摘要:反应釜中进行化学反应的反应物由于浓度高、反应剧烈、控制灵敏性及散热问题比较突出,而且反应釜具有非线性、多变量、强耦合、大时滞等特点,控制任务比较复杂,用经典的PID控制很难达到理想的控制效果,本文主要对反应釜的温度控制系统进行了研究,根据反应釜的工作原理,对反应釜的过程特性和动态特性进行了计算分析,建立了反应釜的热量平衡方程,并将其线性化,推导出了冷却剂对反应釜温度的传递函数模型,采用了基于查表的模糊控制和不完全微分PID控制算法相结合的控制方法并进行仿真,结果表明,控制效果明显优于改进前的PID控制效果。
1 引言
反应釜广泛应用于石油化工、医药、染料、矿冶、军工及大专院校隶属的科研单位,以其优良的密封性能克服了机械密封和填料密封无法解决的泄漏问题,是易燃、易爆、剧毒、贵重等介质加温、加压搅拌反应的优选设备,是目前国内外较理想的无泄漏反应装置。在精细化工行业中,反应釜是常用的一种反应容器,而温度是其主要被控制量,是保证产品质量的一个重要因素,也是化工生产的中心环节。
间歇式反应釜是化工生产中常用的一种反应装置,反应釜运行过程中被控过程本身的特性随着化学反应的变化产生严重的非线性现象,外部环境如化学品的种类、浓度、催化剂等扰动及传感器的量测噪声(量测聚合反温度、压力、流量、速度时随机噪声)对控制系统都会有不同程度的影响,造成间反应釜温度控制系统的大非线性、大滞后、慢时变的特点。而传统的PID控制和分程控制方式难以取得良好的控制效果,从而影响产品的质量和产量。位于间歇应釜控制基本控制级的还是以PID控制为主流,PID控制具有控制原理简单、实便、无静态误差等特点,能满足多数工业过程的需要,经过多年的发展和应用,从控制器发展到数字控制器,性能不断提高。但是对于像间歇式反应釜这样的惯性大后大、慢时变,制冷与加热切换时非线性严重、随机噪声干扰频繁的被控对象,过程模型难以确定,参数调整较为困难,即使可行,也会造成调节时间过长,很调量过大,控制就往往难以取得令人满意的控制效果。参数靠人工经验调节,自动化程度低,产品的产量和质量很难保证。因此,使用先进的控制方法与优化方法来改进PID控制方法的不足,以取得更好的控制效果和经济效益十分关键。
2 反应釜的结构和工作原理
反应釜的基本结构如图1所示,由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。搅拌容器包括筒体、换热元件及内构件。搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。釜体为一个钢制罐形容器,可以在罐内装入物料,使物料在其内部进行化学反应。为了测量釜内的各项参数,在罐内装有钢制的套管,可将各种传感器放入其中。
在进行化学反应之前,先将反应物按照一定的比例进行混合,然后与催化剂一同投入反应釜内,在反应釜的夹套内导入蒸汽加热使釜内物料的温度升高,通过搅拌器的搅拌使物料均匀并提高导热速度,使其温度均匀。
当釜内温度达到预定的温度时,保持一定时间的恒温以使化学反应正常进行,反应结束后进行冷却。有时在恒温后还要进行二次升温和恒温。恒温段是整个工艺的关键,如果温度偏高或偏低,会影响反应进行的深度和反应的转化率,从而影响了产品的质量。化学反应过程中一般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。也就是说,若某种扰动使反应温度有所增加,反应的速率就会增加,放热速率也会增加,会使反应温度进一步上升,甚至会引起“聚爆”现象,使釜内的产品变成废品,并且会影响安全生产。按照工艺要求,这些反应一般要经过加热、恒温、冷却等过程,当原料配比、浓度确定以后,准确控制反应的温度是保证产品质量和产量的关键[5]。为了使釜温稳定,在夹套中通以一定的冷却介质,来移走反应放出的多余热量。通过调节流入反应釜夹套中冷却介质的流量,来控制反应釜内物料的温度使之符合工艺要求。
本文以间歇式反应釜为研究对象,在实际使用中需要检测釜内的温度、压力和液位三种状态信号,系统的主要控制的参数是温度,反应温度设定在80℃,液位的控制主要在加入原料、物料等阶段,在到达指定液位后,系统将自动关闭进料阀门。
3 反应釜的动态特性分析
3.1反应釜温度动态特性方程
对化学反应釜,根据化学反应中的热量平衡关系,可知:反应系统内热量的储蓄量变化率=±单位时间内化学反应的热效应(吸热反应取－,放热反应取+)是单位时间内与外界热交换量(向外散热取－,从外界吸收热量取+)。假设反应釜夹套内容积和密度都保持不变,忽略热交换过程中的热量损失,可得以下方程:反应釜内的热量平衡算式
式中V——反应釜内物料的容积;
p——反应釜内物料的平均浓度;
cp——反应釜内物料的平均比热;
Q——反应釜内温度;
A——反应釜间壁的传热面积;
U——反应釜间壁的总传热系数;
QCO——冷剂的出口的温度;
△H——摩尔反应热(吸热为正,放热为负);
CA——反应釜内物料的浓度。
夹套内冷剂的热量平衡算式
3.2模型线性化
式(4)和(5)是表示反应釜温度动态特性的基本方程,均为非线性方程。为了便于应用线性控制理论来分析小扰动下的动特性,对式(4)和(5)进行线性化(在写增量方程时,为简化写法,D一律从简,各变量上方的“-”表示稳态值),可得以下矩阵形式的线性方程
3.3温度通道传函模型
将式(6)进行拉氏变换,经整理得
以上得到的是开环系统的传递函数,从上式可推导,当反应放热小于冷剂吸热时,开环是稳定的。故可根据式(8)设计开环调节的控制器。
方程推导过程中作了许多假设,如认为冷剂阀门的流量在开度一定的情况下是稳定的,但实际中由于工厂设备等原因,往往不容易做到这一点。故在实际使用时,我们是以给定温度与实际温度的差值作为输入量,构成闭环系统。这样做的好处是,即使由于外界因素,使系统开环不稳定,我们也可以通过不断的调节控制量,使闭环系统达到动态稳定。
4 反应釜控制系统设计
4.1改进的PID算法
为了适应不同被控对象,工程上有多种改进的PID算法。本论文采用一种不完全微分的PID算法。这种方法是在标准PID算法的微分环节上加上一个一阶惯性环节,它可以克服完全微分的缺点,可更好地完成反应釜稳定控制的需要,改进后的传递函数为:
由以上各式可以看出,引入不完全微分后,与标准PID算法相比,微分输出在个采样周期内的脉冲高度下降,此后又按(0)daku的规律逐渐衰减。所以不完全微分能有效地克服完全微分的缺点,具有较理想的控制特性。图2为两种微分作用的比较,从中可以清楚地看到这种算法的优点。其中a)为普通PID,b)为不完全微分PID。PID控制器在工作点附近具有良好的控制性能,偏离工作点较远时,由于控制对象的非线性而难以保证系统的动态品质,于是采用模糊控制算法可以较好地解决这个问题。
4.2 模糊一PID复合控制策略
PID控制器在工作点附近具有良好的控制性能,偏离工作点较远时,由于控制对象的非线性而难以保证系统的动态品质。而模糊控制的特点是在偏离工作点较远的区域可明显改善控制的动态性能,并且对模型参数时变对象的控制比PID控制具有更强的鲁棒性,但模糊控制器的稳态精度较差,且在工作点附近容易产生很限振荡。因此,可以设计这样一种控制器:在误差较大时采用模糊控制,使系统以很调较小的良好动态特性趋近设定值;在误差较小,即趋于稳定时采用PID控制算法,发挥PID控制精确、静态误差小等优点,改善系统的静态特性。模糊-PID复合控制是模糊技术与常规PID控制算法相结合的控制方法,当温度偏差较大时采用模糊控制,响应速度快,动态性能好;当温度偏差较小时采用PID控制,使其静态性能好,满足系统控制精度,两者的转换根据事先给定的偏差范围自动实现。因此模糊-PID复合控制,既保持了PID控制的稳态误差小、稳定性好的优点,又具有模糊控制自适应和调节速度快的特点制输出。这种复合控制器算法简单,实时性好且响应速度快,能有效消除稳态误差[8],其原理框图如图3所示。
反应釜由于本身具有较大的时变性、非线性和时滞性,尤其是在其升温段向恒温段过渡的拐点附近,采用PID控制会产生较大的很调,控制效果非常不理想,而模糊-PID复合控制对于时滞较大的被控对象表现出较好的控制效果。
5 仿真分析
为了便于比较,在MATLAB的SIMULNK环境下按以下两种控制方案进行仿真:
(1)采用传统的PID控制
(2)采用模糊-PID控制,大偏差范围内采用模糊控制,而在小偏差范围内转换成PID控制,两者的转换由程序事先给定的偏差自动实现。
仿真结果如图4所示(曲线1是传统的PID控制的仿真曲线,曲线2是模糊-PID控制的仿真曲线)。由响应曲线可见,与传统的PID控制相比,采用模糊-PID控制可以获得较好的控制效果,不但可使系统无很调、响应快,具有抗参数变化的鲁棒性,而且可对系统实现高精度控制。
6 结束语
分析了反应釜工作特点,给出了其动态特性及传函模型,研究了改进的PID控制算法和基于查表的模糊控制算法,提出了模糊控制与PID控制结合的控制策略,仿真实验结果表明采用模糊-PID控制可以获得较好的控制效果。
提示：（本文原标题：基于模糊-PID的小型反应釜控制系统设计）
