（材料学专业论文）反应釜温度控制系统的研究.pdf

摘要 反应釜是化工生产过程中的重要设备，反应过程中伴随有大量的吸、放热现 象，具有大滞后、时变、非线性、反应机理复杂等特点。 传统的p i d 控制是一种基于过程参数的控制方法，具有控制原理简单、稳 定性好、可靠性高、参数易调整等优点，但其设计依赖于被控对象的精确数学模 型，在线整定参数的能力差，而反应釜因为机理复杂、各个参数在系统反应过程 中时变，不能建立精确的数学模型，不能满足系统在不同条件下对参数自整定的 要求，因而采用一般的p i d 控制器无法实现对反应釜的精确控制。 模糊控制是一种基于规则的语言控制，在设计中不需要建立被控对象的精确 数学模型，鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，控制效果 好。但模糊控制器是以误差和误差变化作为输入变量，这种控制器具有模糊比例 微分控制作用，精度不太高、稳态误差较大、自适应能力有限和易产生振荡现 象。 预测控制是一种优化控制算法，它是通过对某一性能指标的最优来确定未来 的控制作用的，具有对模型要求低、鲁棒性好、适用于数字计算机控制的优点。 由于计算机模型预测控制具有良好的跟踪性能，能有效地提高系统的稳定性和消 除误差，对滞后过程有明显控制效果，更加符合工业温度控制的实际要求，从而大 大提高了温度控制系统的性能。 本文比较全面的分析了反应釜温度变化的特点以及控制难点，总结当前温度 控制系统精度差的根本原因，在此基础上采用基于预测的模糊自整定p i d 集成 控制技术实现反应釜温度控制，其主要思想是利用系统模型的预测输出，结合常 规p i d 的控制经验，采用模糊推理方法，对控制器算法进行改进。实验结果表明， 与通常的p i d 控制方案相比，该方案提高了系统的鲁棒性和适应性，较好的解决 了反应釜温度控制的难题。 课题完成了反应釜温度控制系统的硬件电路的设计、系统软件的编译与调 试，对基于预测的模糊自整定p i d 温度控制系统进行了仿真与实验研究，与p i d 控制方法相比，控制性能更加稳定，可靠性更高，实时性、适应性、鲁棒性都显 著增强，控制效果较好。 关键词：反应釜，预测控制，模糊控制，p i d 控制 a b s t r a c t r e a c t o ri st h ei m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h ep r o c e s so fc h e m i c a lp r o d u c t i o n , t h ec h e m i c a l r e a c t i o na c c o m p a n i e db yp h e n o m e n o nw h e r e b yh e a ti sl i b e r a t e do ra b s o r b e d , h a v i n g c h a r a c t e r i s t i c so fl a r g et i m ed e l a y , t i m e v a r y i n g ，n o n l i n e a r , a n dt h ec o m p l i c a t e dr e a c t i o n m e c h a n i s m t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o li sac o n t r o lm e t h o db a s e do np r o c e s sp a r a m e t e r , h a v i n gm a n y a d v a n t a g e so fas i m p l ec o n t r o lp r i n c i p l e ，g o o ds t a b i l i t y , h i g hr e l i a b i l i t ya n de a s ya d j u s t m e n to f p a r a m e t e r s b u tt h ed e s i g no ft h eo b j e c td e p e n d so nt h ep r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e la n db a da t t u n i n gp a r a m e t e ro n l i n e 1 1 1 em e c h a n i s mo fr e a c t o ri sc o m p l e xa n de v e r yp a r a m e t e rc h a n g e si nt h e r e a c t i o np r o c e s s ，u n a b l et oe s t a b l i s hap r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e la n di tc a l ln o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fs e l f - t u n i n gu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s s ot h eg e n e r a lp i dc o n t r o l l e rc a nn o tb e a c h i e v e do nt h ep r e c i s ec o n t r o lo fr e a c t o r f u z z yc o n t r o li sar u l e b a s e dl a n g u a g ec o n t r o l ，t h ep r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e ld o e sn o t n e e dt ob ee s t a b l i s h e di nt h ed e s i g na n dw i t hg o o dr o b u s t n e s s ，t h ee f f e c tt h a ti n t e r f e r e n c ea n dt h e c h a n g e so f p a r a m e t e r sh a v eo nt h ec o n t r o lr e s u l ti sg r e a t l yr e d u c e d , w i t he f f e c t i v ec o n t r 0 1 h o w e v e r , t h ef u z z yc o n t r o l l e rt a k e se l r o ro re r r o rc h a n g ef o ri n p u tv a r i a b l e sa n dt h i sc o n t r o l l e rh a s f u z z yp r o p o r t i o n d i f f e r e n t i a lc o n t r o lr o l e t h ea c c u r a c yi sn o tt o oh i g h , w i t hal a r g e rs t e a d y - s t a t e e r r o r , l i m i t e da d a p t i v ea b i l i t ya n de a s yo s c i l l a t i o n p r e d i c t i v ec o n t r o li sa no p t i m a lc o n t r o la l g o r i t h m , w h i c hd e t e r m i n e st h e f u t u r ec o n t r o lr o l e b yo p t i m i z a t i o no fap e r f o r m a n c ei n d e x ；h a v i n ga d v a n t a g e so fl o wm o d e l ，g o o dr o b u s t n e s s ， a p p l i c a b i l i t yt ot h em e r i t s o fd i g i t a lc o m p u t e rc o n t r 0 1 t h ep r e d i c t i v ec o n t r o lo fc o m p u t e rm o d e l h a sag o o dt r a c k i n gp e r f o r m a n c e a n di tc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v es y s t e ms t a b i l i t ya n de l i m i n a t et h e e r r o r , h a ss i g n i f i c a n tc o n t r o lr e s u l tf o rl a gp r o c e s s ，r o o r ei nl i n ew i t ht h ea c t u a li n d u s t r i a l t e m p e r a t u r ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s ，s oi tg r e a t l yi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo ft e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e m i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o ld i f f i c u l t yo fr e a c t o rt e m p e r a t u r ec h a n g ea r e a n a l y z e d ，a n dt h er o o tc a u s e so fp o o ra c c u r a c yf o rt h ec u r r e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi s s u m m a r i z e d , o nt h eb a s i s ，at e c h n o l o g yo ff u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o lb a s e do np r e d i c t i o ni s u s e dt oa c h i e v er e a c t o rt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 t h em a i ni d e ai st ou s et h ep r e d i c t i o no u t p u to f s y s t e mm o d e l ，c o m b i n e dw i t ht h ee x p e r i e n c eo fc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l ，u s i n gf u z z yr e a s o n i n g a l g o r i t h mt oi m p r o v et h ea l g o r i t h mo fc o n t r o l l e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h ep i d c o n t r o ls c h e m e ，c o m p a r e dt ot h ec o m m o np i dc o n t r o ls c h e m e ，c a ni m p r o v et h es y s t e mr o b u s t n e s s a n da d a p t a b i l i t y , w i t hab e t t e rs o l u t i o nt ot h er e a c t o rt e m p e r a t u r ec o n t r o lp r o b l e m t h i ss u b j e c tc o m p l e t e st h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no ft h er e a c t o rt e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e m , t h ec o m p i l e r sa n dd e b u g g i n go fs y s t e ms o f t w a r e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d ya r e d o n ef o rf u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o lb a s e do np r e d i c t i o n , c o m p a r e dt ot h ep i dc o n t r o lm e t h o d , t h em e t h o dh a sm o r es t a b l ec o n t r o lp e r f o r m a n c e ，h i g h e rr e l i a b i l i t ya n dt h er e a l t i m ep e r f o r m a n c e ， a d a p t a b i l i t y , r o b u s t n e s s 玳s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d t h ec o n t r o lr e s u l ti sb e u e r k e y w o r d s ：r e a c t o r , p r e d i c t i v ec o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l , p i dc o n t r o l 青岛大学硕士学位论文 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担r h 此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：弓长南 日期：娜罗彩聃日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密丘 ( 请在以上7 5 - 框内打“4 ”) 论文作者签名：孑萨渤 导师签名：三艺财 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 凹船 月 雕 、o 琴 期 期 第一章前言 引言 第一章前言 连续搅拌反应釜( c o n t i n u o u ss t i r r e dt a n kr e a c t o r ，c s t r ) 是一种复杂的非线 性化学反应器，广泛应用于发酵、化工、石油生产、生物制药等工业生产过程中， 其控制质量直接影响到生产的效率和质量指标。连续搅拌反应釜内的特征参量一般 为温度、压力、浓度等，对这些参数控制的好坏直接影响生产物的质量。陋1 工业生产中，反应器的种类很多。就结构形式看，有釜式( 槽式) 、管式、塔式、 固定床、流化床反应器等；按反应器的传热情况看，分为绝热式和非绝热式反应器。 釜式反应器有两种操作方式：间歇生产和连续生产，后者就是连续搅拌反应釜。它 是工业生产过程中最常用的化学反应器，既可进行匀相反应，又可进行多相反应， 如液固、气液、液液及气固液等反应，其内部都有搅拌装置，可以使反应器中反应 区的反应物料的浓度均一。其运行特点是投资少、热交换能力强和产品质量稳定等， 因而在工业生产中得到了广泛的应用，也就具有很大的研究价值。 反应釜的温度控制的品质直接影响产品质量和产量。反应过程既是放热的化学 反应过程，又是物理变化过程，聚合反应机理复杂，如果不及时移去反应热，一将使 反应剧烈超出正常范围，易引起“爆聚”或产生安全阀跳；如果加入过量的冷水又 将使反应激落，甚至造成“僵釜”现象，直接影响到产品的质量和产量，严重时还 会危及工作人员的生命安全，因此问歇式反应釜温度控制对于保证问歇式反应釜的 产品质量和安全生产起着至关重要的作用。旧1 反应釜的温度控制系统的任务是在保证系统稳定的条件下，通过优化操作条件 和方式，改善产品质量，提高产品数量。具体就是选择合适的控制变量，准确控制 反应釜内的浓度或温度以达到控制目的。 1 1 选题背景和研究意义 反应釜是化工生产过程中的重要设备，反应过程中伴随有大量的吸、放热现象， 具有大滞后、时变、非线性、反应机理复杂等特点。 传统的p i d 控制是一种基于过程参数的控制法，具有控制原理简单、稳定性好、 可靠性高、参数易调整等优点，但其设计依赖于被控对象的精确数学模型，而反应 釜因为机理复杂各个参数在系统反应过程中时变，不能建立精确的数学模型，参数 调整往往比较困难，难以解决系统的相对稳定性和快速性的矛盾，因而采用一般的 p i d 控制器无法实现对反应釜的精确控制。模糊控制是一种基于规则的控制，在设 青岛大学硕士学位论文 计中不需要建立被控对象的精确数学模型，鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果 的影响被大大减弱，控制效果好。但模糊控制器是以误差和误差变化作为输入变量， 这种控制器具有模糊比例一微分控制作用，精度不太高、稳态误差较大、自适应能力 有限和易产生振荡现象。预测控制是一种优化控制算法，它是通过对某一性能指标 的最优来确定未来的控制作用的，具有对模型要求低、鲁棒性好、适用于数字计算 机控制的优点，但稳定性仍待提高。盯1 本文针对反应釜的温度变化特点，将模糊控制、p i d 控制与预测控制结合起来， 设计出温度控制系统，并根据反应釜装置的特点，采用比例阀控制液体流量，增加 系统功能并提高响应速度。 1 2 国内外研究发展现状 1 2 1 反应釜结构与工艺特点 反应釜是化工生产中常用的反应器，结构示意图见图i - i 。反应釜温度控制是 通过控制两个阀门a p e d 热水阀门和冷却水阀门来实现的，通过搅拌机的搅拌使物料 均匀、提高导热速度，并使其温度均匀。在升温阶段，打开加热水阀门，对釜内的 蛇管通以加热水，使釜温升高，通过控制阀门开度来控制温度升高的速率，当加热 到预定反应温度后就停止加热，反应过程中在夹套中通以冷却水，将反应产生的多 余热量移走，控制温度保持恒定。导热介质的选择根据各厂产品的工艺温度要求确 定的，常见的导热介质有过热蒸汽和导热油。温度测量常用热电阻或热电偶及其变 送器组成。通入反应釜的导热介质要求保持温度恒定，通过调节流入反应釜夹套的 导热介质的流量，来控制反应釜内物料的温度符合工艺要求。埔1 图1 1 反应釜结构示意图 按照工艺要求，反应釜的操作流程一般包括以下几个阶段： ( 1 ) 投料。反应物经计量后一批或几批投入反应釜。 2 第一章前言 ( 2 ) 加热升温阶段。投料完毕后，向反应釜通热水升温，原料在与催化剂充分混 合的基础上，吸收热水提供的热量，当升温到一定值时，放热反应开始。该阶段需 在较短的时间内把釜内温度或压力升至开始反应的状态，并且必须保持连续升温升 压。 ( 3 ) 反应放热阶段。本阶段开始后，反应过程中伴有强烈的放热效应，并且反应 的放热速率与反应温度之间是一种正反馈自激的关系。如果不及时移去反应热，将 使温度超出正常范围，造成反应不易控制，易引起“爆聚”或产生安全阀跳；如果 加入过量的冷水又将使反应激落，甚至造成“僵釜”现象。该阶段控制时，不仅要 求釜内温度或压力连续上升，同时又要求不能产生超调。因此，这一阶段是控制的 难点，直接影响能否获得高质量的产品。 ( 4 ) 恒温恒压阶段。这是正常反应阶段，该阶段反应时间长，对控制精度要求 较高。因此，恒温段是反应工艺的关键阶段。 ( 5 ) 冷却、回收及放料阶段。 按反应过程的生产环境及其动态特性来分析，反应釜具有以下几条工艺特点： ( i ) 反应一般包括两个过程：一个是有自衡能力的开环稳定过程( 加热升温阶段 和反应初期) ；另一个是无自衡能力的、不可逆的开环不稳定的强放热反应过程( 反 应中后期) 。 ( 2 ) 工业用反应釜容量大，釜壁厚，因此是一个热容量大、纯滞后时间长的受 控对象。 ( 3 ) 聚合反应过程具有较大的时变性、不确定性和高度非线性。例如过程增益变 化很大，甚至增益变化方向都是不一样的；随着反应的进行，釜内固体颗粒增多， 釜的传热系数也会发生变化。 ( 4 ) 外界环境的变化( 如催化剂活性、原料质量、循环水、热水及环境温度变化 等) 对系统的干扰很大。 ( 5 ) 难以建立其机理模型。n 1 1 2 2 研究现状 自上世纪7 0 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算 机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统 发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、 美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制 器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。怕1 它们主要具有如下的特点： ( 1 ) 适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。 ( 2 ) 能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。 ( 3 ) 能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。 3 青岛大学硕士学位论文 ( 4 ) 这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能 等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。 ( 5 ) 普遍温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制 对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历 史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。 ( 6 ) 温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。u 副 结合温度控制器的发展，多年来，许多学者在反应釜的温度控制问题上做了大 量的探索并提出一些有效的解决方案。比如： ( 1 ) s h i n s k e y 与w e i n s t e i n 提出的双模控制( d u a l - m o d e ) ，采用b a n g b a n g + p i d 控制，其大致步骤为：过程开始时，全力加热，直至反应釜温度距其设定值为t 1 度， 然后全力冷却，持续t d l 分钟，此后，将夹套水温设定值定在某个合适的中间温度， 持续t d 2 分钟，最后，用串级p i d 控制器控制夹套水温度。如果参数选择得当，双 模控制是有效的。1 1 铂 ( 2 ) a r t h u rj u t a n 与a s h o ku p p a l 提出将反应热作为一种扰动，采用适当的方 法估计出来，用前馈控制抵消：余下的部分近似为线性系统，可以用p i d 控制。 ( 3 ) b a r r y 与s a n d r o ( 1 9 8 9 ) 采用g m c 方法控制反应釜温度，得到了很好的仿真结 果，并且进一步考察了操作条件与过程参数变动时被控过程的鲁棒性，发现g m c 的 鲁棒性明显强于双模控制。副 ( 4 ) h n i k d e b e l a k 与d h u n k e l e r 采用模糊控制与p i d 混合的策略控制间歇放 热聚合反应釜的温度，在他们的方法中，模糊控制器的输出用来调整p i d 控制器的 设定值，以补偿反应放热对过程温度造成的扰动；将此方案应用与乳液聚合的试验 设备上，发现能明显提高控制性能。 ( 5 ) 此外还有一些研究者采用预测控制解决这一难题，如n a g yz 与a g a c h is 采 用非线性预测控制算法控制间歇p v c 聚合釜的温度；x i a 等采用基于小波神经网络 的预测控制算法控制间歇聚丙烯反应器温度；栾志业等采用基于模型分解的预测控 制算法也取得了较好的效果。 1 2 3 发展现状 几十年来，化工行业工业自动化技术随着工艺和装备技术的不断发展而发展， 从初期简单的手工操作到连续工艺及负荷不断加大，对生产稳定性要求越来越高， 对控制及自动化水平的要求也越来越高，仪表使用越来越普遍，从简单回路的闭环 控制到单元装置的全面自动化，使用的控制工具也从气动单元组合仪表、电动单元 组合仪表到d c s 的广泛应用；控制水平也从单参数简单控制回路到多变量复杂控制 回路，先进控制系统、优化控制系统在各种场合都有成功应用的典范。随着工业规 模的进一步推广，快速反应、临界稳定工艺、能量综合平衡等工艺的开发成功，对 4 第一章前言 自动化提出了更高的要求。另外，激烈的市场竞争也对自动化提出了新的目标与要 求。同时，信息技术对化工行业自动化技术的发展也注入了新的活力。 为适应化工生产的新特点，一些过程控制领域中的新技术正在由理论研究转向 生产实践，如信息综合处理技术、现场总线控制系统、各种智能控制技术、软计算 技术和快速仿真技术、多媒体技术等。过程控制采用的技术工具，由基地式仪表、 气动单元式组合式仪表、电动单元组合式仪表i 型、i i 型、型，发展到现在的可 编程单回路、双回路、三回路调节器和分散综合控制系统( d c s ) 。当前，传统的d c s 正借助于微处理器硬软件和通信网络技术，朝着标准化、开放化和尽量采用市场通 用的优良硬、软件的方向，逐渐地、相互融合地向开放的d c s 发展。如h o n e y w e l l 的t p s ( t o t a lp l a n ts o l u t i o ns y s t e m ) ，它采用通用的软件将企业的i n t e r n e t 网 与局部控制网、通用控制网和系统总线连接在一起，配备各种平台、操作站以满足 不同层次使用人员的要求。 1 另外，最近发展起来的现场总线网络控制系统( f c s ) 也是一种新的开放式的分布 式控制系统。它把专用封闭协议变成标准开放协议，使系统具有完全数字计算和数 字通信能力；在结构上，采用了全分布式方案，把控制功能彻底下放到现场，提高 了系统灵活性和可靠性；它突破了集散型控制系统d c s 中采用专用网络的缺陷。因 此对于现场总线的工业控制系统研究具有重大的意义。据报道，美国犹他州盐湖城 f l y i n g 炼油厂、孟山都化工厂、我国安庆安菱化工厂、吉林油田甲醇厂已采用f c s ， 取得了明显的经济效益。专家估计，f c s 将在石化行业得到广泛的应用。n 7 1 过程检测控制仪表是在工业生产过程中，对工艺参数进行检测、显示、记录或 控制的仪表。随着化工工业的发展，对仪表控制系统提出了更高的要求。在仪表调 节，除一般的比例、积分、微分调节规律外，人们正在研究前馈、大滞后、非线性、 相关和计算值调节等技术，以适应多回路自动化系统的需要。n 们 传统的现场仪表和控制器也将由现场总线以及由此产生的现场总线智能仪表和 控制系统所代替。新一代的检测仪表主要特点是智能化和数字化。这些检测仪表均 是以微型计算机为核心，可以实现自动校零、线性化补偿环境因素变化等功能甚至 包括模型运算和人工智能的应用。一次检测技术采用超声波、微波、激光等新技术， 使自动控制的精度得到进一步提高。研制新型的传感器，广泛应用新技术，如核磁 共振、激光和相关技术等，使传感器集成化。专用集成电路( a s i c ) 的广泛应用将促 进传感器和执行器沿着多功能化和智能化的方向发展，便于形成现场控制同路子系 统，还将极大地方便仪表的安装调试和维护工作。在硬件条件得到改善后，将目前 分散研究的软测量技术、先进控制技术开发成通用的商品化软件包，也是发展方向 之一。现有的工业控制软件包大部分是以多变量预测控制技术为主，在此基础上进 一步采用了神经网络、模糊技术及遗传算法等软计算技术，开发包括初级数据预处 5 青岛大学硕士学位论文 理、数据挖掘、软测量技术的先进控制软件，国内的高校和科研机构先后在一些石 化企业的典型装置上通过各种方法实现了软测量和先进控制技术。但是我们也应该 看到，国产开发的软件在设备无关性、软件通用性、运行可靠性及界面友好性等几 个方面与国外的一些成熟的商业软件包相比还有一定的差距。如何将理论研究的最 新成果发展成工程化、标准化和商品化的软件包，是我国过程工业自动化的研究重 点之一。 在控制理论上，自从美国数学家维纳在2 0 世纪4 0 年代创立控制论以来，自动 控制理论由经典控制理论发展到现代控制理论，再到2 0 世纪7 0 年代中期以后出现 的大系统理论和智能控制理论，为石化工业的发展与控制要求的提高，提供了理论 基础。智能控制理论的研究应运而生，也成为当前控制理论的研究热点之一。因此， 石化工业的过程控制也由串级、比值、前馈、选择性、均匀控制等简单控制系统发 展到解祸、时滞补偿、推断预估、预测、非线性、状态反馈、双重、自适应、人工 神经元网络、模糊、智能等高级控制系统。据s e t p o i n t 公司统计，在生产过程中采 用先进过程控制己取得良好的效果。例如：1 9 9 4 年g e n s y m 公司和n e u r a l w a r e 公司 联合将神经网络和优化软件与专家系统结合，用于s t a r 炼油厂的非线性工艺过程， 一年内就收回投资；英国帝国化工研究院( i c i ) 实时操作优化专家系统在威尔顿石油 联合企业应用，并取得实效；日本三菱化学合成公司开发成功了乙烯工程模糊控制 系统；美国杜邦公司研制出用于化工聚合中间物生产强度的p a c e 专家系统。n 列 1 3 计算机控制在过程控制领域中的应用 1 3 1 过程控制的发展 自2 0 世纪5 0 年代计算机开始用于工业过程控制以来，过程控制的发展经历了 以下几个阶段： ( 1 ) 直接数字控制d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 1 1 9 6 2 年，英国帝国化工研究院( i c i ) 提出了一种可将生产过程控制的全部常规 模拟控制设备由一台f e r r a n t ia r g u s 计算机所取代，这套系统可以直接测量2 2 4 个 过程参数并控制1 2 9 个阀门，这标志着直接数字控制( d d c ) 技术时代的到来。 d i x 系统是一个“在线”的实时闭环控制系统，它的出现使人们的注意力将早 期的监督功能转移到了基本控制功能上，这类系统的计算机可以集中显示，改善了 操作人员与计算机的沟通条件，能够实现不在现场就可完成对系统输入变量、输出 变量、调节器种类以及相关控制参数的设定，便于实现不同回路间的相互作用；利 用d d c 技术取代模拟技术，可以减少由模拟技术带来的随控制回路增加而投资成倍 增加的缺点，节省综合成本；当系统改进时，不需重新布线，只需更改计算机系统 的应用程序即可，增加了系统的灵活性。显然，d d c 系统的出现是计算机控制发展 6 第一章前言 的一次重大转折h 1 。 ( 2 ) 分散式集中控制( d c s ) 幢6 1 随着计算机技术的迅猛发展，世界上第一台分散控制系统在美国h o n e yw e l l 公 司问世，从而揭开了过程控制领域中的崭新的一页。 分散控制系统也叫集散控制系统，它综合了计算机技术、控制技术、通信技术、 显示技术和软件技术等高新技术，d c s 以模拟量的反馈控制为主，辅以开关量的顺 序控制或模拟开关量混合的批量控制，采用多层分级的结构形式，按总体分散、集 中管理的原则，完成对工业过程的操作、监视、控制。由于采用了分散的结构和冗 余等新技术，硬件可靠性大大提高，被大型工业过程的用户普遍采用，效果很好。 但在控制算法上仍无显著改进，工艺操作仍由人工完成。 ( 3 ) 两级优化控制| 2 刮 2 0 世纪8 0 年代以后在d c s 的基础上，出现了一种两级计算机优化控制系统， 其在硬件上采用上位机和d c s 或电动单元组合式仪表相结合，上位机完成生产过程 的数学模型和求解控制策略，其输出作为模拟调节器或d d c 系统的设定值，将采集 到的生产过程工艺信息反馈到数学模型按照一定的控制律进行优化，完成生产过程 的数据采集与执行控制；模拟调节器或d d c 作为下位机直接面向生产过程，一台上 位机可监督控制多台d d c 或模拟调节器，使系统具有较高的运行性能和可靠性。在 算法上，将控制理论研究的的新成果如多变是解耦控制、多变量约束控制、各种预 测控制、推断控制和估计、人工神经元网络控制以及各种基于模型的控制等高级过 程控制，应用于工业生产过程并取得了成功。装置优化也开始实现，从而使计算机 在工业过程中的应用更上一层楼，取得了明显的经济效益。越来越多的用户开始接 受和理解高级控制和优化效果。国外，特别是在美国开始出现如s e t p o i n t 、d m c 等 专门从事高级过程控制与优化的软件公司，他们把这些软件大量推向市场在几百家 大型石化、炼油和钢铁企业的应用取得了成功，获得巨额利润。两级优化控制的实 质，是用多变量与优化取代当前的单变量设计的思想与原则，使过程控制出现大的 突破，展现出新的面貌。 ( 4 ) 工业过程计算机集成控制( c i p s ) h 工业过程计算机集成控制系统是一种综合优化控制系统，以智能控制理论为基 础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营计划、调度、管理和控制全面综合， 实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。采用它的 目的是要实现企业中信息的集成，为各级领导、管理和生产部门提供辅助决策与优 化的手段，进行经营决策、优化调度和优化操作，并将这些决策和优化与生产控制 联合起来，成为一体化的信息集成系统，使企业用最短的周期、最低的成本、最优 的质量，生产出适销对路的产品，以获得最大的经济效益，增强国内外市场的竞争 7 青岛大学硕士学位论文 能力。它可由信息、优化、控制和对象模型等组成，可由基本控制、高级控制( 动态 优化控制) 、车间与装置的稳态优化与监控、计划和调度优化、生产经营管理五级构 成。c i p s 需要高水平的过程控制设备和系统，更需要智能化的信息处理系统和决策 指挥系统。过程控制的智能化是c i p s 的核心，一个c i p s 水平的高低，主要体现在 它的智能化程度上，因此，人工智能、运筹学、系统论、信息论和控制论都是c i p s 的核心内容，如何将这些理论与技术应用于c i p s ，提高其智能水平，是未来一项长 期而艰巨的任务，这方面还有许多工作等待着我们去做。 1 3 2 控制系统的软件1 2 刀 ( 1 ) 操作系统： 操作系统是微机的大型管理软件，是在监控程序的基础上进一步扩展许多控制 程序形成的。其主要功能是实现人机对话，管理微机、存储器、操作台、外部设备 ( c r t 、打印机等等) 、文件和作业进程，它控制各软件的运行。如w i n d o w sx p 、 w i n d o w s 2 0 0 0 。 ( 2 ) 汇编程序： 汇编程序用于把汇编语言程序变成计算机能够认识和执行的机器语言程序( 目 标程序) 。如m c s 一5 1 汇编程序。解释程序能够把用于某种程序设计语言写的源程序 ( 如b a s i c ) ，翻译成机器语言程序( 目标程序) 。编译程序能够把高级语言编写的源 程序( 如f o r t r u n ) ，编译成某种中间语言( 如汇编语言) 或机器语言程序。 ( 3 ) 通用软件： 通用软件是在微机控制系统软件设计中经常用到的。如：、，b 、v c 等，其特点是 是面向对象程序设计的一种语言，具有程序开发简单、功能扩展方便、驱动底层硬 件的功能强大等特点。 ( 4 ) 专用软件： 专用软件是针对某一具体控制系统和不同的控制规律编制的程序。如：综合温 度控制行业专用软件。它是一种数据采集与过程控制的专用软件，它的使用，大大 提高了系统的自动化程度，而且能够实现系统的远程监控，满足控制设备和过程监 控装置之间的通讯的需要，它是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境， 能以灵活多样的方式提供良好的用户开发界面和简洁的使用方法，其预先设置的各 种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件 厂家的计算机和i o 设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和 管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。 1 4 本文的主要工作 1 4 1 本文的主要工作 8 第一章前言 基于以上所述目前国内外的反应釜温控方法的各自特点，以及反应釜温度这一 物理参数变化缓慢，大惯性和大滞后的特点，而且要求计算量和实时性都比较好。 本论文采用预测控制、模糊控制与p i d 控制相结合的基于预测的模糊自适应p i d 控 制方法心7 | 。 本文所做的工作是： ( 1 ) 对反应釜这一被控制对象，选择了纯p i d 控制、模糊控制、模糊自适应p i d 控制三种控制方案，运用m a t l a b 软件对它们的控制性能和抗干扰能力进行了仿真比 较，选出响应速度快、超调量小、稳态误差在l o 内的技术要求的解决方案作为 控制器。 ( 2 ) 设计温度控制系统的软硬件，完成现场数据的采集处理，模糊自适应p i d 控 制算法及执行元件的控制等功能。 1 4 2 主要研究内容和解决的主要问题 ( 1 ) 反应温度及升温速率控制系统设计 反应温度和升温速率的变化属于时间常数较大的高阶特性，加热水、冷却水流 量的变化随阀门的开关变化较快，时间常数较小，用常规控制器进行调节效果不佳。 将模糊控制、p i d 控制与预测执行结合起来，进行温度控制可取得较好鲁棒性。 研究内容： j 确定控制方案。 控制系统的参数设计。 模糊控制、p i d 控制与预测控制的衔接与转换。 ( 2 ) 进、出料流量控制方案设计 反应釜通常以两种或几种物料作为反应原料，是需要保持两种或几种物料的流 量为一定比例关系的流量比值控制系统。比值控制系统除了实现一定比例的混合外， 还能起到在扰动影响到被控过程质量指标之前及时控制的作用，具有前馈控制的实 质。因此是温度控制的补充，对精确控温具有积极意义。 研究内容： 比值控制系统主动= 晕= 的选择。 进、出料流量的变比值控制方案的确定。 控制器规律的选择。 ( 3 ) 快速反应的小型集散控制系统的设计 反应釜中的物料在反应过程中伴随有大量的吸放热现象，温度变化较快，必须 采用高速控制系统来进行控制。为提高设备的易操作性，应采用计算机集散控制系 统。 研究内容： 9 青岛大学硕士学位论文 上位机与下位机的选择与通信。 高速冷却与升温部件的选择与接口。 反应快、低成本的流量控制元件的选择与接口。 高转换速度的传感器的选择与接口。 1 5 论文结构安排 本文依据课题的内容做了如下结构安排： ( 1 ) 反应釜温度控制在国内外的发展和应用状况，本课题来源及本文的结构安排 ( 第1 章) 。 ( 2 ) 系统控制算法研究( 第2 章) 。 ( 3 ) 介绍并构建反应釜温度控制系统，对系统进行仿真与实验研究( 第3 章) 。 ( 4 ) 总结( 第4 章) 。 1 0 第二章系统控制算法研究 第二章系统控制算法研究 对于一个控制系统，合理选择控制策略是至关重要的。p i d 调节器具有算法简 单、鲁棒性好、可靠性高、易于实现等优点，因此在过程控制中仍然是应用最广泛 的一类控制器。在本课题的系统设计中，作为被控对象的反应釜由于模型较为复杂， 无法建立精确的数学模型，采用p i d 算法比较方便，但p i d 算法也存在现场参数调 整麻烦、被控对象模型参数难以确定以及外界干扰会使控制漂离最佳工况等问题。 针对这些问题，在反应釜温度控制系统设计中，采用了基于预测的模糊自整定p i d 控制算法。 2 1 常规p id 控制 p i d 控制器应用得非常广泛，其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构， 它的参数整定方便，结构更改灵活，能满足大多数工业控制要求。p i d 控制技术比 较简单，易于掌握，是常用的控制技术之一。对于参数不变的控制对象或模型参数 变化不显著的控制对象来说，使用p i d 控制能够达到比较理想的控制效果，而且实 现起来非常简单。阳1 2 1 1p i d 控制基本原理m 1 如图2 - 1 所示，图中给出了一个典型的闭环控制系统。其中k 。d ( s ) 表示控制器， k 2 g ( s ) 表示广义对象。该系统的闭环传递函数为： c s )kj d ( s ) k 2 g ( s ) 一= = 一 r ( s )1 + k i d ( s ) k 2 g ( s ) 式中k 。、d ( s ) 分别为控制器的静态、 态、动态增益。 r ( s ) - + ( 2 1 ) 动态增益；k ：、g ( s ) 分别为广义对象的静 图2 - 1 典型闭环控制系统 在通常情况下，人们期望给定指令r ( s ) 与被控参数c ( s ) 之间的传递函数为1 。 l l 青岛大学硕士学位论文 然而，信息的获取、传递以及执行命令都需要有一个过程，即需要一定的时间。这 个过程用传递函数可描述为： 盟：p r ( s ) 式中t 表示指令的传递时间，即纯滞后时间。 大量的工业过程，如化工、热工、轻工、冶炼、 可用具有纯时间滞后的二阶传递函数近似描述为： ( 2 2 ) 电站等许多生产过程特性，都 k ：g ( j ) = 面而k 2 e - 8 ( 2 3 ) ( 丁i s + 1 ) ( 丁2 s + 1 ) 式中t 1 ，t 2 分别为二阶对象的惯性时间常数，t 为纯滞后时间。 若使用闭环传递函数满足理想系统的条件式2 2 ，则根据式2 1 和式2 3 可得： 娜) = 上k 2 g ( s ) ( 1 - e - = ) = 错k 2 - e ( 2 4 ) ( 1”) 、 由于1 - e ”5 可以用ts 近似表示，所以可得： k l g 0 ) ：( t i s + 1 ) ( t 2 s + 1 )