淺談連續(xù)攪拌反應(yīng)釜溫度控制方法

袁中艷（青島伊科思技術(shù)工程有限公司山東 青島266042）

周友剛（青島天蘭環(huán)境工程有限公司山東 青島266042）

張明（青島伊科思技術(shù)工程有限公司山東 青島266042）

反應(yīng)釜是化工生產(chǎn)過(guò)程中比較常用的化學(xué)反應(yīng)器，它不但可以均勻的反應(yīng)，非均相反應(yīng)也是支持的，如液體和固體，液體，氣體和液體的反應(yīng)。一般情況下，反應(yīng)釜內(nèi)部都有攪拌裝置，可以使反應(yīng)器中反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)物料的濃度均勻，對(duì)連續(xù)攪拌反應(yīng)釜溫度控制方法的研究，對(duì)保證反應(yīng)釜的穩(wěn)定操作有重要意義。

一、連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

連續(xù)攪拌反應(yīng)釜是由兩部分組成的，即攪拌容器和攪拌機(jī)，攪拌容器包括筒體，熱交換元件和組件，其中筒體是一個(gè)鋼罐式集裝箱，可安裝在罐型的材料，在其內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，為了保持反應(yīng)溫度，對(duì)反應(yīng)釜需要設(shè)置換熱元件。

在化工生產(chǎn)中，應(yīng)嚴(yán)格按照反應(yīng)物的配比混合均勻，然后將反應(yīng)混合物均勻化，加入催化劑在連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器，在夾套反應(yīng)器中，通過(guò)一定數(shù)量的蒸汽來(lái)維持反應(yīng)器的溫度混合料，然后攪拌均勻，用攪拌器提高熱傳導(dǎo)速度，從而使受熱均勻。

二、連續(xù)攪拌反應(yīng)釜溫度控制難點(diǎn)

首先，化學(xué)反應(yīng)和物理反應(yīng)貫穿生產(chǎn)過(guò)程始終，生化反應(yīng)的變化，相變過(guò)程與物質(zhì)和能量的傳遞，這個(gè)過(guò)程比較復(fù)雜，反應(yīng)釜是一個(gè)大的熱容量，控制著反應(yīng)對(duì)象的純滯后時(shí)間，形成一個(gè)非線性變化的傳熱介質(zhì)的傳熱系數(shù)，并在外部環(huán)境的變得更敏感。

其次，在反應(yīng)過(guò)程中，由于其復(fù)雜性和非線性的放熱化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致傳熱介質(zhì)的非線性傳熱系數(shù)增大，對(duì)外部干擾的影響變得敏感，所以控制有一定的難度，在反應(yīng)熱去除的同時(shí)，若不及時(shí)，受熱不均勻的話，反應(yīng)溫度會(huì)一直在上升，容易因局部過(guò)熱而造成的“失控”的現(xiàn)象。

三、連續(xù)攪拌反應(yīng)釜溫度控制方法

一般情況下，化學(xué)反應(yīng)都具有復(fù)雜性與非線性，因此任何一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都無(wú)法僅僅使用一種控制方式就能達(dá)到理想的效果，并且隨著科技信息技術(shù)的發(fā)展，很多智能控制方法被廣泛應(yīng)用于連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的溫度控制上，而且取得了一定的成績(jī)。

1、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制

這個(gè)預(yù)測(cè)控制主要由參考軌跡，預(yù)測(cè)模型，模型校正，滾動(dòng)優(yōu)化四個(gè)部分組成，主要研究對(duì)象為一個(gè)單輸入單輸出的離散時(shí)間非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，可用NARMAX模型（非線性自回歸滑動(dòng)平均模型）描述為如下：

其中y(k)和u(k)分別為過(guò)程在時(shí)刻k的輸出和輸入變量，n和m分別為其階次，f為連續(xù)非線性函數(shù)，其中其中預(yù)測(cè)模型部分采用的是前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)在預(yù)測(cè)模型中，輸入數(shù)據(jù)的選取不當(dāng)使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法很容易陷入到局部極小或者網(wǎng)絡(luò)不能收斂，為避免這種問(wèn)題的發(fā)生，輸入數(shù)據(jù)需要進(jìn)行歸一化處理。對(duì)于（3.1）所描述的控制對(duì)象，可采用圖3.2所示的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立預(yù)測(cè)模型。

圖BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

其一步預(yù)測(cè)輸出為：

其中網(wǎng)絡(luò)的輸入，網(wǎng)絡(luò)的輸出分別為：

還有為了使特定時(shí)間的輸出y(k)平穩(wěn)過(guò)渡成設(shè)定值yr(k)選用一階濾波方程：

使用此類參考軌跡，減少了過(guò)剩的影響，使系統(tǒng)的輸出能夠順利達(dá)到閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)定值，在這里它的動(dòng)態(tài)特性和棒性將起到非常重要的作用。優(yōu)化性能指標(biāo)是滾動(dòng)優(yōu)化和以時(shí)變化。系統(tǒng)控制本次性能指標(biāo)函數(shù)為：

其中：其中N為預(yù)測(cè)時(shí)域，λ為控制加權(quán)因子，Nu為控制時(shí)域，y∧(k+i)為y(k)的向前第i步預(yù)測(cè)。

在一般情況下，類似的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制是一種基于閉環(huán)控制策略優(yōu)化模型基礎(chǔ)上的算法，其核心是利用動(dòng)態(tài)模型可以預(yù)測(cè)未來(lái)的過(guò)程和行為，其中，模型誤差反饋校正機(jī)制的引入，用軋制有限時(shí)域優(yōu)化策略，重復(fù)的地方目標(biāo)在線優(yōu)化，以獲得最佳的實(shí)際控制的模型失配和避免引起的不確定性干擾。

2、自適應(yīng)控制

由于化學(xué)反應(yīng)本身就是一個(gè)時(shí)變非線性系統(tǒng)，每個(gè)反應(yīng)階段都表現(xiàn)出顯著不同的情況，因?yàn)檫^(guò)程模型是未知的，自適應(yīng)控制是基于參數(shù)未知的系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，參數(shù)自適應(yīng)控制會(huì)隨系統(tǒng)的行為的變化發(fā)生相應(yīng)的變化，以適應(yīng)其變化特征，保證了整個(gè)系統(tǒng)的性能滿足要求。雖然復(fù)雜的自適應(yīng)算法在一定程度上影響了自適應(yīng)控制的實(shí)際應(yīng)用，但與自適應(yīng)控制理論的發(fā)展是符合的，在控制反應(yīng)器的自適應(yīng)控制方面將有更大的發(fā)展前景。

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