蒸煮锅内温差DMC-PID串级解耦控制

汤 伟 王 震 党世宏 甘文涛 于东伟

(1.陕西科技大学电气与信息工程学院,陕西西安,710021；2.陕西科技大学轻工与能源学院,陕西西安,710021)

在置换蒸煮制浆过程中,蒸煮锅内温度变化影响着最终的蒸煮质量。在置换蒸煮系统中,多数采用蒸汽外部强制加热,使蒸煮液达到所需的最高温度。蒸煮液循环加热过程中,为防止产生不均匀的蒸煮现象,要求蒸煮锅内温差保持在5℃以内,通常根据顶部与底部蒸煮液的回流流量来调节锅内温差。但顶部与底部流量存在强耦合关系,单回路调节某一流量很难实现温差的有效控制,无法满足生产要求。动态矩阵控制(Dynamic Matrix Control, DMC)算法是基于对象阶跃响应的预测控制算法,主要适用趋于稳定的对象,对于不稳定装置,可以用传统PID先使其稳定,再使用DMC控制系统。DMC控制器主要特点是：基于预测模型、有限时域的滚动优化、在线校正,适用于蒸煮锅内温差控制。本项目针对蒸煮锅内温差控制的特点,设计了DMC-PID串级解耦控制系统,能更好地控制蒸煮锅内温差,提高蒸煮的质量。

1 置换蒸煮系统及流量耦合性分析

蒸煮是木材、麦草等原料在蒸煮锅中经高温蒸煮液蒸煮之后形成原始浆料的过程。置换蒸煮过程一般分为：装锅、通汽、水解、中和、升温保温、置换、卸料等。在升温过程中,要对蒸煮锅内的蒸煮液进行蒸汽强制加热,使得蒸煮锅内温度按预先设定的温度曲线进行升温。一般从蒸煮锅中部抽出蒸煮液,经喷嘴喷出的中压蒸汽进行加热后,分别由蒸煮锅顶部和底部回流进入锅内,如图1所示。在制浆过程中,通常根据顶层与底层的回流流量对蒸煮锅内温差进行控制,避免在蒸煮液升温过程中,由于锅内温差导致蒸煮不均匀现象的产生[1-5]。

图1 置换蒸煮系统升温保温过程示意图

图2 单回路PID-PID串级控制系统

图3 单回路DMC-PID串级控制系

理想状况下,顶部与底部回流管道、阀门特性完全相同,则过程放大系数k11=k22,k12=k21。中部抽出的蒸煮液总量不变,显然顶层流量y1的增加会引起底层流量的y2减少,反之亦然。因此过程的关系式为：

y1=k11u1-k12u2

(1)

y2=k22u2-k21u1

(2)

其相对增益为：

(3)

(4)

进而得到：

(5)

(6)

式中,u1、u2为分别为顶层阀门、底层阀门开度。kij为输出yi对输入uj的静态放大系数(i=1,2j=1,2)。λij为uj到通道yi的相对增益(i=1,2j=1,2)。

通常k11>k12,因此λ12=λ22>1,而λ12=λ21<0,说明顶部和底部流量之间存在不稳定耦合,需设计解耦控制回路时,并且采取镇定措施。

2 DMC-PID串级解耦控制系统设计

2.1 动态矩阵控制

DMC控制算法是基于对象阶跃响应的预测控制算法,适用趋于稳定的对象,对于不稳定装置,可以用传统PID先使其稳定,再使用DMC控制器[6]。DMC控制器主要有以下3个部分组成。

(1)预测模型

传统PID只能根据对象过去和当前输出与实际期望值的偏差来确定当前时刻的输入量,而通过预测模型,可以预测未来的输出；利用未来输出的预测值、当前和历史信息则可以确定当前输入量。预测模型只要能完成预测功能,它可以为任何形式,如传递函数,阶跃响应等。

(2)滚动优化

滚动优化利用的是有限时域的思想,不是整个过程进行优化,而是在某个时域内进行优化计算。随着时域的不断前移,各个时域的优化结果是不同的,所以预测控制有实时性的优点,它是在整个控制过程中反复不断地在线进行优化。

(3)在线校正

在线校正是利用当前时刻的实际输出与预测值的偏差来校正下一时刻的输出预测值。通过在线校正,可以减小或消除由于模型适配出现的误差,这样对于过程中那些无法测量的干扰因素就得到了有效抑制。

2.2 DMC-PID串级解耦控制系统

生产过程中,要求蒸煮锅内升温曲线与实际的升温曲线相拟合,现场采用中压蒸汽直接给蒸煮液进行加热。在升温保温过程中,为了保持蒸煮锅内温度的一致性,需通过调节顶部与底部的回流流量进行温差控制。蒸煮过程中,温度的影响因素很多,通常为了提高系统的抗干扰能力,设计流量-温差串级控制系统。传统的单回路PID-PID串级控制系统及单回路DMC-PID串级控制系统设计分别如图2和图3所示。

前期研究中表明，单回路的DMC-PID串级控制系统在温差控制中没有超调量、响应速度更快；当出现干扰信号时,通过PID快速调节,实现系统对干扰的快速响应[4]。其控制效果明显优于传统串级PID-PID串级控制系统。通过分析可知,顶部与底部流量存在不稳定的耦合关系,因此为了达到更佳的控制效果,设计解耦控制系统,其原理框图如图4所示。

各个流量通道的传递函数都为一阶传递函数,其比例系数和过程时间常数,与阀门特性、管道特性有关,在不同的蒸煮系统中其参数可能有细微变化,但其始终为一阶函数,对所设计的控制系统而言,只需调整控制器参数即可。

根据系统框图,在不设计解耦控制系统时,顶层流量与底层流量分别为：

y1(s)=W11(s)u1(s)+W12(s)u2(s)

(7)

y2(s)=W21(s)u1(s)+W22(s)u2(s)

(8)

如果顶部通道加入解耦控制系统WF2(s), 根据系统框图4, 顶层流量输出y1(s)可表示为：

y1(s)=W11(s)u1(s)+W12(s)u2(s)+

WF2(s)W11(s)u2(s)

(9)

要使得上下通道不产生耦合现象,则需：

y1(s)=W11(s)u1(s)

(10)

则顶部通道前馈解耦控制系统为：

W12(s)u2(s)+WF2(s)W11(s)u2(s)=0

(11)

(12)

同理求得底部通道解耦控制系统为：

(13)

3 系统仿真

在工业现场生产过程中,通常存在很多可测或不可测的扰动因素。在蒸煮升温保温过程中,用中压蒸汽加热过程中,蒸汽压力可能不稳定,必定影响蒸煮锅内的温度变化。同时,蒸煮锅内压力也会在调节过程中产生波动,必然会影响蒸煮锅内温度的变化。图5为带扰动、无模型失配情况下的响应曲线,其中在响应时间t=1200 s时加入二次干扰,在t=2000 s时加入一次干扰。

由图5可知,采用DMC-PID串级控制系统不会出现超调量。当存在二次扰动时,不同控制系统对二次扰动的抑制效果都很理想；当存在一次扰动时,相对DMC-PID单回路控制系统,DMC-PID串级解耦控制系统对一次干扰的响应超调量更小,响应速度更快,当干扰出现时其控制效果更加理想。

在控制系统设计过程中所用到的模型,难免会出现模型失配的问题,图6为比例增益分别为Kp=0.00001855、Kp=0.00008、Kp=0.00000855的响应曲线。由图6可知,当出现比例增益失配时,DMC-PID串级解耦控制系统也能达到很好的控制效果。图7为出现滞后时间失配时的响应曲线。由图7可知,当出现滞后时间失配时系统也具有较好的稳定性。通过Matlab仿真表明DMC-PID串级解耦控制系统具有较强的鲁棒性。

图4 DMC-PID串级解耦控制系统

图5 带扰动、无模型适配时各控制系统响应曲线

图6 模型比例增益失配时响应曲线

图7 滞后失配时响应曲线

4 结 论

在置换蒸煮过程中,蒸煮锅内温度不能产生大的温度梯度,必须严格控制锅内温差。由于顶层流量与底层流量存在强耦合关系,单回路流量-温差串级控制效果不理想。基于前期研究,单回路DMC-PID串级控制系统相对于单回路PID-PID串级控制系统效果更加理想,进一步设计了DMC-PID串级解耦控制系统,通过仿真响应曲线可知,其控制效果更加理想,对一次干扰、二次干扰能实现快速响应,同时系统也具有较强的鲁棒性。如何将其应用到工业现场是下一步要解决的问题。

参 考 文 献

[1] Luo Jian, Liu Shangui. Technical Rebuild and Operation Control of Displacement Digester System[J]. Paper Science & Technology, 2009, 28(5): 67.

罗 建, 刘善桂. DDS置换蒸煮技术改造及生产运行控制[J]. 造纸科学与技术, 2009, 28(5): 67.

[2] LV Ding-yun, HAN Xiao-juan, TANG Wei. The Latest Development of Displacement Batch Cooking[J]. China Pulp & Paper, 2007, 26(12): 67.

吕定云, 韩小娟, 汤 伟. 置换间歇式蒸煮的新进展[J]. 中国造纸, 2007, 26(12): 67.

[3] FAN Xing-gang, SHI Shu-lan, HU Hui-ren, et al. Study on Displacing Alkaline Pulping of Reed[J]. China Pulp & Paper, 2002, 21(2)67: 18.

范兴刚, 石淑兰, 胡惠仁, 等. 芦苇减法置换蒸煮的研究[J]. 中国造纸, 2002, 21(2)： 17.

[4] WANG Zhen, TANG Wei, Gan Wentao, et al. Reasearch on Control Strategy of Dissolving Pulp’s Displacement Digester Systerm[J]. Paper Science & Technology, 2013, 32(5): 72.

王 震, 汤 伟, 甘文涛, 等. 溶解浆置换蒸煮系统控制策略研究[J]. 造纸科学与技术, 2013, 32(5)： 72.

[5] HOU Xiao-hu, TAMG Wei, Xu Bao-hua, et al. Design of Displacement Digester Temperature Difference Control System Based on Fuzzy Self-Adju stin PID[J]. Paper Science & Technology, 2012, 31(4)： 67.

侯小虎, 汤 伟, 许保华, 等. 基于模糊自整定PID的置换蒸煮锅温差控制系统设计[J]. 造纸科学与技术, 2012, 31(4)： 67.

[6] Zhou Rongqiang,Luo Zhen. Simulated Research on DMC-PID Casacde Level Control for Dual Vessel Water Tank[J].Proess Automationi Instrumentation, 2011,32(10)：63.

周荣强, 罗 真. 双容水箱液位DMC-PID串级控制仿真[J]. 自动化仪表, 2011, 32(10): 63.