（化学工程专业论文）草甘膦合成过程模糊控制策略与计算机控制系统集成研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 草甘膦合成过程模糊控制策略与计算机系统集成研究 摘要 草甘膦合成过程是一个典型的间歇生产过程 草甘膦生产主要是 通过有机合成反应获得 而其合成反应机理复杂 控制精度要求高 控制难度大 目前国内生产厂家普遍处在人工操作为主的状态 工人 劳动强度大 产品收率不稳定 应用计算机控制技术 可以提高控制 精度 以满足严格的工艺要求 同时实现生产过程的自动化 稳定并 提高产品质量 降低消耗 提高劳动生产率 论文以草甘膦合成过程为对象 全面分析草甘膦合成过程各个阶 段的工艺特性 并根据某厂的实际生产情况 生产控制要求和生产规 模 对草甘膦合成过程提出了整体控制方案 包括 配料称量控制 顺序控制 温度控制等三大部分 并通过先进的计算机控制系统 d c s 实现了整个合成过程的自动控制 实现了草甘膦的清洁 绿色 安全 生产 鉴于草甘膦合成过程温度控制时变滞后的特性 利用模糊控制不 需要被控对象的精确数学模型 抗干扰能力强 鲁棒性好 提出一种 两层结构的专家模糊控制方案 基本控制级采用仿人智能模糊控制策 略 将模糊控制与仿人智能控制技术结合起来 充分利用模糊控制不 需要被控对象的数学模型 鲁棒性好 和仿人智能控制抗滞后性强的 优点 专家智能协调级吸收专家经验以及仿人智能控制思想 实时调 整控制器的比例因子和量化因子 通过m a t l a b 仿真分析 证明了 该方案具有较好的动静态响应特性和较强的鲁棒性 是解决时变大滞 后过程控制问题的有效方法 关键词 草甘膦 合成过程 时滞 模糊控制 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo nf u z z yc o n t r o ls t r a t e g i e sf o r p r o c e s so fg i y p h o s a t es y n t h e s i sa n dt h e i n t e g r a t i o no fc o u t e rc o n t r o ls y s t e m a bs t r a c t t h e s y n t h e s i z i n gp r o c e s so fg l y p h o s a t ei sat y p i c a lb a t c hp r o d u c t i o n p r o c e s s t h ep r o d u c t i o no fg l y p h o s a t ei sm o s t l ya c h i e v e db yt h eo r g a n i c s y n t h e s i z i n gr e a c t i o n i t sr e a c t i o nm e c h a n i s mi sc o m p l e x t h ep r o c e s s m u s tb ec o n t r o l l e dv e r yw e l l r e c e n t l y m a n yd o m e s t i cc o m p a n i e st h a t p r o d u c eg l y p h o s a t eb ym a n u a lw o r ka r eh i g hl a b o ri n t e n s i t ya n dl o w p r o d u c t i v i t y t h ea p p l i c a t i o no f t h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m d c s c a r l i m p r o v et h ep r e c i s i o no fc o n t r o ls oa st os a t i s f yt h er i g o r o u sr e q u e s to f t h ep r o c e s s a tt h es a m et i m e i t a c c o m p l i s h e st h ea u t o m a t i o no f p r o d u c t i o np r o c e s s a n di m p r o v e sp r o d u c tq u a l i t y r e d u c e sc o n s u m p t i o n i n c r e a s e sl a b o rp r o d u c t i v i t y t h e n t h e s i z i r o fg l y p h c ss t u d i e d nt h el e c t u r e s y n t h e s i z i n g p r o c e s so fg l y p h o s a t ei s s t u d i e di nt h ee c t u r e 1 e a c hp h a s ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep r o c e s si sa n a l y z e dt h o r o u g h l y p r o p e r c o n t r o ls c h e m e sa r eo f f e r e ds oa st oa c c o r dw i t ha c t u a l p r o d u c t i o n 浙江工业大学硕士学位论文 c o n d i t i o n c o n t r o lr e q u e s ta n dp r o d u c t i o ns c a l e m i x i n gm a t e r i a l sa n d w e i g h i n gs c h e m e o r d e rc o n t r o ls c h e m ea n dt e m p e r a t u r ec o n t r o ls c h e m e i n c l u d e d b yt h ea d v a n c e dd c sc o n t r o ls y s t e m w em a k et h ep r o d u c t i o n o f g l y p h o s a t eb eas a f e t y g r e e n c l e a nw a y t i m e d e l a yt h a tf r e q u e n t l yo c c u r si nt h et e m p e r a t u r ec o n t r o li nt h e p r o d u c t i o n o fg l y p h o s a t e f u z z y l o g i cc o n t r o l l e r f l c h a st h e a d v a n t a g e so ff r e ef r o mt h ep l a n tm o d e l s t r o n gr o b u s t n e s sa n dg o o d s t a b i l i t ya g a i n s td i s t u r b a n c e s s o at w o l e v e le x p e r tf u z z yc o n t r o ls c h e m e w a sd e v e l o p e dt oh a n d l ep r o c e s s e s 历t l ll a r g et i m ed e l a y i nt h el o w e r l e v e l h u m a ns i m u l a t e di n t e l l i g e n tf u z z yc o n t r o l l e r w h i c hc o m b i n e ss u c h a d v a n t a g e sa sm o d e l f r e e r o b u s t n e s so ff u z z yl o g i cc o n t r o l l e ra n dg o o d a b i l i t yt oo v e r c o m ed e l a yo fh u m a n s i m u l a t e di n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r w a s e m p l o y e d w h i l ei nt h es u p e r v i s o r yc o n t r o ll e v e l e x p e r te x p e r i e n c ei sw a s t a k e nt ot u n eb o t ht h eq u a n t i t a t i v ef a c t o r sa n ds c a l ef a c t o ri na no n l i n e m a n n e r s i m u l a t i o ne x a m p l e sa r ei n c l u d e dt oi l l u s t r a t et h a tt h ep r o p o s e d s c h e m ei ss u p e r i o rt os m i t hp r e d i c t o ra n di se f f e c t i v ei nc o n t r o l l i n go f t i m e v a r y i n gp r o c e s s e sw i t hl a r g et i m ed e l a y k e y w o r d s g l y p h o s a t e s y n t h e t i cp r o c e s s t i m e d e l a y f u z z yc o n t r o l 4 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所提交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进行研究工 作所取得的研究成果 除文中已经加以标注引用的内容外 本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果 也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体 均 已在文中以明确方式标明 本人承担本声明的法律责任 作一 币蛳 日期 刈1 年 月玷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借 阅 本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密口 请在以上相应方框内打 4 作者签名 前沛嗍p 口产罗月 日 导师签名 久 日期 如歹年 月2 么日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 草甘膦是一种高效 广谱 非选择性 无残留的芽后除草剂 1 9 7 4 年商品 化以来 很快就成为芽后内吸 非选择性的防除一年生和多年生杂草的领先除草 剂 草甘膦的成功要点在于 具有非常好的除草效果 可在许多农业和非农业场 合使用的通用性 有非常好的毒理学和生态毒理学形象 很少发生抗草甘膦的杂 草种群 能成为免耕生产 精确农业和转基因作物发展的一部份 草甘膦可通过 叶和非木本植物茎吸收 传导至植物体各部 产生除草作用 对多年生深根恶性 杂草和一年生及多年生禾本科 莎草科和阔叶杂草都非常有效 另外 在植物成 熟后期施用对大多数杂草的防效更高 可以利用作物和杂草不同选择性除去杂 草 在过去的近3 0 年间 草甘膦的用途不断扩大 价格不断下降 开始只用作 种植园 果园 葡萄园的特殊除草 随着现代农业耕作技术的不断提高和抗草甘 膦转基因作物品种的开发成功 现在已广泛用于可耕作物 草地和非耕地 草甘膦是全球产量最大的农药原药除草剂品种 占整个除草剂市场总量的 3 0 已连续多年占据世界农药销售额首位 草甘膦也是我国产量最大的除草剂 品种之一 1 9 9 9 年国内生产能力超过5 万吨 年 是出口量最大的除草剂 其出 口比例占总产量的7 0 以上 据英国a g r o w 杂志报道 草甘膦的主要消费市场在 北美 拉美及远东地区 这些地区草日嶙消费量占全球消费量的7 0 1 9 9 4 年 全球草甘膦消费量为4 2 5 万吨 1 9 9 5 年约为6 7 0 万吨 1 9 9 7 年约7 4 0 5 万吨 1 9 9 8 年约1 1 2 万吨 年均增长率超过2 0 随着农田免耕法在世界各地的推广 以及转基因作物的产业化以及整个世界经济的复苏 抗草甘麟作物的播种面积将 有一个较大的突破 草甘麟的需求量不断上升 在2 0 0 2 年其销售额已达到了3 0 亿美元 占全球农药市场总量的1 0 预计草甘麟的全球市场消费量仍将以1 5 左右的速度增长 2 0 0 5 年消费量可达3 5 万吨以上 截止2 0 0 8 年2 月 国内草 甘膦产量共计3 9 2 5 万吨 大单主流价格在8 万元 吨 相比较2 0 0 6 年草甘膦均 价只有2 8 万元 吨 涨幅高达2 8 5 7 对于生产企业而言 草甘膦的生产成本 只有较低没有最低的概念 因此 只有不断地通过技术改进并通过一定的规模效 应来降低成本 才能在容易激烈的市场竞争中占有一席之地 浙江工业大学硕士学位论文 国外生产企业比较 中国草甘膦生产企业具有一定的比较优势 国外生产 草甘膦的路线主要采用石油和天然气为原料的i d a 法 该法的主要原料石油 天 然气的价格上涨 给这些国外草甘膦生产企业带来了更高的生产成本 面对中国 企业的激烈竞争以及不断高起的石油和天然气成本 孟山都在2 0 0 6 年放弃了对 草甘膦的扩产投入 导致世界革甘膦产能将向中国等发展中国家转移 而国内企 业主要采用甘氨酸法进行生产 相对充分的原料供应 初始原料为黄磷 甲醇 氯碱等产品 使得其生产成本相对稳定 并且中国劳动力成本低廉 以及磷矿资 源的丰富等也为中国草甘膦生产企业提供了有利条件 由于中国草甘膦生产企业 具备生产成本 人力及资源等比较优势 世界草甘膦产能正向中国转移 在行业 高景气度及产能向中国转移的背景下 中国草甘膦生产企业具有前所未有的大好 发展机遇 草甘膦生产主要通过有机合成反应获得 国内草甘膦生产企业采用的以甘氨 酸 亚磷酸二甲酯为主要原料的烷基酯法占全国产量的7 0 左右 该法也称甘氨 酸法 其以甘氨酸 亚磷酸二甲酯及多聚甲醛为原料 甲醇为溶剂 三乙胺为催 化剂 在催化剂作用下甘氨酸首先和聚甲醛形成n n 二羟基甘氨酸 然后加入 亚磷酸二甲酯进行缩合反应 并加热至11 5 左右加入盐酸进行水解 生成草甘 膦和甲缩醛 由于其合成反应机理复杂 控制精度要求高 控制难度大 目前国 内生产厂家普遍处在人工操作为主的状态 工人劳动强度大 产品收率不稳定 当前 间歇式化学反应器广泛应用在精细化工 食品饮料和生物医药生产中 应用前景十分乐观 但间歇生产过程的控制难度大 使其在过程控制理论的应用 及控制方法等方面 均不同于连续生产过程 其自动化水平远低于连续生产过程 生产管理上相对落后 一般的间歇生产过程都是非线性 多变量 大滞后 强耦合性的时变系统 且反应机理复杂 因此 目前在不少间歇工业生产过程中 仍采用手动或半自动 操作 整体自动化水平较低 因此 如何实现生产过程的自动化 稳定并提高产 品质量 降低消耗 提高劳动生产率具有非常重要的现实意义 提高该领域自动 化水平一直是企业技术人员与自控人员的不懈追求 本课题以草甘膦合成过程为对象 设计完成了合成过程计算机控制系统 实 现了计算机对草甘膦合成过程的数据采集和实时控制 为合成过程建模及优化控 2 浙江工业大学硕士学位论文 制的进一步研究提供了平台 并针对间歇反应釜的特点 建立温度控制模型 研 究高效 实用的新型模糊控制策略在合成过程温度控制中的应用 以获得较好的 控制质量 通过对此课题的研究 可分析间歇生产过程控制的特点和应用技术 建立间歇生产过程计算机控制系统的设计方法 论文结构的具体安排如下 第一章 阐述了课题研究的背景和意义 重点阐述了现代工业生产的特点及 控制的难点 第二章 综述间歇生产过程的技术和研究进展 其中重点介绍了预测控制 自适应控制 智能控制等算法及其在实际工业生产过程中的应用情况 第三章 简述了草甘膦合成过程几种常见生产工艺 重点叙述了二甲酯法合 成草甘膦的生产方法及其生产工艺 第四章 结合模糊控制和s m i t h 预测控制 提出了一种带积分自适应模糊 s m i t h 控制 并进一步提出了专家模糊控制 通过在线智能调整量化因子和比例 因子来提高控制性能 并对其进行仿真 仿真结果表明 所提出的专家模糊控制 具有超调小 鲁棒性好的控制效果 是一种较好的控制方法 第五章 草甘膦合成过程提出了合适的控制方案和系统配置 其中包括配料 称量控制 顺序控制和温度控制 并简述了控制系统的配置及系统的组态的一些 基本信息 第六章 对全文研究工作进行总结 展望专家模糊控制研究方向 并提及在 实际工业生产中实现的困难 浙江工业大学硕士学位论文 第二章间歇生产过程及先进控制技术应用 2 1 概述 在过程工业生产 特别是化工生产过程中 主要存在着四种生产方式 即连 续生产 半连续生产 间歇生产和半间歇生产方式 如进行粗略的划分 可将半 连续 半间歇和间歇生产方式地生产过程统称为间歇生产过程 间歇生产是人类在进行生产活动中使用最早的操作方式 在2 0 世纪3 0 年代 以前 大部分化工过程以间歇方式操作 即在一定的设备上逐步完成一个又一个 工序 间歇地实现全部加工过程 而整个生产加工过程的控制是靠操作工的技艺 和判断实现 不仅生产水平低 劳动强度大 且产品质量不稳定 同时 由于产 品的大批量生产的市场需要 化学工程师将注意力集中在连续生产过程的设计 长期以来连续生产过程的设计和操作研究一直受到极大的重视 大型合成氨厂 大规模乙烯裂解炉 大型石油化工企业的连续生产过程也充分体现了连续化生产 的优质 高效 低能耗 稳定化生产等特点 但是 随着精细化工产品品种的不 断增加 相当一批精细化工产品仍需要通过间歇方式来生产 和生物化工的迅速 发展 为了适应市场需要和竞争 2 0 世纪6 0 年代以来 能适应小批量 多品种 生产的 具有多用途 多功能 技术密集型的新一代间歇生产装置和操作技术的 开发和应用得到极大重视 随着计算机技术的发展 间歇生产在生产n t 所占的 份额在不断地扩大 2 2 间歇生产过程 间歇控制标准s p 8 8 中 间歇过程的定义为 将有限的物质 按规定的加工 顺序 在一个或多个加工设备中加工 以获得有限量的产品的加工过程 如果需 要更多的产品则必须重复整个过程 4 浙江工业大学硕士学位论文 间歇过程是将有限的物料按规定的加工顺序在一个或多个设备中加工 以获 得有限量产品的加工过程 执行一次间歇操作得到的产品称为批量 如果需要更 多的产品必须重复该过程 在间歇过程中 物料是按规定顺序加工的 比如混合 反应 包装等 间歇生产一般都有多台反应器 并配置大小不同的多组兼用设备 如原料贮罐 中间产品储罐 成品储罐和计量罐 并且用来生产多种产品或一系 列不同规格的产品 间歇过程按其生产的产品分类 可以分为单产品 多产品和 多用途三种间歇过程 间歇生产过程和连续生产过程同属过程系统 但是 由于生产任务 协调方 法 操作方式及产品数量不同要求 两种操作方式的特性存在着很大的差别 为 了进一步了解间歇过程的特点 表2 1 列举了它们之间的主要差别 l 表2 一l 间歇过程和连续过程比较 内容间歇过程 连续过程 生产操作方式按配方规定的顺序进行连续且同时进行 柔性设计 可进行不同产品的按给定一种产品设计生产 设备的设计和使用 生产特定产品 批量生产 生产能力低动态 产品量工艺条件续输出产品稳态 随时间变化 数字i o 模拟i o6 0 4 05 9 5 人工干预是正常情况主要用于处理不正常工况 与连续过程相比较 间歇过程主要有如下一些突出的特点 一 周期性批量生产 间歇生产的加工过程不同于连续生产过程 间歇式 生产是周期性生产过程 并且它要求按配方规定的生产顺序 时间段和操作参数 组织生产 二 物料状态和操作参数是动态的 动态特性是间歇过程的本质 间歇生 产过程中 物料构成状态 温度 压力 需要的热量或冷量等操作参数均会随时 间变化 这是间歇生产所具有的共同特性 浙江工业大学硕士学位论文 三 柔性生产能力较强 间歇生产过程中 在一个定性设备上 根据不同 的配方 应用不同的原料和操作参数可完成不同的工艺操作过程 有利于多品种 小批量的产品生产 四 工艺控制要求高 工艺条件的变化显著 过程复杂 一些参数的控制 要求较高 并且操作中开关量应用较多 有些参数的控制需要人工干预 五 与连续过程相比具有生产能力低 能耗大的特点 2 3 间歇过程先进控制技术及其优化方法研究 2 3 1 概述 现代间歇生产过程涵盖广 发展快 特别是近年来由于多种学科的协同 交 叉与渗透 间歇生产过程的界定已从生产工艺和过程工程原理的结合 演变为和 控制工程原理 信息技术的结合 当今的间歇生产装置越来越复杂 自控手段越 来越先进 虽然传统的p i d 控制算法对于绝大部分工业过程的被控对象可取得较 好的控制效果 而且采用改进的p i d 算法或者将p i d 算法与其它算法结合往往也 可以进一步提高控制质量 2 3 但是随着间歇生产过程的发展 要求对间歇生产 过程控制的品质提出更高的要求 控制与经济效益的矛盾日趋尖锐 而且由于间 歇生产过程往往表现为非线性 多变量 大滞后 强耦合性 不确定性等特征 使得间歇生产过程控制问题采用传统的控制策略无法奏效 迫切需要一类合适的 先进控制策略 毫无疑问 将先进控制策略用于关键的产品质量控制回路 往往 取得较高的控制质量 并可带来显著的经济效益 提升企业的竞争力 近二十多 年来 研究人员已在间歇生产过程的控制上做了大量的工作 其中包括间歇反应 器的建模与仿真 优化 计算机控制等方面 各种先进控制技术 如预测控制 多变量统计过程控制 自适应控制 人工智能控制 的应用已受到间歇过程工业 界的密切关注 本小节介绍先进控制策略在间歇过程控制和优化中的应用 4 j 2 3 2 预测控制 改进控制品质 追求动态品质的优化 无疑是提高生产经济效益的一条重 6 浙江工业大学硕士学位论文 要途径 预测控制 p c 就是在这样的背景下发展起来的新型控制算法 预测 控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型控制算法 它高度结 合了工业实际的要求 综合控制质量比较高 预测控制在间歇生产过程的应用 近几年发展很快 它不需要被控对象的精确的数学模型 利用计算机的计算能 力实行在线的滚动优化计算 从而取得好的综合控制效果 预测控制有三要素 即预测模型 滚动优化和反馈校正 体现了人们在处理带有不确定性问题时的 一种通用的思想方法 5 叫 目前已经有了几十种预测控制算法 其中比较具有代 表性的是模型算法控制 m a c 动态矩阵控制 d m c 和广义预测控制 g p c 这种从实践中总结出来的方法也被众多学者应用于间歇过程中 针对间歇过程 的特点 研究较多的是多模型预测控制和基于特殊非线性模型的预测控制 7 1 文献 8 在m m a 聚合的连续搅拌釜式反应器中应用了基于线性矩阵不等式的鲁 棒模型预测控制 构造出的多元分布模型通过使用不确定的非线性模型的雅可比 行列式预测各种控制输入顺序的影响 结果表明 尽管模型的不确定性 基于线 性矩阵不等式的鲁棒模型预测控制对连续搅拌反应器的特性控制却相当好 且保 证了鲁棒稳定性 文献 9 1 研究了间歇聚合系统的最优化 使用切实可行的路径逼 近方式 基于模型预测控制 m p c 理论给不连续的化工过程的最佳监督提供有效 率的整合方法 该技术已用于氯乙烯单体的悬浮聚合的优化和甲基丙烯酸甲酯单 体溶液聚合的优化中 结果产品的产量及加工性能方面都有了明显的提高 在苯 乙烯聚合反应中 文献 1 0 j n 采用多参数非线性预测控制模型 n m p c 在被控对 象模型结构不匹配 参数不明确及存在干扰的情况下 进行控制模拟 结果表明 多速率n m p c 算法比线性多速率m p c 和单速率m p c 有更好的表现 y u c e 和t t a s a l t u n 等人 l i 在实验室里研究间歇溶液聚合反应器的动态矩阵控制 并与内模控制控制 器 i m c 的控制性能相比较 发现d m c 控制器比i m c 控制器在维持反应器温度 在定值的调节方面有更好的表现 为了解决非线性多变量系统的建模 控制和优 化问题 文献 1 2 扩展基于小波神经网络的单变量系统辨识到多变量系统辨识 并用它实现非线性预测控制 对开环稳定过程 通过对一个聚酯生产过程的仿真 研究 证实了方法的有效性 广义预测控制 g p c 被应用在苯乙烯自由基溶液聚合的温度控制上l l 列在不 同的引发剂浓度下 应用最优控制理论得到相应最优的温度策略 模型预测控 7 浙江工业大学硕士学位论文 制还可以与其它方法结合在一起 k r o t h a p a l l y 等人 1 4 研究了同时采用人工神经 网络 a n n 与模型预测控制的在线优化问题 用a n n 按初始条件产生头两小时 的温度对时间的最佳分布 以模型预测控制计算其后的温度对时间的最佳分布 根据维生素c 间歇生产工艺的操作分析和对控制的要求 文献 1 5 开发应用了隐 式自校正广义预测控制算法和相应的程序 并针对过程的时滞特性 在性能指 标中引入输出预测误差加权矩阵 较好地解决了该生产过程快时变 大滞后的 跟踪控制问题 对以预测函数控制算法为核心并结合p i d 控制的先进控制算法进行了研究 针对化学反应器的温度跟踪控制问题 文献f 1 6 给出了透明控制算法及预测函数 控制器的具体形式 仿真结果表明 该算法具有较好的跟踪特性 抗干扰能力 及鲁棒性 同时 该算法已在s u p c o ni x 3 0 0 x 集散控制系统上实现 工业现 场运行取得了很好的结果 2 3 3 自适应控制 实际上有些化工对象特性是随时间变化的 这些变量可能发生复杂而幅度 较大的变化 为此采用常规的p i d 控制往往不能很好地适应工艺参数的变化 而导致产品产量和质量不稳定 自适应控制器参数能随工艺参数的变化 按某 种最优性能自动整定 从本质上讲 自适应控制系统具有 辨识一决策一修改 的功能 目前自适应控制系统最基本为两大类 即参考模型自适应和基于被控 对象数学模型在线辨识的自适应控制系统 1 刀 文献 1 8 基于化工反应器间歇式生产过程的复杂特性 提出了一种结合多变 量时序逻辑模糊自适应方法的控制器模型 并用于间歇过程操作单元的控制器 设计 在实际应用中获得了满意的控制效果 文献 1 9 研究了一种基于鲁棒自适 应控制理论的p i d 在线自整定控制器用于聚氯乙烯反应中 研究结果表明 p i d 在线自整定控制器比常规固定参数p i d 算法相比 有更好的稳定控制行为 响 应也很快稳定下来 文献 2 0 研究了一种非线性自适应控制器用于半间歇聚合反 应器温度控制 由一个基于微分几何思想的非线性控制器和一个增广k a l m a n 过 滤器 e k f 耦合组成 其中 e k f 可以有效的使用可得的数据和知识 尽管p i d 浙江工业大学硕士学位论文 控制器在一些特定的条件下也能表现的很好 但当条件发生变化时 p i d 控制器 需要重新整定 文献 2 l 把自适应模型预测控制算法应用于p i 胁i a 间歇聚合的温度 控制 实验结果表明 该自适应模型预测控制器比常规p i d 控制器能更好的跟 踪设定点的变化 特别是在反应过程的后半部分 胶体影响更加显著的情况下 也能成功的跟踪所期望的最优温度轨迹 文献瞄 把一种非线性参考模型自适应 控制用于主成份的分析 它对于那些用常规方法很难建模和控制的低维非线性 系统非常适用 2 3 4 智能控制 1 专家模糊控制 将人工智能中的专家系统技术和模糊控制技术相结合 各取所长 可构成专 家模糊控制 其核心是将专家系统的思想和方法引入模糊控制中 采用专家经验 实时调整控制器比例因子和量化因子 从而改善模糊控制器对大时滞过程的控制 性能 2 3 鉴于此思想 周彦等人提出一种两层结构的专家模糊控制方案洲 基 本控制级采用仿人智能模糊控制策略 专家智能协调级吸收专家经验以及仿人智 能控制思想 实时调整控制器参数 仿真证明 该方案具有较好的动静态响应特 性和较强的鲁棒性 是解决大时滞过程控制问题的有效途径 汪光阳等人也将此 控制方案应用于热风炉燃烧过程的废气温度控制 控制效果十分有效 2 s 2 神经网络模糊控制 神经网络与模糊系统在对信息加工处理过程中均表现出很强的容错能力 将 神经网络的学习机制引入模糊系统 以解决模糊控制中的结构与参数调节问题 实现模糊控制的自适应能力是一种很好的方法 2 6 x t l 基于神经网络的模糊控制 其模糊化 模糊推理和模糊决策均由神经网络完成 目前应用广泛的神经网络有 b p 网络 r b f 网络及基于遗传算法的神经网络 但就基于神经网络的模糊控制 而言 其还存在一些问题 而如何采用合理算法 选择合适结构的神经网络是解 决问题的有效途径 针对常用的基于b p 网络的模糊控制器对模糊控制规则的学 习难以达到理想效果 姚继兵等人提出基于遗传神经网络的模糊控制 2 8 即采 用遗传算法生成前向神经元网络 可同时对网络的极值与结构进行学习 从而使 9 浙江工业大学硕士学位论文 模糊控制系统具有良好的自适应能力 还有人提出使用两个神经网络的神经网络 自学习模糊控制 2 9 3 0 一是前向通道中学习系统的控制规则 二是在线调整模糊 化的比例系数 以适应系统大范围工况的变化 用这样的神经网络进行模糊推理 和规则校正 具有运算方便 调整规则灵活等优点 3 模糊s m i t h 控制 s m i t h 预估控制最大优点是将时滞环节移到闭环之外 可有效解决大时滞问 题 最大缺点是过分依赖于精确的数学模型 当估计模型与实际对象特性误差较 大时 控制品质明显恶化 甚至发散 而对外部扰动也非常敏感 鲁棒性较差 而将模糊控制与s m i t h 预估控制相结合构成模糊s m i t h 控制可以起到优势互补的 作用 既对纯滞后特性有较好的补偿作用 又对控制对象参数变化有较强的适应 能力 3 l l 为进一步提高系统的稳态精度 孙建平等人在此基础上提出带智能积 分的模糊s m i t h 控制器 并用遗传算法对其参数进行寻优 仿真结果表明 改进 的模糊s m i t h 控制器具有很好的品质特性和良好的鲁棒性 3 2 史旭华等人将该 种控制策略应用于电加热炉温度控制 实践应用表明 无论是系统结构参数完全 匹配或不匹配以及滞后时间发生变动情况下 该控制器均获得较好的控制效果 不仅稳态误差小 而且超调量比传统s m i t h 预估控制小 鲁棒性也有较大改善 3 3 1 4 参数自整定模糊控制 参数自整定模糊控制可根据系统的性能在线整定量化因子和比例因子 使它 们保持合适的数值 从而使系统的性能达到令人满意的水平 这种控制方法较之 常规的固定参数的模糊控制方法对环境变化有较强的自适应能力 基于上述思 想 有人提出一种新型的大时滞系统变结构模糊控制器和消除模糊控制余差的新 方法 论域缩小逼近法 3 4 1 该方法主要思想是将模糊控制表中的零域扩大 即当系统状态进入规定的中心区域后 将该中心区域再用原模糊控制表代替 同 时改变量化因子和比例因子的大小 这种算法的优点是在整个调整过程中 始终 按针对系统的模糊控制规则进行控制 几乎不增加计算量 只改变量化因子和比 例因子的大小即可 在大时滞过程的控制中优势尤为明显 该方法改善了常规模 糊控制的控制性能 提高了控制精度 具有良好的工业应用前景 纸张水分控制 的实际应用表明了该控制策略的有效性 f u z z y p i d 控制器虽可以加快动态响应 提高控制精度 但由于控制器参数 l o 浙江工业大学硕士学位论文 固定 参数仍不具有自适应能力 因此 在f u z z y p i d 控制器基础上采用参数自 调整策略 构成参数自调整f u z z y p i d 控制器 该控制策略主要思想是控制器参 数可根据偏差及其变化率而调整 当误差及误差变化较大时进行 粗调 控制 反之进行 细调 控制 控制器设计的主要任务是如何构建放大倍数的模糊规则 表 该控制器已成功应用于浆纱机经纱退烧张力匀整控制 并表现出较好的抗干 扰能力 对参数变化有较强的适应性 3 5 1 5 自适应模糊控制 自适应控制的出现无疑又丰富了时滞系统的控制方法 其能自动调整控制器 控制规则与参数 以补偿过程特性或环境条件的变化 但自适应控制在滞后过程 中的应用不是单一存在的 而往往是和各种方法结合形成各种有效实用的新方 法 自适应模糊控制器是在简单模糊控制器的基础上增加了性能测量 控制量校 正 控制规则修正3 个功能块构成的一种模糊控制器 p r o c y k 和m a m d a n i 于1 9 7 9 年提出自组织模糊控制器 s o f c 在此基础上 刘晓霞等人研究出一种新的自 适应智能控制器 即将s m i t h 预估器和内模控制结合起来 利用模糊校正实现自 适应能力 通过智能积分对模糊控制器不能消除稳态误差进行克服 经仿真研究 这种自适应模糊控制器在一定的误差范围内有很好的鲁棒性 稳态误差为零 3 6 1 2 4 间歇生产过程优化问题 2 4 1 概述 全世界投用的先进控制 a p c 已有数千项 先进控制的投入产出效益已被 公认 一般的投资回报率为1 0 美元 1 美元 3 刀 用先进过程控制可以严格地控制 变量 减少标准偏差 而采用在线优化可使操作移向优化设定点 提高操作效 益 经验证明 在线优化获益比先进控制要高出约2 5 倍 加工过程越复杂 处理能力越高 在线优化获益越大 现代控制技术的进步和现代化生产对过程优化要求的不断提高 使控制和 优化的关系越来越密不可分 对于间歇过程尤其如此 一方面 由于过程模型 的不确定性不可避免和各种干扰的存在 间歇过程的优化问题一般要求在线 浙江工业大学硕士学位论文 实时地进行 而这一 动态 特性可以借助于一些先进的控制方法来实现 另 一方面 先进控制算法往往具有基于模型的 含有某种优化性能指标的特点 其实施过程中需要对出现的优化问题进行实时求解 3 8 间歇过程中的优化问题主要包括针对间歇过程单元的操作优化及针对间歇 过程装置级的设计优化或优化调度两大方面 在最优操作轨线确定的条件下 间歇单元的最优化体现为跟踪控制 目标是如何使过程变量快速准确地跟踪既 定轨迹 从而满足优化指标的要求 3 9 2 4 2 间歇过程在线优化 一种较常见的在线优化方法是基于在线辨识的重复优化 该方法使用优化 目标函数和过程变量之间的模型进行最优化计算 并通过在线辨识不断更新模 型 这种优化 辨识 再优化的过程不断重复进行 在线辨识和随后的优化构 成一对对偶问题 最终都可以化为非线性规划问题进行求解 4 1 1 由于间歇过 程的时变特性 模型一般由建立在各时段上的分段线性模型组成 而优化往往 有最终产品的指标在内 因此这种策略一般要涉及维数很高的优化问题求解 该策略的另一不便之处在于辨识需要额外的激励信号 不利于过程的平稳运行 另外 该方法要求系统状态变量完全可测 对不可测的状态变量要构造状态观 测器 对不可测干扰一般有时需要借助扩展k a l m a n 滤波的方法进行处理 另一类常见的优化策略采用串级的方式 串级的内环采用普通的控制器 完成对给定值的跟踪 外环的作用是为内环控制器提供最优设定值轨线 外环 以一定的方式被触发 然后进行设定值轨线的修正 使轨线不断趋向最优 不 同的优化方法决定了外环控制器的触发方式 这种策略的优点是不需要过程的 状态完全可测 并避免了耗时的在线重复计算 v i s s e r 等针对较普遍的最终产 品质量优化问题 提出了一种基于这种优化框架的方法 首先 使用最大值原 理得到问题最优化解的必要条件 然后将必要条件和系统的有效约束集结合起 来 得到最优轨线以约束条件和奇异解进行分段表示的形式 这样 最优轨线 各段和不同的系统输出和状态变量就联系在了一起 优化问题变为对相应的状 态变量或输出变量进行跟踪控制 最后 根据最优轨线的转折点作为串级优化 系统外环的触发条件 外环触发后改变内环的跟踪变量集合和相应的设定值 浙江工业大学硕士学位论文 内环完成对设定值的跟踪 外环的另一作用是利用过程的实时测量值对最优轨 线不断进行实时修正 4 2 1 这种策略有时需要涉及奇异最优化问题的求解 2 4 3 间歇过程批次对比优化 由于间歇过程特有的重复运行特性 每次运行后的数据都对过程优化提供 了额外有价值的信息 这样 通过一些迭代算法 将这些历史数据运用于间歇 过程的后续运行中 就可以使得优化指标不断得到改进 值得注意的是 最终 产品的性能指标变化需要认真评估 特别是对目标变化率低而又极为重要的行 业 如特殊合成和制药等 从这一点出发 也能看出该策略的优越性 几乎不需 要模型 批次对比优化中通常考虑的核心问题是如何从先前的批次数据中提取有价 值的信息 一种方法是使用主元分析 部分最小二乘等多变量统计分析方法等 来分析 由此得到优化指标和过程变量之间的统计相关模型 然后使用该模型 在后续的批次中根据实时测量值更新操作轨线 j h l e e 的研究小组运用这种思 想 将质量控制和统计过程控制结合在一起 成功地使用在了一些复杂的间歇 聚合反应过程和造纸过程中 4 3 但是这种方法缺乏对过程优化有用的外推性特 点 另一种较为简单 是使用趋势模型 t e n d e n c ym o d e l 这是基于间歇操作 的重复性 可以应用积累的操作经验和庞大的成批历史数据来更新和改进模型 以及由模型预估的最优轨线的一种构想 田华等提出的间歇反应器智能控制模 型是其中的一个例子m f o t o p o u l o s 等人将趋势模型的思想运用在状态观测器 设计上 并使用该模型设计扩展k a l m a n 滤波器 最终和过程的实时优化结合在 一起 4 5 1 近年来提出的使用批次对比策略来实现间歇过程操作优化的新方法很多 z a f i r i o u 和z h u 提出了一种基于迭代学习的方法 并通过迭代的收敛性分析 给出了修改操作轨线的方法 这种方法需要过程的状态变量完全可测 当过程 状态不完全可测时 系统的模型可以借助神经网络等来近似嗍 s r i n i v a s a n 等 提出了基于不变量 i n v a r i a n t 的方法 其思想是先找出决定最优轨线各时间段 基本形状的不变量集合 然后通过迭代的方法逐渐得到最优轨线 该方法首先 涉及到的是最优轨线的参数化问题 具体做法是将分段的最优轨线划分为决策 浙江工业大学硕士学位论文 变量的集合 决策变量由各时段内的数值 斜率和各时段间的切换时间等组成 然后利用最大值原理对这些决策变量和过程状态变量的对应关系进行分析 同 时考虑状态变量约束条件和终端约束条件 s r i n i v a s a n 等通过分析指出 满足 最大值原理的最优解往往是由状态变量的约束和终端约束所决定的 所有对最 优操作轨线起作用的约束即组成不变量集合 不变量集合决定了分段表示的最 优轨线的大致形状 不确定的是各段之间的切换时间和时段内所取的数值等 即最优轨线的决策变量 因此 优化通过不断调整这些决策变量来实现 这可 以通过批次间的某种迭代规则完成 该方法在一个流程操作生化反应器的模拟 运行中得到成功应用 4 7 1 值得指出的是 在线优化和批次对比优化越来越趋向 融合 一些将两者优点结合起来的方法已经提出 间歇单元操作优化问题的进 一步解决既有赖于新方法的使用 也在于最优化算法的发展和在线测量技术的 进步 2 4 4 间歇生产过程自动化的实施方案 最近几十年 一些化工企业竞相发展小批量 多品种 高附加值的精细化工 产品和生化产品 这两类产品大多采用间歇生产过程 至今间歇生产过程的产品 产值已占整个化工行业的5 0 左右 但是间歇生产过程自动化水平却远远地落后 于大型的连续过程 为了争夺小批量专用化工产品国际市场的竞争优势 一些发 达国家投入大量资金开发间歇控制软件和硬件 很多工厂面对剧烈的市场竞争和 用户提出的产品质量要求 也把重点放在控制系统的升级和更新上 间歇过程自 动化受到普遍重视 随着计算机技术地出现和发展 自动控制系统地硬件平台也 有了长足地进步 根据硬件平台不同 实现间歇生产过程自动化 主要有以下几 种实施方案 钢 一 基于单回路可编程数字调节器 s l c 的实施方案 s l c 是用微处理器 来控制一个调节回路 具有编程简单 直观 容易操作 运算和控制功能丰富的 特点 可与上位机通信 如m o o r e 公司生产的m y c r 0 3 8 2 就具有步进顺序控制 给定值编程 组态逻辑 p i d 控制 配方存储和可组态的i o 等控制功能 二 基于个人计算机 p c 或i p c 的实施方案 选用基于p c 机的控制系统 时 应综合考虑系统实时运行的可靠性和安全性及环境适应性 连接现场的i o 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 接口 软件的完整性和鲁棒性 三 基于可编程控制器 p l c 的实施方案 p l c 是一种专门为了在工业环 境下运用而设计的数字运算操作的电子系统 p l c 编程语言的标准化 通信协议 的标准化成为进一步发展的焦点问题 四 基于集散控制系统 d c s 的实施方案 d c s 已经演变成一种具有高度 柔性和强大功能的控制系统 且使用维护方便 平均无故障运行时间长 从而使 d c s 不仅在连续过程且在间歇生产过程得以迅速的推广应用 典型的d c s 体系结构 如图2 i 所示 图2 1 典型的d c s 系统结构 系 统 秘 络 而目前 新型的d c s 与新型的p l c 都有向对方靠拢的趋势 新型的d c s 已有 很强的顺序控制功能 而新型的p l c 在处理闭环控制方面也不差 并且两者都 能组成大型网络 d c s 与p l c 的适用范围 已有很大的交叉 五 基于现场总线控制系统 f c s 的控制方案 现场总线控制系统是9 0 年代后期出现的控制系统 应用的场合越来越多 f c s 系统的本质是信息处理现 场化 通过使用现场总线 用户可以大量减少现场接线 用单个现场仪表可实现 多变量通信 不同制造厂生产的装置间可以完全互操作 增加现场一级的控制功 能 系统集成大大简化 并且维护十分简便 与d c s 相比有以下特点 数字通讯 可互换性 可操作性 开放 灵活 但是 f c s 是一种前沿技术 尚无国际统一 标准 产品不成熟 大规模推广