浅谈液氨冷却系统选择性结构的设计范文

《泸天化科技》2017年第3期

摘要:由于滑模变结构控制具有高鲁棒性，设计形式多样，不局限于对象的数据模型的特点，越来越多的被应用于线性和非线性系统当中［7］。本文利用液氨冷却热物料的工艺过程设计一个选择性过程控制系统，出现不同的工作状况时切换到不同的控制结构。其中选择结构采用滑模变结构的设计思想实现，通过设计合理的切换函数，可实现平滑的切换，保证系统的稳定性，避免了连续控制过程中控制结构的突然变换造成的系统震荡现象。突然的震荡情况在某些工作场合是不允许的，例如过程控制当中的闪蒸罐中压强控制系统［9］。本设计在常规软保护的设计思想基础上，充分利用滑模控制的特点设计了一种新的切换模式，保证了切换过程中的稳定性。

关键词:选择分支;滑模;软保护

0前言

选择性控制是过程控制中属于约束性控制类的方案［1］。在正常的工况下由一个正常的控制方案起作用，当生产操作趋向安全极限时，用另一个方案取代正常情况下的方案，直到生产操作重新回到允许范围内，则重新恢复原来的控制方案。当生产操作达到安全极限时，处理的方法通常有两种:一种是信号报警，由自动控制改为人工控制;另一种是采用连锁停车保护，待操作人员排除故障后再重新开车［4］。在现代化生产过程中，停车会造成重大的经济损失，控制系统应该起到自动保护的作用而不必停车，防止生产事故的发生，减少开、停车次数。本文采用一种新的软保护的方法来设计选择结构，有效的降低了结构切换时系统的不稳定性。

1滑模变结构思想

1.1滑动模态的数学描述

滑模变结构控制的关键问题是使系统在滑模面上的运动具有良好的动态性能，因此必须确定滑动模态的描述方程。从理论上讲，系统的状态轨迹一旦到达切换流形就保持在上面并沿其运动。但由于实际系统的惯性、切换迟滞等因素的存在，理想的滑动模态和实际的滑动模态总是存在着一定的偏差。

1.2滑模变结构控制的基本原理

［8］普通的控制系统通常采用状态反馈，反馈量是状态量的一个连续函数，假设系统是不变的，且参考输入为零，此时闭环系统是一个自治系统，系统结构在反馈过程中保持不变。在滑模变结构控制中，反馈控制量为状态量的一个非连续函数。

2液氨冷却过程控制系统设计

液氨冷却器是工业生产中用的较多的一种换热设备。它利用液氨的气化吸收大量的热来冷却物料。以被冷却物料的出口温度为被控量、以液氨流量为操纵量时的简单控制系统［5］入图2所示。从生产安全角度考虑液氨管道的控制阀应选择气开阀(气源中断时阀自动关闭，比较安全［3］)，温度控制器TC为正作用，当被冷却物料的出口温度升高时，温度变送器输出增加，使控制阀开大，从而液氨增加，这样就有更多的液氨气化吸收热量，使被冷却物料的出口温度下降。

2.1选择性过程控制系统的方案设计

该选择性控制系统由温度和液面控制系统两部分组成，工作的逻辑关系为:在正常情况下，温度控制系统投入运行，液位控制器LC处于待命状态;当液氨面达到高限时，温度已暂时成为次要因素，而保护压缩机不致损坏上升为主要矛盾，因此液位控制器LC必须立即取代温度控制器TC而工作，以减少液氨进入量。等到液氨面低于界限值时，温度控制器TC才自动切换回来恢复工作。从液面取代控制系统中可以确定液位控制器LC应为反作用。这里的温度控制器TC是正常控制器，液位控制器LC是取代控制器。究竟选哪个控制器的输出接至控制阀，可通过低值选择器自动选择。在正常工况下，液氨面低于界限值，液位控制器的输出高于温度控制器的输出，应通过低值选择器选择温度控制器控制控制阀动作，温度控制回路正常工作。但当氨面超过界限值时，液位控制器的输出立即下降，同时温度控制器的输出很高，低值选择器选中液位控制器输出，控制控制阀减少液氨量，液位控制回路投入工作，从而防止事故的发生

2.2选择性控制系统方框图

该选择性系统中设计两个PID控制器，正常控制器与取代控制器，这两个控制器的输出信号都送至选择器，由选择器将不同的控制信号切换到执行器上，从而调节液氨的流量。设液氨液位高度的安全极限为80，则液位≤80度时进行正常的热物料冷却控制;当液位为≥80，超过液位安全极限，则切换到取代控制器回路进行降液位的控制，以实现对生产过程的自动控制。

2.3具体实现过程

切换条件采用滑模变结构形式进行设计。设切换函数s(x)=x－80。其中x为液氨液位高度的设定值。液氨的液面高度安全限制为80。2.3.1建立一个工程本设计采用DCS集散控制方式，以HollySysDCS系统的实训装置为操纵和实训平台［2］。操作步骤:(1)点击“工程总控”快捷方式，在弹出的窗口中输入用户名:a，密码:a。

2.3.2硬件配置

在出现的工程总控窗口中，双击10号站，单击“硬件配置”，变成硬件配置窗口，再次单击“硬件配置”，然后单击右边的“设备库”，在机柜中，选择“K”主机柜，双击出现在硬件配置窗口。(1)右击空白主控块，设置成无冗余状态。(2)右击下边的每个模块，添加模块，将实际的4个端子模块添加到通用模块中来。4个模块的顺序为:K－AI/01，K－RTD01，K0AO01，K－DO01．双击每个输入输出模块，每个模块由8路端子组成，为输入输出端子设计接收变量。采用模拟量输入通道1作为液氨液位高度接收通道，采用模拟量输入通道2作为物料出口温度接收通道，采用模拟量输出通道1作为控制执行器的通道。

2.3.3建立．CFC文件

进入工程总控界面，点击左边的用户程序/点击SYS文件夹/添加POU，出现如下窗口，文件取名shxy，然后选择连续功能图CFC，开始进入编程界面。主程序的编写包括变量的复制，粘贴，PID模块的参数设置。

2.3.4组态设计

(1)液氨冷却罐液位组态用工具栏中的矩形工具和直线工具画水箱的外形和刻度。并设置显示属性，实现液位与CFC程序的关联。

(2)关联其他变量，包括两片PID给定值的关联、比例增益KP、积分时间TI、微分TD，起停按钮的设计、曲线图表的设计等。

3结论

经过验证，分别取KP=100，TI=30，TD=1。当系统超高安全限制时，当不采用滑模切换结构时，突然的切换过程造成了系统的震荡加强，液位控制回路中的相应曲线如图10所示。途中红色曲线表示系统切换时液态氨液位的过渡过程曲线;图中黄色线代表安全液位的给定值，认为液位高度不超过80认为在安全范围，这里给PID的给定值设置为60;图中蓝色曲线代表PID控制器的输出能力。

参考文献

［1］齐卫红．过程控制系统第二版［M］．北京:电子工业出版社，2011，3．

［2］王丽．合成氨工艺装置自动化控制系统分析［J］．中国科技信息，2014，24(2)79－82．

［3］雷振伍等．基于PCS7和Simulink的过程控制虚拟仿真实验平台开发［J］．实验技术与管理，2016，01(11)13－16．

［4］麻丽明等．基于PCS7的工业连续反应过程控制系统的设计与开发［J］．辽宁工业大学学报(自然科学版)，2016，05(2)32－35．

［5］任俊杰等．基于PLC和组态王的过程控制实验系统［J］．实验室研究与探索，2013，05(7)16－18．

［6］浙江亚龙公司．YL－370型实训装置指导书［M］．浙江:浙江大学出版社，2016，12．

［7］俞金寿．过程自动化及仪表［M］．北京:化学工业出版社，2013，06．

［8］金以慧．过程控制［M］．北京:清华大学出版社，1993，7．

［9］金以慧等．过程控制的发展与展望［J］．控制理论与应用，2015，02(22)37－40．

［10］黄坚．自动控制原理及应用(第2版)［M］．北京:高等教育出版社，2001．

［11］廖常初．S7－300/400PLC应用技术第四版［M］．北京:机械工业出社，2016，06．

［12］高为炳．变结构控制理论及设计方法［M］．北京:中国科学出社，1990，243－254．

［13］袁德成，樊立萍，李凌等．现代控制理论［M］．北京:清华大学出版社，2007.8．

［14］艾红．自动化专业过程控制方向教学与实践探究［J］．实验技术与管理，2014，06(12)37－39．

［15］高强．一种先进过程控制研究的半实物仿真系统［J］．自动化与仪表，2014，02(17)23－26.

作者：张丰；赵晓寒 单位：绥化学院信息工程学院