復合肥反應釜溫度控制系統的探究

褚向前

(合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009)

復合肥生產線是一個涉及到溫度、壓力、濃度、流量等多種因素的復雜系統，生產過程的質量很大程度上取決于工藝參數(如溫度、壓力、流量等)的控制。因此，控制方案的優化設計、物料在生產過程中的溫度、壓力、流量和組分等穩定，可大大提高產品的質量和產量，達到穩定、可靠、優質生產和節能降耗的目的，從而提高生產效率，增加企業經濟效益。本文將模糊-PID復合控制策略應用于復合肥轉化和復肥工段反應釜溫度控制，利用模糊控制的快速動態響應及PID控制的穩態性能，實現反應釜溫度的快速、穩定控制[1]。

某化工集團有限公司是國家化肥行業的骨干企業，是以生產硫基三元復合肥為主的國有大中型企業。三元復合肥生產分為3個工段：磷酸和硫酸工段、轉化和復肥工段、造粒工段。其中，在轉化和復肥工段，先在反應釜中按比例加入硫酸和氯化鉀，加溫至160℃并恒溫固定時間后進入收集槽，然后在收集槽加入磷酸，混合后經混酸泵打入管式反應器，最后向管式反應器加入中和氨氣，生產成品料漿。本工段中，控制好反應釜的溫度，是保證產品質量關鍵。因此對關鍵工藝參數——溫度必須進行控制[2]。

1 控制方案選擇

本系統反應釜溫度受進料物料溫度、進料物料多少、供熱蒸汽閥門開度、周圍環境等影響，具有典型的非線性、分布參數、時滯和大慣性等特點，無法建立精確數學模型，用傳統的控制算法難以滿足要求。針對此情況，可采用模糊算法，自適應算法和神經元算法等方案。而模糊算法因其運算量小，實現相對容易，控制效果好，本文采用此算法。在線性控制理論中，積分控制作用能消除穩態誤差，但動態響應慢；比例控制作用動態響應快；而比例積分控制作用既能獲得較高的穩態精度，又能具有較快的動態響應。故把PID控制策略引入模糊控制器，構成Fuzzy-PID復合控制，使動靜態性能都能得到很好的改善，即達到動態響應快，超調小、穩態誤差小。因此，本文將采用模糊-PID控制策略，從而使系統既具有較快的動態響應性能，又能滿足一定的穩態精度。

2 控制系統設計

復合肥轉化和復肥工段反應釜溫度所需條件，要求實際溫度在目標溫度上下2C范圍內變化，即滿足。根據此要求可以設計模糊-PID控制器，當時，從模糊控制階段切換到PID控制階段。系統結構如圖1所示。

本系統模糊控制采用二維模糊控制器。選擇反應釜溫度偏差E，溫度偏差變化率EC作為系統的輸入變量，供熱蒸汽閥開度變化量△U作為輸出變量。

對于本文設計的模糊控制器，采用經驗歸納法設計模糊控制規則，再結合現場調試經驗作局部調整。根據設備的實際控制經驗，得出模糊控制規則

如表1所示。

本文PID控制器選用增量式，并且控制器在誤差減小到C范圍內才發揮作用。因此PID控制的主要目的在于盡可能消除系統靜差，提高調節精度，而響應速度的要求可以適當放松。所以應適當減小比例系數，增大積分作用系數，而只要適中即可。通過多次實驗調整，本文選取的PID參數如下：

圖2 仿真結果對比

3 系統仿真與分析

該控制模型建立和仿真是在MATLAB環境下進行的。反應釜溫控系統可以用二階的純滯后環節和一階慣性環節表示。經過多次實驗，建立模型如下：

式(1)中，K 為增益，T1，T2 為時間常數，為滯后時間。選擇一組參數：K=1.36，T1=560，T2=350，=26。在單位階躍輸入下，分別用常規PID控制、模糊控制和模糊-PID控制算法進行了仿真，仿真結果如圖2所示。可以看出，PID控制時，超調量較大，穩態時間較長。模糊控制時，超調量減少，穩態精度提高，過渡時間縮短。模糊-PID控制時，超調量最少，過渡時間進一步縮短。

將模糊-PID應用到反應釜溫控系統系統中，設采樣周期為30s,反應釜溫度目標值為160℃，溫度變化曲線如圖3所示。可以看出，控制系統的上升時間為270秒，過渡時間短，響應速度快，到達目標值輸出穩定，誤差較小，精度高。

4 結論

采用FUZZY-PID控制結構，對非線性、難以建立精確數學模型的反應釜溫度對象進行控制，既具有模糊控制魯棒性強、快速響應的特點，又具有PID控制消除靜態誤差、控制精度高的優點，現場運行實踐證明，此復合控制方式控制精度在±2.0℃，控制精度更高，控制效果更好。

[1]文樂.透平壓縮機組的模糊PID控制與特性研究 [J].西安交通大學學報,2011,45(7):76-81.

[2]Onur Karasakal,Mujde Guzelkaya,Ibrahim Eksin,et al.An error-based on-line rule weightadjustmentmethod forfuzzy PID controllers[J].Expert Systems with Applications，2011,38(8):10124-10132.