控制变量与受控变量的选择

控制变量与受控变量的选择

作者：查尔斯· F· 摩尔田纳西大学

《实用精馏控制》,W.Luyben主编,第8章，

1992年Van Norstrand Reinhold, NewYork

说明：

本篇是《实用精馏控制》中的独立章节，内容即为《如何使用ASPEN™软件模拟完成精馏的设计和控制》的第6章“使用稳态计算选择控制结构”的深化和展开，在Luyben 大师的行文中已经有所介绍。故此在这里一并译出以助于加深对相关内容的理解。

目录：

8.1简介 (2)

8.2传感器与阀门 (2)

8.2.1. 存量控制的问题 (2)

8.2.2. 分离控制的问题 (2)

8.2.3. 回路灵敏度问题 (4)

高灵敏度 (4)

低灵敏度 (5)

8.3温度传感器的位置 (6)

8.3.1. 温度灵敏度的测定 (7)

8.3.2. 单端控制方案中的温度传感器选择 (8)

8.3.3. 双端控制方案中的温度传感器选择 (9)

增益矩阵的SVD分析 (10)

基于U矢量曲线的传感器定位 (10)

自由度与条件数 (12)

双传感器选位的全局法 (13)

8.4传感器类型的选择：温度vs 组成 (16)

8.4.1. 温度传感器的局限性 (16)

压力变化 (16)

非理想混合物与多组分混合物 (16)

8.4.2. 使用工艺分析仪时操作的问题 (17)

8.4.3. 在精馏控制上使用分析仪的方案问题 (17)

8.4.4. 分析仪的分离度vs 位置 (18)

8.4.5. 组成灵敏度的测定 (19)

8.4.6. 单端控制方案中的分析仪定位 (19)

8.4.7. 双端控制方案中的分析仪定位及其关键组分 (21)

测量同种成分时的定位 (21)

测量不同成分时的定位 (21)

不同测量方案的比较 (21)

8.5精馏塔分析仪的其他功用 (22)

8.5.1. 前馈控制 (22)

8.5.2. 循环物流的存量控制 (22)

8.5.3. 变化的测量与记录 (23)

8.6选择受控变量 (23)

8.6.1. 稳态的问题 (24)

SVD筛选 (24)

传感器-控制阀组对 (25)

8.6.2. 动态的问题 (26)

8.6.3. 全厂范围的问题 (26)

扰动分析 (26)

波动在全厂的传播 (27)

循环体系中各组分的存量 (27)

精馏塔和全厂的设计 (28)

8.7小节与结论 (28)

Glossary术语表 (29)

8.1 简介

精馏控制的原理与实践已经发生了极大的变化。有些控制系统的设计只使用基于PID的简单的控制器，而其他的控制系统设计则是基于复杂模型的控制算法。某些控制策略在尖端的DCS上得以实现，而另一些则只是选用传统的电-气控制设备。精馏控制策略或简或繁，或廉或贵，但是其性能在某种程度上都受其连接的传感器和阀门系统的支配。选阀失误及/或传感器信息混乱则会使最好的控制系统也不起作用。

本章的目的在于提出最为关键的传感器和阀门问题，以供控制工程师在设计及/或分析精馏控制策略时加以考量。本章还将就此类重要而又少有研究的问题提供系统化的方法加以强调，并提供其研究的方法论和流程。

8.2 传感器与阀门

图8-1所示，在设计控制策略时要考量大量的阀门和传感器问题。某些问题是普遍的，某些则是特定的，但是所有这些问题对于精馏塔控制策略的总体性能都很重要。

精馏控制系统通常都带有两个层次的中心：第一个层次的中心在于稳定全塔的基本操作，第二个层次的中心则强调精馏塔内发生的分离过程。控制工程师要考量的传感器与阀门的问题在这个两个不同的层次上是截然不同的。

8.2.1. 存量控制的问题

第一个层次考虑的是较为普遍的任何精馏控制系统都有的问题。通常包括物料流和能量流的流量控制，再沸器和储罐的存量控制，以及储罐及/或塔釜部的压力控制。在这个层次，传感器的问题很少。测量流量、液位和压力都是直截了当的，都有各自的关注点。控制阀则要考虑较多的问题。特别是控制工程师还要决定用哪个阀来控制塔的料位。这些决定对于从两个方面对塔的控制系统总体性能产生决定性的影响：决定了可以使用哪些阀用于调节塔内分离过程；有助于确定在全厂范围内该塔与其他单元操作之间的交互影响。

8.2.2. 分离控制的问题

精馏控制的第二个层次考虑的是在塔内发生的分离过程。这个层次上阀门的主要问题是决定剩余的阀门(即未在第一层次的控制策略中用到的阀门)的功用。控制工程师必须确定这些用于分离控制的阀门中哪几台是由控制系统操控，哪几台是由控制室内的操作工手动设定。

可能在第二层次的控制中最为令人困惑是关于用来监视塔内分离状态的传感器的问题。控制器的问题，归根结底有3类，应该早在设计分离过程的控制策略时就提出来：

1.测组成的传感器是何种类型？

2.有多

少组测量点？ 3.塔上的位置定在哪

里？

这类有关传感器的问题是与塔器结构和分离过程高度相关的，必须在妥善地设计出控制策略之前就加以回答。

图8-1 传感器与控制阀问题汇总

8.2.3. 回路灵敏度问题

回路的灵敏度问题在阀门选择和传感器选位时都是很重要的因素。尽管这个问题对精馏塔的两个控制层次都是根本性的，但在设计控制策略时却经常被漠视(或是忽略)。假如对理解灵敏度的重要性稍有偏差则会引起严重的操作和控制问题。

回路的灵敏度即是对控制传感器在稳态下受控变量改变如何响应的一种度量。从数学上说，回路的灵敏度可定义为传感器信号关于给阀门信号的变化的偏导数，即：

回路灵敏度=j

i

M S ∂∂

其中，S i = 来自i 传感器的信号，表示为占信号最大值的百分比

M j = 去控制阀j 的信号，表示为占信号最大值的百分比

阀门与传感器都有一个量程，超过之后就不能操作了。在选择回路灵敏度的单位是应能清楚的反映出这一物理极限。假如将回路灵敏度表示为上文中所说的百分比即可包含上述的极限意义。分子即是传感器读数的变化，按照其量程表示为百分比。分母则是受控变量的改变，以控制阀门的信号量程百分比的形式表示。

当使用这种百分比测定时，理想的回路灵敏度值是1%每百分度。这是，假如控制系统处于充分的平衡态，则给阀门的信号变化1%将会使传感器信号产生1%的变化。假如灵敏度明显地大于或小于1则很有可能会导致控制问题。这类控制问题将会显著地削弱反馈回路的有效性，所以在塔的所有传感器选择和选位之时都要得到很好的理解并详加考虑。

高灵敏度

在精馏控制中灵敏度过高也会成为一个问题。对于受控变量的变化过于敏感的控制系统会有过度补偿的趋势。整个控制系统就会变成“搜寻”一个满足设定点的阀位，却不甚成功。这种情况下，很少有达到稳态操作的可能。

高灵敏度的问题有两个方面：其一与传感器有关，另一个则与执行机构有关。当控制传感器的量程相对工艺变量的可操纵范围相对显得较小时则会发生传感器的问题。这种情况下，即是是受控变量的一点小小的变化都会使传感器的信号饱和。在发生扰动的大部分时间内，传感器发送给控制系统的信号不是其输出的最大值就是最小值。这在实际上在控制回路中的作用就像一个双位继电器。

高灵敏度的问题也会与受控变量有关联。论及定位问题时，阀门和其他执行机构都有一个精度最小值。这种极限的存在就使得高增益工艺过程中为达到稳态操作而常常需要的精细调节受到限制。假如为达到稳态操作所需的精细调节量小于阀门的精度，就很可能会发生持续的振荡。例如，试想有一精度为±1.0%的蒸汽阀门。假如为获得目标温度所需的阀位为53.45%，则即使在最好的情况下，该阀门也会陷入极限周期中，在55%至53%的阀位之间来回搜寻。假如工艺的增益为10，则此阀门的“搜寻”会导致控制出现极限周期，温度有20%的波动。

为了改进糟糕的回路灵敏度，有很多要考虑的方方面面要彼此平衡。这一问题可以通过重新选定传感器量程和/或控制阀重定径而得到某种程度的解决。例如精馏控制中