管道瞬变流动主动控制策略研究综述

宋生奎;才建

【摘 要】管道瞬变流动控制策略可采用主动控制及被动控制两种方案,综述了包括阀门程控法、最优化方法以及最优控制方法等在内的主动控制策略实现方法及其研究进展.目前,主动控制策略主要应用于简单短管道、简单水力管网等距离较短的系统,它在油气长距离管道输送的运行与控制领域具有广阔应用前景. 【期刊名称】《管道技术与设备》 【年(卷),期】2006(000)004 【总页数】4页(P1-4)

【关键词】瞬变流;主动控制;阀门程控;最优化;最优控制 【作 者】宋生奎;才建

【作者单位】徐州空军学院油料物资系,江苏,徐州,221006;中国石油大学(北京)油气储运工程系,北京,102249 【正文语种】中 文 【中图分类】TE832 0 引言

油气管道输送系统由泵机组、阀门、管道及容性装置组成，某些人为因素、输送工艺特殊要求以及不可抗拒的突发性因素等都可以使管道系统内油气介质处于非稳定流动状态［1］。人为因素包括由于分输及市场原因改变运营计划，通过调节阀门

的开度以及泵机组调速运转，人为的打孔盗油等;突发性因素包括泵机组出现失电等突然性动力故障，管道由于地震、洪水等原因引起的泄漏破裂等情况;操作工艺因素包括不同油品的顺序输送、热道进出站温度突然变化引起的油品物性参数改变。其中，关阀与系统动力故障产生的非稳定流动最显著，已经引起高度重视。 1 管道瞬变流动2种控制策略

目前，人们已经不满足于对系统中某种现象或过程的分析预测，越来越多的研究领域［2－4］正在提出和研究对系统中的现象或过程的主动控制。

有压瞬变流为系统工作过程中的过渡阶段，常见于水利水电工程、给水排水工程、液压传动与流体(油、气、水)输运系统等领域。

油气管输系统主动控制研究用于控制管道非稳定状态下的运行工况，使得系统在最短的时间内达到另外一种稳定状态，而且保证管道系统不产生超压、欠压的情况，并允许选择更方便灵活的控制决策。

目前，管道瞬变流动控制策略主要采用被动分析的研究方法，即先给定控制装置的性能，然后模拟系统的反应;通过反复修改控制装置的性能，以寻求能够接收的反应。主动分析方法是按照某种具体要求，寻求实现液流从一种稳定状态转变到另一种稳定状态的控制方法。如要求在某一压力限度内用最短的时间完成转变或不压力要求按规定的时间实现转变。流动控制中，用主动分析法得到的控制装置的性能一定优于被动分析法，故按该性能进行的控制为最优控制。最优控制是一个尚需进一步研究的课题，其依靠软件(分析计算)的支持和硬件(控制装置)的实现。实际上，分析计算的结果一般是难以完全实现的，而只能达到较优的控制。

长输管道系统作为大时滞的非线性系统，其瞬变流动控制策略可以采用被动控制与主动控制2种控制方案。对于频域内管道瞬变流正问题是在已知管道系统的组成及布置情况下分析系统自由振动与强迫振动;如果实现设定系统的自振频率特性或幅频特性，反求系统组成或布置(管道的长度、理想的元件特性等)，则为反问题。

2 管道瞬变流动主动控制策略 2.1 阀门程控(valve stroking)法

阀门程控法并不仅局限于阀门的调节，它是一种推求控制装置动作程序，使得系统的瞬变过程按照事先给定方式进行的综合设计方法。运用阀门程控方法可求解管道限时控制反问题与限压控制反问题，但其最终要求系统在调节后不残留瞬变。它主要利用沿空间的特征线方法进行求解，即已知或规定管道某一端的流动参数求解管道另一端的流动参数，进而推求控制元件的调节规律并计算全线的流动参数，达到最优控制的目的(调节时间最短或管线在压力限定区间内运行)。

阀门程控法实际应用过程经历了从无摩擦管道到有摩擦管道［5－7］、从简单管道到复杂管道及复杂条件［7－8］、从初始状态为定常状态到非定常状态等阶段。1970年，Propson［9］完成了单管及分叉管系的τ－t曲线试验，从而证明了阀调节的正确性。Streeter［6－7］在阀调节理论研究及应用方面上做了许多的工作，Propson进行了大量的试验，验证了阀调节理论的正确性。Driels［8］采用2种新的方法处理管线阀调节后出现的液柱分离现象，并且考虑了流体的压缩性及黏性摩擦，使水击压力减小近95%。

蒋劲探讨了泵系统最优控制的调节规律，确定了泵系统中最优关阀的控制程序［10－11］。王林锁等研究了带有复杂管道系统的抽水蓄能电站调节控制，这种方法克服了传统方法终了时不残留瞬变的“可控”系统［12］。

根据valve stroking的定义，将阀调节的概念推广到其他的边界条件、串联系统、分叉系统及并联系统中，事先选择合适的可控简单管道，由简单管道阀调节计算方法得到选定管道的某一边界的调节规律，然后利用沿空间特征线方法推求其他管线的瞬变流参数，从而得到控制元件的调节规律。

Goldberg［13］用特征线方法将管道瞬变流控制方程沿特征线离散，得到集中参数控制系统的状态方程，再由现代控制理论的方法推证了一种阀门关闭规律，实现

在最短的时间内将流量从初始值调节到设定最终值，称quick stroking.其调节程序在硬件上实现有困难，可采用近似的方法实施。 2.2 最优化(optimization)法

最优化方法就是选定目标函数，在一定的约束条件下求解目标函数极小值的方法。对于管道有压瞬变流反问题，用最优化方法在过渡过程中时间最短或水击压力最小的可控元件的最优调节规律。以满足过渡时间最短或瞬变过程水击压力最小为目标函数，描述瞬变过程的控制方程、边界条件及可控元件的特性方程等作为约束条件，可运用最优化法求控制元件最优调节规律。

最优化方法应用于解决工程问题时，逐步形成了线性规划、非线性规划、多目标规划与动态规划等几个重要分支。在解决管线经济运行优化方面［14］，运行调度优化、管线设计优化［15］等方面均有比较成熟的应用。对于有压管道瞬变流反问题的求解，最优化方法在控制元件的定位、泄漏点的预测与定位、压力波的计算、确定控制元件调节规律等方面均有良好应用前景。

刘光临等［16－17］运用单纯形法寻优结合特征线法，研究了泵系统中蝶阀在总关闭时间一定前提下的2阶段关闭规律优化问题。以管道的最大水击压力最小为目标函数，关阀时间与关阀角度为优化变量，特征线控制方程、阀门特性方程及水泵停泵特性方程为约束条件，运用单纯形法求解。其基本思想是先寻求一个可行解，然后由此出发，通过换基迭代，不断改进直至得到最优解，即满足目标函数和约束条件的最优决策。

陈乃祥等［18］提出了一种导叶完善关闭规律的数值计算方法，以机组甩负荷时要求蜗壳进口压力过程线呈理想的梯形为目标函数，以描述大波动过渡过程的状态方程等为约束条件，导叶关闭速率为优化变量，用外推内插法优化。张绍春［19］以满足压力上升不超过给定值的条件下转速升高最小为目标函数，运用单纯形法寻求了水轮机组甩负荷过程中导叶最优化两阶段关闭规律的最佳拐点。马希金等

［20］运用非线性优化中Swift方法结合特征线法，求得导叶最优关闭时间及最佳拐点位置。该方法将单纯形法与罚函数法相结合，每步迭代用单纯形法求无约束极值，而罚项则考虑约束条件，其罚因子由上次迭代结果给出，避免了罚因子给定的盲目性，加快了收敛速度。

冯卫民等［21］对于长距离输水系统的水击现象提出了瞬态多阀调节最优控制理论，采用动态规划的方法研究了长输管道过渡过程的主动控制，并确定了中间阀门的最佳安装位置。

2.3 控制论(cybernetics)方法

古典控制论主要研究了集中参数系统的反馈控制，在频域上利用传递函数把系统的输出和给定的目标值相比较，根据比较结果作出控制动作，以消除偏差，使系统被控制在指定值附近。古典控制论对于求解集中参数系统(控制方程为仅含时间导数的常微分方程)的反问题具有重要的指导意义。

现代控制理论的研究方法从建立在传递函数基础上的频域法发展成为建立在状态空间基础上的时域法。它通过建立被控对象数学模型，选择一种容许的控制律，使被控对象按预定要求运行，并使给定的某一性能指标达到极值。最优控制问题的建模与求解主要包括系统的数学模型、边界条件与目标集、容许控制及性能指标4个主要部分［22］。

Morris［23］认为阀门处的压力随时间任意变化是非常重要的，根据控制理论相关原理建立了闭环控制系统以减小水击压力对管道的影响。通过2种分析方法证明了该闭环系统在控制水击方面的有效性。这种压力控制系统在电动液压伺服闭环系统的基础上进行设计，与Kinno［24］的试验系统比较相似。

最优控制理论结合古典的反馈控制［25］，利用自动控制理论中的线性二次方程(linear quadratic)方法控制管线系统，流量变化在20%以内时效果更好。它首先将管线的连续性方程与运动方程处理后，利用线性二次方法控制流动状态，建立一

个最优状态估计器以避免测量所有的状态变量。比较开环控制与最优反馈控制，可见最优反馈控制的优越性，它具有控制时间短、控制效果好等优点。

文献［26］详细阐述了流体动力供应管线的脉动积极控制，通过设计一种采用多层压电技术(PZT)驱动的孔板式比例开关特性阀门控制电压及高频率带宽，采用自适应优化控制方法瞬时调整控制参数以控制突发的扰动。基于试验装置采用不同的脉动控制方法，证实了这种方法的有效性。

目前，国内利用最优控制原理研究反问题还比较少，国外也只是基于简单的管道系统［27］，在一定的理论基础上建立阀门自动控制系统，实现压力的主动控制。长输原道是一个复杂的非线性分布参数系统，运用最优控制的方法解决管道主动控制是一个新的尝试，运用到现场管线以指导生产还需要大量的研究与试验论证。 2.4 辨识(identification)法及尝试(test)法

系统辨识反问题(identification problem)通过实时监测或实际测试选定系统中的测试点获取这些测试点在瞬变过程中的参数值，如水泵转速、节点压力和流量等，根据这些数据资料分析辨识系统的水力元件特性，如阀门流量特性、管道粗糙度和管道漏失状况等。其中，把求系统模型称为系统辨识或者模型辨识;求外因则称为源的辨识或者外部作用辨识。辨识反问题广泛应用于管道泄漏检测领域。若管路系统中出现泄漏，则泄漏点的位置及泄漏量将成为整个系统的组成部分或边界条件，因此研究解决泄漏检测问题即求解系统辨识反问题。在求解瞬变流正问题时，水力元件的瞬态特性常用稳态特性代替，从而在一定程度上造成计算结果与实际测量值之间的偏差。如果通过对测试数据资料的分析，可以辨识得到水力元件的瞬态特性，将大大提高瞬态分析精度，但目前对于该方向的研究仍很不成熟。

辨识方法确定泄漏点的位置及其泄漏量分为稳态反问题分析与瞬态反问题分析。1992年，Pudar和Liggett［28］首先提出了可用于给水管网漏失检测的反问题分析方法。其模型是建立在稳态基础上，并且假设泄漏出现在节点上，泄漏量用孔

口出流公式表示，通过将压力的测量值与计算值的偏差最小化以求出泄漏量和定位漏失点。1997年，Curto和Napoli［29］也用类似的方法通过敏感性分析来检测管网漏失。如果要在实际管网中应用稳态反问题分析来检测漏失，则必须得到大量的监测数据和精确的管路摩擦阻力因子，但在稳态时是无法做到的。 1994年，Liggett和Chen［30］首先应用瞬变反问题分析研究泄漏检测，并完成某管网的泄漏检测。该方法先假设几个可能的泄漏点，通过外部激励产生瞬变流，这样短时间内得到大量监测数据，利用Levenberg-Marquardt方法求解与稳态相同的目标函数，使泄漏定点、定量，其中Jacobian矩阵是通过Adjoint Method求得，此方法是对稳态反问题分析的一大改进。1999年，Nash和Karney［31］成功地完成了串联管道泄漏检测的数值模拟，而Jacobian矩阵是采用特征线法求得。2000年，Vitkovsky［32］应用瞬变反问题分析法对单管泄漏进行了实验验证，并取得了重大进展，如优化求解过程中首次使用了遗传算法，瞬态建模时考虑了非稳态摩擦。此外，从2001年起，以英国Exeter大学水研究中心［33］为核心的研究团体开展应用瞬变反问题分析检测给水管网漏失的研究项目。

目前，应用瞬变反问题分析检测管网漏失仍停留在实验室阶段，一些理论仍待发展，如管网的瞬态建模。瞬态建模对于基于安全考虑的管线设计已比较成熟，而将其应用于漏失检测时，要求定位漏失点尽量准确，因此需要建立更精确的管网瞬态模型，如建模时考虑非稳态摩阻。这种方法更适于环状管网的漏失检测，且简单、快速，还可为管网水力及水质监测和参数(摩阻系数)校核提供依据，因此瞬变反问题分析得到很多学者的认可，对它的研究也在不断深入。

辨识方法中由于数据采集信号经常“淹没”在干扰信号中，因此根据线性理论，对于线性系统，以一宽频带信号作为系统的输入，该信号与输出的互相关程度正比于系统的脉冲响应，因此可以利用伪随机二位式序列信号作为较理想的宽频信号，用

互相关方法得到系统的脉冲响应。

尝试法在求解有压管道瞬变流时，将待求变量赋以猜测值，将反问题转化为正问题，将正问题的解代入控制目标检验其是否满足要求，如果不满足继续猜测检验，直到控制目标得到满足为止。尝试法的手段可以是物理模型实验，也可以是数学模型计算。尝试法概念简单，缺点是费时耗物、经验性很强。深入研究反问题解法的目的之一就是要逐步地放弃尝试法，但对目前无法可解的反问题，尝试法可以作为最后选择。在水击问题上，可以根据水击可能发生的一般情况，根据实验或计算机模拟确定水击保护元件的安装位置或元件的开关规律，以适当的减小水击的影响，不致产生危险［34－36］。

何三昱［37］采用建立在判别范函基础上的尝试法，求解限压控制反问题中反求流速初值和波速。针对反问题构建一类判别范函，给定一系列流速初值或波速猜测值分别求解正问题，得到一系列水击压力计算结果，求解过程中使用判别范函判断，得到满足给定最大压力控制值的系列数据，然后对这些数据进行优选，得到反问题的解答。 3 结论

在管道中设置减压阀、泄压阀、空气罐［38］等水击防护措施作为一种水击被动控制策略并不能从根本上避免水击发生及实现高、低压地控制。瞬变流动主动控制在管道设计过程中主要应用于确定阀门合理定位、泵站的安装位置及测量点的布置等最优控制方面;管道运行过程中主要用于制定阀门调节程序、泵的启停方案及调节程序等方面的最优控制。瞬变流动主动控制策略在油气长距离管道输送的运行与控制领域具有广阔应用前景。 参考文献

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