基于模糊PID控制的带搅拌釜式反应器过程温度控制的问题和方法

基于模糊PID控制的带搅拌釜式反应器过程温度控制的问题和方法摘 要：针对聚合反应釜温度控制系统常规控制方法难以实施有效控制的问题，文章将模糊控制算法与PID算法相结合，通过系统模态辩识、控制性能辩识、知识推理，设计了一种模糊自适应PID控制器，通过Matlab仿真，表明该控制器具有使系统超调量小、调整时间短、鲁棒性好且算法简单等优点，为提高聚合反应釜的控制性能提供了一条有效、简便的控制方法。关键词：模糊控制；带搅拌釜式反应器；PID参数整定；温度控制引言化学反应釜是化工生产中一类非常重要的反应器，主要的控制量是反应釜的温度。带搅拌釜式反应器的主要动态特性包括工况多变、非线性、时滞性、不稳定性和负荷干扰，无法建立精确的数学模型，参数调整比较困难。目前，化工自动化的常规PID控制方法存在着调整时间过长、超调量过大等缺点，控制效果往往不佳。针对化学反应釜常规控制方法难以实施有效控制的问题，文章通过系统模态辩识、控制性能辩识、知识推理，给出了控制器参数的整定和优化方法。将该控制策略应用于带搅拌釜式反应器过程温度系统，实现了良好的控制效果。控制系统操作灵活，反应参数，特别是反应釜温度控制稳定准确，能够满足多种工艺要求，具有较为广泛的适用范围。控制过程能够严格跟踪温度工艺曲线，进而保证产品质量和产量，其温度稳态偏差在1%范围内，额定负荷扰动下，其主要参数满足合成反应运行需求。1 化学反应釜的工艺特点反应釜是化工企业化学合成生产过程中最主要的生产装置，是化学反应发生的基础载体，最常见的反应釜是带搅拌式反应釜（CSTR），反应过程连续进行。生产时，首先按照配比投入规定量的原料，然后向反应釜夹层通入高温蒸汽，加热釜内温度，直至达到反应所需温度。聚合反应会放出大量的热，导致反应物温度升高，由于合成反应属于温度正反馈自激型反应，反应温度越高，反应速度越快，放热速度越高，从而进一步提高反应温度。如果反应温度上升速度过快，可能导致反应失控，釜内压力过大，严重时引发爆炸或火灾等安全事故。作为降温措施，反应釜夹层内通入冷却剂。通过控制冷却剂流量来稳定反应温度。但如果降温过于剧烈，反应曲线偏离理想状态，不仅影响反应质量，还会造成资源浪费。在化工生产中，原料配比、投料量、反应温度等是影响合成反应产品质量的关键因素。要保障产品质量合格，必须对这些参数加以严格控制。图1为反应釜生产工艺流程示意图。该合成反应以A和B为原料，以C为催化剂，合成生产产品D。反应温度为701.0。其中，A为釜内D的浓度，以重量百分比计，T1为反应温度，L4为液位。该反应釜采用夹套冷却和蛇形盘管冷却两种降温方式，使用冷却水降温。夹套冷却水流量F7，通过V7阀控制。蛇形盘管冷却水流量F8，通过V8阀控制。升温阶段使用热水加热，热水通过开关阀S6进入夹套。S8为反应釜搅拌器开关。在本反应系统下，通过调整冷却水阀门开度大小控制反应温度。由于冷却水传热需要一定时间，所以该控温方法存在一定滞后性。需要注意的是，实际生产中经常发生阀门开度没变，但水压下降导致冷却水流量减小，进而釜温上升的情况发生。【1】2 模糊自适应控制器的设计升温过程控制中力求使控制效果达到最佳，控制的系统框图如图2所示。模糊自适应PID参数自整定就是找出PID三个参数与温度误差e和温度误差变化率ec之间的模糊关系，在运行中不断的检测e和ec，根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，以满足不同的e和ec时对控制参数的不同要求，而使被控对象具有良好的动、静性能【2】。模糊自适应PID参数整定的结构如图3。模糊控制器的输入：温度误差e与温度误差变化率ec，输出为？驻KP，？驻Ki，？驻Kd，即PID控制器三个参数的增量。整个串级系统输入为温度的设定值70，选取e的离散论域（-3，-2，-1，0，1，2，3），则e选取七个模糊变量（NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB）。温度误差变化率ec的基本论域选为（-0.10.2），选取ec的离散论域为（-0.1，-0.05，0，0.05，0.1，0.15，0.2），则ec选取七个模糊变量（NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB）。？驻KP，？驻Ki，？驻Kd输出量化到（-3，3），？驻KP，？驻Ki，？驻Kd=（NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB）。隶属度函数采用三角形函数。根据控制系统的对象特性和控制要求，综合考虑工艺的特点，以及PID三个参数的机理关系，建立合适的模糊规则表，得到针对？驻KP，？驻Ki，？驻Kd三个参数分别整定的模糊规则表。（见表1、表2、表3）模糊自适应PID参数整定流程图如图4所示。3 基于Matlab的仿真研究对模糊自适应PID控制算法，采用Matlab对系统进行仿真，并在实施步骤中随机引入不确定因素，通过Simulink模块和离散S函数共同实现控制功能，并与常规PID控制进行比较，Simulink仿真程序如图5所示。4 结束语文章针对使用模糊自适应PID技术控制聚合反应釜温问题进行分析，提出相应设计方案，为聚合反应釜的控制提供了一条有效、简便的途径。基于Matlab的仿真结果表明， 该方法可使系统具的响应速度加快，超调量减小， 适应内部参数变化的能力较强。将此控制策略用于化学反应釜控制过程，将提高其工艺质量和产量。参考文献李晓辉.反应釜温度控制系统的研究太原理工大学，2012（3）：48-51.【2】孙增圻.智能控制理论与技术.北京：清华大学出版社，2003.【3】闻新等.Matlab模糊逻辑工具箱的分析与应用.北京：科学出版社，2001.