5-7基于Smith预估控制的反应器氧气含量控制

镇海炼化年产20万吨醋酸乙烯项目 Smith预估控制设计HUGO华格一队目录1.背景介绍32.斯密斯补偿原理33.工艺分析34.建立数学模型及动态模拟与分析45.Smith预估补偿71.背景介绍普通的诸如串级控制、前馈控制、选择控制、分程控制系统能解决化工厂大部分的控制问题，但是它们有一定的局限性，这些局限性主要表现在它们只能完成定值控制，功能单一；对纯滞后较大，出现干扰多而剧烈的对象，控制质量较差，且系统不稳定；对各个过程变量内部存在相关的过程，控制系统相互之间会出现干扰等。因此在简单控制系统的基础上，又设计了应用于更复杂环境的复杂控制系统Smith预估控制。2.斯密斯补偿原理在纯滞后系统中采用的补偿方法不同于前馈补偿，它是按照过程的特性设想出一种模型加入到原来的反馈系统，以补偿过程的动态特性。这种补偿反馈也因其构成模型的方法不同而形成不同的方案。其特点是预先估计出过程的基本控制输入下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使被迟延了的被调量超前反馈到调节器，使调节器提前动作，从而减小超调量和加速调节过程。3.工艺分析图1 反应器进口工艺条件图针对本工艺特点，如图1对氧气的控制，我们根据工艺了解到VAC合成的过程中对氧气的含量有一个严格的要求，当氧气含量超过8%时，反应会过于剧烈发生爆炸。7月19号义马气化厂的爆炸再次为我们的设计工作敲响警钟，化工设计过程中安全问题需摆在首位，如何排查隐患，预防事故发生是我们在工艺过程控制过程中首要解决的难题。我们需要对反应罐前的氧气含量进行精准实时控制，但在控制过程中，我们氧气测量由于仪器原因，测量具有0.5min左右的迟滞。同时我们的控制点距离氧气测量点间有众多管道和设备，控制效果从产生到测量点也有一段不短时间。这些都是迟滞，阻碍着我们对氧气含量的精准控制。因此建立一个Simith预估控制显得十分必要。4.建立数学模型及动态模拟与分析根据Aspen及车间设备布置图等设计源文件中收集模型所需资料；0101管氧气摩尔流率 282.23kmol/hr=78.4mol/s0220管循环气摩尔流率4270.1kmol/hr=1186.14mol/s，其中氧气含量2.8%反应器正常运行时氧气含量6.27%0114管混合气体摩尔流率 6400kmol/hr=1777.78mol/sV0101缓冲罐体积：500立方米氧气浓度检测0.5分钟。根据氧气量建立等式：（1）式中是缓冲罐内氧气浓度，是循环气体中氧气浓度，和分别是单位时间通入缓冲罐氧气和循环气体体积，是单位时间缓冲罐输出混合气体积，是缓冲罐体积。对等式两边进行微分得氧气含量变化速率等式：（2）将参数带入（2）中，在MATLABSIMULINK中依据（2）建立被控对象图2 搭建对象模型运行模块观察响应曲线图3 对象模型相应曲线根据响应曲线对比氧气含量0.0627可以发现模型搭建合理，氧气浓度稳定在6.27%。（3）假设（2）中，缓冲罐输出混合气速率不变，循环气体中氧气浓度也为常数（后续抗干扰实验中课改为变量进行抗干扰测试）。对式（2）进行拉普拉斯变换，建立数学模型的传递函数：带入参数后得：（4）其中和稳态时分别为78.4mol/s和1186.14mol/s。我们仅控制新鲜氧气输入流率来控制混合气体内氧气浓度，忽略。（5）将传递函数写成一阶惯性形式：（6）带入参数：根据相应曲线法PID控制器参数为：图4 PID控制器参数设计根据数据设计控制器后测得当没有0.5min迟滞的控制时序图：图5由传递函数构成没有迟滞系统方框图在40s时氧气浓度发生10%的波动可以发现氧气很快恢复正常。图6 没有迟滞的相应曲线现由于我们测量氧气需要30s，具有30s的迟滞图7 由传递函数构成有迟滞系统方框图图8 有迟滞的相应曲线加入迟滞后模拟可以发现被控变量直接发散，系统不稳定。5.Smith预估补偿Smith预估补偿原理的特点是预先估计出过程的基本控制输入下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使被迟延了的被调量超前反馈到调节器，使调节器提前动作，从而减小超调量和加速调节过程。其基本思想是将纯滞后环节移植控制回路外，一方面由于控制回路不包括纯滞后环节，其控制频率可大幅度提高，控制性能也被显著改善；另一方面，由于新的控制回路的输出与实际对象的输出仅包括一个纯滞后环节，稳态特性完全相同，动态特性也相似。图9 斯密斯预估补偿控制原理图图10 斯密斯预估补偿器的实现原理图根据Smith预估补偿器设计规则设计好相应模块及其动态模拟仿真图图11 根据补偿器实现图设计的方框图根据建立的模型进行动态模拟，在40s加10%的干扰后时序图：图12 补偿后的动态模拟流程图通过对比没有迟滞与有迟滞用Smith预估控制优化后的系统时序图可以发现，同样在40s处加一个10%的干扰，两个系统仅因为测量变送器迟滞，导致信号