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智能控制方法在反应釜温度控制中的运用_图文

智能控制方法在反应釜温度控制中的运用

谢森林, 等

智能控制方法在反应釜温度控制中的运用
A pp lication of Intelligen t Control in T e m perature Con tro l for R eact ion St ill

谢森林


王钦若

杜玉晓
510006)

( 广东工业大学自动化学院, 广东 广州

要 : 针对间歇反应釜生产过程中存在的自动化控制水平相对落后、 工人劳动强度大、 控制精度低、 主产率不理想等问题 , 提出了

基于西门子 PCS7的智能化自动控制系统。首先介绍了系统的总体设计方案, 然后叙述了智能控制器的设计和硬件组成, 最后就 M at lab仿真和实际运行效果进行了分析总结。使用串级控制算法 (外环使用模糊专家 P I D 参数自整定系统控制温度, 内环使用 P I D 来抑 制扰动 ) 有效地解决了生产中存在的主要问题 , 为产品质量产量提供了有力的保障。 关键词 : 纯时滞系统 时变非线性 模糊自整定 专家控制器 串级控制 中图分类号 : TP273+ . 1 文件标志码: B

A bstract : Am i ing at the prob le m s ex isting in production process of inter m ittent stills , e . g . , poor leve l in auto m ation, intensive labor ofwork ers , contro l accuracy , and insufficient production efficiency , an intelligent auto m atic control syste m based on S ie m ens PCS7 is proposed . The genera l design sche m e o f the syste m is introduced firs, t then the design and hardw are co m position o f intelligent controller is described in detai, l and the sm i ulation based onM a tlab and practica l operation effects are ana lyzed and summ arized finally . The m ain proble m s ex isting in produc tion have been e ffectively reso lved by adopting cascade contro l algor ithm ( fuzzy expert P I D self tuning te m perature contro l as the outer loop, and PI D disturbance suppression as the inner loop). The qua lity and y ie ld of products are guaranteed. K eyw ords : D ead tm i e syste m Tm i e vary ing non-linearity Fuzzy self tuning Expert controller Cascade contro l

0 引言
反应釜是化工生 产过程 中的关 键设 备之一, 同时 也是主要的能耗设备, 它具 有非线 性、 时 变、 大滞 后等 特性, 是一个涉及多 种因 素的复 杂系统。 产品的 质量 在很大程度上取决于工艺参 数 (主要 是温度、 压力 )的 控制。因此, 设计在线控制手段, 保证物料在加工过程 中的温度和压力变 化符合理 想的 工艺曲 线, 将大 大提 高产品的质量和产量, 达到 优质、 稳 定、 可 靠和节 能降 耗的目的。从而提高生产率, 增加企业的经济效益。 目前我国整个化工行业反应釜 生产过程的自动化 控制水平相对落后, 许多工艺参数基 本上靠人工 调节, 工人劳动强度大、 控制精度低, 很难达到 较高生产工艺 的要求; 另外, 生产受人为因素的影响较大, 产品质量不 稳定, 能源、 原材料的消耗相当大 。另一方面, 较多企 业的反应釜控制算法采用了相对落后的 P I D 算法。 P I D 其算法简单、 鲁棒性好、 可靠性高, 被广泛应用于工业过 程控制, 尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制 系统。而搅拌釜 式反应器系统 是一个非线 性、 时 变、 大
修改稿收到日期 : 2007- 11- 08 。 第一作者谢森林 , 男 , 1982 年生 , 现为广东工业大学自动化学院控制 理论与控制工程专业在读硕士研究生 ; 主要研究方向为现代自动化装备 与控制技术 。
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滞后的, 间歇反应过程。其过程模型 难以确定, 参数整 定比较困难, 并且在实际生产过程中温度控制受工况变 化的影响大, 调节时间长, 从而导致超调量大, 控制效果 不佳。因此, P I D 对于间歇 搅拌反 应釜这类 非线性、 时 变和大滞后过程难以实现精确的控制。 本文提出外环使用模糊专家 P I D 参数自整定系统 控制温度, 内环使用 PID 来抑 制扰动 的串 级控制 的智 能控制算法, 硬件 控制 平 台则 使用 西门 子 的 PCS7 系 统。

1 控制对象描述
控制对象为带搅拌 釜式 反应器 系统, 该系统 属于 间歇反应过程。反 应过 程为 反应 物 A 与 反应 物 B 在 催化剂 C 的作用下 发生反 应, 生成 产物 D。反应 初期 用热水诱发, 当反应开 始后由 冷却水 通过 蛇管与 夹套 进行冷却。该反应分 3 个阶段: 升温阶段; 加热诱发反应阶段; 保温阶段。 A、 B、 C 三种 反应物的 混合

物料在适度加热后, 将发生复杂的化学反应, 产生反应 最终产物 D 及其副产物。缩合 反应不 是一步合 成, 反 应过程还伴 有副 反应 发生。每 釜生 成的 产 物 D 得 产 率的高低与这个副反应有密切关系。主反应的活化能 高于副反应, 因 此, 提 高反 应温 度 有利 于主 反 应的 进 行。但是反应中如果升温过快、 过高, 可能造成反应失

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谢森林, 等 虽然模糊控制器具 有超 调小、 鲁 棒性 强和对 系统 非线性好的适应性等优点, 不过, 模糊控制也存在三大 缺点。第一, 由于简单的模糊信息处理, 使得控制系统 的精度降低。要提高精度就必须提高量化程度; 第二, 模糊控制器结构和知 识表示 形式两 方面 存在单 一性, 所以难以处理在控制 复杂系 统时所 需要 的启发 知识, 也使应用领域受到限制; 第三, 当系统非线性的程度比 较高时, 所建造的模糊 控制规 则会变 得不 完全或 不确 定, 所以控制效果会变差, 建造一种新的控制系统 专家模糊控制系统, 能 够在一 定程度 上弥 补模糊 控制 器的不足。温度控制 原理如 图 1所 示, 专 家控制 器以 模糊控制器和反应釜的实时压力值作为输入。通过专 家规则的判断, 可以输出更加合理的冷却阀门开度值, 并且方便实 现控 制 过程 中各 种紧 急 情况 的应 对和 处 理。通过加入专家控制 器, 我 们就可 以方 便地实 现保 温阶段冷却阀门和蒸汽阀门之间的切换。同时也可以 实现对压力的监控
[ 6]

控, 甚至有爆炸危险。 保温阶 段的 目的是 尽可能 多地 获得所期望的产物。为了最大限度地减少副产物的生 成, 必须保持较高的 反应 釜温度。 保温阶 段必须 严格 维持釜内压力和温度, 当温度压力有所下降时, 应向夹 套内通入适当蒸汽 以保 持原有 的釜温、 釜压。本 间歇 反应的物料 特 性差 异大; 反 应 属于 放 热过 程, 由于 A 物料易燃易爆, 冷却操作不当会发生剧烈爆炸; 反应过 程中有主副反应的竞争, 必须设法抑制副反应, 然而主 反应的活化能较高, 又期望较高的反应温度。

2 系统结构
模糊控制不依赖 于精确 的数学 模型, 它是根 据系 统的动态信息和模糊控制规则进行推理以获得合适的 控制量, 具有较强的鲁棒性。因此, 在传统 P I D 控制的 基础上, 结合模糊控 制对 P I D 控制 器参数 进行在 线自 校正, 设计出自校正模糊 P I D 控制器, 以适应搅拌反应 釜系统的参数变化和工况的变化
[ 1]





图 1 温度控制原理图 F ig. 1 P rinc ip le o f temperature control

当冷却水压力变化时 (在现场这种干扰时有发生 ), 即使阀位不变, 冷 却水流量也会变化, 冷 却水带走的热 量就会有波动, 最 后造成反应器中物 料温度产生 偏差, 所以总体采用温度 - 流量串级控制。温度作为主对象, 流量作为副对象。温度和流量作为整个 反应最主要的 控制量, 温度控制属于滞后控制过程。采用温度 - 流量 串级控制, 能够提 高主参数温度的控 制质量, 流量副回 路的引入, 主要是 用于克服控制阀的 流量压力波 动, 以 及对流量开度的影响, 使流量变化平缓。串级控制系统 可以迅速控制流量副回路的扰动, 副回路起到迅速的粗 调作用, 主回路起进一步的细调作用。而且允许副回路 内各个环节的特性在一定范围内变 动而不影响整个系 统的控制品质, 符合流量回路存在干扰的特性。

修改, 就构成了自适应模糊 P I D 控制器。 PI D 参数模糊自整定是找出 P I D 三 个参数与 e 和 ec之间的模糊关系, 在运行中通过不断检测 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 e和 ec对控制参 数的不同 要求, 从 而使得被 控对 象有良好的动静态性能。 3. 2 PID 初始参数设置 对于 P I D 的 初始参 数 的整 定采 用经 典 的 Z ieg ler N ichols来整定。 3. 3 确定模糊控制器的论域 因为温度 t的 要求 控制 范围 为 45 ~ 121 持温度值 121 75] , 用保 ,即 减去开始加热控制的温度 t= 45

c 为基 本 论 域, 所 以 温 度 偏 差 e 基 本 论 域 取 作 [ 0, 。通过尺度变换, 输入的温度变 换到 [ - 3, 3] 范 围内, 尺度变换公式为 tin = ( t- 38 ) /13, 再取其模糊子 集论域为 { - 3, - 2, - 1 , 0, 1, 2, 3 }, 即离 散点 数为 7。 量化因子为: K t in = ( 离散点数 - 1) = 6 /76 实际变化范围 0 08 ( 1)

3 模糊自适应整定 P I D 控制器设计
3. 1 模糊控制器结构设计 自适应模糊 P I D 控制器以误差 e和误差 变化率 ec 作为输入, 可以满足不同时 刻的 e和 ec 对 P I D 参数自 整定的要求。利用模糊控制规则在线对 P I D 参数进行

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智能控制方法在反应釜温度控制中的运用 同理 可以 得到 温度 变化 率 C in及控 制 量 和 kd 量化因子为 60、 1、 50和 10。 模糊变量误 差 tin ( 经过 尺 度变 换的 输入 误 差, 误 差变化率 C in同理 )、 误差变化 C in及 P I D 参数 的变化量 k p、 k i 和 k d 的 模糊 集和 论域 确定 后, 接 着对 模糊 语言变量确定隶属函数, 也就是对模糊变量赋值, 确定 论域内元素对模糊语言变量的隶属度。根据上述对论 域的设计, 我们可以得 到模糊 变量误差 tin隶属度 函数 (除了 NB 使用 zm f Z 型隶属 度函数、 PB sm f S 型隶 属度函 数外, 其 他 全 部使 用 和 trm i f 三 角 型 隶属 度 函 k p、 k i 数 ), 对于温度变化率 C in及 P ID 参数的变化量 kd 的隶属度函数大致跟 tin相似。 3. 4 确定模糊变量的赋值表 kp、 k i

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从系统稳定性、 响应速度、 超调量和稳态精度等各 方面来考虑, 比例系数 kp 的作用 是加快系统的 响应速 度, 提高系统的调节精度。积分 作用系 数 k i 的作 用是 消除系统的稳态 误差。 k i 越 大, 系统 的静 态误差 消除 越快, 但是 k i 过大, 在响 应过程 的初期 会产 生积 分饱 和现象, 从而 引起 响应 过程 的较 大超 调。若 k i 过小, 将会使得系统静态误 差难以 消除, 影 响系 统的调 节精 度。微分作用系数 k d 的作用是改善 系统的动态特性, 它的作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的 变化, 对偏差变化进行 提前预报, 但 k d 过大, 会使得响 应过程提前制动, 从而延长调节时间, 而且会降低系统 的抗干扰性 能。根 据 p、i、 d 各参 数 的作 用, 得到 表 1 所示的模糊规则表。

表 1 模糊规则表 T ab . 1 T ab le of fuzzy ru les
kp 、 k i、 k d NB NB NM NS tin ZO PS PM PB PB \ N B \PS PB \ N B \PS PM \NB \ZO PM \NM \ZO PS \ NM \ZO PS \ZO \PB ZO \ZO \PB NM PB \NB \NS PB \NB \NS PM \ NM \NS PM \ NM \NS PS \NS \ZO ZO \ZO \ NS ZO \ZO \PM NS PM \NM \ NB PM \NM \ NB PM \NS \NM PS \NS \NS ZO \ZO \ZO NS \PS \PS NM \PS \PM C in ZO PM \NM \NB PS \ N S \NM PS \ N S \NM ZO \ZO \NS NS \P S \ZO NM \PS \P S NM \PM \P M PS PS \NS \ NB PS \NS \ NM ZO \ZO \ NS NS \PS \ NS NS \PS \ZO NM \PM \PS NM \PM \PS PM ZO \ZO \NM ZO \ZO \NS NS \PS \NS NM \PM \ NS NM \PM \ZO NM \PB \PS NB \PB \PS PB ZO \ZO \P S NS \ZO \ZO NS \P S \ZO NM \PM \ZO NM \PB \ZO NB \PB \PB NB \PB \PB

3. 5 去模糊化 去模糊化 的 方法 采用 Centroid (面 积 中心 法 或者 称为重心法 ), 也就 是计 算隶 属 度函 数曲 线包 围 区域 的重心。所以 kp、 k 、 kd 分别为: i x k i (x ) dx , x k p (x ) dx
x

针对反应的时滞, 在控制过程中引入死区的方 法, 对温度进行间断性微量调节, 能有效地解决时滞特 性并避免超调, 提高控制精度 态误差。 反应压力随 反应温 度成 正比例 变化。反 应压 力的改变实质上是温 度变化 的前奏, 而压 力的变 化及 其测量变送都要比温度的变化和测量快。反应压力作 为安全报警, 不仅可以作为对反应器安全的判断指标, ( 2) x k d ( x ) dx
x

[ 9]



误差的绝对值 很小 时, 应当 加入积 分, 减 少稳

x k p (x ) dx kp =
x

ki =

x

x k i (x ) dx
x

x k d ( x ) dx kd =
x

而且它的测量变送快 的特点, 使得采 取安 全措施 的时 间留有一定的裕度。 通过专 家规则 对压 力进行 监控, 当压力超标时, 作出 相应的 应对 措施。比 如压力 超过 相应 温度下 对应 压力的 6% 时即产 生报警 信号; 当冷 却阀门已经开到最大还是无法抑制温升的时候就要打 开高压水阀门进行强 行冷却; 当开启 高压 水泵后 仍无 法压制反应时, 则应当 关闭 搅拌电 机, 减 慢反应 速度; 当采取了以上措施后 仍然无 法抑制 温升 的时候, 就只 能打开放空阀门进行 强行泻 压, 一旦 压力 有所下 降就 应当关闭放空阀门
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最后根据已经得出的 kp、 k 、 kd, 修正 PI D 参数 i kp = kp + kp ki = k i + ki k d = kd + kd ( 3) 式中: kp 为经过 模糊 控制 其修 正 的 P 参 数; kp 为 模糊 PI D 参数中设定 的原 始 P 参 数; 的校正, k 、 i kd 同理可得。 kp 为模 糊控 制 器通 过当前的温度 偏差 t 和温度 变化 率 dc 推导 出 P 参数

4 专家控制器的设计
专家控制器是根据以下几种情况进行设计的:
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通过在控制回路中 加入 这个专 家控制 器, 不 仅提

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高了控制精度, 同时也提高了系统的安全性和稳定性。

5 硬件设计
系统的硬件结 构体系 从上位 机、 网 络层、 控 制层、 设备层, 结合 PCS7系统, 构建了一个 控制框架, 如 图 2 所示。系统 选用 西门 子 的 S7-300PLC, PLC 与 上 位机 采 用工 业以 太网 通 信方 式, CPU 313C-2DP 扩 展 以太 网模块 CP343-1通过 外部 R J45 适 配器连 接到工 业以 太网。 系统操 作站 和服务 器之 间采用 100 M bp s标准 工业以太网, 充分开放 的结构 使得 系统具 有很好 的扩 展性, 可以与其他网络 (如 M IS、 ERP )进行 连接。通过 S7 CPU 与远程站通过 P ro fibus-DP 接口连接, 实现与各 远程 I/O 站的通信
[ 8]



图 2 控制系统的 网络结构图 F ig . 2 N etw ork structure of contro l system

图 3 PI D 控制与专家模糊控制效 果对比图 F ig . 3 Co m parison of the contro l effects betw een traditiona l P I D and expert fuzzy control

6 系统仿真
使用实验测得的数据, 通过神经网络建模, 得到对 象的模型是二阶滞后 系统, G ( s) = 1 10 1s e 。 PID s( s + 2)

和实际运行证明: 该系 统对反 应釜的 温度 控制系 统的 自动化程度、 智能程度、 控制 精度、 抗 干扰 能力等 方面 都取得理想效果, 并且具有完善报警和安全措施, 提高 了产品的产量和质量, 降低了能耗, 提高企业效益。
参考文献
[ 1 ] 杜玉晓, 吴敏, 曹卫华, 等. 煤 气加热 炉分布 式智能 优化控 制系 统 [ J]. 小型微型计算机系统, 2005( 9): 1647- 1651. [ 2 ] 奕义忠. 三元复合肥智能过程控制系统 [D]. 济南: 山东大学, 2006 . [ 3 ] 杜玉晓, 吴敏, 桂卫华. 铅锌烧结过程智能集成优化控制技术 [ J]. 控制与决策, 2004, 19 ( 10): 1091- 1096. [ 4 ] 孙优贤, 褚健. 工业过程控制技术: 方法篇 [M ]. 北 京: 化学工业 出版社, 2006 : 114- 137 . [ 5 ] 孙优贤, 邵惠鹤. 工业过程控制技术: 应用篇 [M ]. 北京: 化学工 业出版社 2006 : 78 - 95 . [ 6 ] 刘金锟. 智能控制 [M ]. 北京: 电子工业出版社, 2004 : 139- 230 . [ 7 ] 高鸿 斌, 孔 美 静, 赫 孟 合. 西 门 子 PLC 与 工 业 控 制 网 络 应 用 [M ]. 北京: 电子工业出版社, 2006 . [ 8 ] 刘金 琨. 先进 PID 控 制 M atlab 仿真 [ M ]. 北 京: 电子 工业 出版 社, 2005 : 94 - 129 .

控制通过 Z iegler -N ichols整 定后再通过 微调, 得到 PID 参数为: K p = 0 26; T i = 0 000 3; T d = 0 1。为了 更好 地模仿工业生产过 程, 本文在 仿真 过程中 加入了 白噪 声。普通 P I D 控制与加入专家模糊控制的效果对比如 图 3所示。在整个反应中, 在 t = 600 s处突 加一扰动。 相对模糊专家控制而言, P I D 控制有 较大的超 调, 而且 在抗扰动能力上, P I D 控制明显不如模糊专家控制。

7 结束语
将参数自适应模糊 P I D 专家控制器应用于反应釜 的串级温度控制的 方法, 对系 统的 动态性 能有较 明显 的改善, 特别是在抗干 扰、 跟 踪快速、 控制 精确和 无超 调等方面, 优于传 统的 P I D 控制方 法。 经 M atlab 仿真

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