淺談液氨冷卻系統(tǒng)選擇性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)范文

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《瀘天化科技》2017年第3期

摘要:由于滑模變結(jié)構(gòu)控制具有高魯棒性，設(shè)計(jì)形式多樣，不局限于對(duì)象的數(shù)據(jù)模型的特點(diǎn)，越來(lái)越多的被應(yīng)用于線性和非線性系統(tǒng)當(dāng)中［7］。本文利用液氨冷卻熱物料的工藝過(guò)程設(shè)計(jì)一個(gè)選擇性過(guò)程控制系統(tǒng)，出現(xiàn)不同的工作狀況時(shí)切換到不同的控制結(jié)構(gòu)。其中選擇結(jié)構(gòu)采用滑模變結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的切換函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)平滑的切換，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免了連續(xù)控制過(guò)程中控制結(jié)構(gòu)的突然變換造成的系統(tǒng)震蕩現(xiàn)象。突然的震蕩情況在某些工作場(chǎng)合是不允許的，例如過(guò)程控制當(dāng)中的閃蒸罐中壓強(qiáng)控制系統(tǒng)［9］。本設(shè)計(jì)在常規(guī)軟保護(hù)的設(shè)計(jì)思想基礎(chǔ)上，充分利用滑模控制的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種新的切換模式，保證了切換過(guò)程中的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞:選擇分支;滑模;軟保護(hù)

0前言

選擇性控制是過(guò)程控制中屬于約束性控制類的方案［1］。在正常的工況下由一個(gè)正常的控制方案起作用，當(dāng)生產(chǎn)操作趨向安全極限時(shí)，用另一個(gè)方案取代正常情況下的方案，直到生產(chǎn)操作重新回到允許范圍內(nèi)，則重新恢復(fù)原來(lái)的控制方案。當(dāng)生產(chǎn)操作達(dá)到安全極限時(shí)，處理的方法通常有兩種:一種是信號(hào)報(bào)警，由自動(dòng)控制改為人工控制;另一種是采用連鎖停車保護(hù)，待操作人員排除故障后再重新開車［4］。在現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程中，停車會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，控制系統(tǒng)應(yīng)該起到自動(dòng)保護(hù)的作用而不必停車，防止生產(chǎn)事故的發(fā)生，減少開、停車次數(shù)。本文采用一種新的軟保護(hù)的方法來(lái)設(shè)計(jì)選擇結(jié)構(gòu)，有效的降低了結(jié)構(gòu)切換時(shí)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

1滑模變結(jié)構(gòu)思想

1.1滑動(dòng)模態(tài)的數(shù)學(xué)描述

滑模變結(jié)構(gòu)控制的關(guān)鍵問(wèn)題是使系統(tǒng)在滑模面上的運(yùn)動(dòng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，因此必須確定滑動(dòng)模態(tài)的描述方程。從理論上講，系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡一旦到達(dá)切換流形就保持在上面并沿其運(yùn)動(dòng)。但由于實(shí)際系統(tǒng)的慣性、切換遲滯等因素的存在，理想的滑動(dòng)模態(tài)和實(shí)際的滑動(dòng)模態(tài)總是存在著一定的偏差。

1.2滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本原理

［8］普通的控制系統(tǒng)通常采用狀態(tài)反饋，反饋量是狀態(tài)量的一個(gè)連續(xù)函數(shù)，假設(shè)系統(tǒng)是不變的，且參考輸入為零，此時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)自治系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在反饋過(guò)程中保持不變。在滑模變結(jié)構(gòu)控制中，反饋控制量為狀態(tài)量的一個(gè)非連續(xù)函數(shù)。

2液氨冷卻過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液氨冷卻器是工業(yè)生產(chǎn)中用的較多的一種換熱設(shè)備。它利用液氨的氣化吸收大量的熱來(lái)冷卻物料。以被冷卻物料的出口溫度為被控量、以液氨流量為操縱量時(shí)的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)［5］入圖2所示。從生產(chǎn)安全角度考慮液氨管道的控制閥應(yīng)選擇氣開閥(氣源中斷時(shí)閥自動(dòng)關(guān)閉，比較安全［3］)，溫度控制器TC為正作用，當(dāng)被冷卻物料的出口溫度升高時(shí)，溫度變送器輸出增加，使控制閥開大，從而液氨增加，這樣就有更多的液氨氣化吸收熱量，使被冷卻物料的出口溫度下降。

2.1選擇性過(guò)程控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

該選擇性控制系統(tǒng)由溫度和液面控制系統(tǒng)兩部分組成，工作的邏輯關(guān)系為:在正常情況下，溫度控制系統(tǒng)投入運(yùn)行，液位控制器LC處于待命狀態(tài);當(dāng)液氨面達(dá)到高限時(shí)，溫度已暫時(shí)成為次要因素，而保護(hù)壓縮機(jī)不致?lián)p壞上升為主要矛盾，因此液位控制器LC必須立即取代溫度控制器TC而工作，以減少液氨進(jìn)入量。等到液氨面低于界限值時(shí)，溫度控制器TC才自動(dòng)切換回來(lái)恢復(fù)工作。從液面取代控制系統(tǒng)中可以確定液位控制器LC應(yīng)為反作用。這里的溫度控制器TC是正常控制器，液位控制器LC是取代控制器。究竟選哪個(gè)控制器的輸出接至控制閥，可通過(guò)低值選擇器自動(dòng)選擇。在正常工況下，液氨面低于界限值，液位控制器的輸出高于溫度控制器的輸出，應(yīng)通過(guò)低值選擇器選擇溫度控制器控制控制閥動(dòng)作，溫度控制回路正常工作。但當(dāng)氨面超過(guò)界限值時(shí)，液位控制器的輸出立即下降，同時(shí)溫度控制器的輸出很高，低值選擇器選中液位控制器輸出，控制控制閥減少液氨量，液位控制回路投入工作，從而防止事故的發(fā)生

2.2選擇性控制系統(tǒng)方框圖

該選擇性系統(tǒng)中設(shè)計(jì)兩個(gè)PID控制器，正常控制器與取代控制器，這兩個(gè)控制器的輸出信號(hào)都送至選擇器，由選擇器將不同的控制信號(hào)切換到執(zhí)行器上，從而調(diào)節(jié)液氨的流量。設(shè)液氨液位高度的安全極限為80，則液位≤80度時(shí)進(jìn)行正常的熱物料冷卻控制;當(dāng)液位為≥80，超過(guò)液位安全極限，則切換到取代控制器回路進(jìn)行降液位的控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。

2.3具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程

切換條件采用滑模變結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)切換函數(shù)s(x)=x－80。其中x為液氨液位高度的設(shè)定值。液氨的液面高度安全限制為80。2.3.1建立一個(gè)工程本設(shè)計(jì)采用DCS集散控制方式，以HollySysDCS系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)裝置為操縱和實(shí)訓(xùn)平臺(tái)［2］。操作步驟:(1)點(diǎn)擊“工程總控”快捷方式，在彈出的窗口中輸入用戶名:a，密碼:a。

2.3.2硬件配置

在出現(xiàn)的工程總控窗口中，雙擊10號(hào)站，單擊“硬件配置”，變成硬件配置窗口，再次單擊“硬件配置”，然后單擊右邊的“設(shè)備庫(kù)”，在機(jī)柜中，選擇“K”主機(jī)柜，雙擊出現(xiàn)在硬件配置窗口。(1)右擊空白主控塊，設(shè)置成無(wú)冗余狀態(tài)。(2)右擊下邊的每個(gè)模塊，添加模塊，將實(shí)際的4個(gè)端子模塊添加到通用模塊中來(lái)。4個(gè)模塊的順序?yàn)?K－AI/01，K－RTD01，K0AO01，K－DO01．雙擊每個(gè)輸入輸出模塊，每個(gè)模塊由8路端子組成，為輸入輸出端子設(shè)計(jì)接收變量。采用模擬量輸入通道1作為液氨液位高度接收通道，采用模擬量輸入通道2作為物料出口溫度接收通道，采用模擬量輸出通道1作為控制執(zhí)行器的通道。

2.3.3建立．CFC文件

進(jìn)入工程總控界面，點(diǎn)擊左邊的用戶程序/點(diǎn)擊SYS文件夾/添加POU，出現(xiàn)如下窗口，文件取名shxy，然后選擇連續(xù)功能圖CFC，開始進(jìn)入編程界面。主程序的編寫包括變量的復(fù)制，粘貼，PID模塊的參數(shù)設(shè)置。

2.3.4組態(tài)設(shè)計(jì)

(1)液氨冷卻罐液位組態(tài)用工具欄中的矩形工具和直線工具畫水箱的外形和刻度。并設(shè)置顯示屬性，實(shí)現(xiàn)液位與CFC程序的關(guān)聯(lián)。

(2)關(guān)聯(lián)其他變量，包括兩片PID給定值的關(guān)聯(lián)、比例增益KP、積分時(shí)間TI、微分TD，起停按鈕的設(shè)計(jì)、曲線圖表的設(shè)計(jì)等。

3結(jié)論

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，分別取KP=100，TI=30，TD=1。當(dāng)系統(tǒng)超高安全限制時(shí)，當(dāng)不采用滑模切換結(jié)構(gòu)時(shí)，突然的切換過(guò)程造成了系統(tǒng)的震蕩加強(qiáng)，液位控制回路中的相應(yīng)曲線如圖10所示。途中紅色曲線表示系統(tǒng)切換時(shí)液態(tài)氨液位的過(guò)渡過(guò)程曲線;圖中黃色線代表安全液位的給定值，認(rèn)為液位高度不超過(guò)80認(rèn)為在安全范圍，這里給PID的給定值設(shè)置為60;圖中藍(lán)色曲線代表PID控制器的輸出能力。

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作者：張豐；趙曉寒 單位：綏化學(xué)院信息工程學(xué)院