【正文】 模糊控制、人工智能等理論及計算機技術，運用先進的算法，適應的范圍廣泛。借助計算機軟件技術，溫控器具有對控制對象控制參數(shù)及特性進行自動整定的功能。(6)溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強、魯棒性好的特點。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，直至反應釜溫度距其設定值為t1度，然后全力冷卻，持續(xù)TD1分鐘，此后，將夾套水溫設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。Arthur Jutan與Ashok Uppal提出將反應熱作為一種擾動，采用適當?shù)姆椒ü烙嫵鰜恚们梆伩刂频窒?；余下的部分近似為線性系統(tǒng)，可以用PID控制。，在他們的方法中，模糊控制器的輸出用來調(diào)整PID控制器的設定值，以補償反應放熱對過程溫度造成的擾動；將此方案應用與乳液聚合的試驗設備上，發(fā)現(xiàn)能明顯提高控制性能。 發(fā)展現(xiàn)狀幾十年來，化工行業(yè)工業(yè)自動化技術隨著工藝和裝備技術的不斷發(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的廣泛應用；控制水平也從單參數(shù)簡單控制回路到多變量復雜控制回路，先進控制系統(tǒng)、優(yōu)化控制系統(tǒng)在各種場合都有成功應用的典范。另外，激烈的市場競爭也對自動化提出了新的目標與要求。為適應化工生產(chǎn)的新特點，一些過程控制領域中的新技術正在由理論研究轉(zhuǎn)向生產(chǎn)實踐，如信息綜合處理技術、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、各種智能控制技術、軟計算技術和快速仿真技術、多媒體技術等。當前，傳統(tǒng)的DCS正借助于微處理器硬軟件和通信網(wǎng)絡技術，朝著標準化、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。另外，最近發(fā)展起來的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(FCS)也是一種新的開放式的分布式控制系統(tǒng)。因此對于現(xiàn)場總線的工業(yè)控制系統(tǒng)研究具有重大的意義。專家估計，F(xiàn)CS將在石化行業(yè)得到廣泛的應用。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、相關和計算值調(diào)節(jié)等技術，以適應多回路自動化系統(tǒng)的需要。新一代的檢測儀表主要特點是智能化和數(shù)字化。一次檢測技術采用超聲波、微波、激光等新技術，使自動控制的精度得到進一步提高。專用集成電路(ASIC)的廣泛應用將促進傳感器和執(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)試和維護工作?，F(xiàn)有的工業(yè)控制軟件包大部分是以多變量預測控制技術為主，在此基礎上進一步采用了神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊技術及遺傳算法等軟計算技術，開發(fā)包括初級數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)挖掘、軟測量技術的先進控制軟件，國內(nèi)的高校和科研機構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)了軟測量和先進控制技術。如何將理論研究的最新成果發(fā)展成工程化、標準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。智能控制理論的研究應運而生，也成為當前控制理論的研究熱點之一。據(jù)Setpoint公司統(tǒng)計，在生產(chǎn)過程中采用先進過程控制己取得良好的效果。 展望反應釜是化工生產(chǎn)過程中的重要設備，反應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、反應機理復雜等特點。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，在設計中不需要建立被控對象的精確數(shù)學模型，魯棒性強，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。針對預測控制是一種優(yōu)化控制算法，它是通過對某一性能指標的最優(yōu)來確定未來的控制作用的，具有對模型要求低、魯棒性好、適用于數(shù)字計算機控制的優(yōu)點，但穩(wěn)定性仍待提高反應釜的溫度變化特點，將模糊控制、PID控制與預測控制結合起來，設計出溫度控制系統(tǒng)，并根據(jù)反應釜裝置的特點，采用比例閥控制液體流量，增加系統(tǒng)功能并提高響應速度。反應釜由攪拌容器和攪拌機兩大部分組成。攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動裝置等統(tǒng)稱為攪拌機。為了維持反應釜內(nèi)的反應溫度，需要設置換熱元件。在此空間通入加熱或冷卻介質(zhì)，通過夾套內(nèi)壁傳熱，可加熱或冷卻容器內(nèi)的物料，介質(zhì)的每秒流量受電磁閥的控制。攪拌器有很多種類型，本文采用的是最簡單的槳式攪拌器。傳動裝置包括電動機、減速機、連軸器及機架。罐頂和罐底分別裝有加料口和出料口，分別用于往罐中加入物料和從罐中取走物料。為了滿足工藝的需要，還可以外接附件裝置。當釜內(nèi)溫度達到預定的溫度時，保持一定時間的恒溫以使化學反應正常進行，反應結束后進行冷卻。恒溫段是整個工藝的關鍵，如果溫度偏高或偏低，會影響反應進行的深度和反應的轉(zhuǎn)化率，從而影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。也就是說，若某種擾動使反應溫度有所增加，反應的速率就會增加，放熱速率也會增加，會使反應溫度進一步上升，甚至會引起“聚爆”現(xiàn)象，使釜內(nèi)的產(chǎn)品變成廢品，并且會影響安全生產(chǎn)。通過調(diào)節(jié)流入反應釜夾套中冷卻介質(zhì)的流量，來控制反應釜內(nèi)物料的溫度使之符合工藝要求。(2)難控性a)反應過程中，由于化學反應放熱過程的復雜性和非線性，各傳熱媒體的傳熱系數(shù)成非線性變化，并對各種外部干擾的影響較敏感，使得控制有一定的難度；b)反應過程中如果熱量移去不及時、不均勻，會使反應溫度一直往上升，極易因局部過熱而造成“飛溫”現(xiàn)象，產(chǎn)生“爆聚”；反之，如果熱量移去過多，會造成反應溫度一直往下跌，造成反應熄滅。(3)建模難反應過程化學反應機理較為復雜，尤其是聚合反應過程涉及物料、能量的平衡，反應動力學等，加上外界條件如原料純度、催化劑類型、原料添加數(shù)量的變化、熱水溫度、循環(huán)冷卻液流量的變化等對系統(tǒng)的影響較大，推導機理模型較為困難；又由于化學反應放熱過程的復雜性和非線性，隨著反應的進行，各傳熱媒體的傳熱系數(shù)不規(guī)則變化對各種外部千擾的影響比較敏感，依照機理法和最小二乘法等傳統(tǒng)的建模方法，要建立反應過程的精確數(shù)學模型是非常困難的。系統(tǒng)軟件是微機操作運行的基本條件之一，包括：(1)監(jiān)控軟件或操作系統(tǒng) 監(jiān)控軟件是一種低級計算機的管理軟件,它主要是完成鍵盤掃描，人機對話，接受用戶程序，顯示、調(diào)試、修改和運行用戶程序，顯示和修改存儲器中的內(nèi)容。操作系統(tǒng)是一種微機的大型管理軟件，是在監(jiān)控程序的基礎上進一步擴展許多控制程序形成的。它控制各軟件的運行。解釋程序能夠把用于某種程序設計語言寫的源程序(如BASIC)，翻譯成機器語言程序(目標程序)。應用軟件按照對系統(tǒng)功能要求和完成任務的不同而不同，通常由用戶來編寫，可以分為兩類：(1)通用軟件是在微機控制系統(tǒng)軟件設計中經(jīng)常用到的。(2)專用軟件是針對某一具體控制系統(tǒng)和不同的控制規(guī)律編制的程序。 使用設備本文中所提的控制方案，是采用西門子公司的S7300系列PLC實現(xiàn)的。S7300系列屬于模塊式PLC，它的CPU上帶有一個編程接口，使用西門子的MPI（Multipoint Interface）通信協(xié)議，部分CPU，如CPU 3152 DP還帶有集成的現(xiàn)場總線PROFIBUSDP接口，還有的帶有PtoP(Point to Point)串行通信接口，如CPU 313C2 PtP。S7300有350多條指令，其編程軟件STEP7功能強大，所有模塊和網(wǎng)絡參數(shù)都可用STEP7來設置，另外它的CPU還有智能化診斷系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)是否正常，記錄故障和系統(tǒng)事件。PID控制器是根據(jù)PID控制原理對整個控制系統(tǒng)進行偏差調(diào)節(jié)，從而使被控變量的實際值與工藝要求的預定值一致。PID控制器是一個在工業(yè)控制應用中常見的反饋回路部件。和其他簡單的控制運算不同，PID控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準確，更加穩(wěn)定。 PID控制原理 PID控制器基本概念文中控制方案的核心思想是PID控制，PID全稱是Proportional Integral Differential，中文意思是比例積分微分。它具有原理簡單，使用方便、適應性強、魯棒性強、控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感等優(yōu)點，是一種負反饋控制。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。兩種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。經(jīng)典方法：試湊法湊試法是通過模擬或?qū)嶋H的閉環(huán)運行情況、觀察系統(tǒng)的響應曲線，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應的大致影響，反復湊試參數(shù)，以達到滿意的響應，從而確定PID控制器中的三個調(diào)節(jié)參數(shù)。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞；(2)增大積分時間TI有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的消除將隨之減慢；(3)增大微分時間TD亦有利于加快系統(tǒng)的響應，減小振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對干擾的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應；另外，過大的微分系數(shù)也會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞；在湊試時，可以參考以上的一般規(guī)律，對參數(shù)的調(diào)整步驟為先比例，后積分，再微分的整定步驟，即：(1)先整定比例部分：將比例系數(shù)KP由小調(diào)大，并觀察相應的系統(tǒng)響應趨勢，直到得到反應快、超調(diào)小的響應曲線。(2)如果在比例調(diào)節(jié)的基礎上系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足設計要求，則須加入積分環(huán)節(jié)。在此過程中，可以根據(jù)響應曲線的變化趨勢反復地改變比例系數(shù)KP和積分時間系數(shù)TI從而實現(xiàn)滿意的控制過程和整定參數(shù)。在整定時，可先置微分時間系數(shù)TD為零，在第二步整定的基礎上，增大微分時間系數(shù)TD，同時相應地改變比例系數(shù)KP和積分時間系數(shù)TI，逐步湊試，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。常見的PID控制器參數(shù)的選擇范圍：KP ～5。TD(min) ～3 數(shù)字PID算法將比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)作用結合起來，構成比例積分微分調(diào)節(jié)，即PID調(diào)節(jié)。 （31）u(t)：e(t)：控制器輸入，可以是e(t)=r(t)c(t),其中r(t)為設定值，c(t)為被控量值。 （32）式中，為積分系數(shù)；為微分系數(shù)。 增量式PID控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)通常采用采樣方式實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的各個回路進行巡回檢測和控制，它屬于采樣調(diào)節(jié)。離散化時，令，（32）式中，e(kT)是第k次采樣所獲得的偏差信號；Δe(kT)是本次和上次測量偏差值的差。在位置算式中，每次的輸出與過去狀態(tài)有關。 數(shù)字PID控制器的控制作用(1)比例調(diào)節(jié)器：比例調(diào)節(jié)器對偏差是即時反應的，偏差一旦出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使輸出量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù)KP。加大比例系數(shù)KP可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，但是，KP過大時，會使系統(tǒng)的動態(tài)質(zhì)量變壞，引起輸出量振蕩，甚至導致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)具有累積成分，只要偏差e不為零，它將通過累積作用影響控制量u(k)，從而減小偏差，直到偏差為零。增大TI將減慢消除穩(wěn)態(tài)誤差的過程，但可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性。(3)比例積分微分調(diào)節(jié)器：為了加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，按偏差變化的趨向進行控制，使偏差消滅在萌芽狀態(tài)，這就是微分調(diào)節(jié)的原理?？朔袷?，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。當KP=1時。當KP=4時。由此可見，當KP加大時，可使系統(tǒng)動作靈敏，速度加快，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將減小，卻不能完全消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。KP太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。由此可見，積分作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，系統(tǒng)引入積分作用通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，KI太大時系統(tǒng)將不穩(wěn)定；KI偏大時系統(tǒng)的振蕩次數(shù)較多；KI偏小時積分作用對系統(tǒng)的影響減少；當KI大小比較合適時系統(tǒng)過渡過程比較理想?？偨Y如下：(1)不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學模型。(3)結構典型、程序設計簡單，工程上易于實現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便等優(yōu)點。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的概念與特點閉環(huán)控制系統(tǒng)（closedloop control system）是指被控對象的輸出（被控制量）會反送回來影響控制器的輸入，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。特點：。 反應釜的PID控制方案 PLC在PID閉環(huán)控制系統(tǒng)中的應用(1)PID過程控制模塊這種模塊的PID控制程序是PLC生產(chǎn)廠家設計的，并存放在模塊中，用戶使用時序要設置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一個模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路。它們實際上是用于PID控制的子程序，與模擬量輸入/輸出模塊一起使用，可以得到類似于使用PID過程控制模塊的效果。在連續(xù)系統(tǒng)中。 連續(xù)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖式(1)的右邊前3項分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差，誤差的積分和微分成正比。假設采樣周期為Ts，系統(tǒng)開始運行的時刻為t＝0，用矩形積分來近似精確積分，用差分近似精確微分，將公式1離散化，第n次采樣時控制器的輸出為：式中：en1－第n1次采樣時的誤差值；KI－積分系數(shù)；KD－微分系數(shù)。圖中的虛線部分在PLC內(nèi)。 PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖在許多控制系統(tǒng)內(nèi)，可能只需要P、I、D中的一種或兩種控制類型。(4)輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換PID控制有兩個輸入量：給定值(sp)和過程變量(pv)。過程變量是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和計算后得到的被控量的實測值，如加熱爐溫度的測量值。應用PLC的PID指令對這些量進行運算之前，必須將其轉(zhuǎn)換成標準化的浮點數(shù)(實數(shù))。(5)回路輸入的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換的第一步是將給定值或A/D轉(zhuǎn)換后得到的整數(shù)值由16位整數(shù)轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程，是工業(yè)控制的核心部分。(2)PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(包括其常開或常閉觸點)不會立即動作，必須等掃描到該