基于模糊PID控制的帶攪拌釜式反應器過程溫度控制的仿真與應用

摘 要：針對聚合反應釜溫度控制系統常規控制方法難以實施有效控制的問題，文章將模糊控制算法與PID算法相結合，通過系統模態辯識、控制性能辯識、知識推理，設計了一種模糊自適應PID控制器，通過Matlab仿真，表明該控制器具有使系統超調量小、調整時間短、魯棒性好且算法簡單等優點，為提高聚合反應釜的控制性能提供了一條有效、簡便的控制方法。

關鍵詞：模糊控制；帶攪拌釜式反應器；PID參數整定；溫度控制

引言

化學反應釜是化工生產中一類非常重要的反應器，主要的控制量是反應釜的溫度。帶攪拌釜式反應器的主要動態特性包括工況多變、非線性、時滯性、不穩定性和負荷干擾，無法建立精確的數學模型，參數調整比較困難。目前，化工自動化的常規PID控制方法存在著調整時間過長、超調量過大等缺點，控制效果往往不佳。針對化學反應釜常規控制方法難以實施有效控制的問題，文章通過系統模態辯識、控制性能辯識、知識推理，給出了控制器參數的整定和優化方法。將該控制策略應用于帶攪拌釜式反應器過程溫度系統，實現了良好的控制效果。控制系統操作靈活，反應參數，特別是反應釜溫度控制穩定準確，能夠滿足多種工藝要求，具有較為廣泛的適用范圍。

控制過程能夠嚴格跟蹤溫度工藝曲線，進而保證產品質量和產量，其溫度穩態偏差在±1%范圍內，額定負荷擾動下，其主要參數滿足合成反應運行需求。

1 化學反應釜的工藝特點

反應釜是化工企業化學合成生產過程中最主要的生產裝置，是化學反應發生的基礎載體，最常見的反應釜是帶攪拌式反應釜（CSTR），反應過程連續進行。生產時，首先按照配比投入規定量的原料，然后向反應釜夾層通入高溫蒸汽，加熱釜內溫度，直至達到反應所需溫度。聚合反應會放出大量的熱，導致反應物溫度升高，由于合成反應屬于溫度正反饋自激型反應，反應溫度越高，反應速度越快，放熱速度越高，從而進一步提高反應溫度。如果反應溫度上升速度過快，可能導致反應失控，釜內壓力過大，嚴重時引發爆炸或火災等安全事故。作為降溫措施，反應釜夾層內通入冷卻劑。通過控制冷卻劑流量來穩定反應溫度。但如果降溫過于劇烈，反應曲線偏離理想狀態，不僅影響反應質量，還會造成資源浪費。在化工生產中，原料配比、投料量、反應溫度等是影響合成反應產品質量的關鍵因素。要保障產品質量合格，必須對這些參數加以嚴格控制。圖1為反應釜生產工藝流程示意圖。該合成反應以A和B為原料，以C為催化劑，合成生產產品D。反應溫度為70±1.0℃。其中，A為釜內D的濃度，以重量百分比計，T1為反應溫度，L4為液位。該反應釜采用夾套冷卻和蛇形盤管冷卻兩種降溫方式，使用冷卻水降溫。夾套冷卻水流量F7，通過V7閥控制。蛇形盤管冷卻水流量F8，通過V8閥控制。升溫階段使用熱水加熱，熱水通過開關閥S6進入夾套。S8為反應釜攪拌器開關。

在本反應系統下，通過調整冷卻水閥門開度大小控制反應溫度。由于冷卻水傳熱需要一定時間，所以該控溫方法存在一定滯后性。需要注意的是，實際生產中經常發生閥門開度沒變，但水壓下降導致冷卻水流量減小，進而釜溫上升的情況發生。[1]

2 模糊自適應控制器的設計

升溫過程控制中力求使控制效果達到最佳，控制的系統框圖如圖2所示。

模糊自適應PID參數自整定就是找出PID三個參數與溫度誤差e和溫度誤差變化率ec之間的模糊關系，在運行中不斷的檢測e和ec，根據模糊控制原理來對三個參數進行在線修改，以滿足不同的e和ec時對控制參數的不同要求，而使被控對象具有良好的動、靜性能[2]。模糊自適應PID參數整定的結構如圖3。

模糊控制器的輸入：溫度誤差e與溫度誤差變化率ec，輸出為？駐KP，？駐Ki，？駐Kd，即PID控制器三個參數的增量。整個串級系統輸入為溫度的設定值70℃，選取e的離散論域（-3，-2，-1，0，1，2，3），則e選取七個模糊變量（NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB）。溫度誤差變化率ec的基本論域選為（-0.1～0.2），選取ec的離散論域為（-0.1，-0.05，0，0.05，0.1，0.15，0.2），則ec選取七個模糊變量（NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB）。？駐KP，？駐Ki，？駐Kd輸出量化到（-3，3），？駐KP，？駐Ki，？駐Kd=（NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB）。隸屬度函數采用三角形函數。根據控制系統的對象特性和控制要求，綜合考慮工藝的特點，以及PID三個參數的機理關系，建立合適的模糊規則表，得到針對？駐KP，？駐Ki，？駐Kd三個參數分別整定的模糊規則表。（見表1、表2、表3）

模糊自適應PID參數整定流程圖如圖4所示。

3 基于Matlab的仿真研究

對模糊自適應PID控制算法，采用Matlab對系統進行仿真，并在實施步驟中隨機引入不確定因素，通過Simulink模塊和離散S函數共同實現控制功能，并與常規PID控制進行比較，Simulink仿真程序如圖5所示。

4 結束語

文章針對使用模糊自適應PID技術控制聚合反應釜溫問題進行分析，提出相應設計方案，為聚合反應釜的控制提供了一條有效、簡便的途徑。基于Matlab的仿真結果表明， 該方法可使系統具的響應速度加快，超調量減小， 適應內部參數變化的能力較強。將此控制策略用于化學反應釜控制過程，將提高其工藝質量和產量。

參考文獻

[l]李曉輝.反應釜溫度控制系統的研究[D]太原理工大學，2012（3）：48-51.

[2]孫增圻.智能控制理論與技術[M].北京：清華大學出版社，2003.

[3]聞新等.Matlab模糊邏輯工具箱的分析與應用[M].北京：科學出版社，2001.

作者簡介：王玲（1978-），女，河北保定人，講師，研究方向：電氣工程及自動化。