一种温度与流量的解耦控制结构及方法技术

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。

【技术实现步骤摘要】
一种温度与流量的解耦控制结构及方法
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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。FM＝FH+FC设则TM＝αTH+(1-α)TC式中，FC,FH和FM分别为冷物料的流量、热物料的流量和混合物料的流量，TC,TH和TM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FM由调节器FC通过调节阀FV实现调节；混合物料的温度TM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FCCV，输出范围为0-100。式中SH和SC分别为TV和FV开度为100时的流量。温度控制器的计算输出TCCV，输出范围为0-100。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：命名k为耦合系数。由以上面分析可知：最终的FCCV,TCCV,FV和TV的关系式为流量控制器FC的加和解耦运算信号FFF，温度控制器TC的加和解耦运算信号FFT。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:PIDN-PIDN-1FF加和信号N第N时刻N-1第N-1时刻对比以上，可得令第t+1时刻，PIDFC的输出变化量为ΔFCCV，PIDTC的输出变化量为ΔTCCV，则又ΔOUTFC可表示为ΔOUTFC＝ΔPIDFC+FFF＝(k+1)[ΔFCCV-0.01×(TCCV·ΔFCCV+FCCV·ΔTCCV+ΔFCCV·ΔTCCV)ΔPIDFC＝ΔFCCV由此可以推出FFF＝kΔFCCV-0.01(k+1)(TCCV·ΔFCCV+FCCV·ΔTCCV+ΔFCCV·ΔTCCV)同理ΔOUTTC＝OUTTC(t+1)-OUTTC(t)＝0.01(k+1)(FCCV+ΔFCCV)(TCCV+ΔTCCV)/k-0.01(k+1)FCCV·TCCV/k＝0.01(k+1)(TCCV·ΔFCCV+FCCV·ΔTCCV+ΔFCCV·ΔTCCV)/kΔOUTTC可表示为ΔOUTTC＝ΔPIDTC+FFT＝0.01(k+1)(TCCV·ΔFCCV+FCCV·ΔTCCV+ΔFCCV·ΔTCCV)/kΔPIDTC＝ΔTCCV可以推出FFT＝0.01(k+1)(TCCV·ΔFCCV+FCCV·ΔTCCV+ΔFCCV·ΔTCCV)/k-ΔTCCV2)TC手动控制若TC为手动，FFT＝0，温度控制器输出TCCV跟踪阀门开度TV。则TV＝TCCVFV＝(k+1)×FCCV-k×TCCVOUTFC＝FVPIDFC＝FCCV那么又ΔOUTFC可表示为ΔOUTFC＝ΔPIDFC+FFF＝(k+1)ΔFCCV-kΔTCCVΔPIDFC＝ΔFCCV可以推出FFF＝k(ΔFCCV-ΔTCCV)3)FC手动控制若FC为手动，FFF＝0，流量控制器输出FCCV跟踪阀门开度FV。则FCCV＝FVOUTTC＝TVPIDTC＝TCCVΔOUTTC可表示为ΔPIDTC＝ΔTCCV可以推出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)thenSW101.SW＝2SW102.SW＝2SW103.SW＝2SW104.SW＝2elseSW101.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种温度与流量的解耦控制结构，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种温度与流量的解耦控制系统，其特征在于：该系统在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，本系统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；再混合后的物料流量、温度用下述变量表示；FM＝FH+FC设则TM＝αTH+(1-α)TC式中，FC,FH和FM分别为冷物料的流量、热物料的流量和混合物料的流量，TC,TH和TM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FM由调节器FC通过调节阀FV实现调节；混合物料的温度TM由调节器TC通过调节阀TV实现调节；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FCCV，输出范围为0-100；式中SH和SC分别为TV和FV开度为100时的流量；温度控制器的计算输出TCCV，输出范围为0-100；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：命名k为耦合系数；由以上分析可知：最终的FCCV,TCCV,FV和TV的关系式为流量控制器FC的加和解耦运算信号FFF，温度控制器TC的加和解耦运算信号FFT。2.利用要求1所述系统进行的一种温度与流量的解耦控制方法，其特征在于：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:PIDN-PIDN-1FF加和信号N第N时刻N-1第N-1时刻对比以上，可得令第t+1时刻，PIDFC的输出变化量为ΔFCCV，PIDTC的输出变化量为ΔTCCV，则ΔOUTFC＝OUTFC(t+1)-OUTFC(t)＝(k+1){FCCV+ΔFCCV-0.01×[(FCCV+ΔFCCV)(TCCV+ΔTCCV)]-[FCCV-0.01×FCCV×TCCV]}＝(k+1)[ΔFCCV-0.01×(TCCV·ΔFCCV+FCCV·ΔTCCV+ΔFCCV·ΔTCCV)]又ΔOUTFC可表示为ΔOUTFC＝ΔPIDFC+FFF＝(k+1)[ΔFCCV-0.01×(TCCV·ΔFCCV+FCCV·ΔTCCV+ΔFCCV·ΔTCCV)ΔPIDFC＝ΔFCCV由此可以推出FFF＝kΔFCCV-0.01(k+1)(TCCV·ΔFCCV+FCCV·ΔTCCV+ΔFCCV·ΔTCCV)同理ΔOUTTC＝OUTTC(t+1)-OUTTC(t)＝0.01(k+1)(FCCV+ΔFCCV)(TCCV+ΔTCCV)/k-0.01(k+1)FCCV·TCCV/k＝0.01(k+1)(TCCV·ΔFCCV+FCCV·ΔTCCV+ΔFCCV·ΔTCCV)/kΔOUTTC可表示为ΔOUTTC＝ΔPIDTC+FFT＝0.01(k+1)(TCCV·ΔFCCV+FCCV·ΔTCCV+ΔFCCV·ΔTCCV)/kΔPIDTC＝ΔTCCV可以推出FFT＝0.01(k+1)(TCCV·ΔFCCV+FCCV·ΔTCCV+ΔFCCV·ΔTCCV)/k-ΔTCCV2)TC手动控制若TC为手动，FFT＝0，温度控制器输出TCCV跟踪阀门开度TV；则TV＝TCCVFV＝(k+1)×FCCV-k×TCCV...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文新，李全善，徐开慧，焦阳，
申请(专利权)人：北京世纪隆博科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京;11