模糊控制在无位置反馈再生气加热炉上的应用

2012-09-22，

电气传动 2012年10期

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（1.中油管道机械制造有限责任公司仪表及撬装设计研究所，河北廊坊 065000；2.华北电网廊坊供电公司调度所，河北廊坊 065000）

1 引言

石油号称“工业的血液”，在世界的任何角落，石油是必不可少的。加热炉是长输管道和油田生产中广泛使用的设备，在石油长输管道以及油田生产中占有重要的地位。再生气加热炉是常见的加热炉之一，以天然气为被加热介质，大多采用管式直接加热方式，将天然气加热到200～300℃后进入分子筛脱水。燃烧器是加热炉的核心组成部分，按控制方式分为两段式和比例式2类，其中比例式可控性强。比例式燃烧器可选配滑动式反馈电位计，用以指示燃烧器负荷大小。但是滑动式反馈电位计存在着价格高、易受干扰、易损坏等缺陷，给加热炉日常运行和维护带来不便。模糊控制是在总结人类自然语言概念、操作经验的基础上，模仿人类智能的一种控制方法［1］。利用累计下来的操作经验，不依赖精确的数学模型，对加热炉系统采取模糊控制，有望达到良好的效果。

2 被控系统简介

图1 再生气加热炉结构Fig.1 The structure of resurgent gases furnace

再生气加热炉结构如图1所示。炉体包括辐射室、对流室、烟囱等，下部为辐射室，上部为对流室和烟囱，立式布置，底烧式结构。再生气先进入对流室，再进入辐射室，充分换热，热效率可达80%以上。燃烧器是加热炉的核心组成部分，几大常见品牌有：Baltur、Oilon、Saacke、Weishaupt等。本系统采用的是Baltur TBG120LX ME燃气比例式燃烧器（以下简称TBG120）。TBG120燃气量和助燃风量均由蝶阀控制，分别由两个伺服电机驱动。TBG120配备Dungs MPA 22电子式程控器，控制燃烧器点火、燃料与助燃风匹配、安全回路切断等。TBG120可在助燃风门伺服电机上安装滑动式反馈电位计，通过反馈回来的电阻值来指示当前风门的开度。由于燃烧器处于室外、风门伺服电机靠近热源、燃烧器风门开关频繁等因素，滑动式反馈电位计在使用过程中表现出精度偏低，易受干扰，使用寿命短等缺点，有些站场甚至数月就需要更换一次。加热炉是一个典型大惯性、纯滞后、多变量、复杂时变系统，而且各工艺参数间具有强耦合特性［2］。模糊控制不需要知道对象的数学模型，能实现对非线性系统的控制，对对象参数的变化有较强的适应性［3］。在加热炉上使用模糊控制有望达到不错的效果。

3 系统硬件设计实现

该系统硬件部分实现起来很简单，控制元件选用 PLC，CPU型号为西门子S7－200CPU 224XP CN，配备热电阻输入模块EM231CN RTD。用热电阻测量再生气出炉温度，通过EM231CN RTD模块传给PLC作为系统的输入，如图2所示。

图2 系统输入Fig.2 The input of the system

系统的输出部分如图3所示。

图3 系统输出Fig.3 The output of the system

4 系统软件设计实现及结论

4.1 定义变量

系统输入PV（再生气出加热炉温度），SP（再生气出炉温度设定值）。系统输出U1（开风门），U2（关风门）。中间变量E＝SP－PV；T1为调节周期；DPV＝PVn－PV（n－1），其中PVn代表本调节周期的系统输入，PV（n－1）代表上个调节周期的系统输入；T2为误差累计周期；IE＝En＋E（n－1），En代表本误差累计周期的系统误差，E（n－1）代表上个误差累计周期的系统误差（只在系统处于NM和PM之间时累加）；QE误差累计临界值。T3，T4，T5，T6为调节风门时间，其中T3＞T4＞T5＞T6。

4.2 模糊化

误差E的论域如图4所示。系统要求将再生气温度加热到300℃，控制精度1%。根据控制要求，论域中各标记取值如下：ENB＝－10，ENM＝－6，ENS＝－3，EZO＝0，EPS＝3，EPM＝10，EPB＝30，其划分的区间分别用E1到E8表示。

图4 误差论域Fig.4 The universe of discourse of error

图5为温度变化速率DPV的论域。根据燃烧器热负荷和加热炉热效率，将各标记值取值如下：DNB＝－3，DNM＝－1.5，DNS＝－0.5，DZO＝0，DPS＝0.5，DPM＝1.5，DPB＝3，其划分的区间分别用D1到D8表示。

图5 温度变化速率论域Fig.5 The universe of discourse of temperature variance ratio

4.3 规则库

规则库语句定义如下。升温阶段：1）E≥EPB，伺服电机控制风门完全打开。2）EPM≤E＜EPB，控制温度变化速率在1.5℃／min到3℃／min之间。当DPV≥3℃／min时，关风门T3；当0.5℃／min≤DPV≤1.5℃／min时，开风门T5；当0≤DPV≤0.5℃／min时，开风门T4；当DPV≤0，开风门T3。3）EPS≤E＜EPM，控制温度变化速率在0.5℃／min到1.5℃／min之间。当DPV≥3℃／min时，关风门T3；当1.5℃／min≤DPV≤3℃／min时，关风门T4；当0≤DPV≤0.5 ℃／min时，开风门T5；当－0.5℃／min≤DPV≤0时，开风门T4；当DPV≤－0.5℃／min时，开风门T3。4）EZO≤E＜EPS，控制温度变化速率保持在0.5℃／min以内。当DPV≥3℃／min时，关风门T3；当1.5℃／min≤DPV≤3℃／min时，关风门T4；当0.5℃／min≤DPV≤1.5 ℃／min时，关风门T5；当－0.5℃／min≤DPV≤0 时，开风门T5；当－1.5℃／min≤DPV≤－0.5℃／min时，开风门T4；当DPV≤－1.5℃／min时，开风门T3。降温阶段规则与升温阶段相同，只是开关风门动作相反。在此调节规则基础上引入误差累计临界值QE，将误差累计值与临界值比较来限制误差控制精度范围内的系统输出。当系统误差处于ENS和EPS之间时开始计算累计误差IE，如果IE＞QE，说明稳态时系统温度未达到设定点的时间偏多，则DNS＜DPV＜DPS时禁止关风门；如果IE＜－QE，说明稳态时系统温度超过设定点的时候偏多，则DNS＜DPV＜DPS时禁止开风门。根据规则库语句定义制定模糊控制规则表如表1所示。其中“＋”代表开风门，“－”代表关风门，“0”代表风门不动作。

表1 模糊控制规则表Tab.1 Rule list of fuzzy control

4.4 解模糊化

1）通过触摸屏向PLC输入系统的设定值SP，调节周期T1，误差累计周期T2，风门调节时间T3，T4，T5，T6，误差累计临界值QE，误差标记值，温度变化速率标记值。2）在PLC的每个扫描周期内计算系统误差E。在每个调节周期T1内计算温度变化速率DPV，并将其换算成℃／min。在每个误差累计周期T2内且误差ENS＜E＜EPS时计算误差累计值IE。3）根据误差标记值和温度变化速率标记值确定E和DPV在论域上的隶属关系，并置位相应的标识位（如E3、D5）。将IE与QE比较，当IE≤QE时，置QE1位为“1”；当IE≥－QE时，置QE2位为“1”。4）依据模糊控制规则表编制开负荷控制程序、关负荷控制程序分别如图6、图7所示。5）系统正常运行时根据PV值的曲线调整各参数值，调整后的参数如下：SP依据现场要求，一般设定为280℃，T1＝30s，T2＝20s，T3＝1.2s，T4＝0.8s，T5＝0.4s，T6＝0.2s，QE＝8.7℃。