基于预测PI和双重控制的算法在重交沥青生产中的应用

王成，汪文斌

(1. 东华大学，上海 201620； 2. 四川烟叶复烤有限公司，四川 成都 610041)

重交沥青是将原油经常减压蒸馏或残余物经氧化及调合而制得，具有较好的流动性、热稳定性，持久的粘附性、弹塑性、电绝缘性及抗水性[1]。重交沥青生产装置是通过1台双开阀，向2根管道内注入原料，再进行多级换热蒸馏，以往的换热工艺是利用循环水来降低产品的温度，循环水所吸收的热能在冷却塔中被释放，造成了资源的浪费。本文所采用的工艺是将需要加热的原料与生产中需要降温的产品进行换热，以此来达到热能的回收，最后换热结束后得到的重交沥青从2根管道流出汇合。而根据工艺计算，当2根管道的出口温差达到某一设定的数值[2]，则换热过程中热能回收效率最大，能源损失最小。所以控制2根管道的出口温差是该系统的关键。而生产过程温度控制是一个大惯性、大滞后的系统，主要采用传统的PID控制器[3]对其进行有效的控制是一个难题。传统的控制算法在实际生产过程中无法抑制滞后作用带来的不利影响，也很难达到对流量的精准控制，对温度和流量的控制都有着很大的超调和较长的滞后，而且整个系统的鲁棒性和抗干扰性能都不够好[4]。

本文采用预测PI与双重控制算法相结合的方案，将沥青生产工艺中的换热过程看作一个整体，通过控制流量来达到对温度的控制。采用双重控制来满足流量控制的高精度要求，通过调节入口阀门开度和变频电机功率来实现，主控制器即总流量控制器，采用预测PI控制器来抑制时间滞后，副控制器即平均阀位控制器，则采用慢过程微调的原则设计，通过改变变频电机功率来控制流量，但由于该过程属于快调节过程，便通过积分控制器减小增益的方式来减缓调节作用[5]，使其有着微调的效果又不影响整体控制性能。温度的控制通过控制流量实现，以出口温差来调节阀门开度，利用流量变化使温差达到设定值。具体控制原理如图1所示。图1中流量过程1和流量过程2是指2个流量控制器控制流量；流量1—温度1和流量2—温度2是指2根管道的物料经过换热后温度变化的过程，当外界交换热能数值固定，影响温度变化的主要因素就是流量的大小。

图1 重交沥青控制方案示意

1 重交沥青生产控制系统

1.1 工艺流程

原料油自罐区由进料泵送入装置后，分为两路分别进行换热，经换热后的原料油进入初馏塔，塔顶油气经塔顶空冷器、冷凝器冷却至40 ℃后进入塔顶回流罐。冷却后从塔顶回流罐抽出，一部分回流注入初馏塔内，另一部分作为产品出装置。初馏塔底重组分经塔底泵抽出，通过流量控制进入加热炉1，加热后进入一级分离塔，一级分离塔顶油气一部分经冷却回流注入一级分离塔内，另一部分作为产品出装置。一级分离塔底油经泵抽出后进入加热炉2，加热后，进入二级分离塔塔底提镏段，轻组分从塔底油中闪蒸出来，重组分落向塔底。二级分离塔顶设蒸汽及机械抽真空，塔顶油气自塔顶挥发线馏出，经塔顶冷凝器冷却至40 ℃后进入二级分离塔顶污油罐，不凝气引至二级分离塔顶，分液后经压缩机加压后出装置，塔顶油气在污油罐内沉降分离后经污油泵升压后送出装置。二级分离塔顶油气一路打回初馏塔作为回流，与需要加热的原油换热，达到冷却的目的又能给原油加热；另一路外送出装置得到产品。回流后经过二级分离塔底冷却至140 ℃后送出装置，重交沥青经2根管道送出装置汇合。重交沥青工艺流程如图2所示。该工艺的巧妙之处在于将加热后需要冷却的重交沥青产品回流到原油初馏塔内进行换热，这样既提高了冷却效率，又提升了原油温度，降低了加热炉的功耗。

图2 重交沥青工艺流程示意

1.2 重交沥青控制模型

流量控制对沥青质量和能源回收非常重要，对入口流量的控制主要通过调节入口控制阀的开度，这种调节方式响应较快，但开度过大时会超过阀门开度上限，从而达不到精准控制，所以需要通过变频电机调节来配合调节流量大小，但是变频电机也是一个快速响应的过程，使得双重控制的效果不理想，所以本文采取减弱电机控制的效果来达到微调又不影响整体控制的准确度。温度过程就是原油经过换热器不断进行热交换而温度改变的过程，由于流量和温度的调节均存在时滞和非线性的特性，都可以采用一阶加纯滞后环节近似。

针对重交沥青生产工艺过程，对被控对象流量和温度分别建立模型。两个被控对象都可以使用一阶加纯滞后模型。一阶加纯滞后对象的传递函数如式(1)所示：

(1)

式中：KP，T，τ——分别是对象的增益、时间常数以及滞后时间。

流量控制是一个小容性、滞后时间较短的快过程，而温度控制是一个大容性、时间滞后大的慢过程，其增益是一个负数。模型建立以后，笔者以某工厂的实际对象建立准确的仿真模型，得到对象的传递函数如式(2)～式(5)所示。

流量传递函数：

(2)

温度过程1的传递函数：

(3)

温度过程2的传递函数：

(4)

变频电机的传递函数：

(5)

2 预测PI控制器

1992年Haggland提出预测PI控制思想[6]之后，经过专家学者的不断改进预测PI控制算法得到发展和完善，预测PI控制对多变量时滞过程有很好的控制效果，在重交沥青的生产中运用预测PI控制器能够很好地抑制时滞带来的不良干扰，得到较好的控制效果。预测PI控制器具有可调参数少，参数调节方便，控制效果好和控制简单的优点[7]，在工业中有着很多应用。算法的基本原理如式(6)～式(7)所示。

假设过程的传递函数如式(1)所示，若期待的闭环传递函数：

(6)

则控制器的传递函数：

(7)

式中：G0(s)——期待的闭环传递函数；GC(s)——控制器传递函数；GP(s)——过程对象传递函数；λ——可调参数，当λ=1时，系统的开环与闭环的时间常数一致，当λ>1时，系统的闭环响应比开环响应慢，当λ<1时，系统的响应速度加快，闭环响应比开环响应快。

因此，控制器的输入输出关系：

(8)

式中：E(s)——控制器输入的误差函数；U(s)——控制器输出函数。等式右边第一项为PI控制器，第二项是预测控制器，可以表示为控制器在t时刻的输出为基于时间区间[t-τ，t]的输出预测得到的，该控制器被称为预测PI控制器。预测PI控制器的结构如图3所示。

图3 预测PI控制结构示意

根据以上模型可知： 通过控制阀开度对流量进行控制，再通过双管道的流量差对温度偏差进行控制，结合两个过程的传递函数，分别设计预测PI控制器。控制器的传递函数见表1所列。

表1 流量过程和温度过程控制器传递函数

3 双重控制

3.1 原理简介

双重控制是指采用2个控制器控制1个操作变量，其中主控制器满足有效性和快速性，但是经济性和工艺合理性较差；而副控制器满足经济性和工艺合理性，但对干扰的克服不够及时有效。设计双重控制系统目的即在于满足控制性能的快速性与工艺流程的经济合理性的平衡。系统中包含1个快响应回路与1个慢响应回路，实现理想的控制需求[8]。使用双重控制可以使系统具有良好动态性能，同时能够兼顾实际工业生产中的经济成本控制。

双重控制系统的结构如图4所示。其中：GC1(s)，GC2(s)为主控制器与副控制器，Go1(s)，Go2(s)为主控制对象与副控制对象。主控制对象的响应时间较短，副控制对象的响应时间较长。r1(s)为设定值，系统出现误差时，主控制器发挥作用迅速消除误差，输出y(s)在短时间内回到设定值。随着偏差的不断减小，GC2(s)发挥作用改变阀位开度，使得其缓慢回到r2(s)的设定值。这一过程解决了快慢响应之间的矛盾，使系统具备了动静结合的特点[9]。

图4 双重控制系统的结构示意

3.2 双重控制的效果

综上所述，流量控制的主控制器选择了预测PI控制器，副控制器是通过调节变频电机功率来控制流量。通过分析可知，副回路也是一个快速调节过程，对副控制器采取积分控制减小增益的方法，整个过程就是一个响应时间较长的二阶过程，能合理地将快速调节过程变成一个微调的过程，很好地解决了主副回路都是快速调节而导致控制效果不佳的问题。积分控制器如式(9)所示，积分控制下的双重控制效果如图5所示。

(9)

图5 积分控制下的双重控制效果示意

4 仿真分析与对比

以重交沥青生产系统为控制对象，分析温度过程和流量过程的特性，使用双重控制控制流量，温度控制采用预测PI控制器。仿真分析后，验证控制系统的控制效果，分析和评价控制性能。

1)使用预测PI控制和传统PID控制控制流量的结果对比如图6所示，预测PI控制响应速度快，响应曲线平滑，没有震荡和超调；而传统PID控制有很大超调且响应速度较慢[10]。给系统加阶跃扰动来检验算法的抗干扰能力，通过对比可知预测PI控制能更快更好地抑制干扰，使系统快速回到稳定值。

图6 流量控制中两种算法控制效果对比示意

2)将流量控制回路的对象参数值按照一定比率更改，控制器不做任何改变，来比较两种控制算法的鲁棒性，如图7所示，在系统模型失配的状况下，预测PI算法控制的响应速度更快且无超调，在面临干扰作用时，体现出更好的抗干扰能力。

图7 流量控制中两种算法鲁棒性对比示意

3)两种控制算法控制温度过程的效果对比如图8所示，由图8可知，预测PI算法有更快的响应速度和更小的超调，控制效果更显著。并且在有干扰时，预测PI算法体现出更好的抗干扰能力。

图8 温度控制中两种算法控制效果对比示意

4)将温度控制回路的对象参数值按照一定比率更改，比较两种控制算法的鲁棒性，如图9所示，在系统模型失配的状况下，预测PI算法控制响应速度更快并且超调更小，在外部干扰的作用下，体现出更强的抗干扰能力，控制品质更好。

图9 温度过程中算法鲁棒性对比示意

5 结束语

本文根据重交沥青生产过程的大滞后、大惯性特点，设计了以流量控制来控制温度的方案。 采取控制阀门开度和变频电机功率的双重控制系统，实现精准控制流量。以变频电机功率为控制手段的副控制器为快反应过程，加入积分控制减弱副控制器的控制效果，实现副控制器的微调。对温度过程采用预测PI控制算法，达到对出口温度偏差的准确控制。通过系统仿真可知，基于预测PI和双重控制的重交沥青生产系统能够达到很好的控制效果，控制器较传统控制算法有着较强的抗干扰性、较快的响应速度和较强的鲁棒性。