【文章內(nèi)容簡介】 ..................................................................................................................................... 68 附 錄 ..................................................................................................................................... 69 安徽工業(yè)大學(xué) 反應(yīng)釜的溫度控制 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 8 第 8 頁 共 71 頁 第一章 緒論 選題的背景 石油化工工業(yè)是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)，反應(yīng)釜作為化工生產(chǎn)中實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的主要設(shè)備，其自動控制方法的研究具有非常重要的意義。在實際的生產(chǎn)過程中，反應(yīng)釜的溫度決定了產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，有時甚至影響到生產(chǎn)過程中的安全性。因此如何對反應(yīng)釜內(nèi)化學(xué)反應(yīng)溫度進(jìn)行精確、有效的控制，顯得至關(guān)重要。然而，由于溫度對象具有非線性、時變不確定、大滯后、受環(huán)境溫度影響大等特點，目前反應(yīng)釜內(nèi)的全過程溫度自動控制是重 點也是難點。 本文的指導(dǎo)思想是 PID 控制理論，該理論成熟、應(yīng)用范圍廣，但相較國外先進(jìn)的控制思想來說，又過于簡單，控制精度有限。不過對于本文中簡化的系統(tǒng)，還是可以達(dá)到最低工藝要求的。采用改進(jìn)的 PID 算法或者將其他算法結(jié)合也可以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。為了克服聚合釜溫度的時間滯后問題，常采用串級 PID 控制，選取反應(yīng)釜溫度為主要調(diào)節(jié)對象，夾套內(nèi)冷卻液為副調(diào)節(jié)對象，構(gòu)成 一個閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。 提高控制精度，改善工藝，是工程技術(shù)人員一直追求的目標(biāo)，同時也是整個工業(yè)行業(yè)的發(fā)展趨勢、工程學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究方向。 國內(nèi) 外研究現(xiàn)狀 自上世紀(jì) 70 年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。它們主要具有如下的特點： (1)適應(yīng)十大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制。 (2)能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制。 (3)能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)過程復(fù)雜、參數(shù)時 變的溫度控制系統(tǒng)的控制。 (4)這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的算法，適應(yīng)的范圍廣泛。 (5)普遍溫控器具有參數(shù)自整定功能。借助計算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器具有對控制對象控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動整定的功能。有的還具有自學(xué)習(xí)功能，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗及控制對象的變化情況，自動調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。 (6)溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)、魯棒性好的特點。 結(jié)合溫度控制器的發(fā)展，多年來，許多學(xué)者在反應(yīng)釜的度控制問題上做了大量的探索 并提出一些有效的解決方案。比如 : Shinskey 與 Weinstein 提出的雙?？刂?(dualmode)，采用 bangbang+PID 控制，其大致步驟為：過程開始時，全力加熱，直至反應(yīng)釜溫度距其設(shè)定值為 t1 度，然后全 力 安徽工業(yè)大學(xué) 反應(yīng)釜的溫度控制 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 9 第 9 頁 共 71 頁 冷卻，持續(xù) TD1 分鐘，此后，將夾套水溫設(shè)定值定在某個合適的中間溫度，持續(xù) TD2 分鐘，最后，用串級 PID 控制器控制夾套水溫度。如果參數(shù)選擇得當(dāng)，雙?？刂剖怯行У摹?Arthur Jutan 與 Ashok Uppal 提出將反應(yīng)熱作為一種擾動，采用適當(dāng)?shù)姆椒ü烙嫵鰜?，用前饋控制抵消；余下的部分?似為線性系統(tǒng)，可以用 PID 控制。 Barry 與 Sandro 采用 GMC 方法控制反應(yīng)釜溫度，得到了很好的仿真結(jié)果，并且進(jìn)一步考察了操作條件與過程參數(shù)變動時被控過程的魯棒性，發(fā)現(xiàn) GMC 的魯棒性明顯強(qiáng)于雙?？刂?。 與 采用模糊控制與 PID 混合的策略控制間歇放熱聚合反應(yīng)釜的溫度，在他們的方法中，模糊控制器的輸出用來調(diào)整 PID 控制器的設(shè)定值，以補(bǔ)償反應(yīng)放熱對過程溫度造成的擾動；將此方案應(yīng)用與乳液聚合的試驗設(shè)備上，發(fā)現(xiàn)能明顯提高控制性能。 此外還有一些研究者采用預(yù)測控制解決這一難 題，如 Nagy 與 Agachi 采用非線性預(yù)測控制算法控制間歇 PVC 聚合釜的溫度； Xia 等采用基于小波神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測控制算法控制間歇聚丙烯反應(yīng)器溫度；栗志業(yè)等采用基于模型分解的預(yù)測控制算法也取得了較好的效果。 發(fā)展現(xiàn)狀 幾十年來，化工行業(yè)工業(yè)自動化技術(shù)隨著工藝和裝備技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展，從初期簡單的手工操作到連續(xù)工藝及負(fù)荷不斷加大，對生產(chǎn)穩(wěn)定性要求越來越高，對控制及自動化水平的要求也越來越高，儀表使用越來越普遍，從簡單回路的閉環(huán)控制到單元裝置的全面自動化，使用的控制工具也從氣動單元組合儀表、電動單元組 合儀表到 DCS 的廣泛應(yīng)用；控制水平也從單參數(shù)簡單控制回路到多變量復(fù)雜控制回路，先進(jìn)控制系統(tǒng)、優(yōu)化控制系統(tǒng)在各種場合都有成功應(yīng)用的典范。隨著工業(yè)規(guī)模的進(jìn)一步推廣，快速反應(yīng)、臨界穩(wěn)定工藝、能量綜合平衡等工藝的開發(fā)成功，對自動化提出了更高的要求。另外，激烈的市場競爭也對自動化提出了新的目標(biāo)與要求。同時，信息技術(shù)對化工行業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展也注入了新的活力。 為適應(yīng)化工生產(chǎn)的新特點，一些過程控制領(lǐng)域中的新技術(shù)正在由理論研究轉(zhuǎn)向生產(chǎn)實踐，如信息綜合處理技術(shù)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、各種智能控制技術(shù)、軟計算技術(shù)和快速仿真技術(shù)、 多媒體技術(shù)等。過程控制采用的技術(shù)工具，由基地式儀表、氣動單元式組合式儀表、電動單元組合式儀表Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型，發(fā)展到現(xiàn)在的可編程單回路、雙回路、三回路調(diào)節(jié)器和分散綜合控制系統(tǒng) (DCS)。當(dāng)前，傳統(tǒng)的 DCS 正借助于微處理器硬軟件和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，朝著標(biāo)準(zhǔn)化、開放化和盡量采用市場通用的優(yōu)良硬、軟件的方向，逐漸地、相互融合地向開放的 DCS 發(fā)展。如 Honeywell 的 TPS，它采用通用的軟件將企業(yè)的 inter 網(wǎng)與局部控制網(wǎng)、通用控制網(wǎng)和系統(tǒng)總線連接在一起，配備各種平臺、操作站以滿足不同層次使用人員的要求。 另外 ，最近發(fā)展起來的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) (FCS)也是一種新的開放式的分布式控制系統(tǒng)。它把專用封閉協(xié)議變成標(biāo)準(zhǔn)開放協(xié)議，使系統(tǒng)共有完全數(shù)字計算和數(shù)字通信能力：在結(jié)構(gòu)上，采用了全分布式方案，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，提高了系統(tǒng)靈活性和可靠性：它突破了集散型控制系統(tǒng) DCS 中采用專 用網(wǎng)絡(luò)的缺陷。因此對于現(xiàn) 安徽工業(yè)大學(xué) 反應(yīng)釜的溫度控制 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 10 第 10 頁 共 71 頁 場總線的工業(yè)控制系統(tǒng)研究具有重大的意義。據(jù)報道，美國猶他州鹽湖城 Flying 煉油廠、孟山都化工廠、我國安慶安菱化工廠、吉林油田甲醇廠已采用 FCS，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。專家估計， FCS 將在石化行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。 過 程檢測控制儀表是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，對工藝參數(shù)進(jìn)行檢測、顯示、記錄或控制的儀表隨著化工工業(yè)的發(fā)展，對儀表控制系統(tǒng)提出了更高的要求。在儀表調(diào)節(jié)，除一般的比例、積分、微分調(diào)節(jié)規(guī)律外，人們正在研究前饋、大滯后、非線性、相關(guān)和計算值調(diào)節(jié)等技術(shù)，以適應(yīng)多回路自動化系統(tǒng)的需要。 傳統(tǒng)的現(xiàn)場儀表和控制器也將由現(xiàn)場總線以及由此產(chǎn)生的現(xiàn)場總線智能儀表和控制系統(tǒng)所代替。新一代的檢測儀表主要特點是智能化和數(shù)字化。這些檢測儀表均是以微型計算機(jī)為核心，可以實現(xiàn)自動校零、線性化補(bǔ)償環(huán)境因素變化等功能甚至包括模型運(yùn)算和人工智能的應(yīng)用。一次 檢測技術(shù)采用超聲波、微波、激光等新技術(shù)，使自動控制的精度得到進(jìn)一步提高。研制新型的傳感器，廣泛應(yīng)用新技術(shù)，如核磁共振、激光和相關(guān)技術(shù)等，使傳感器集成化。專用集成電路 (ASIC)的廣泛應(yīng)用將促進(jìn)傳感器和執(zhí)行器沿著多功能化和智能化的方向發(fā)展，便于形成現(xiàn)場控制回路子系統(tǒng)，還將極大地方便儀表的安裝調(diào)試和維護(hù)工作。在硬件條件得到改善后，將目前分散研究的軟測量技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)開發(fā)成通用的商品化軟件包，也是發(fā)展方向之一?，F(xiàn)有的工業(yè)控制軟件包大部分是以多變量預(yù)測控制技術(shù)為 主，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊技術(shù)及遺傳 算法等軟計算技術(shù)，開發(fā)包括初級數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)挖掘、軟測量技術(shù)的先進(jìn)控制軟件，國內(nèi)的高校和科研機(jī)構(gòu)先后在一些石化企業(yè)的典型裝置上通過各種方法實現(xiàn)了軟測量和先進(jìn)控制技術(shù)。但是我們也應(yīng)該看到，國產(chǎn)開發(fā)的軟件在設(shè)備無關(guān)性、軟件通用性、運(yùn)行可靠性及界面友好性等幾個方面與國外的一些成熟的商業(yè)軟件包相比還有一定的差距。如何將理論研究的最新成果發(fā)展成工程化、標(biāo)準(zhǔn)化和商品化的軟件包，是我國過程工業(yè)自動化的研究重點之一。 在控制理論上，自從美國數(shù)學(xué)家維納在 20 世紀(jì) 40 年代創(chuàng)立控制論以來，自動控制理論由經(jīng)典控制理論發(fā)展到現(xiàn)代控 制理論，再到 20 世紀(jì) 70 年代中期以后出現(xiàn)的大系統(tǒng)理論和智能控制理論，為石化工業(yè)的發(fā)展與控制要求的提高，提供了理論基礎(chǔ)。智能控制理論的研究應(yīng)運(yùn)而生，也成為當(dāng)前控制理論的研究熱點之一。因此，石化工業(yè)的過程控制也由串級、比值、前饋、選擇性、均勻控制等簡單控制系統(tǒng)發(fā)展到解禍、時滯補(bǔ)償、推斷預(yù)估、預(yù)測、非線性、狀態(tài)反饋、雙重、自適應(yīng)、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊、智能等高級控制系統(tǒng)。據(jù) Setpoint 公司統(tǒng)計，在生產(chǎn)過程中采用先進(jìn)過程控制己取得良好的效果。例如 :1994 年 Gensym 公司和 Neuralware 公司聯(lián)合將神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)和優(yōu)化軟件與專家系統(tǒng)結(jié)合，用于 Star 煉油廠的非線性工藝過程，一年內(nèi)就收回投資；英國帝國化工研究院 (ICI)實時操作優(yōu)化專家系統(tǒng)在威爾頓石油聯(lián)合企業(yè)應(yīng)用，并取得實效；日本三菱化學(xué)合成公司開發(fā)成功了乙烯工程模糊控制系統(tǒng)；美國杜邦公司研制出用于化工聚合中間物生產(chǎn)強(qiáng)度的 Pace 專家系統(tǒng)。 展望 反應(yīng)釜是化工生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備，反應(yīng)過程中伴隨有人量的吸、放熱現(xiàn)象，具有大滯后、時變、非線性、反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜等特點。 安徽工業(yè)大學(xué) 反應(yīng)釜的溫度控制 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 11 第 11 頁 共 71 頁 傳統(tǒng)的 PID 控制是一種基于過程參數(shù)的控制法，具有控制原理簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高、參數(shù)易調(diào)整 等優(yōu)點，但其設(shè)計依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而反應(yīng)釜因為機(jī)理復(fù)雜各個參數(shù)在系統(tǒng)反應(yīng)過程中時變，不能建立精確的數(shù)學(xué)模型，參數(shù)調(diào)整往往比較困難，難以解決系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性和快速性的矛盾，因而采用一般的 PID 控制器無法實現(xiàn)對反應(yīng)釜的精確控制。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，在設(shè)計中不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，控制效果好。但模糊控制器是以誤差和誤差變化作為輸入變量，這種控制器具有模糊比例一微分控制作用，精度不太高、穩(wěn)態(tài)誤差較大、自適應(yīng)能力有限和易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。 針對預(yù)測控制是一種優(yōu)化控制算法，它是通過對某一性能指標(biāo)的最優(yōu)來