控制复杂（精选11篇）
控制复杂 篇1
随着国家的发展, 各类基础设施建设越来越多, 而其中一些需要爆破施工的工程设施在建设过程中, 周边常常有正在施工或已经投入使用的于建筑物、道路、隧道和地下管线等设施, 从而导致工程施工中对周边的影响尤为突出。岩土工程, 特别是隧道工程, 如果采取非爆破方式对周边环境的影响虽然比爆破方式小, 但非爆破成本高、效率低, 因此在能有效控制施工对周边环境影响的前提下一般优先选用爆破方式。
那么如何做好复杂环境下隧道爆破的控制, 减少爆破危险因素对周边设施和环境的影响呢?本文结合南三龙铁路埔平隧道进口爆破工程, 分别从爆破方案选择, 以及在爆破过程中, 对爆破振动、爆破飞石、有毒有害气体、爆破粉尘等直接影响到工程施工的质量、进度以及施工安全的危险因素的控制技术进行分析, 探寻提高隧道爆破施工质量和安全性的有效方法和应对措施, 旨在增强对隧道爆破施工中的控制。
1 工程概况
埔平隧道位于龙岩市雁石镇内, 起始里程DK215+743, 终止里程DK217+171, 全长1428m, 埔平隧道进口在DK215+783~DK215+860段下穿莆永高速公路, 长度77m。高速公路与线路走向成37度夹角, 隧道结构顶离高速公路路面最近距离为16.3米, 隧道洞口正前方约310米有正在运行中的龙岩往漳平的铁路, 隧道开挖断面144.44m2。周边环境如图1所示。
2 隧道爆破控制技术分析
2.1 选取合理的爆破方案
2.2 爆破振动控制
2.2.1 确定合理的起爆药量
埔平隧道进口结构顶离高速公路路面最近距离为16.3米, 在炸药爆炸时, 爆破振动会使高速公路产生震动或摇晃, 当达到一定强度时, 还会对高速公路的造成破坏。而采取过于保守的爆破震动控制措施, 无疑会符合安全生产的要求, 但这势必造成施工成本的大量增加和施工效率的急剧降低, 因此, 合理确定爆破一次最大齐爆药量是十分必要的。
临近高速公路直接距离19米及穿越高速公路的隧道段, 其爆破最大单响药量为7.2kg, 小于莆永高速公路能够承受的安全允许最大齐发爆破药量10.8kg。
离高速公路直接距离19米以外的隧道段, 爆破点离高速公路路面直接距离为S= (192+16.32) (1/2) =25m, 采取全断面开挖方式, 其爆破最大单响药量为39kg, 小于莆永高速公路能够承受的安全允许最大齐发爆破药量50.4kg。
2.2.2 设计正确的爆破网路
隧道爆破采用孔内延期非电毫秒微差起爆系统, 传爆雷管簇联方式进行连接, 确定合理的起爆顺序。隧道周边孔 (光爆孔或预裂孔) 在起爆线路连接时需将导爆索在孔内与炸药和起爆雷管联在一起, 导爆索不外露。
2.2.3 钻减震孔减震
隧道爆破减震辅助措施可采取沿拱弧周边和掏槽孔上部分别设置减震孔, 减震孔按双排梅花形布置, 沿拱孤的减震孔最后可以隔孔装药兼作爆破孔, 掏槽爆破产生的震速较大, 因此有必要在掏槽孔上方增设一道减震孔。
2.3 爆破飞石控制
2.3.1 确保填塞质量
炮孔用湿砂或黄泥填满, 并保证填塞长度和质量, 填塞长度偏小、填塞质量不好或填塞材料中夹有硬物, 易沿炮孔方向产生飞石, 因此钻孔完后要用高压风吹洗钻孔, 将孔孔内泥浆吹洗干净, 装药完后用合格填塞料认真填塞每个炮孔。
2.3.2 做好防护措施
本工程隧道洞口开口后进行爆破作业时, 在洞口搭建双层竹防护架, 用废旧皮带和竹篱笆双层防护, 可以有效的控制飞石。如图3。
2.4 爆破有毒有害气体控制
在爆破中会由于炸药爆炸不完全或者炸药没有达到非零氧平衡, 会产生大量的Nn Om以及CO[2]。如果通风不良或者通风时间过短, 上述的有害气体有可能对施工人员造成伤害, 因此, 我们应使用零氧平衡炸药, 选用符合国家标准的雷管、导爆管和导爆索等爆破器材, 且每次爆破后通风时间不得小于30min, 方可入内。
2.5 爆破粉尘控制
隧道爆破粉尘的来源主要是凿岩机钻孔形成的粉尘、爆破施爆阶段产生粉尘以及爆破后岩石的装运产生的粉尘。为减少隧道爆破施工前后粉尘对施工人员及周边环境的污染, 我们可以采用采取湿式凿岩技术, 在隧道内洒水等方式来减少或避免粉尘污染。
3 爆破现场管理控制
(1) 严格执行各项管理制度, 加强管理, 作业必须严格按《爆破安全规程》、爆破设计或说明书要求进行, 奖罚分明, 狠反“三违”。
(2) 根据施工现场实际和施工要求, 制定并贯彻有效的施工组织设计与安全技术措施, 确保其在实际施工过程中操作规范准确, 不出现危险行为和造成安全隐患, 努力将危险因素扼杀在摇篮中。
(3) 加大施工人员安全技术培训力度, 提高施工人员专业技术水平和岗位操作技能;层层落实各级安全生产责任制, 切实提高施工作业人员的安全意识。
4 结束语
在较为复杂的环境下进行隧道爆破施工, 应对隧道爆破施工中的特定环境及各种危险因素进行充分的分析、确定, 并针对这些危险因素制定相应的切实可行的控制措施, 加强监管, 这样有利于提高爆破施工的安全性, 从而确保爆破施工的安全顺利进行。
摘要：本文结合南三龙铁路埔平隧道进口爆破工程, 分别从爆破方案选择, 对爆破振动、爆破飞石、有毒有害气体、爆破粉尘等危险因素的控制技术进行了分析, 探寻提高隧道爆破施工质量和安全性的有效方法和应对措施, 为类似工程施工提供参考。
关键词：隧道爆破,危险因素,控制
参考文献
[1]于亚伦.工程爆破理论与技术.冶金工业出版社, 2008 (11) .
[2]黄昊, 蔺照东.工程爆破中的危险因素分析[M].机械管理开发, 2013 (2) .
控制复杂 篇2
针对某高速公路一段复杂地质环境路堑的特点,通过采用多种爆破参数和周密的安全措施,成功地控制了爆破地震波和飞石,完成了该段路堑工程的控制爆破,以期为复杂环境下路堑爆破开挖施工积累经验.
作 者：戴雨 张宏洲 祁洪 DAI Yu ZHANG Hong-zhou QI Hong 作者单位：戴雨,祁洪,DAI Yu,QI Hong(中交隧道局工程有限公司第五工程公司,天津,300143)
张宏洲,ZHANG Hong-zhou(廊坊师范学院建筑工程学院,河北,廊坊,065000)
复杂岩层地质冲击成孔质量控制 篇3
【摘要】本文主要介绍琅岐闽江大桥桩基冲击成孔施工的特点及经验，总结了一套复杂岩层地质冲击钻孔施工组织方法，对高强度、复杂岩层地质冲击钻孔施工工艺及其事故处理等进行了分析总结，以供参考。
【关键词】复杂岩层；冲击；钻孔桩；施工
1、概述
1.1工程概况
琅岐闽江大桥及接线工程Ⅰ合同段主桥边辅墩及引桥桩基桩径为180cm；钻孔桩均按柱桩设计，要求桩底进入微风化岩不小于1.5倍桩径，且沉渣厚度不得大于5cm。
通过方案比选，主桥边辅墩及引桥φ1.8m桩基采用成本较低、破碎高强度岩层效果较好的冲击钻机冲击成孔施工工艺。
1.2水文、气象条件
1.2.1水文条件
场地地下水类型主要为浅部填土中的上层滞水，中部中砂层中的孔隙承压水，以及基底不同风化程度岩层中的孔隙-裂隙承压水。
地下水埋深0.50～3.10米，赋存于基地不同风化程度花岗岩构造系中的岩层空隙-裂隙承压水，各含水层存在直接水力联系，由于风化程度不同，风化孔隙裂隙率和连通性差异较大，总体透水性较弱，富水性也较弱。
1.3地质条件
1.3.1地层地质情况
本区段位于大桥亭江侧陆域，地势较平坦，主要为道路和农田，，地面高程4.66～6.17m。土体层厚度11.3～55.7m，岩体为花岗岩。
土体层主要为：表层为厚1.7～3.1m松散素填土、杂填土，其下主要为流塑状淤泥②2（局部夹薄层卵石②6），淤泥②2层厚9.6～43.3m，N3～N1墩下部为可塑性为主的粉质黏土（③1）厚度为7.4～17.1m、局部有中密的中砂透镜体（③4），厚度为2.2～2.5m。
岩体整体上埋藏较浅，岩面起伏大，风化厚度相差较大。强风化层厚薄不均，厚0.5～8.6m，多为密实砂砾状，底部夹少量碎块状；中风化层整体较薄，一般不超过一米，有些部位缺失；部分强风化岩中夹有1.5～2.0m微风化残余体，微风化面起伏很大，埋深11.8～66.6m，高程-6.51～-60.63m。
由于本段强风化层、中风化层整体厚度薄且不连续，微风化岩埋藏浅，采用端承桩基础，桩端置于微风化基岩中。
1.3.2岩土体设计参数建议值
根据钻探、原位测试和室内土工试验结果，并结合钻进情况和现场野外鉴定，综合确定场地岩土体设计参数建议值如下表所示。
岩土设计参数建议值表
1.3.3不良地质作用
不良地质现象主要为沙土液化。桥址地震设防裂度为7度区，工程场地在埋深20米以内分布有饱和的粉砂、细砂层，为可液化土，场地液化等级为严重。
特殊岩土主要为软土（淤泥、淤泥质土）和风化岩，其中软土分布十分普遍，厚度达50m，水平层理明显，局部呈千层饼状，局部层理面附粉砂，具有高灵敏度和触变性。桩基施工时须特别注意淤泥塑性变形的问题。
2、钻孔施工
2.1钻机选型
根据钻孔桩桩径、桩长及地质条件，选用CK2000型及CK2200型两种冲击钻机配备泥浆净化器等配套机具进行成孔作业。该机为大口径冲击钻机，适用于各种地层，特别是卵、砾石层和坚硬岩层，比其他类型钻机有较高的钻进效率和成孔质量。钻机性能参数见下表。
冲击钻机性能表
2.2冲击成孔
采用冲锤冲击成孔，泥浆沉淀除渣，正循环钻进、清孔施工工艺。开钻前向孔内注入泥浆，以冲击锥小冲程反复冲击造浆。在通过护筒底口及底口以下2～4米时，采用浓泥浆、低冲程，高频率反复冲砸，使孔壁坚实不塌不漏。
①开孔及整个钻进过程中，孔内水位要求保持1.5m～2.0m水头高度，并低于护筒顶面0.3m以防溢出泥浆，掏渣后及时补水。每钻进2m和在地层变化处及时捞取渣样，以便与勘察设计时的地质剖面图进行核对，同时也为泥浆、钻锤及钻进速度的选择提供更为直接的资料。
②在钻孔施工过程中，冲程要根据土层情况而异：在通过坚硬密实岩层或漂石之类的土层中采用中冲程，冲程过高，对孔底振动大，易引起塌孔。在通过高液限黏土、低塑形淤泥土层时，采用高冲程。在易坍塌或流砂地段用小冲程，并提高泥浆的粘度和相对密度。
钻进成孔过程中各类地层中的冲程及泥浆比重选用值见下表。
各类地层钻进中的冲程及泥浆比重选用表
③在通过岩石或漂石，如孔内岩层表面不平整或倾斜，先投入粘土、片石，将表面垫平，再进行冲击钻进，防止发生斜孔、卡钻或掉钻事故。
④钢丝绳的长度要均匀地松放，一般在松软土层每次松绳5cm～8cm，在密实坚硬土层每次松绳3cm～5cm。为正确提升钻锤的冲程，在钢丝绳上采用油漆做出长度标志，防止松绳过少，形成“打空锤”；松绳过多，则会减少冲程，降低钻进速度，严重时使钢丝绳纠缠发生事故。
⑤采取泵吸正循环沉淀除渣，通过粘土造浆悬浮岩屑，再将钻渣循环至孔口，采用筛网将泥浆中的岩屑除去。
⑥在掏渣后或因其它原因停钻，再次开钻时先由低冲程逐渐加大到正常冲程，以免卡钻。
2.3冲击成孔注意事项
1）防渗漏技术措施
若遇岩石破碎，裂隙发育地层，泥浆渗漏的可能性极大，必须采取预防措施，防止孔内水头突然下降导致孔口护筒被水压压坏或引起局部破碎岩塌孔。始终保持护筒内泥浆面高出护筒外水面1.5m以上，一旦发生渗漏，及时采取增大泥浆比重和粘度、回填粘土等措施进行处理。
2）在钻进过程中，发生故障或突然停电，设法尽快将钻头提起，以免埋钻。
3）在钻进过程中，定时检查钻头直径，当冲锤磨损到比原尺寸小2～3cm或刃口磨钝时，及时补焊。
4）冲击钻一般采用正循环清渣，清孔速度慢，清孔效果差，很難达到柱桩沉渣指标要求，需采用泵吸反循环清孔工艺，确保清孔质量。
5）复杂岩层地质冲击钻孔常见事故预防和处理见下表。
复杂岩层地质冲击成孔常见问题、原因和处理方法
3、总结
复杂网络有限时间自适应同步控制 篇4
1 问题描述①
考虑包含N个节点且具有线性耦合的复杂网络,第i个节点动态描述如下:
其中,xi∈Rn为第i个节点的状态矢量;f:Rn×R+→Rn表示连续可微矢量函数;Γ=diag{z1,…,zn}为内部耦合矩阵且满足zi>0;c(t)为时变耦合强度;L=(lij)N×N代表节点之间的外部耦合矩阵,若节点j与节点i之间存在连接,则lij=lji>0,否则lij=lji=0(i≠j),同时该外部耦合矩阵对角元素定义为;ui(t)为控制输入。
定义s(t)是复杂网络的同步解,假设存在且是唯一的,并且满足,作为复杂网络的同步解s(t)可以是一个平衡点、周期轨或混沌轨迹。
定义节点误差ei(t)=xi(t)-x(t),可得,令第i=N个节点为驱动节点,同步误差ei(t)=xi(t)-xN(t),则系统的网络误差动态重写为:
则对复杂网络(1)的有限时间参数自适应同步问题可描述为:复杂网络(1)在ui控制作用下,引入参数c(t)的自适应律,在t≥t*时实现ei→0,即实现网络的有限时间参数自适应同步。
在给出结论之前,提出假设1、2。
假设1假设x、y∈Rn,存在一个正常数li满足f(xi,t)-f(yi,t)≤li(xi-yi)。
若有界,则很多系统都满足此条件,如Chen系统、Lü系统及Lorenz系统等。
假设2时变耦合强度c(t)的估值误差有界,且,其中Bc是已知常数。
对于网络(1)各个节点的动态应满足假设1、2。
笔者的目标是设计合适的反馈控制律和参数自适应控制律,使复杂网络(1)实现有限时间参数自适应同步。
2 有限时间自适应控制器设计
网络误差动态可重写为:
令,为参数估计值,为参数估计误差,c为参数的最佳调节数值,并且有。因此,复杂网络有限时间同步问题就转化成与它等价的误差系统的有限时间稳定问题。
设计控制协议如下:
其中,k、α是任意的常数,k>0和α>0;sign(ei)=(sign(ei1),sign(ei2),…,sign(ein))T。参数自适应律为:
定理1考虑由式(1)描述的复杂动态网络,令假设1成立,节点之间无向连通,则在控制协议(4)的作用下,若控制增益的自适应律为(5),则该网络在有限时间内实现同步。其中
证明考虑Lyapunov函数,对Lyapunov函数求时间导数,则:
证毕。
所以,网络误差在有限时间内达到零,则复杂网络可在有限时间内达到同步。
3 仿真研究
Lorenz系统是典型的混沌系统,其线性方程描述如下:
其中a=10,c=28,b=8/3。依据文献[6]的例子,可知Lorenz系统满足假设1,选择初始值,其中xi=[xi1,xi2,xi3]T,取第5个节点作为驱动点,α=0.8,k=2,li=10,又根据|珓c(t)|≤Bc,取Bc=20,内部和外部耦合矩阵分别取为:
复杂网络(1)在控制协议(4)和自适应律(5)作用下实现同步,耦合参数变化曲线和网络同步误差曲线分别如图1、2所示。由仿真图形可知耦合参数c大约在t=0.4s开始迅速变化,在大约t=1.0s后逐渐趋近于一个稳定值,因此,在本例中参数快速达到其最佳值c=16.67。
由图2可知,复杂网络各节点分量随着自适应控制的作用下,在大约在t=0.5s后网络同步误差趋于零,网络(1)实现有限时间同步。
节点之间的耦合参数c时变未知,图2表明了在自适应控制律的作用下各节点分量的同步误差变化情况,很明显各同步误差曲线快速集中到零点,结合图1可知自适应参数c也随着各误差分量迅速收敛到零时也达到最佳值。通过以上的仿真可知,当实际复杂网络系统中节点未知耦合参数的情形,通过参数自适应控制来实现对未知参数的控制,从而降低了耦合参数取值的保守性,为含未知不确定的复杂网络同步提供了研究基础。
4 结束语
针对含有未知耦合参数的复杂网络有限时间同步问题,设计了非光滑控制协议和自适应控制律,并应用稳定理论证明了复杂网络的耦合参数能快速达到其最佳估值,且同步误差也快速收敛到零。最后通过Lorenz系统进行了数值验证,证明了所提控制方案的有效性。但在实际的复杂网络中客观存在一些不确定因素,例如网络中所含的建模错误、参数扰动、噪声干扰及系统中可能存在的未知干扰等,这些不确定因素对复杂网络同步控制也带来了挑战,也是今后研究的一个重要课题。
摘要：针对含有未知耦合参数的复杂网络,研究其有限时间自适应同步问题。设计了非光滑控制协议和参数自适应律,基于稳定性原理给出了无向连通网络实现有限时间自适应同步的充分条件,从而降低了耦合参数取值的保守性。最后通过仿真实例验证了所提方法的可行性。
关键词：同步控制,复杂网络,有限时间,自适应
参考文献
[1]秦补枝.小世界网络自适应多目标控制[J].化工自动化及仪表,2010,37(6):24~28.
[2]关学忠,刘金龙,高哲,等.基于复杂网络的电网元件脆弱性分析[J].化工自动化及仪表,2015,42(10):1104~1108.
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[5]张丽丽,王银河,王钦若.不同维数非线性节点非线性耦合复杂动态网络渐近同步[J].控制与决策,2014,29(3):537~540.
复杂性、复杂系统与复杂性科学 篇5
复杂性、复杂系统与复杂性科学
本文在前人工作的基础上,研究和总结了复杂性、复杂系统与复杂性科学的`基本概念,尝试给出了复杂性科学的定义;总结了复杂性科学的研究对象、基本原理和基本研究方法;综述了国内外研究现状,指出了存在的问题和今后需要重点研究的问题.
作 者：宋学锋 作者单位：中国矿业大学管理学院,江苏,徐州,221008 刊 名：中国科学基金 ISTIC PKU英文刊名：BULLETIN OF NATIONAL NATURAL SCIENCE FOUNDATION OF CHINA 年，卷(期)：2003 17(5) 分类号：N1 关键词：复杂性 复杂系统 复杂性科学认识复杂与运用复杂 篇6
冷战的结束使国际关系发展到一个新的阶段，世界到处充满动荡和矛盾，但又保持着总体上的平衡，十多年来这已经成为一种常态。在这种状态下，生存发展与失败衰落、安全稳定与威胁动荡、有序制度与无序失范、光明富裕与黑暗贫困、理想希望与失落悲观、历史现实与未来指向等诸多因素共同发挥着作用，世界的不确定性空前突出。由于与外界联系在空间上不断延伸，更多的国家被牵扯到一些原本属于特定区域的利益纠纷之中，国家利益要在与更多竞争对手的角逐中来获得。国家为了更好地维护自身的利益，越来越难以过于强调个别领域的共同性或者差异性，而是需要在诸多的领域取得最基本的平衡。国际关系从来没有像今天这么复杂，用过去曾经习惯的过于简约的分析方法已不能很好地反映国际关系的发展。而对于主权国家，认识复杂、运用复杂已经成为对战略谋划的本质要求之一。
早在２０世纪９０年代初，当时的以色列总理西蒙·佩雷斯就曾敏锐地意识到：“我们正在从一个敌人容易识别的世界向一个问题难以确定的世界过渡。”后来的事实证明，以色列和巴勒斯坦采用简单的暴力手段就是不可能解决彼此之间的问题。这是复杂性增强的世界所带来的必然结果。
在分析当前美国的中东政策时，美国前国务卿黑格做出了精辟的评论：“历史观念的缺乏导致美国越来越多地被时间所驱使而不是决定事件的发展。尤其在中东地区这种情况更为普遍。战略谋划已经退化成缺少历史观点的即时快照。”美国极度的单边主义对国际安全局势产生剧烈的冲击，也使许多国家产生了抹不去的疑问。在伊拉克战争中，法国、德国和俄罗斯等国家与美国产生了明显的分歧，至今对其仍难以进行实质性弥补。事实上，美国也要在国际关系的普遍性约束中确定自己的国家利益，如果过多地强调自己的意志，在战略上也会出现失误甚至犯严重错误。
在这一点上，似乎有些保守的欧洲倒有许多值得学习的地方，因为“欧洲人遵循这样一种哲学，即通过加强与对手的联系来减少敌对情绪”。对于一个纷乱的世界，用粗线条或过于武断的办法去“治理”得不到经久牢靠的安全，并将被国际局势未来的发展证明越来越不合时宜。追求新条件下的国家安全和维护国际秩序，需要更具包容性的战略思想和智慧，离不开更多国家尤其是大国之间的协调和努力。
力图通过过于简单的途径来应对复杂的现实，美国安全战略的效果由此而大打折扣，这是一种失误。值得注意的是还存在另外一种失误，那就是滥用复杂，企图将原本比较清晰的事情引向混乱。如在台湾问题上，“台独”分子和一些国际势力就想搅混台海局势，以求一搏，而在实际上却没有看到和适应日益明显的事实逻辑。
一个时期以来，“台独”之所以保持着不断发展的态势，主要原因在于“台独”势力尚有一些局部的有利条件或优势。岛内民众的心理和认识中存在的一些情感或偏见，与“台独”倾向或多或少地相符合；具有“台独”倾向的政党和派系在台湾政治体制中目前具有一定优势；美国对台政策中存在某种有助于鼓励“台独”的基本因素。然而，“台独”势力上述优势相对容易发生变化，它们较易因为中国大陆的现代化进程、两岸交往的增进、台湾岛内的政治进程以及美国政策的某些调整而发生改变。只要中国大陆能继续保持开放的、充满活力的发展态势，不断提高战略能力，保持社会机制的良性运转，摆脱“台独”问题对国家安全的困扰，就有了最重要的基础。
控制复杂 篇7
沙南油田2008年~2009年复杂时间对比表
1 地层特性及主要难点问题
1) 井壁稳定性较差, 烧房沟、韭菜园、梧桐沟地层的硬脆性泥岩易垮塌, 易出现严重憋钻、憋泵, 井漏;
2) 在1 800m地层有破碎带或断层, 钻进中易井斜;
3) 新生界地层胶结疏松, 防垮塌。吐谷鲁底部、八道湾地层含砾石, 易掉牙轮;
4) 泥浆使用的后期, 无用固相较难控制, 加入油层保护剂磺化沥青时, 泥浆流变性难以控制;
5) 地层流体活跃泥浆极易污染, PDC钻头钻至后期扶正器泥包, 造成环空不畅, 易井漏;
6) 目的层注水可能导致有高压层, 防喷、防漏。进入石炭系, 极易发生井漏, 液柱压力降低后易发生溢流。
2 复杂控制技术措施
1) 全井防斜;
2) 二开Φ216mm井眼循环时, 缸套160mm即可, 梧桐沟组底部换150mm缸套;
3) 落实长短提措施, 严格按操作规程操作, 严防卡钻事故发生;
4) 强化钻井技术参数, 做好泵压上台阶工作;
5) 钻穿八道湾进入克拉玛依组后, 保证井底干净, 方可下PDC钻头;
6) PDC每钻进70m洗井, 确保岩屑返出。PDC长短提前充分洗井, 坚持两短一长措施;
7) 提下钻过程中, 中途洗井选择在吐谷鲁中部的泥岩段, 其他井段没有特殊情况严禁洗井;
8) 发生井漏时应优先上提钻具至安全井段, 以免井壁垮塌导致埋钻具, 尤其是在下部的烧房沟、韭菜园、梧桐沟组;
9) 韭菜园和梧桐沟组交界处地层极易垮塌而导致井漏, 在此遇阻时, 应反复活动尽量不开泵, 如不能正常, 先上提1~2柱钻具, 慢慢划下去;
10) 加强泥浆净化工作, 最大限度的降低泥浆中的有害固相;
11) 做好井控工作, 重点落实周围500m注水井的停注外排工作, 加强座岗制度和防喷演习制度;
12) 克拉玛依顶界以上井段下钻速度控制在60S/柱, 以下控制在90S/柱。井底到烧房沟顶界井段提钻速度控制在I档低速;
13) 全井长短提时, 上提遇卡, 以下放为主, 下放遇阻, 以上提为主, 严禁超权限违章强压硬提。
3 事故、复杂的预防措施
3.1 防塌、防卡技术措施
1) 进入韭菜园前100m加够防塌剂, 泥浆密度走上限;
2) 进入韭菜园以后观察岩屑返出, 验证泥浆性能和密度;
3) 设计泥浆密度不能保证井壁稳定时, 及时提钻至安全井段, 调整泥浆性能;
4) 控制提下钻速度, 下钻90S/柱, 提钻I档低速;
5) 严禁在烧房沟、韭菜园、梧桐沟中途洗井;
6) 认真落实防卡技术措施, 洗井、测单点等辅助作业时, 由专人负责活动好钻具, 如检修设备等时间过长的辅助工作时必须把钻具提到表套管或安全井段, 确保井下安全;
7) 井塌后要尽量保持循环畅通, 严禁超权限违章强压硬提。
3.2 防漏措施
1) 降低排量减小钻井液对井壁的冲刷;
2) 针对梧桐沟地层划眼、垮塌, 详细划分密度段, 控制排量25L/S以下, 严禁在烧房沟、韭菜园及梧桐沟组地层中途洗井;
3) 将完井泥浆密度提到1.36g/cm3, 确保井眼稳定和畅通;
4) 发生漏失现象, 及时采用加堵漏材料进行解决;
5) 操作上强化精雕细刻, 在易漏地层钻进时要控制钻速, 保证岩屑及时返出, , 减少压力激动, 防止井漏的发生;
6) 提下钻要控制速度, 下钻速度控制在90s/柱, 洗井井段避开易漏层位, 开泵循环遵循“上提开泵”的原则, 先用小排量循环正常后, 再用正常排量循环钻进;
7) 严格落实坐岗和干部跟班制度, 以便及时发现异常并采取相应处理措施;
8) 根据实钻资料分析, 该区块漏失为渗透性漏失, 一般采用桥堵方法即可解决漏失问题。
3.3 堵漏技术措施
1) 二开钻进时, 上部如出现渗透性漏失, 采用桥塞堵漏即可堵住;
2) 漏失严重采取桥塞堵漏时, 应及时提钻5柱以上后, 进行静止堵漏;轻微漏失的采取边堵边钻的方法处理;
3) 在桥塞堵漏的过程中, 要做好防堵水眼和防卡工作, 勤活动钻具防止堵漏剂形成砂桥造成卡钻, 堵漏时钻头位置应选择在漏层以上20m, 井底漏失应提离井底20m以上, 不得在井底堵漏造成无法处理的复杂情况。
4 结论
控制复杂 篇8
1 复杂山区铁路线路专业控制因素及对策分析
线路作为铁路的载体, 其合理程度与质量好坏将直接关系到整个铁路建设项目的安全程度。选线作为勘察设计工作中的头等大事, 是我们在对勘察设计工作进行质量控制的过程中需要加以特别关注的对象。一般来说, 在复杂山区环境铁路建设项目选线的过程中我们需要从以下几个方面对其加以控制。
1.1 安全性
复杂山区铁路的选线工作应当以安全性为首要考虑因素, 合理规避山区复杂环境下潜在的各种风险——地质结构不稳定的区域即使能够节约线路总长, 降低工程建设开支, 亦不宜选用;危岩落石灾害频发地段处的线路进出口应当设计为明洞;当铁路线路受复杂山区环境影响不得以选用高填深挖方式进行路基施工时, 我们应当以一定长度的高架桥或是隧道取代原有的铁路线路设计方案;线路的设计规划应当尽量避免沿着山坡的陡峭崖壁行进, 将线路引入山内或是改用隧道的方式, 既能够有效降低施工难度, 同时也确保了铁路线路在运输过程中的安全性。
1.2 铁路线路与道路并行或交叉路段的质量控制分析
当铁路轨面低于道路路面或是较道路路面高出1.5m以内处于并行状态时, 我们需要对道路路面进行一定程度的改移, 将道路路面与铁路轨面之间的并行距离控制在20m或以上, 对于改移道路路面困难的工点而言, 我们需要在并行道路侧边设置相应的钢性防护网, 以策安全;而当铁路轨面与道路路面相交叉时, 我们需要在交叉沿侧设置相应的钢轨护栏, 以此作为分界点, 确保铁路线路与公路线路的运输独立性。
2 复杂山区铁路路基专业控制因素及对策分析
路基施工在山区复杂自然环境、地质结构以及水质水文等因素的制约之下, 存在一定的安全施工隐患。大量的实践研究结果向我们证实了一点:要想确保复杂山区铁路路基勘察设计工作的质量, 其关键在于做好铁路路基施工区域域内防排水工程以及地基处理的耐久性问题, 并正确应对在施工过程中可能出现的危岩落石异物入侵问题。笔者现从这两个方面入手, 对其做详细分析与说明。
2.1 防排水工程以及地基处理的耐久性问题
我们需要明确一点:在复杂山区铁路施工作业中, 防排水工程与铁路线路主体施工工程在整个铁路建设项目中的地位是同等重要的。防排水工程设计采用混凝土材料, 按30年使用寿命进行质量控制, 并按照铁路路基施工区域内的环境复杂等级确定适宜的钢筋混凝土强度等级。
2.2 危岩落石异物入侵问题的处理
当勘探设计探明前方存在危岩落石高发可能性的情况下, 铁路线路的设计应当如前文所述尽量避绕这部分地质结构不稳定的区域。若存在各种因素制约无法避绕时, 铁路线路应当尽量选用隧道或是明洞的形式通过该区域, 并采取支顶、拦截等方式在隧道或明洞的两端洞口进行必要的防护。在此基础之上, 整个路基施工工程项目还应当增设相应的视频传感装置, 并构建一套较为完善的防灾监控系统, 最大限度的确保危岩落石区域铁路轨道行车的安全性与突发事故应急救援的及时性。
3 复杂山区铁路隧道专业控制因素及对策分析
据相关统计资料数据显示:在当前技术条件支持下, 隧道施工安全事故已成为了整个铁路工程安全事故的最主要构成部分, 隧道施工安全事故带来的财力、物理、人力损失均是不可预估的, 这对于复杂山区环境下的铁路施工工程来说同样如此。我们在对复杂山区隧道施工项目进行勘察设计的过程中应当特别注意以下几个方面的问题。
(1) 隧道施工涉及到较为复杂地质结构时, 相关工作人员在对隧道施工作业进行勘察设计的过程中就应当特别关注到隧道所穿越地层的岩石构造、形态以及产状等指标, 引入施工试验模式, 根据施工试验所凸显出的问题与隐患及时制定相应的调整或完善措施, 进而确保整个隧道施工项目的安全性与结构稳定性。
(2) 隧道施工阶段勘察设计工作的质量控制应当深化地质结构工作, 对隧道施工区域内的围岩结构进行整体级别的划分, 根据勘察阶段所提供的数据资料来提升设计工作对于隧道施工阶段围岩级别判释的精确度。在此基础之上强化隧道施工项目的风险评估机制, 明确风险等级与风险来源, 力求在隧道施工阶段做到“有备无患”。
4 结语
众所周知, 山区铁路与山区公路不同, 它对于转弯半径以及路线坡度的要求使得山区铁路的建设存在建设难度以及经济投入大等方面的问题。在复杂山区环境之下, 铁路运输线路的建设工作显得尤为艰难。如果没有事先的勘察设计工作, 我们就很难保证铁路运输线路的运输质量与运输安全性。本文针对复杂山区铁路在勘察设计工作中的质量控制要点做出了简要分析与说明, 希望能够为今后相关研究与实践工作的开展提供一定的参考与帮助。
摘要：本文以复杂山区铁路的勘察设计工作为研究对象, 从线路、路基以及隧道这几个方面入手, 针对复杂山区铁路工程项目应如何在勘察设计环节做好质量控制工作这一问题进行了较为详细的分析与阐述, 并据此论证了做好这一工作在确保复杂山区铁路工程项目勘察设计工作正常运行, 乃至进一步提升铁路线路运输质量与运输安全性的过程中所起到的至关重要的作用与意义。
关键词：复杂山区铁路,勘察设计,质量控制,线路,路基,隧道
参考文献
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控制复杂 篇9
经典控制理论和现代控制理论,都需要精确数学模型。然而实际工业过程,往往是多变量、强耦合、时变、约束的复杂过程,难以得到其精确的数学模型。为了克服理论和应用的不协调,人们试图寻找一种对模型要求低、控制综合效果好的控制方法。预测控制就是在这种情况下发展起来的一类新型计算机控制算法。它汲取了现代控制理论中的优化思想,利用预测模型和滚动优化并结合反馈校正,取代了传统的最优控制,这种策略非常适用于复杂的工业过程[1,2]。从上世纪70年代问世到现在,已经从最初在工业过程中启发式使用的控制算法发展成为一个具有丰富理论和实践内容的新的学科分支。
2 预测控制的研究概况
2.1 参数优化设计
预测控制允许设计者自由地选择性能指标的形式,不同的参数设计所导致的控制效果可截然不同。Maurath等[3]提出了一种基于主元分析的DMC控制器调整方法。Rani等[4]比较并分析了各种DMC、GPC参数整定方法的控制效果,并在此基础上提出新的GPC参数整定方法。利用系统矩阵条件数与控制权系统的解析表达式,Shridhar等[5]提出了一种基于MIMO系统的预测控制器参数调整方法。根据对象闭环预测输出与控制器参数的近似线性关系,Al-Ghazzawi等[6]提出一种在线整定DMC控制器参数策略。Emad[7]提出一种基于模糊规则的非线性预测控制在线整定方法。徐祖华等[8]提出一种基于Min-Max准则的预测控制鲁棒参数设计方法。
2.2 稳定性分析
通常MPC是通过对一个带约束的有限时域开环最优控制问题反复在线求解来实现的,但是有限时域最优不能保证系统稳定,而且MPC系统的闭环描述很难得到,这是研究困难所在。近年来,人们在标准MPC问题的基础上,对其描述增加各种条件、约束,在稳定性研究方面得到一些成果。
(1)内模控制框架下的稳定性研究。席裕庚等[9]从该内模控制结构和最小化实现形式出发,分析了预测控制系统的闭环性能,给出了系统动态响应、抗干扰性、鲁棒性与设计参数的解析关系。
(2)无限时域策略。采用无限时域可以保证目标函数在滚动优化过程中不断下降,从而保证系统的稳定性。Rawlings等[10]将线性系统按稳定与否及有无约束分为四种情况进行MPC系统的稳定性研究。
(3)终端等式约束。为保证MPC稳定性,对有限时域滚动优化问题加入终端等式约束,在优化时域结束时将状态变量强制为零。Kwon等[11]最早提出了有限时域零状态约束MPC策略。这一思想被人们引入各种形式的预测控制,相关的文献很多[12~14]。
(4)终端加权策略。终端约束的引入,减少了控制器的灵活性和可行区域,甚至会导致可行解不存在。终端等式约束相当于终端加权系数为无穷大,因此人们考虑有限终端加权系数的情况。Parisini等[15]、Zheng[16]、Chen等[17]通过选取特殊形式的终端加权项,保证MPC系统的稳定性。Lee等[18]推导出使有限时域性能指标单调下降的不等式条件,并转化为LMI优化命题求解。
(5)压缩约束。Polak等[19]和Zheng[20]提出一种压缩MPC策略,它没有利用Lyapunov函数单调性来证明系统稳定性,而是要求状态变量按一定形式成递减趋势,通过状态压缩约束来确保闭环系统稳定性。
总之而言,目前稳定性理论的证明方法主要是利用性能指标的单调性来完成的。Manye等[21]在综述中指出,关于线性MPC的稳定性研究已经非常成熟,但关于非线性MPC还有待进一步研究。
2.3 鲁棒性分析
实际工业过程存在于不确定性环境中,模型和被控对象之间也不可避免地存在着失配,因此模型预测控制的鲁棒性研究十分必要而且有实际意义。预测控制的鲁棒性研究分为两个方向:MPC的鲁棒性分析和设计鲁棒MPC控制器。
MPC鲁棒性分析是指对不考虑模型不确定性的标准MPC算法进行鲁棒性分析。这是一项比较困难的工作,文献给出的分析方法屈指可数。针对不确定脉冲响应模型,Zafiriou等[22]利用压缩映射原理推导出保证系统鲁棒稳定性的充分、必要条件。Genceli等[23]对带约束L1范数性能指标的预测控制算法进行了研究,给出了保证闭环系统稳定性和鲁棒性能的充分条件。Primbs等[24]利用S-procedure方法对带输入约束的有限时域滚动优化控制算法进行了鲁棒性分析。
考虑模型不确定性,设计鲁棒MPC控制器,最典型的一种策略是采用Min-Max形式优化命题计算控制作用,其思想是求解控制律使在不确定性集合中的最坏情况下的目标函数值最小。Campo等[25]首次引入Min-Max鲁棒设计思想,针对不确定脉冲响应模型,设计了无穷范数性能指标的鲁棒MPC算法。
近年来,LMI理论被引入Min-Max预测控制的研究。Kothar等[26]对于多模型结构与反馈不确定两种不确定系统,提出一种基于LMI理论的鲁棒MPC综合方法。Lu等[27]只在第二步后才采用相同的状态反馈律,讨论相应的LMI描述及鲁棒稳定性。Wan等[28]提出基于LMI理论的离线鲁棒预测控制算法。
总的说来,MPC鲁棒性研究大多以其稳定性研究成果为基础,然后引入用来保证鲁棒稳定性的鲁棒约束条件或用来改善鲁棒性能的可调变量,设计鲁棒控制器使控制系统在稳定的同时具有一定的鲁棒性。
2.4 快速预测控制
由于每个控制周期都要求解一个复杂优化问题,使预测控制基本上都局限于慢过程对象。如何提高预测控制的在线计算速度,成为一个重要研究方向。
Bemporad等[29]提出了一种显式预测控制算法:对约束状态空间分区并设计各区间的显式闭环反馈控制律;在线控制时,依据系统当前状态,选择相应的状态反馈控制律。徐祖华等[30]提出了一种基于LMI的离线预测控制算法,离线求解LMI命题构造分段反馈控制律,在线实施满足条件的反馈控制律。
对标准优化求解算法进行改进或做近似处理,也是一类主要尝试方法。Kouvaritakis等[31]提出用扩展的Newton-Raphson算法取代目前普遍采用的QP形式,使计算量降低10倍以上。Wang等[32]提出了三种针对预测控制在线求解QP问题的快速算法。Diehl等[33]打破了求解优化问题中“优化直至收敛”的概念,提出了实时迭代的思想。
优化变量的集结策略也是减少预测控制计算量的一种有效手段。席裕庚等[34]针对一类受约束的线性离散系统,研究了基于集结策略的预测控制器可行性问题。席裕庚等[35]又提出了等效集结的概念。
2.5 分布式预测控制
随着交通、城市建设等领域的迅猛发展,交通控制系统、排水系统、污水处理系统等受到了格外的关注。这类系统的特点是组成单元多,规模大,具有多目标和多约束,需要采用分布式结构的预测控制。
Li等[36]提出了一种无约束分布式预测控制算法,属于独立、迭代的全局链接方式。Camponogara[37]提出了一种独立的、非迭代的分布式预测控制算法。由于它们得到均为Nash解,闭环系统稳定性无法得到保证,需添加稳定性约束,以保证系统稳定性。Venkat[38]提出一种分布式预测控制算法,各子控制器在每个控制周期完成多次信息交互、迭代求解优化命题,以协作方式将系统推向全局最优解,即Pareto解,使系统的稳定性得到了保证。
2.6 非线性预测控制
非线性预测控制在方法原理上与线性预测控制没有什么不同,但预测模型或目标函数是非线性的。由于非线性系统的复杂多样性,寻找一种统一的非线性模型预测控制方法很困难。非线性预测控制的研究主要集中在以下几个方面:
(1)基于机理模型的非线性预测控制。机理模型即根据被控对象的物理特性所建立的微分方程模型。求解这类微分方程的两种典型方法是:序贯求解法[39,40]和联立求解方法[41,42]。对非线性MPC稳定性与鲁棒性研究主要基于机理模型。
(2)基于线性化方法的非线性预测控制。传统的处理非线性问题的方法是线性化方法。非线性系统线性化的方法通常有李亚普诺夫线性化和反馈线性化方法。Lee等[43]将非线性机理模型李亚普诺夫线性化,用线性化模型构成QDMC。Kurtz等[44]通过输入-输出线性化方法,使非线性系统转化为线性系统,然后将线性预测控制方法应用于反馈线性化系统。张智焕等[45]通过静态非线性状态反馈使得闭环系统是输入输出解耦和线性的,然后设计一组单输入单输出预测函数控制器。
(3)基于多模型的非线性预测控制。多模型是一种改进的处理非线性系统的方法,其特点是将模型预测控制与多模型方法相结合,用多个线性子模型来逼近非线性过程。Bjarne等[46]把运行集分为几个运行区域,每一个运行区域分配一个局部线性模型,全局非线性模型是局部线性模型的加权组合。Xu等[47]提出了一种基于操作轨迹LPV模型的非线性预测控制算法,非线性模型是基于调度变量的多个线性子模型加权组合。
(4)基于特殊模型的非线性预测控制。针对一些非线性系统可以用特殊非线性模型,因而出现了基于特殊非线性模型的模型预测控制方法。Volterra模型是非线性脉冲响应模型,描述系统动态的精度取决于所取Volterra序列的阶次[48]。Hammerstein模型描述的是一类可分静态非线性和动态线性的系统,可用于描述PH过程和具有幂函数、死区、开关等非线性特性的过程[49]。Wiener模型与Hammerstein模型类似,不同的是Wiener模型的线性动态环节在非线性静态增益的前面[50]。
(5)基于智能模型的非线性预测控制。智能模型如神经网络模型、模糊模型等具有可以描述用常规方法无法描述的系统,已成为预测控制研究的另一热点[51,52]。将神经网络模型、模糊模型引入非线性MPC还存在许多问题,主要是对多步预测缺乏有效的方法;进行网络训练与实时修正耗时较多,不利于实现;理论分析较为困难。
3 工业预测控制软件包
预测控制技术在石油、化工等领域取得了成功应用,其主要原因之一就是预测控制提出后,商品化软件包也相继产生,使得其得以进一步推广。在过去的几十年里,它经历了从简单到复杂,从功能单一到功能强大,从不完善到完善的四代演化过程[53]。
(1)预测控制技术。第一代预测控制软件的代表是法国Adersa公司的IDCOM和Shell Oil公司的DMC,其主要用于处理无约束的多变量过程。IDCOM所采用的算法即Richalet在1978提出的MPHC,其主要特点有:•以过程的脉冲响应序列作为预测模型;•采用有限时域的二次型性能指标;•被控对象的未来输出跟踪参考轨迹;•可以处理输入、输出约束;•用启发式迭代算法求解最优控制作用序列。
与此同时,Shell Oil公司的工程师也开发出了自己的MPC软件,并于1973年首次投入使用。1979年Cutler和Ramaker对DMC技术进行了详细的阐述。DMC的主要特点包括:•采用线性阶跃响应序列模型描述被控对象;•采用有限时域的二次型性能指标;•使被控对象输出尽量靠近给定的设定值;•最优控制作用的求解归结为最小二乘问题的求解。
DMC算法的目标是在有MV惩罚项时使系统输出在最小二乘意义下尽可能接近期望的设定值。这样,系统输入变化的幅值不会太大,与IDCOM相比,这种方法对模型误差有更大的鲁棒性。
(2)第二代预测控制技术。为了能够处理有约束的情况,Shell Oil公司的设计人员将原DMC算法进行了改进。改进后的DMC算法被称为QDMC,并于1983年在AICh E年会上首次被提出。QDMC算法的主要特点:•采用线性阶跃响应模型;•性能指标为未来有限时域上的二次性能指标;•对象的未来输出尽量接近期望的设定值;•采用二次规划方法求解最优输入值。
作为第二代预测控制的代表,QDMC将MPC问题转化成一个QP问题,提供了系统处理输入、输出约束的方法。QDMC算法可以直接考虑输入、输出硬约束,同时,人们也开始通过在性能指标中加入加权项来实现尽量不违反所谓的“软”约束。
(3)第三代预测控制技术。随着MPC处理的问题规模越来越大,复杂程度越来越高,QDMC算法遇到新的问题:自由度问题、容错问题、经济优化问题等。这些在实际应用中遇到的问题使得许多公司对模型预测控制算法进行了新的研究,从而提出了第三代的模型预测控制软件包。Setpoint公司开发出IDCOM软件包的新版本—IDCOM-M。Grosdidier等人在1988年详尽阐述了IDCOM-M软件包的功能特点及应用情况:•采用线性脉冲响应模型;•具有可控性分析功能,能避免病态系统的发生;•采用多级目标函数,先进行被控变量的设定值优化,然后在保证其优化结果的基础上进行操纵变量的IRV优化;•每个输出仅从相应的参考轨迹中选择一个未来预测点加以控制;•每个输入只考虑一步控制作用;•约束可是硬约束或者软约束,且每个约束都有优先级的定义。
此外,Shell公司的SMOC、Adersa公司的HIECON、Profimatics公司的PCT和Honeywell公司的RMPC也都是第三代MPC软件的典型代表。
(4)第四代预测控制技术。Aspen Tech公司的DMC-plus和Honeywell公司的RMPCT是第四代MP C软件2个最重要产品。其特点是:•采用多级分层优化策略;•增强了稳态优化的灵活性;•控制器设计考虑模型的不确定性;•采用先进模型辨识技术。
近年来,国内一些企业和科研院校也通过合作或自主研发了多款MPC控制软件包。浙江大学工业控制研究所钱积新教授领导的研发团队于2002年推出了FRONT-Suite先进控制软件包[54,55]。它应用范围广、控制结构灵活、技术成熟,适用于TDC3000、Deltav、CENTUM-CS等DCS系统的集成。后又与荷兰Tai-Ji Control公司合力开发了Tai-Ji MPC软件包。Tai-Ji MPC是一种新颖的自适应MPC控制器,由控制模块、辨识模块和监控模块组成[56]。它的推出意在将MPC的设计、投运和维护做到最简化。利用Tai-Ji MPC建立MPC应用,工程师只需在控制器功能设计阶段对被控变量、输入变量和扰动变量进行选取,余下的工作,如装置测试与模型辨识、控制器整定与仿真、投运和后期的维护等,都可由Tai-Ji MPC自动完成。
4 预测控制的应用概况
预测控制理论从工业实践中来,随着其理论研究的不断深入,预测控制在工业过程的应用越来越广泛,应用范围遍及石油、化工、炼油、冶金、造纸、航空、机械制造、食品加工、液压传动、航海、军事等行业。据Qin和Badgwell[53]截至1999年的一次中等范围统计显示,在工业领域中应用预测控制技术的工业装置已达到4542套,而且近几年的应用呈不断加速增长的趋势,数量上远远超过这个数字,见表1。
根据文献报道,各种不同石油化工装置实施先进控制后,其净增效益如表2所示(含实时优化)。虽然各公司所报出的年效益有所不同,但其数量差别不大,因而表中数据可以作为实施先进控制的参考。
浙江大学工业控制研究所钱积新教授领导的研发团队先后对常减压装置、PTA装置、空气装置、乙醛装置等工业生产过程的先进控制展开了研究。大型PTA装置的先进控制,每年为企业净创直接经济效益达2.89亿元利润,近三年累计为企业创造了新增利税3.38亿元人民币,获2005年国家科技进步二等奖,2004年国家教育部科技进步一等奖。大型空气装置的自动变负荷先进控制,填补了国内在高端自动变负荷优化控制方面的空白,打破了空分装备自动变负荷技术的国际垄断,提升了国内空分厂商的国际竞争力。
5 未来研究方向
非线性预测控制。随着人们对产品质量和产量要求的不断提高,对生产经济效益的不断追求,非线性预测控制引起了人们的普遍关注。虽然近年来有了较大的进展,但仍存在不少问题,如建模困难、实时性差,值得进一步研究。
快速预测控制。由于每个控制周期要求解一个复杂优化问题,使预测控制基本都局限于慢过程对象。如何提高预测控制计算速度是一个重要研究方向。
控制复杂 篇10
关键词：超驰-分程控制,组态,分散控制系统
兰州石化公司1.2Mt/a柴油加氢精制装置以催化裂化装置混合柴油为原料, 经过加氢反应进行脱硫、脱氮、烯烃饱和生产精制柴油产品。该装置由反应 (包括新氢、循环氢联合压缩机) 、分馏、干气脱硫、注水和公用工程5部分组成, 采用Delta V DCS控制, 其中反应系统压力是工艺控制的核心指标, 控制要求严格, 又因其与氢气压缩机有紧密的联系, 使其控制方案较为复杂, 利用Delta V丰富的控制运算功能实现超驰-分程控制, 完全可以满足加氢装置反应系统压力控制的具体要求。
1 反应系统工艺流程
加氢装置反应系统工艺流程如图1所示, 混合原料油来自装置外, 经原料泵升压后, 在反应进料流量控制下, 与循环氢和新氢混合, 混合进料进入加热炉加热至反应所需温度, 再进入反应器, 在催化剂作用下进行脱硫、脱氮、烯烃饱和及芳烃饱和等反应。来自反应器的反应流出物经冷却塔冷却至45℃进入高压分离器, 高压分离器对冷却后的反应流出物进行油、气、水三相分离。油相在液位控制下经调节阀减压后进入分馏系统进行后续处理;污水自高压分离器底部排出;气相 (氢气) 一路经PV8113控制阀去火炬、PSA装置或作为废氢排放, 另一路经循环氢聚结器分液后, 进入压缩机循环端升压, 与压缩机增压端出口新氢混合为循环氢, 循环氢与原料油混合作为混合进料。
2 反应系统压力控制
从工艺流程可以看出, 本装置反应系统压力控制是通过控制高压分离器 (V1102) 顶部压力实现的, 而高压分离器 (V1102) 顶部压力实质是氢气系统的压力, 因此, 要实现反应系统压力平稳控制, 就要考虑如何对系统氢气压力进行平稳控制。
氢气系统流程简图如图2所示, 从图2中可知氢气的两路来源:
a.新氢自外界来, 经一级脱液罐、一级压缩、二级脱液罐、二级压缩、三级脱液罐、三级压缩, 主要补充系统耗氢及保证氢气纯度;
b.循环氢从高压分离器来, 经循环氢脱液罐、循环端压缩, 保证反应系统压力。
两路氢气在出口端汇合后, 进入原料泵出口与经过加压的原料油混合, 作为反应进料维持系统压力。因此, 系统氢气在反应系统中构成一个循环, 氢气压力始终等于反应系统压力, 同样也说明控制系统氢气的压力就是控制反应系统的压力。
由于柴油加氢反应要求在一定氢气压下进行, 而且氢气参与反应和溶解、泄漏损失等因素, 因而系统氢气在逐步消耗。为了维持系统氢压和提供反应所需纯度的氢气, 必须补充新鲜氢或同时排放循环氢气, 否则高压加氢反应系统压力势必下降。
保持系统较高的循环氢纯度, 则可保持较高的氢分压, 有利于加氢反应、提高产品质量。同时, 系统较高的氢纯度可以减少催化剂的结焦, 从而使催化剂的失活速率降低。高压分离器 (V1102) 压力控制另设PRC8113去控制PV8113阀, 即放空去火炬, 装置压力控制不正常或需要改善系统氢气纯度时经此排放废氢。
生产处于正常情况下时, 反应系统压力控制即高压分离器 (V1102) 的压力控制优先, 但是当氢气系统压力无法满足往复式压缩机每级间压缩比, 可能造成对压缩机损坏时, 则要优先考虑保证压缩机的每级压缩比。
3 反应系统控制方案的确立
3.1 超驰控制系统的引入
超驰控制就是选择性控制, 又叫取代控制, 核心功能是当生产操作趋向极限条件时, 用于控制不安全情况的控制方案将会取代正常情况下工作的控制方案, 直到生产操作重新又回到安全范围时, 正常情况下工作的控制方案又恢复对生产过程的正常控制。超驰控制的实现需要靠具有选择功能的自动选择器 (高值选择器和低值选择器) 来完成。
3.2 超驰控制系统的设计
超驰控制系统设计原则:首先依据生产安全要求选择控制阀的开、闭形式;其次根据对象的特性和控制的要求选择控制器规律及正反作用;最后根据控制器的正反作用和超驰控制系统设置的目的, 确定选择器的类型。
根据上述设计原则, 结合加氢装置压力控制系统的具体情况, 高压分离器压力控制系统作出如下选择:
a.为了防止危险情况下氢气进入反应器, 控制阀应选择气开式。这样一旦控制阀失去能源, 控制阀就处于关闭状态。
b.高压分离器压力是工艺的操作指标, 高压分离器压力控制器是正常情况下工作的控制器, 由于压力对象的容量滞后较小, 因此高压分离器压力控制器选择比例积分控制规律。
c.将高压分离器压力控制看做单回路压力控制系统时, 若操纵变量 (反应系统耗氢) 增大, 反应系统压力将会下降, 故压力对象放大倍数为“负”。因为控制阀已选为气开式, 且变送器放大倍数为“正”, 所以高压分离器压力控制器必须选择正作用。非正常情况下, 往复式压缩机三段入口压力构成单回路压力控制系统。在该系统中操纵变量 (氢气流量) 增大时, 入口压力反应将会上升, 故压力对象放大倍数为“正”。依据机组安全需要控制阀选为气关式, 且变送器放大倍数为“正”, 所以高压分离器压力控制器必须选择正作用。
d.由于三段入口压力调节器是非正常情况下工作的控制器, 又由于它是正作用, 在正常情况下压力高于下限值, 其输出为高信号。一旦压力低于下限值, 三段入口压力调节器输出迅速跌为低信号, 为了保证三段入口压力调节器这时能被选中, 选择器必须选低选器, 以防止事故发生。
同理可以确定一段、二段控制阀开、闭形式, 控制器规律及正反作用, 选择器的类型。
3.3 分程控制的引入
由于高压分离器压力控制、压缩机每段压力控制都需要不同调节器, 同时为了完成不同的连续选择控制系统, 这就要求调节器输出可以同时控制两只控制阀, 考虑采用分程控制系统。分程控制系统是一台控制器的输出可以同时控制两只甚至两只以上的控制阀, 具体操作是控制器的输出信号可被分割成若干个信号范围段, 而由每一段信号去控制一只控制阀。
3.4 分程控制系统的设计
分程控制系统设置的目的有两种:一是扩大控制阀的可调范围;二是满足某些工艺操作的特殊需求 (本文中属于后者) , 其主要目的是为了达到顺利实现超驰控制。
结合反应系统压力控制的实际需求, 对分程控制系统控制阀的开闭形式为:当控制阀PV8116逐渐打开 (或逐渐减小) 时, 另一只控制阀PV8119逐渐关小 (或逐渐增大) 。控制阀PV8119及控制阀PV8110同理, 因此可以确定两只控制阀异向动作。控制阀异向动作如图3所示。
3.5 最终的控制方案
通过上述控制系统的引入和分析结合工艺实际情况及控制要求, 最终确定具体的控制方案如图4所示。其中PV8110为气开阀, PRC8110为高压分离器压力调节器, 选正作用方式;PV8119为气关阀, PRC8119为压缩机二级出口同时也可作为三级入口压力调节器, 选正作用方式;PV8116为气关阀, PRC8116为压缩机二级入口同时也可作为一级出口压力调节器, 选反作用方式;去火炬阀为气关阀, PRC8115为紧急泄放阀和压缩机一级入口压力控制器选正作用方式。
4 控制方案分析
4.1 超驰控制系统
在正常情况下, 往复式压缩机能够保证每级压缩比, 不会对压缩机造成损坏 (即三段入口压力高于给定值) , 压缩机三段入口压力调节器PRC8119 (以PRC8119调节器和PRC8110调节器为例) 感受到的是正偏差, 因此它的输出呈现为高信号 (因其作用方式为正作用) 。而与此同时高压分离器 (V1102) 压力调节器PRC8110的输出信号相对来说则呈现为低信号。这样, 低选器将选中PRC8110的输出送往控制阀, 构成高压分离器压力控制系统 (图5) 。
非正常情况下, 也就是当往复式压缩机三段入口压力低于给定值时, 压缩机三段入口压力调节器PRC8119感受到的是负偏差, 由于它是正作用, 因此它的输出将一下跌为低信号。于是低选器就改选PRC8119的输出送往控制阀, 构成压缩机级间比控制系统, 从而保证了往复式压缩机三段压缩比, 达到防止损坏压缩机的控制目的。待往复式压缩机三段入口压力高于给定值时, PRC8119的输出又迅速上升为高信号 (因其为正作用) , 而高压分离器 (V1102) 压力调节器PRC8110的输出信号相对来说则呈现为低信号。低选器重新选中PRC8110的输出送往控制阀, 构成高压分离器压力控制系统。
4.2 超驰-分程复杂控制系统
往复式压缩机有三段压缩, 下面就各段压力控制加以分析, 说明系统各段压力递推关系及超驰-分程复杂控制系统的工作过程。
当高分压力 (PT8110) 下降时, 输出趋近0%, 经转换 (反向) 趋近于100% (此时PT8119正常, 输出大于0%~50%, 转换后大于100%) , 三段出口返回阀PV8110开度减小, 补充氢压缩机氢量少, 给高分补氢量多。此时, 三段入口分液罐未得到三段出口返回量的补充, V1121压力 (PT8119) 下降, 其容器上的压力调节器PIC8119为正作用, 如果其输出在0%~50%, 转换后在0%~100%范围, 经转换进入低值选择器LSS8110。当三段入口分液罐V1121压力很低时, 如果PIC8119输出在0%~50%范围 (由50%趋近于0%) , 转换后0%~100%去低值选择器 (LSS8110) 的值趋近0%, PIC8119会被低值选择器 (LSS8110) 选上 (此时高分压力PT8110正常, PIC8110转换后输出大于PIC8119转换后的输出) 。因此, 由PIC8119控制返回阀PV8110, 以保证压缩机三级出口能达到进入系统的压力。选择器起着软限保护功能, 使被控参数不会超过极限。
根据往复式压缩机性能, 则二段入口压力PT8116也低, 由PIC8119和PIC8116通过低值选择器LSS8119调节二段入口压力 (调节过程与三段入口压力调节过程相同) 。一段入口压力PT8115也低, 由PIC8116和PIC8115通过低值选择器LSS8116调节一段入口压力 (调节过程与三段、二段入口压力调节基本过程相同) 。即一段入口分液罐V1106压力PT8115低, 则反回补充氢气量自动加大。
当高分压力异常上升, PIC8110的输出在70%~100%范围时, 用PIC8113控制PV8113阀或手动调节HIC8103放空去火炬 (该装置操作不正常时才会出现此种情况) 。
如果一段入口分液罐 (V1106) 压力PT8115持续上升 (进装置氢气压力波动) , PIC8115为正作用, 输出上升到50%~100%范围, 经过切换开关打开氢气阀PV8115A/B出装置或开大燃料气阀, 因而进入V1106氢气量自动减少, 一段入口分液罐 (V1106) 压力下降。
对于每个调节器的输出, 调节阀在一定时间内动作如图6所示。
5 用Delta V控制系统实现加氢装置反应系统压力控制
Delta V分散控制系统因其在创建过程控制系统时, 系统比较容易设置、操作、协调, 并且安全, 同时控制系统具有丰富的运算控制功能, 组态十分方便, 获得了广泛的应用。因而选用Delta V控制系统来实现加氢装置反应系统压力超驰-分程控制。控制策略 (以PRC8119为例) 如图7所示, 高压分离器压力信号经模拟量输入模块AI1到PID模块进行运算, PID输出值送至分程模块SPLTR, 分程模块SPLTR将信号分为两段:一路通过选择模块SGSL2返回到程模块SPLTR BK-CAL-IN1防止积分饱和;另一路与PRC8119调节器的输出进入选择模块, 进行低值选择, 被选值进入模拟量输出模块AO驱动控制阀。
6 结束语
控制复杂 篇11
动态复杂网络的研究已经渗透到很多领域,在物理学,数学,生物神经学,社会科学等领域,都有着重要的应用。同步问题作为动态复杂网络研究的一个重要方向引起了人们的广泛关注。实际系统诸如电网,信息处理系统和通讯系统都存在大量的同步行为[1,2],因此研究动态复杂网络的同步问题具有重要的意义。
近年来,许多学者针对动态复杂网络的同步问题进行了深入的研究,并取得了丰硕的成果。汪小帆等人对小世界网络和无标度网络的同步问题进行了研究并提出这些网络实现同步所需满足的充分条件[3]。后来,随着网络结构的复杂化,许多学者针对时变耦合[4],时变时延[5]等多种网络模型进行了系统的研究,并给出相应的同步条件。近几年,牵制控制策略成为研究动态复杂网络同步一种有效的方法,其基本思想是针对网络中的少数关键节点施加反馈控制,由此牵一发而动全身,从而使大规模的复杂动态网络稳定到平衡点,获得很高的控制效率[6]。
然而,在实际应用中,网络节点之间的连接关系常常会由于连接故障或者新节点的产生而发现变化,即整个网络的拓扑结构经常会发生切换,从而使得动态复杂网络的同步控制变得更加复杂。目前针对具有切换拓扑的动态复杂网络的同步问题主要可以分为以下两类:一类是网络在拓扑任意切换下的同步问题;另一类是当网络在拓扑任意切换下不能同步时,如何构造合适的拓扑切换序列使网络同步。针对任意拓扑切换的网络同步问题,可通过公共Lyapunov函数方法来研究[7]。针对第二类具有切换拓扑的动态复杂网络的同步问题,又可以根据具有切换拓扑的动态复杂网络的性质分为以下两种情况来研究,当动态复杂网络通过给定的耦合拓扑集合中的某些拓扑进行耦合能实现同步时,则常用平均驻留时间方法来研究此类动态复杂网络的同步问题,如文献[8]利用此方法研究了切换网络的性质并给出切换网络同步所需满足的条件。当动态复杂网络通过给定耦合拓扑集合中的任一拓扑进行耦合均不能实现同步时,则可用单Lyapunov的方法来研究动态复杂网络的同步问题,如文献[9]利用单Lyapunov的方法系统的研究了切换网络的同步问题。
然而文献[9]对网络的耦合拓扑矩阵有一定的限制(即耦合拓扑矩阵需要满足可同时上三角化的条件),而这一限制在实际网络中往往很难满足。因此需要考虑更为一般的情况,即网络的耦合拓扑矩阵不需要满足可同时上三角化,可同时对角化等条件。通过构建合适的Lyapunov函数给出了网络实现同步所需要满足的条件和相应的耦合拓扑切换规则,相比已有的研究成果,文中的结果具有更一般性。
1系统模型和相关知识
考虑一个包含N个节点的动态复杂网络模型
式(1)中xi(t)=(xi1(t), xi2(t),…,xin(t))T∈Rn表示第i个节点的状态向量,A和B表示系统线性和非线性部分的权矩阵,f(xi(t))=[f1(xi1(t), f2(xi2(t),…,fn(xin(t))]T∈Rn是光滑的非线性向量,I(t)=[I1(t), I2(t),…,In(t)]T∈Rn是系统的外部输入向量,c表示节点之间的耦合强度,D∈Rn×n代表网络的内耦合矩阵,σ:
t0表示初始时间,x0表示初始状态,Z表示一组非负整数。切换序列(2)表示在t∈[tk,tk+1)时间内,第ik个子系统处于激活状态,对于每一个
假设 1[9] 对于每一个
假设2 fi(xi)(i=1,2,…,n)满足下面的Lipschitz条件
|fi(y1)-fi(y2)|≤Fi|y1-y2|, Fi>0,∀y1,y2∈R。 (5)
定义 1 定义符号Sym{X}表示XT+X,符号*用来表示矩阵中的对称结构,对于给定的矩阵M=MT和N=NT,则有
定义 2[2] 对于任意ε>0,均存在T>0满足下面的条件
||xi(t)-xj(t)|| ≤ ε; i,j=1,2,…,N, t>T, (6)
则系统是全局渐近同步的。
引理 1[2]N×N维的矩阵G=[gij],满足
其中
引理 2[5] ⨂表示矩阵的克罗内克积,满足下面的性质
引理 3 对于任意的正定矩阵P和x,y∈Rn则有
2xTy≤xTPx+yTP-1y。 (10)
2具有切换拓扑的动态复杂网络的同步分析
针对式(1)中所描述的动态复杂网络模型,在网络通过给定耦合拓扑集合中的任一拓扑进行耦合均不能实现同步时,利用切换系统的相关理论和方法,通过构建合适的Lyapunov函数给出网络式(1)实现同步所需要满足的条件和相应的耦合拓扑切换规则。为了简化表述,首先对后面用到的一些符号进行简要说明。
xi(t)=[xi1(t),xi2(t),…,xin(t)]T;
i=1,2,…,N (11)
x(t)=[x
F(x(t))={fT[x1(t)],fT[x2(t)],
…,fT[xN(t)]}T,
Δ(t)=[IT(t),IT(t),…,IT(t)]T。
因此网络式(3)可以改写成下面的形式
定义
ℓi(P)=Sym
式(13)中
定理1 如果存在一组常数τi≥0,i=1,2,…,m,且
则网络式(1)在切换信号
σ(t)=argmin
下是全局渐近同步的。
证明 构建下面形式的Lyapunov函数
式(15)中
当σ(t)=i时,对(15)求导可得
由
由引理1和引理2可得
由式(16)—式(18)可得
由引理3可得
由式(5)可得
由式(19)—式(21)可得
由式(14)知
σ(t)=argmin
故当σ(t)=i时,则有
其中
由V(t)的定义可知,
3仿真
为验证定理1的有效性,考虑下面耦合拓扑集合给定的动态复杂网络模型
耦合拓扑集合为{G1,G2},其中
网络的同步误差定义如下
从图1和图2可以看出,网络在耦合拓扑矩阵为G1和G2时都不能得到同步,根据定理1,可以得到下面的切换规则
1)若σ(t-)=1,且
2)若σ(t-)=1,且
3)若σ(t-)=2,且
4)若σ(t-)=2,且
如图3所示,网络在此切换规则下同步误差趋于0,从而实现同步。
4结论
研究具有切换拓扑的动态复杂网络的同步问题,考虑网络通过给定耦合拓扑集合中的任一单一拓扑进行耦合均不能实现同步时,如何通过耦合拓扑之间的切换来实现网络的同步。通过构建合适Lyapunov函数并借鉴切换系统的理论和方法,本文将切换网络的同步问题转化成稳定性问题并提出了切换网络实现同步所需要满足的条件和相应的耦合拓扑切换规则。与已有的研究成果相比,文中的定理对网络的耦合拓扑矩阵没有特殊的限制,因此具有更广的适用范围。最后,仿真结果验证了文中所给结果的正确性。
参考文献
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[3] Wang Xiao-fan,Chen Guan-rong.Synchronization in scale-free dynam-ical networks:robustness and fragility.IEEE Transactions on CircuitsAnd Systems I:Fundamental Theory and application,2002;49(1):54—62
[4] Lu Jin-hu,Chen Guan-rong.A time-varying complex dynamical net-work model and its controlled synchronization criteria.IEEE Transac-tions on Automatic Control,2005;50(6):841—846
[5] Yu Wen-wu,Cao Jin-De,Lu Jin-hu.Global Synchronization of Linear-ly Hybrid Coupled Networks with Time-Varying Delay.SIAM J.Ap-plied Dynamical Systems,2008;7(1):108—133
[6] Chen Tian-ping, Liu Xi-wei, Lu Wen-lian. Pinning complex networks by a single controller . IEEE Transactions on Circuits And Systems I: Regular Papers, 2007; 54(6): 1317—1326
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[8] Liu Tao,Zhao Jun,David J H.Exponential synchronization of complexdelayed dynamical networks with switching topology.IEEE Transac-tions on Circuits And Systems I:Regular Papers,2010;57(11):2967—2980