摘要:反應(yīng)釜中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物由于濃度高、反應(yīng)劇烈、控制靈敏性及散熱問(wèn)題比較突出,而且反應(yīng)釜具有非線性、多變量、強(qiáng)耦合、大時(shí)滯等特點(diǎn),控制任務(wù)比較復(fù)雜,用經(jīng)典的PID控制很難達(dá)到理想的控制效果,本文主要對(duì)反應(yīng)釜的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究,根據(jù)反應(yīng)釜的工作原理,對(duì)反應(yīng)釜的過(guò)程特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了計(jì)算分析,建立了反應(yīng)釜的熱量平衡方程,并將其線性化,推導(dǎo)出了冷卻劑對(duì)反應(yīng)釜溫度的傳遞函數(shù)模型,采用了基于查表的模糊控制和不完全微分PID控制算法相結(jié)合的控制方法并進(jìn)行仿真,結(jié)果表明,控制效果明顯優(yōu)于改進(jìn)前的PID控制效果。
1 引言
反應(yīng)釜廣泛應(yīng)用于石油化工、醫(yī)藥、染料、礦冶、軍工及大專(zhuān)院校隸屬的科研單位,以其優(yōu)良的密封性能克服了機(jī)械密封和填料密封無(wú)法解決的泄漏問(wèn)題,是易燃、易爆、劇毒、貴重等介質(zhì)加溫、加壓攪拌反應(yīng)的優(yōu)選設(shè)備,是目前國(guó)內(nèi)外較理想的無(wú)泄漏反應(yīng)裝置。在精細(xì)化工行業(yè)中,反應(yīng)釜是常用的一種反應(yīng)容器,而溫度是其主要被控制量,是保證產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要因素,也是化工生產(chǎn)的中心環(huán)節(jié)。
間歇式反應(yīng)釜是化工生產(chǎn)中常用的一種反應(yīng)裝置,反應(yīng)釜運(yùn)行過(guò)程中被控過(guò)程本身的特性隨著化學(xué)反應(yīng)的變化產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性現(xiàn)象,外部環(huán)境如化學(xué)品的種類(lèi)、濃度、催化劑等擾動(dòng)及傳感器的量測(cè)噪聲(量測(cè)聚合反溫度、壓力、流量、速度時(shí)隨機(jī)噪聲)對(duì)控制系統(tǒng)都會(huì)有不同程度的影響,造成間反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)的大非線性、大滯后、慢時(shí)變的特點(diǎn)。而傳統(tǒng)的PID控制和分程控制方式難以取得良好的控制效果,從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。位于間歇應(yīng)釜控制基本控制級(jí)的還是以PID控制為主流,PID控制具有控制原理簡(jiǎn)單、實(shí)便、無(wú)靜態(tài)誤差等特點(diǎn),能滿足多數(shù)工業(yè)過(guò)程的需要,經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和應(yīng)用,從控制器發(fā)展到數(shù)字控制器,性能不斷提高。但是對(duì)于像間歇式反應(yīng)釜這樣的慣性大后大、慢時(shí)變,制冷與加熱切換時(shí)非線性嚴(yán)重、隨機(jī)噪聲干擾頻繁的被控對(duì)象,過(guò)程模型難以確定,參數(shù)調(diào)整較為困難,即使可行,也會(huì)造成調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),很調(diào)量過(guò)大,控制就往往難以取得令人滿意的控制效果。參數(shù)靠人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié),自動(dòng)化程度低,產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量很難保證。因此,使用先進(jìn)的控制方法與優(yōu)化方法來(lái)改進(jìn)PID控制方法的不足,以取得更好的控制效果和經(jīng)濟(jì)效益十分關(guān)鍵。
2 反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)和工作原理
反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,由攪拌容器和攪拌機(jī)兩大部分組成。攪拌容器包括筒體、換熱元件及內(nèi)構(gòu)件。攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動(dòng)裝置等統(tǒng)稱(chēng)為攪拌機(jī)。釜體為一個(gè)鋼制罐形容器,可以在罐內(nèi)裝入物料,使物料在其內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。為了測(cè)量釜內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù),在罐內(nèi)裝有鋼制的套管,可將各種傳感器放入其中。
在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)之前,先將反應(yīng)物按照一定的比例進(jìn)行混合,然后與催化劑一同投入反應(yīng)釜內(nèi),在反應(yīng)釜的夾套內(nèi)導(dǎo)入蒸汽加熱使釜內(nèi)物料的溫度升高,通過(guò)攪拌器的攪拌使物料均勻并提高導(dǎo)熱速度,使其溫度均勻。
當(dāng)釜內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)定的溫度時(shí),保持一定時(shí)間的恒溫以使化學(xué)反應(yīng)正常進(jìn)行,反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行冷卻。有時(shí)在恒溫后還要進(jìn)行二次升溫和恒溫。恒溫段是整個(gè)工藝的關(guān)鍵,如果溫度偏高或偏低,會(huì)影響反應(yīng)進(jìn)行的深度和反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率,從而影響了產(chǎn)品的質(zhì)量?；瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程中一般伴有強(qiáng)烈的放熱效應(yīng),并且反應(yīng)的放熱速率與反應(yīng)溫度之間是一種正反饋?zhàn)约さ年P(guān)系。也就是說(shuō),若某種擾動(dòng)使反應(yīng)溫度有所增加,反應(yīng)的速率就會(huì)增加,放熱速率也會(huì)增加,會(huì)使反應(yīng)溫度進(jìn)一步上升,甚至?xí)?ldquo;聚爆”現(xiàn)象,使釜內(nèi)的產(chǎn)品變成廢品,并且會(huì)影響安全生產(chǎn)。按照工藝要求,這些反應(yīng)一般要經(jīng)過(guò)加熱、恒溫、冷卻等過(guò)程,當(dāng)原料配比、濃度確定以后,準(zhǔn)確控制反應(yīng)的溫度是保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵[5]。為了使釜溫穩(wěn)定,在夾套中通以一定的冷卻介質(zhì),來(lái)移走反應(yīng)放出的多余熱量。通過(guò)調(diào)節(jié)流入反應(yīng)釜夾套中冷卻介質(zhì)的流量,來(lái)控制反應(yīng)釜內(nèi)物料的溫度使之符合工藝要求。
本文以間歇式反應(yīng)釜為研究對(duì)象,在實(shí)際使用中需要檢測(cè)釜內(nèi)的溫度、壓力和液位三種狀態(tài)信號(hào),系統(tǒng)的主要控制的參數(shù)是溫度,反應(yīng)溫度設(shè)定在80℃,液位的控制主要在加入原料、物料等階段,在到達(dá)指定液位后,系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)料閥門(mén)。
3 反應(yīng)釜的動(dòng)態(tài)特性分析
3.1反應(yīng)釜溫度動(dòng)態(tài)特性方程
對(duì)化學(xué)反應(yīng)釜,根據(jù)化學(xué)反應(yīng)中的熱量平衡關(guān)系,可知:反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)熱量的儲(chǔ)蓄量變化率=±單位時(shí)間內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)(吸熱反應(yīng)?。?放熱反應(yīng)取+)是單位時(shí)間內(nèi)與外界熱交換量(向外散熱?。?從外界吸收熱量取+)。假設(shè)反應(yīng)釜夾套內(nèi)容積和密度都保持不變,忽略熱交換過(guò)程中的熱量損失,可得以下方程:反應(yīng)釜內(nèi)的熱量平衡算式
式中V——反應(yīng)釜內(nèi)物料的容積;
p——反應(yīng)釜內(nèi)物料的平均濃度;
cp——反應(yīng)釜內(nèi)物料的平均比熱;
Q——反應(yīng)釜內(nèi)溫度;
A——反應(yīng)釜間壁的傳熱面積;
U——反應(yīng)釜間壁的總傳熱系數(shù);
QCO——冷劑的出口的溫度;
△H——摩爾反應(yīng)熱(吸熱為正,放熱為負(fù));
CA——反應(yīng)釜內(nèi)物料的濃度。
夾套內(nèi)冷劑的熱量平衡算式
3.2模型線性化
式(4)和(5)是表示反應(yīng)釜溫度動(dòng)態(tài)特性的基本方程,均為非線性方程。為了便于應(yīng)用線性控制理論來(lái)分析小擾動(dòng)下的動(dòng)特性,對(duì)式(4)和(5)進(jìn)行線性化(在寫(xiě)增量方程時(shí),為簡(jiǎn)化寫(xiě)法,D一律從簡(jiǎn),各變量上方的“-”表示穩(wěn)態(tài)值),可得以下矩陣形式的線性方程
3.3溫度通道傳函模型
將式(6)進(jìn)行拉氏變換,經(jīng)整理得
以上得到的是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù),從上式可推導(dǎo),當(dāng)反應(yīng)放熱小于冷劑吸熱時(shí),開(kāi)環(huán)是穩(wěn)定的。故可根據(jù)式(8)設(shè)計(jì)開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)的控制器。
方程推導(dǎo)過(guò)程中作了許多假設(shè),如認(rèn)為冷劑閥門(mén)的流量在開(kāi)度一定的情況下是穩(wěn)定的,但實(shí)際中由于工廠設(shè)備等原因,往往不容易做到這一點(diǎn)。故在實(shí)際使用時(shí),我們是以給定溫度與實(shí)際溫度的差值作為輸入量,構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。這樣做的好處是,即使由于外界因素,使系統(tǒng)開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定,我們也可以通過(guò)不斷的調(diào)節(jié)控制量,使閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。
4 反應(yīng)釜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1改進(jìn)的PID算法
為了適應(yīng)不同被控對(duì)象,工程上有多種改進(jìn)的PID算法。本論文采用一種不完全微分的PID算法。這種方法是在標(biāo)準(zhǔn)PID算法的微分環(huán)節(jié)上加上一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié),它可以克服完全微分的缺點(diǎn),可更好地完成反應(yīng)釜穩(wěn)定控制的需要,改進(jìn)后的傳遞函數(shù)為:
由以上各式可以看出,引入不完全微分后,與標(biāo)準(zhǔn)PID算法相比,微分輸出在個(gè)采樣周期內(nèi)的脈沖高度下降,此后又按(0)daku的規(guī)律逐漸衰減。所以不完全微分能有效地克服完全微分的缺點(diǎn),具有較理想的控制特性。圖2為兩種微分作用的比較,從中可以清楚地看到這種算法的優(yōu)點(diǎn)。其中a)為普通PID,b)為不完全微分PID。PID控制器在工作點(diǎn)附近具有良好的控制性能,偏離工作點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí),由于控制對(duì)象的非線性而難以保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì),于是采用模糊控制算法可以較好地解決這個(gè)問(wèn)題。
4.2 模糊一PID復(fù)合控制策略
PID控制器在工作點(diǎn)附近具有良好的控制性能,偏離工作點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí),由于控制對(duì)象的非線性而難以保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。而模糊控制的特點(diǎn)是在偏離工作點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域可明顯改善控制的動(dòng)態(tài)性能,并且對(duì)模型參數(shù)時(shí)變對(duì)象的控制比PID控制具有更強(qiáng)的魯棒性,但模糊控制器的穩(wěn)態(tài)精度較差,且在工作點(diǎn)附近容易產(chǎn)生很限振蕩。因此,可以設(shè)計(jì)這樣一種控制器:在誤差較大時(shí)采用模糊控制,使系統(tǒng)以很調(diào)較小的良好動(dòng)態(tài)特性趨近設(shè)定值;在誤差較小,即趨于穩(wěn)定時(shí)采用PID控制算法,發(fā)揮PID控制精確、靜態(tài)誤差小等優(yōu)點(diǎn),改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。模糊-PID復(fù)合控制是模糊技術(shù)與常規(guī)PID控制算法相結(jié)合的控制方法,當(dāng)溫度偏差較大時(shí)采用模糊控制,響應(yīng)速度快,動(dòng)態(tài)性能好;當(dāng)溫度偏差較小時(shí)采用PID控制,使其靜態(tài)性能好,滿足系統(tǒng)控制精度,兩者的轉(zhuǎn)換根據(jù)事先給定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。因此模糊-PID復(fù)合控制,既保持了PID控制的穩(wěn)態(tài)誤差小、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn),又具有模糊控制自適應(yīng)和調(diào)節(jié)速度快的特點(diǎn)制輸出。這種復(fù)合控制器算法簡(jiǎn)單,實(shí)時(shí)性好且響應(yīng)速度快,能有效消除穩(wěn)態(tài)誤差[8],其原理框圖如圖3所示。
反應(yīng)釜由于本身具有較大的時(shí)變性、非線性和時(shí)滯性,尤其是在其升溫段向恒溫段過(guò)渡的拐點(diǎn)附近,采用PID控制會(huì)產(chǎn)生較大的很調(diào),控制效果非常不理想,而模糊-PID復(fù)合控制對(duì)于時(shí)滯較大的被控對(duì)象表現(xiàn)出較好的控制效果。
5 仿真分析
為了便于比較,在MATLAB的SIMULNK環(huán)境下按以下兩種控制方案進(jìn)行仿真:
(1)采用傳統(tǒng)的PID控制
(2)采用模糊-PID控制,大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制,而在小偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成PID控制,兩者的轉(zhuǎn)換由程序事先給定的偏差自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
仿真結(jié)果如圖4所示(曲線1是傳統(tǒng)的PID控制的仿真曲線,曲線2是模糊-PID控制的仿真曲線)。由響應(yīng)曲線可見(jiàn),與傳統(tǒng)的PID控制相比,采用模糊-PID控制可以獲得較好的控制效果,不但可使系統(tǒng)無(wú)很調(diào)、響應(yīng)快,具有抗參數(shù)變化的魯棒性,而且可對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度控制。
6 結(jié)束語(yǔ)
分析了反應(yīng)釜工作特點(diǎn),給出了其動(dòng)態(tài)特性及傳函模型,研究了改進(jìn)的PID控制算法和基于查表的模糊控制算法,提出了模糊控制與PID控制結(jié)合的控制策略,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用模糊-PID控制可以獲得較好的控制效果。
提示：（本文原標(biāo)題：基于模糊-PID的小型反應(yīng)釜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)）
