，温度控制指标要求相当严格，例如允许被动范围)2~1(℃。影响窟的出口温度的扰动因素有：工艺截止进料的流量、温度、组分，燃料方面有燃料油（或气）的压力、成分、燃料油的物化情况，空气过量情况，喷嘴的阻力，烟囱抽力等。在这些扰动因素中有的是可控的，有的是不可控的。为了保证加热炉出口稳定，对扰动应采取必要的措施。(2)单回路控制系统的分析例：某一燃油加热炉控制系统，起主要控制系统是以加热炉出口温度为被控变量，燃料油流量为超重变量组成的单回路控制系统。采用单回路控制系统往往很难满足工艺要求，因为加热炉需要将工艺介质（物料）从几十度升温到数百度，其热负荷很大。当燃料油（或气）的压力或热值（组分）有波动时，就会引起炉出口温度的显著变化。采用单回路控制时，当加热量改变后，由于传递滞后和测量滞后较大，控制作用不及时，而使炉出口温度波动较大，满足不了工艺生产要求。因此单回路控制系统仅适用于下列情况：1对炉出口温度要求不十分严格；2外来扰动缓慢而较小，且不频繁；3炉膛容量较小，既滞后不大。2串级控制方案为了改善控制品质，满足生产的需要，石油化工和炼油厂中的加热炉大多采用串级控制系统。加热炉的串级控制方案，由于扰动因素以及炉子形式不同，可以选择不同的副变量。加热炉串级控制的形式，主要有以下几种：1炉出口温度对炉膛温度的串级控制；2炉出口温度对燃料油（或气）流量的串级控制；3炉出口温度对燃料油（或气）阀后压力的串级控制；4采用压力平衡式控制阀（浮动阀）的控制。例：加热炉出口温度和炉膛温度的串级控制当受到扰动因素例如有燃料油的压力，热值和烟囱抽力等作用后，首先将反映炉膛温度的变化，以后在影响到炉出口温度，而前者滞后远较后者小。根据测试，前者仅为3MIN，而后者长达15MIN。采用炉出口温度和炉膛温度串级后，就把原来滞后的对象一分为二，副回路起超前作用，能使这种扰动因素影响到炉膛温度时，就迅速采取控制手段，这将显著改善控制质量。这种串级控制方案对下述情况更为有效。1热负荷较大，而热强度较小。即不允许炉膛温度有较大波动，以免影响设备。2当主要扰动是燃料油或气的热值变化时，其他串级控制方案的内环无法感受。3在同一个炉膛内有两组炉管，同时加热两种物料。此时虽然仅控制一组温度，但另一组亦较平稳。由于把炉膛温度作为副变量，因此采用这种方案时还应注意下述几方面。1应选择有代表性的炉膛温度检测点而且要反映快，但选择时较困难，特别对圆筒炉。2为了保护设备炉膛温度不应有较大波动，所以在参数整定时，对于副控制器不应整定的过于灵敏且不加微分作用。3由于炉膛温度较高，测温元件及其保护套管材料必须耐高温。2.2先进控制概况2.2.1自适应控制自适应控制可以看作是一个能根据环境变化智能调节自身特性的反馈控制系统以使系统能按照一些设定的标准工作在最优状态。一般地说，自适应控制在航空、导弹和空间飞行器的控制中很成功。可以得出结论，传统的自适应控制适合（1）没有大时间延迟的机械系统；（2）对设计的系统动态特性很清楚。但在工业过程控制应用中，传统的自适应控制并不如意。PID自整定方案可能是最可靠的，广泛应用于商业产品，但用户并不怎么喜欢和接受。传统的自适应控制方法，要么采用模型参考要么采用自整定，一般需要辨识过程的动态特性。它存在许多基本问题（1）需要复杂的离线训练；（2）辨识所需的充分激励信号和系统平稳运行的矛盾；（3）对系统结构假设；（4）实际应用中，模型的收敛性和系统稳定性无法保证。另外，传统自适应控制方法中假设系统结构的信息，在处理非线性、变结构或大时间延迟时很难。2.2.2鲁棒控制鲁棒控制是一个着重控制算法可靠性研究的控制器设计方法。鲁棒性一般定义为在实际环境中为保证安全要求控制系统最小必须满足的要求。一旦设计好这个控制器，它的参数不能改变而且控制性能保证。鲁棒控制方法，是对时间域或频率域来说，一般假设过程动态特性的信息和它的变化范围。一些算法不需要精确的过程模型但需要一些离线辨识。一般鲁棒控制系统的设计是以一些最差的情况为基础，因此一般系统并不工作在最优状态。鲁棒控制方法适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用，同时过程的动态特性已知且不确定因素的变化范围可以预估。飞机和空间飞行器的控制是这类系统的例子。过程控制应用中，某些控制系统也可以用鲁棒控制方法设计，特别是对那些比较关键且（1）不确定因素变化范围大；（2）稳定裕度小的对象。但是，鲁棒控制系统的设计要由高级专家完成。一旦设计成功，就不需太多的人工干预。另一方面，如果要升级或作重大调整，系统就要重新设计。2.2.3预测控制预测控制或称为模型预测控制（MPC）是仅有的成功应用于工业控制中的先进控制方法之一。各类预测控制算法都有一些共同的特点，归结起来有三个基本特征：（1）预测模型，（2）有限时域滚动优化，（3）反馈校正。这三步一般由计算机程序在线连续执行。预测控制是一种基于预测过程模型的控制算法，根据过程的历史信息判断将来的输入和输出。它强调模型的函数而非模型的结构，因此，状态方程、传递函数甚至阶跃响应或脉冲响应都可作为预测模型。预测模型能体现系统将来的行为，因此，设计者可以实验不同的控制律用计算机仿真观察系统输出结果。预测控制是一种最优控制的算法，根据补偿函数或性能