一种液位与流量协调控制方法及设备

具体实施方式

本发明可通过各种现代工业控制系统，如DCS，PLC，或其它工业控制计算机系统及与之连网的计算机上实现，也可按本发明的方法设计专有设备实现。实现方式是多样的，既使在同样型号的控制系统上，同一功能也可有不同的实现方式，举例说明如下：

本发明的液位流量协调控制系统：由上述液位速率在线实时计算器1，液位与其上下限偏差检测器2，液位速率和液位协调控制器3构成的液位流量协调控制器，简称LFCC；与已有生产过程中的容器T、液位测量器L、离心泵P、调节阀V或流量控制器PI，构成液位与流量协调控制系统；由液位测量器L给出液位信号，送到液位与其上下限偏差检测器2和液位速率在线检测器1，两者的计算结果再送至液位速率与液位协调控制器3，其计算结果再送给调节阀V或PI控制器，调整抽出或流入容器的流量，构成液位流量协调控制系统。(图1)

1.液位速率在线实时计算

依据已有的实测液位测量信号进行计算。由于实测液位信号中有燥声，首先要对实测液位进行滤波处理，常见的有以下方式：

①一阶滤波，其传递函数为：

其数值计算方式为：

L₁(k)＝fL₁(k-1)+(1-f)L₀(k)

L₀(k)＝当前时刻实测液位信号值(％)

L₁(k)，L₁(k-1)＝当前和前一时刻滤波后的液位值(％)

f＝滤波系数0＜f＜1

②滑动平均滤波：

$L_1\left(k\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}(k-i+1)$N＝滑动平均步数

L₁(k)＝当前时刻滤波后的液位值(％)

③加权滑动平均滤波：

$L_1\left(k\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}(N-i+1)L_0(k-i+1)}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}(N-i+1)}$N＝滑动平均步数

L₁(k)＝当前时刻滤波后的液位值(％)

L₀(k-i+1)＝当前时刻前第(i-1)时刻的实测液位值(％)

④限速滤波

if：L₀(k)-L₀(k-1)＞L_V0   then：L₁(k)＝L_V0

if：L₀(k)-L₀(k-1)＜-L_V0  then：L₁(k)＝-L_V0

else：L₁(k)＝L₀(k)

其中：L_V0＞0是设定的速率限

⑤可变限速滤波

初始化：L_V＝L_V0

if：L₀(k)-L₀(k-1)＞L_V0   then：L₁(k)＝L_V0，L_V＝L_V+α

if：L₀(k)-L₀(k-1)＜-L_V0  then：L₁(k)＝-L_V0，L_V＝L_V+α

else：L₁(k)＝L₀(k) L_V＝L_V-β if：L_V≤L_V0，L_V＝L_V0

其中：L_V0＞0是设定的初始速率限L_V是自动改变的速率限β≥α≥0

具体应用时，应根据液位信号中的燥声程度选用合适的滤波方法，一般地，燥声程度低，可选用较简单的方法，如一阶滤波。

各种滤波方法可用已有功能模块实现，或用数值计算方法实现。

由滤波后得到的液位信号L₁(k)实时计算液位速率，这里给出两个典型方法：

①利用现代工业控制系统中的功能模块计算(图2)

2-1：超前-滞后(Lead-Lag)模块，其传递函数为：

2-2：一阶惯性(Lag)模块，其传递函数为：

2-3：加减运算器模块：1-1输出减去1-2输出：

$\frac{T_{1}S+1}{T_{2}S+1}-\frac{1}{T_{2}S+1}=\frac{T_{1}S}{T_{2}S+1}$T₁＞＞T₂

形成对输入液位信号的微分，给出液位变化速率信息。

②用数值计算方法计算液位变化速率(图3)

当前时刻液位变化速率V(k)

$V\left(k\right)=\frac{L_1\left(k\right)-L_1(k-1)}{T_S}(\%/h)$

T_S＝两次读取实测液位信号的时间间隔(h)

对上述计算结果再进行滤波，可用一阶滤波。

可将以上液位速率计算结果乘以小于1的衰减系数，以减小流量波动。

计算所得液位速率可再经过滤波，送给液位速率与液为协调控制器。

2.液位与给定上下限偏差检测：给出液位是否超出上下限及其偏差大小的信息，一般工业控制机中均有此功能模块，也可用数值计算方法实现。

3.液位速率与液位协调控制器，有以下两种实现方法：

①在现代工业控制系统上用功能模块构成，图4给出一个实例：

4-1：液位控制器：采用比例积分控制器(PI)模块。

4-2：液位速率控制器：采用积分控制器(I)或比例积分控制器(PI)模块。

4-3：液位与其上下限偏差检测，由选择器模块实现：液位超上限或超下限时，将液位PI控制器输出送调节阀，将送给调节阀的信息反馈到液位速率控制器4-2，使液位速率控制器不起作用。当液位处于上下限内的区域时，将液位速率控制器输出送调节阀，并将送给调节阀位的信号反馈到液位PI控制器，使其不起控制作用。

②利用我国发明专利99105546.2构成的非线性加权或操作变量中值输出的预估协调控制器VSUPCC，按本发明的要求，在工业控制计算机或与其连网的上位机上实现本发明，其特点是用模型对未来液位和液位速率的变化进行预估计算，根据预估值进行液位速率与液位的协调控制。

如图5。其中：

5-1液位变化速率计算器：先作加权滑动平均滤波或可变限幅滤波，再进行液位速率的数值计算，再经一阶滤波后作为液位速率信号送给液位速率和液位协调控制器VSUPCC。由于采用模型预估值，在实际液位尚未超限时可预先进行控制，得到更好的控制效果。

5-2液位与上下限预估偏差检测器；

5-3液位和液位速率预估协调控制器：

L-PI：生产过程中已具有的液位PI控制器。

F-PI：生产过程中已具有的抽出流量PI控制器。

容器：生产单元中具有液位控制要求的塔器。

预估计算所用的动态数学模型如下：

以抽出流量G_out(吨/小时)作为调节手段：

$\frac{{\mathrm{dG}}_{\mathrm{out}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-a_g{G}_{\mathrm{out}}\left(t\right)+b_{g}U\left(t\right)$

a_g＞0，取决于响应快慢，参考值：2-6(min^-1)

具有流量PI控制时：U(t)为流量PI给定值，b_g＝a_g

无流量PI控制时，U(t)是调节阀的开度，b_g取决于调节阀特性

t为时间，以分钟(min)为单位

液位L(％)：

$\frac{\mathrm{dL}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{60}\frac{100}{\mathrm{\rho AR}}[G_{\mathrm{in}}\left(t\right)-G_{\mathrm{out}}\left(t\right)]$

G_in＝流入容器的流量(吨/小时)R＝液位计量程(m)

A＝容器截面积(m²)ρ＝流体密度(吨/m³)

液位速率V：

以(吨/小时)为单位：V(t)＝G_in(t)-G_out(t)

以(％/min)为单位：$V\left(t\right)=\frac{1}{60}\frac{100}{\mathrm{\rho AR}}[G_{\mathrm{in}}\left(t\right)-G_{\mathrm{out}}\left(t\right)]$

按以上模型实时计算液位速率与液位的未来预估值，并进一步计算给出流量调节阀或PI控制器的调整作用。

应用例(图6)

对于三个串联容器T-1(原料罐)，T-2(分馏塔)，T-3(分馏塔)的液位控制，抽出流量为每个液位控制用的调整变量，同时又是下一个容器的进料流量，更需要液位流量协调控制。每个容器的液位均采用本发明给出的由模型预估液位和液位速率的协调控制LFCC，共需三个LFCC，由一个VSUPCC控制器实现。进料流量F₀是主要干扰，当其发生变化时，采用本发明LFCC和惯用的液位PI控制的对比如下：