一种温度与流量的解耦控制结构及方法

摘要

一种温度与流量的解耦控制结构及方法，该结构在原混合物料系统中增加两个解耦计算块，温度控制器输出与解耦计算块输出加和后作用到热流调节阀上，使得温度控制器作用于调节热料流量在总流量中的百分比；流量控制器输出与解耦计算块输出加和后作用到冷流调节阀上，使得流量控制器作用于调节混合物料总流量，实现调整温度时流量不改变，调整流量时温度不改变，而同时调整温度和流量时能够互不干扰，如此实现解耦控制作用。为提高系统的可操作性，本结构中的温度控制器输出与解耦计算块、流量控制器输出与解耦计算块分别与解耦控制按钮相连，解耦投用时能够自动完成无扰动切换，防止调节阀开度突变，增强混合物料系统的稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种温度与流量的解耦控制结构及方法，属于化工生产自动控制技术 领域。

背景技术

在化工生产过程中，一些操作单元需要一定温度和流量的物料，并且希望物料的 温度和流量保持稳定。针对图1所示的系统，该系统的物料由冷热两股物料汇合而成。由图 中可知，两股物料中一股物料的改变会影响到另一股进料，两路进料存在相互关联。比如， 提高混合物料温度，需要热物料增多，这样会使总流量增大，此时为保证混合物料的流量稳 定致使冷物料调节阀会关小，而冷物料的流量减少，又会影响应到混合物料的温度。

原有冷热两股物料混合，在调整任一支路物料量均会对总流量和总温度进行干 扰，在调整总流量的同时必定干扰总温度，同样，总温度调整过程中也会影响到总流量，如 此，形成了温度与流量的耦合问题。图1所示，通常采用传统PID控制方法，或者摘除自动控 制而直接采用直接手动控制方法，来粗略调整混合物料的温度与流量。

采用传统PID控制方法，温度控制器是通过调整热料流量来改变混合物料温度，流 量控制器是通过调整冷料流量来改变总物料的流量，调节过程中必然存在流量与温度的相 关耦合作用。比如，提高混合物料温度，需要热物料增多，这样会使总流量增大，此时为保证 混合物料的流量稳定致使冷物料调节阀会关小，而冷物料的流量减少，又会影响到混合物 料的温度。在调整混合物料流量时，冷料流量的改变直接影响最终混合温度。可见一旦温度 或流量发生扰动或者设定值改动时，所有变量都会受到耦合作用的关联，波动较大时系统 很容易震荡甚至发散。而手动进行控制无法实现精确控制，且控制不及时。

发明内容

如图2所示，混合物料系统的物料由冷热两股物料汇合而成，两路进料存在相互关 联耦合关系，其中，一股物料的进料改变会影响到另一股物料的进料，难以对总物料的温度 和流量这两个关键变量进行控制。

基于此，本发明提出一种温度与流量的解耦控制结构及方法，以期解决上述温度 与流量的耦合关系；该结构在原混合物料系统中增加两个解耦计算块，即温度控制器输出 与解耦计算块、流量控制器输出与解耦计算块；其中，温度控制器输出与解耦计算块输出加 和后作用到热流调节阀上，使得温度控制器作用于调节热料流量在总流量中的百分比；流 量控制器输出与解耦计算块输出加和后作用到冷流调节阀上，使得流量控制器作用于调节 混合物料总流量。实现调整温度时流量不改变，调整流量时温度不改变，而同时调整温度和 流量时能够互不干扰，如此实现解耦控制作用。

通过将两个相互耦合的温度和流量变量经过解耦运算，根据冷热两股物料的阀门 开度和当前控制器的计算输出，对这两个相互耦合的变量进行解耦运算，解耦运算块的两 输出信号分别与流量控制器和温度控制器的输出相加，加和的信号分别作用到冷热物料的 调节阀，重新调整冷热两股物料的流量，最终实现温度与流量的互不干扰。

同时，为提高系统的可操作性，本结构中的温度控制器输出与解耦计算块、流量控 制器输出与解耦计算块分别与解耦控制按钮相连，解耦投用时能够自动完成无扰动切换， 防止调节阀开度突变。

如此提高混合物料温度和流量的控制精度，增强混合物料的稳定性。

由图1可知，再混合后的物料流量、温度用下述变量表示。

F_M＝F_H+F_C

$T_M=\frac{F_H{T}_H+F_C{T}_C}{F_H+F_C}$

设$\alpha =\frac{F_H}{F_H+F_C}$

则T_M＝αT_H+(1-α)T_C

式中，F_C,F_H和F_M分别为冷物料的流量、热物料的流量和混合物料的流量，T_C,T_H和T_M分别为冷物料的温度、热物料的温度和混合物料的温度；α为解耦系数，表示热物料流量占 混合物料总流量的百分比。混合物料的流量F_M由调节器FC通过调节阀FV实现调节；混合物 料的温度T_M由调节器TC通过调节阀TV实现调节。

如图3-4所示，解耦控制方法分为FC和TC全自动控制、TC手动控制、FC手动控制三 种情况；

1)FC和TC全自动控制

流量调节器FC的计算输出FC_CV，输出范围为0-100。

${\mathrm{FC}}_{CV}=\frac{F_H+F_C}{S_H+S_C}\times 100$

式中S_H和S_C分别为TV和FV开度为100时的流量。

温度控制器的计算输出TC_CV，输出范围为0-100。

${\mathrm{TC}}_{CV}=\frac{F_H}{F_H+F_C}\times 100$

流量控制器实际输出FV(冷料阀开度)，温度控制器实际输出TV(热料阀开度)。其 中，流量满足以下线性关系：

$\left(\begin{array}{cc}{F}_H=k_{H}TV& F_C=k_{C}FV\\ k_H={\mathrm{\Delta F}}_H/\Delta TV& k_C={\mathrm{\Delta F}}_C/\Delta FV\\ k=k_H/k_C& \end{array}\right)$

命名k为耦合系数。

由以上面分析可知：

$\left(\begin{array}{c}\begin{array}{cc}{F}_H=k_H\times TV;& F_C=k_C\times FV\end{array}\\ \begin{array}{cc}{S}_H=k_H\times 100;& S_C=k_C\times 100\end{array}\\ {\mathrm{FC}}_{CV}=\frac{F_H+F_C}{S_H+S_C}\times 100=\frac{k_H\times TV+k_C\times FV}{k_H+k_C}=\frac{k\times TV+FV}{k+1}\\ {\mathrm{TC}}_{CV}=\frac{F_H}{F_H+F_C}\times 100=\frac{k_H\times TV\times 100}{k_H\times TV+k_C\times FV}=\frac{k\times TV\times 100}{k\times TV+FV}\end{array}\right)$

最终的FC_CV,TC_CV,FV和TV的关系式为

$\left(\begin{array}{c}TV=0.01\times (k+1)\times {\mathrm{FC}}_{CV}\times {\mathrm{TC}}_{CV}/k\\ FV=(k+1){\mathrm{FC}}_{CV}-0.01\times (k+1)\times {\mathrm{FC}}_{CV}\times {\mathrm{TC}}_{CV}\\ {\mathrm{FC}}_{CV}=(k\times TV+FV)/(k+1)\\ {\mathrm{TC}}_{CV}=(k\times TV\times 100)/(k\times TV+FV)\end{array}\right)$

流量控制器FC的加和解耦运算信号FF_F，温度控制器TC的加和解耦运算信号FF_T。

以上解耦方法在DCS中实施时，控制器的输出与调节阀输入的关系如下：

其中，OUT调节阀的输入信号

ΔPIDPID控制的计算值，即:PID_N-PID_N-1

FF加和信号

N第N时刻

N-1第N-1时刻

对比以上，可得

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{PID}}_{FC}={\mathrm{FC}}_{CV}=(k\times TV+FV)/(k+1)\\ {\mathrm{PID}}_{TC}={\mathrm{TC}}_{CV}=(k\times TV\times 100)/(k\times TV+FV)\\ {\mathrm{OUT}}_{FC}=FV=(k+1){\mathrm{FC}}_{CV}-0.01\times (k+1)\times {\mathrm{FC}}_{CV}\times {\mathrm{TC}}_{CV}\\ {\mathrm{OUT}}_{TC}=TV=0.01\times (k+1)\times {\mathrm{FC}}_{CV}\times {\mathrm{TC}}_{CV}/k\end{array}\right)$

令第t+1时刻，PID_FC的输出变化量为ΔFC_CV，PID_TC的输出变化量为ΔTC_CV，则

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta OUT}}_{FC}={\mathrm{OUT}}_{FC}(t+1)-{\mathrm{OUT}}_{FC}\left(t\right)\\ =(k+1)\{{\mathrm{FC}}_{CV}+{\mathrm{\Delta FC}}_{CV}-0.01\times [({\mathrm{FC}}_{CV}+{\mathrm{\Delta FC}}_{CV})({\mathrm{TC}}_{CV}+{\mathrm{\Delta TC}}_{CV})]\\ -[{\mathrm{FC}}_{CV}-0.01\times {\mathrm{FC}}_{CV}\times {\mathrm{TC}}_{CV}]\}\\ =(k+1)[{\mathrm{\Delta FC}}_{CV}-0.01\times ({\mathrm{TC}}_{CV}·{\mathrm{\Delta FC}}_{CV}+{\mathrm{FC}}_{CV}·{\mathrm{\Delta TC}}_{CV}+{\mathrm{\Delta FC}}_{CV}·{\mathrm{\Delta TC}}_{CV})]\end{array}\right)$

又ΔOUT_FC可表示为

ΔOUT_FC＝ΔPID_FC+FF_F＝(k+1)[ΔFC_CV-0.01×(TC_CV·ΔFC_CV

+FC_CV·ΔTC_CV+ΔFC_CV·ΔTC_CV)

ΔPID_FC＝ΔFC_CV

由此可以推出

FF_F＝kΔFC_CV-0.01(k+1)(TC_CV·ΔFC_CV+FC_CV·ΔTC_CV+ΔFC_CV·ΔTC_CV)

同理

ΔOUT_TC＝OUT_TC(t+1)-OUT_TC(t)

＝0.01(k+1)(FC_CV+ΔFC_CV)(TC_CV+ΔTC_CV)/k-0.01(k+1)FC_CV·TC_CV/k

＝0.01(k+1)(TC_CV·ΔFC_CV+FC_CV·ΔTC_CV+ΔFC_CV·ΔTC_CV)/k

ΔOUT_TC可表示为

ΔOUT_TC＝ΔPID_TC+FF_T＝0.01(k+1)(TC_CV·ΔFC_CV+

FC_CV·ΔTC_CV+ΔFC_CV·ΔTC_CV)/k

ΔPID_TC＝ΔTC_CV

可以推出

FF_T＝0.01(k+1)(TC_CV·ΔFC_CV+FC_CV·ΔTC_CV+ΔFC_CV·ΔTC_CV)/k-ΔTC_CV

2)TC手动控制

若TC为手动，FF_T＝0，温度控制器输出TC_CV跟踪阀门开度TV。

则TV＝TC_CV

$\left(\begin{array}{cc}{F}_H=k_H\times {\mathrm{TC}}_{CV};& F_C=k_C\times FV\\ S_H=k_H\times 100;& S_C=k_C\times 100\end{array}\right)$

${\mathrm{FC}}_{CV}=\frac{F_H+F_C}{S_H+S_C}\times 100=\frac{k_H\times {\mathrm{TC}}_{CV}+k_C\times FV}{k_H+k_C}=\frac{k\times {\mathrm{TC}}_{CV}+FV}{k+1}$

FV＝(k+1)×FC_CV-k×TC_CV

OUT_FC＝FV

PID_FC＝FC_CV

那么

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta OUT}}_{FC}={\mathrm{OUT}}_{FC}(t+1)-{\mathrm{OUT}}_{FC}\left(t\right)\\ =(k+1)({\mathrm{FC}}_{CV}+{\mathrm{\Delta FC}}_{CV})-k({\mathrm{TC}}_{CV}+{\mathrm{\Delta TC}}_{CV})-[(k+1){\mathrm{FC}}_{CV}-{\mathrm{kTC}}_{CV}]\\ =(k+1){\mathrm{\Delta FC}}_{CV}-{\mathrm{k\Delta TC}}_{CV}\end{array}\right)$

又ΔOUT_FC可表示为

ΔOUT_FC＝ΔPID_FC+FF_F＝(k+1)ΔFC_CV-kΔTC_CV

ΔPID_FC＝ΔFC_CV

可以推出

FF_F＝k(ΔFC_CV-ΔTC_CV)

3)FC手动控制

若FC为手动，FF_F＝0，流量控制器输出FC_CV跟踪阀门开度FV。

则FC_CV＝FV

$\left(\begin{array}{cc}{F}_H=k_H\times TV;& F_C=k_C\times {\mathrm{FC}}_{CV}\\ S_H=k_H\times 100;& S_C=k_C\times 100\end{array}\right)$

${\mathrm{TC}}_{CV}=\frac{F_H}{F_H+F_C}\times 100=\frac{k_H\times TV\times 100}{k_H\times TV+k_C\times {\mathrm{FC}}_{CV}}=\frac{k\times TV\times 100}{k\times TV+{\mathrm{FC}}_{CV}}$

$TV=\frac{{\mathrm{FC}}_{CV}\times {\mathrm{TC}}_{CV}}{100k-k\times {\mathrm{TC}}_{CV}}$

OUT_TC＝TV

PID_TC＝TC_CV

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta OUT}}_{TC}={\mathrm{OUT}}_{TC}(t+1)-{\mathrm{OUT}}_{TC}\left(t\right)\\ =\frac{({\mathrm{FC}}_{CV}+{\mathrm{\Delta FC}}_{CV})({\mathrm{TC}}_{CV}+{\mathrm{\Delta TC}}_{CV})}{100k-({\mathrm{TC}}_{CV}+{\mathrm{\Delta TC}}_{CV})k}-\frac{{\mathrm{FC}}_{CV}·{\mathrm{TC}}_{CV}}{100k-{\mathrm{TC}}_{CV}·k}\\ \approx \frac{{\mathrm{TC}}_{CV}·{\mathrm{\Delta FC}}_{CV}+{\mathrm{FC}}_{CV}·\Delta b+{\mathrm{\Delta FC}}_{CV}·{\mathrm{\Delta TC}}_{CV}}{100k-({\mathrm{TC}}_{CV}+{\mathrm{\Delta TC}}_{CV})k}\end{array}\right)$

ΔOUT_TC可表示为

${\mathrm{\Delta OUT}}_{TC}={\mathrm{\Delta PID}}_{TC}+{\mathrm{FF}}_T=\frac{{\mathrm{TC}}_{CV}·{\mathrm{\Delta FC}}_{CV}+{\mathrm{FC}}_{CV}·{\mathrm{\Delta TC}}_{CV}+{\mathrm{\Delta FC}}_{CV}·{\mathrm{\Delta TC}}_{CV}}{100k-({\mathrm{TC}}_{CV}+{\mathrm{\Delta TC}}_{CV})k}$

ΔPID_TC＝ΔTC_CV

可以推出

${\mathrm{FF}}_T=\frac{{\mathrm{TC}}_{CV}·{\mathrm{\Delta FC}}_{CV}+{\mathrm{FC}}_{CV}·{\mathrm{\Delta TC}}_{CV}+{\mathrm{\Delta FC}}_{CV}·{\mathrm{\Delta TC}}_{CV}}{100k-({\mathrm{TC}}_{CV}+{\mathrm{\Delta TC}}_{CV})k}-{\mathrm{\Delta TC}}_{CV}$

解耦控制系统组态如下，基于上述的解耦控制方案，在现场装置的DCS中，兼具传 统的解耦控制和操作的安全、易用性，实现最终解耦控制系统组态。

组态图主要模块说明：

①TT102模块：混合流温度传感器；

FT101模块：混合流量测量变送器。

②PRG101模块：解耦控制信号编程器，用来计算解耦控制中加和信号；

PRG102模块：解耦控制选择模块。

③SW12模块：当取值为1时，1通道“OUT1”输出，当取值为2时，2通道“OUT2”输出。

④SW21模块：当取值为1时，1通道“IN1”输入，当取值为2时，2通道“IN2”输入。

⑤ADD模块：加法器。

⑥TV102模块：热流阀门；

FV101模块：冷流阀门。

同时，增加开关量SPRG101，可以自由选择是否运行解耦控制，应用于PRG102模块 内程序：

if(SPRG101.PV＝＝1)then

SW101.SW＝2

SW102.SW＝2

SW103.SW＝2

SW104.SW＝2

else

SW101.SW＝1

SW102.SW＝1

SW103.SW＝1

SW104.SW＝1

endif

为实现解耦控制投用的无扰动自由切换，摘除解耦控制时，系统恢复两个单回路 的控制状态，令温度控制器计算输出TC_CV直接跟踪热流调节阀TV，流量控制器计算输出FC_CV直接跟踪冷流调节阀FV，与此同时加和信号FF_T和FF_F同步计算，但不输出作用到调节阀，以 备解耦控制投用时直接输出。

此外，本控制系统中，一旦控制器处于手动控制状态，控制器计算输出直接跟踪调 节阀，实现手自动无扰动切换，以免切换给控制系统带来干扰。

一种温度与流量的解耦控制方法，该方法依次按以下步骤实现：

步骤(1)读取温度控制器TC和流量控制FC的状态，在两个控制器均为手动控制的 时候，解耦控制无法投用，否则进行解耦控制；

步骤(2)读取t时刻，冷料阀门的开度FV，热料阀门的开度TV；

步骤(3)读取t+1时刻，温度控制器TC的计算值△TC_CV，流量控制器FC的计算值△ FC_CV；

步骤(4)读取耦合系数k，并判断是否在[0.1,2]取值范围内，是则进行下一步，否 则需要进行修正；

步骤(5)判断温度控制器TC是否为手动状态，是跳转到步骤(5.1)，否则跳转到步 骤(6)；

步骤(5.1)温度控制器输出TC_CV跟踪热流阀门开度TV，

TC_CV＝TV

步骤(5.2)计算流量控制器的计算输出值FC_CV，

${\mathrm{FC}}_{CV}=\frac{k\times {\mathrm{TC}}_{CV}+FV}{k+1}$

步骤(5.3)计算流量控制器前馈信号FF_F，

FF_F＝k(ΔFC_CV-ΔTC_CV)

步骤(5.4)跳转到步骤(11)；

步骤(6)判断流量控制器FC是否为手动状态，是跳转到步骤(6.1)，否则跳转到步 骤(7)；

步骤(6.1)流量控制器输出FC_CV跟踪冷流阀门开度FV，

FC_CV＝FV

步骤(6.2)判断(k×TV+FV)是否为0，

若k×TV+FV＝0，则

TC_CV＝TV；

若k×TV+FV≠0，则

TC_CV＝(k×TV×100)/(k×TV+FV)；

步骤(6.3)计算温度控制器前馈信号FF_T，

${\mathrm{FF}}_T=\frac{{\mathrm{TC}}_{CV}·{\mathrm{\Delta FC}}_{CV}+{\mathrm{FC}}_{CV}·{\mathrm{\Delta TC}}_{CV}+{\mathrm{\Delta FC}}_{CV}·{\mathrm{\Delta TC}}_{CV}}{100k-({\mathrm{TC}}_{CV}+{\mathrm{\Delta TC}}_{CV})k}-{\mathrm{\Delta TC}}_{CV}$

步骤(6.4)跳转到步骤(11)；

步骤(7)计算流量控制器的计算输出值FC_CV，

FC_CV＝(k×TV+FV)/(k+1)

步骤(8)判断(k×TV+FV)是否为0，

若k×TV+FV＝0，则

TC_CV＝TV；

若k×TV+FV≠0，则

TC_CV＝(k×TV×100)/(k×TV+FV)；

步骤(9)计算流量控制器前馈信号FF_F，

FF_F＝kΔFC_CV-0.01(k+1)(TC_CV·ΔFC_CV+FC_CV·ΔTC_CV+ΔFC_CV·ΔTC_CV)

步骤(10)计算温度控制器前馈信号FF_T，

FF_T＝0.01(k+1)(TC_CV·ΔFC_CV+FC_CV·ΔTC_CV+ΔFC_CV·ΔTC_CV)/k-ΔTC_CV

步骤(11)输出t+1时刻的控制器前馈信号；

步骤(12)结束。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、本发明是在DCS系统上，系统组态实现了解耦控制，充分发挥了DCS系统的潜力。

2、为解除混合物料温度和流量之间的耦合关系，本技术加入解耦计算块，将两个 相互耦合的变量经过解耦计算，经加和信号作用，使得温度控制器作用于调节热料流量在 总流量中的百分比，流量控制器作用于调节混合物料总流量。实现调整温度时流量不改变， 调整流量时温度不改变，而同时调整温度和流量时能够互不干扰，如此实现解耦控制作用， 使得系统得到了有效控制，大大提高了系统的稳定性，有利于过程节能。

3、为保证系统操作的安全、易用性，添加解耦控制选择开关，且实现解耦控制投用 的无扰动自由切换。

附图说明

图1混合物料流程框图。

图2混合物料温度流量解耦控制流程框图。

图3解耦控制组态图。

图4解耦控制的程序流程框图。

图5氢气干燥器中混合再生气的温度和流量控制流程图。

图6为流量单独调节中，(1a)解耦控制未投用(1b)解耦控制已投用

图7为温度单独调节中，(2a)解耦控制未投用(2b)解耦控制已投用

图8为温度与流量同时调节中，(3a)解耦控制未投用(3b)解耦控制已投用。

具体实施方式

结合具体实施方式，本发明做如下进一步解释。

如图5-8所示，氢气干燥器中混合再生气的温度和流量解耦控制，混合再生气温度 设定值是TIC340197.SV，混合再生气温度测量值是TIC340197.PV；混合再生气流量设定值 是FIC340195.SV，混合再生气流量测量值是FIC340195.PV。

(1)流量单独调节，如图6所示。

原系统中，保持温度设定值不变为232℃，流量设定值从1.5t/h增加到1.8t/h时， 影响温度偏离设定值最大为10℃；流量设定值从1.8t/h降低到1.5t/h时，影响温度偏离设 定值最大为9.6℃。

投用解耦控制后，保持温度设定值不变为232℃，流量设定值从1.5t/h增加到 1.8t/h时，温度回路完全不受影响；流量设定值从1.8t/h增加到1.5t/h时，温度回路完全不 受影响。

(2)温度单独调节，如图7所示。

原系统中，保持流量设定值不变为1.5t/h，温度设定值从232℃降低到200℃时，影 响流量偏离设定值最大为0.1t/h；温度设定值从200℃增加到232℃时，影响流量偏离设定 值最大为0.1t/h。

投用解耦控制后，保持流量设定值不变为1.5t/h，温度设定值从232℃降低到200 ℃时，对流量回路无影响；温度设定值从200℃增加到232℃时，对流量回路无影响。

(3)温度与流量同时调节，如图8所示。

原系统中，温度设定值从232℃降低到200℃，又从200℃增加到232℃；流量设定值 由1.6t/h降低到1.3t/h，又从1.3t/h增加到1.6t/h。此过程中，温度回路和流量回路都有超 调，相互耦合作用明显。

解耦控制投用后，温度设定值从232℃降低到200℃，又从200℃增加到232℃；流量 设定值由1.6t/h降低到1.3t/h，又从1.3t/h增加到1.6t/h。期间，两个变量调节过程无超 调，相互之间无影响，控制精度明显提升。