基于反應釜智能控制設計及相關攪拌性能參數的研究

張中領

(1.寧波領易電子科技有限公司,浙江 寧波 315000；2.寧波康大美術用品集團有限公司，浙江 寧波 315000)

基于反應釜智能控制設計及相關攪拌性能參數的研究

張中領1,2

(1.寧波領易電子科技有限公司,浙江 寧波 315000；2.寧波康大美術用品集團有限公司，浙江 寧波 315000)

反應釜是一種有著廣泛應用的化學反應系統，其具有明顯的時滯性、非線性和時變性等缺陷，難以建立精確的數學模型；而經典、現代控制理論的最優控制在反應釜控制中也無法完全體現出來。針對上述問題，在分析反應釜傳熱特性的基礎上，設計了一種反應釜智能控制系統。可以通過控制執行器對反應釜內溫度及其梯度進行有效控制，為提高化工生產質量提供了有力保障，具有重要的現實意義。

反應釜；智能控制器；攪拌；溫度；性能參數

Ltd.,Ningbo 315000, China)

反應釜是一種在化工合成、石油生產和生物制藥等諸多領域有著廣泛應用的化學反應系統。為確保化工生產的順利進行,需要反應釜對生產過程中的溫度、壓力和濃度等多項指標進行全面、有效地控制。反應釜因控制對象繁多和化學反應機理復雜，導致反應系統具有時滯性、非線性和時變性等缺陷，難以為該反應系統建立精確的數學模型；而經典、現代控制理論的最優控制在反應釜控制中也無法完全體現出來。傳統的PID控制主要用于具有精確模型的線性控制系統，對于反應釜這種具有時變性和非線性的控制系統而言，存在無法進行自校正和參數修改不便等缺點。針對上述問題，本文在分析反應釜傳熱特性的基礎上，設計了一種反應釜智能控制系統，該系統是按偏差分擋進行控制的，采用了不完全微分PID控制算法和基于規則修改的自適應模糊控制相結合的控制方法。基于MCS一51系列單片機的智能控制器是反應釜智能控制系統的重要組成部分，該智能控制器主要采用了單線總線和I2C總線，在結合反應釜狀態參數的基礎上，可以通過控制執行器對反應釜內溫度及其梯度進行有效控制[1]。

1 反應釜的基本結構

反應釜主要包括連續式反應釜和間歇式反應釜2種類型。本文主要對連續攪拌反應釜展開論述，連續攪拌反應釜具有產品質量穩定、熱交換能力強和成本低等特點，是聚合物生產的核心設備，被廣泛用于石油生產、生物制藥、發酵和化工合成等工業生產當中。

1.1 連續攪拌反應釜的工作原理

將各種物料按一定的比例進行混合，為其添加適量催化劑，并在反應釜夾套中通入一定量的高壓蒸汽，以此來提高反應釜物料溫度；此外，攪拌器攪拌物料能提高導熱速度，使物料間的溫度均勻分布。反應釜內溫度達到期望溫度時，物料進行反應，為確保反應正常運行，需保持一段時間的恒溫狀態，當化學反應結束時，還需對系統進行冷卻處理，如遇到特殊情況還需對系統進行二次升溫處理。

1.2 連續攪拌反應釜的結構

根據連續攪拌反應釜的工作原理，對反應釜進行了設計研究，連續攪拌反應釜的基本結構如圖1所示。攪拌機和攪拌容器是連續攪拌反應釜的重要組成部分。攪拌機主要包括攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動裝置，并將換熱元件、筒體和內構件等統稱為攪拌容器。筒體是一個鋼制的罐形容器，其是連續攪拌反應釜的主體部分，反應物料的化學反應是在該裝置下完成的。通過換熱元件可以適當調節反應釜內的反應溫度，夾套是較為常用的換熱元件，換熱元件一般會圍繞在筒體的外部，在夾套和容器外壁之間形成密閉空間，在該空間內通入適量的加熱或冷卻介質，通過夾套內壁進行傳熱，進而對容器內的物料進行加熱或冷卻處理。釜內的反應溫度可以通過電磁閥調節介質的每秒流量進行有效控制。在化學反應中，攪拌器起到關鍵作用，會為釜內物料提供適宜的流動狀態和過程所需的能量。為確保系統的安全性能，應為系統設置密封裝置，該密封裝置不僅可以降低易燃、易爆、有毒氣體或物料的危害，還可以提高反應物料的純度。反應釜的傳動裝置由減速機、連軸器、電動機及機架組合而成，在反應物料的循環流動過程中，攪拌電動機為其提供動力。攪拌器是由驅動攬拌軸的帶動實現轉動的，反應釜的罐頂和罐底分別裝設了加料口和出料口，通過加料口將反應物料加入到罐中，并將生成物料從出料口提取出來。為了準確地測量反應釜內的溫度，需在反應室內設置鋼制的溫度計套管，并在套管內放置溫度計或溫度傳感器[1]。

圖1 連續攪拌反應釜的結構示意圖

2 反應釜智能控制設計研究

2.1 反應釜智能控制方案設計研究

反應釜的被控制對象為溫度，反應釜內的物料和各系統參數決定了系統傳遞函數。采用PID控制和模糊控制相結合的復合控制方法，模糊控制適合于模型未知或多變的控制系統，具有適應性強和控制靈活的顯著優勢，還可以有效抑制噪聲干擾，通過模糊控制對系統進行定性分析，并通過PID控制對控制系統進行定量描述，使系統控制更為穩定精確，使被控變量同時具備較好的靜態特性和動態特性。

根據測量值和設定值之間的偏差大小不同，設計了如下方案：系統偏差較小時，通過采用PID控制提高穩態精度；當系統偏差較大時，通過采用模糊控制，實現了大范圍的快速調節，將ε作為模糊控制和PID控制的分界點，2段分擋控制原理如圖2所示。

圖2 2段分擋控制原理圖

系統反應初期處于升溫階段，實際測量值和設定值之間存在較大溫差，此時通過采用模糊控制使調節閥輸出最大，使系統實際溫度盡快接近系統的設定溫度。在此過程中，應對調節閥進行適當的調整，隨溫差的減小逐步降低調節閥輸出，直到溫差降至ε時再將控制方式轉為PID控制。當溫差接近系統設定溫度時，應及時關閉蒸汽閥門，以防止升溫超調量過大。反應過程中會伴隨大量的熱量放出，即使停止加熱，系統溫度也會在某段時間內呈上升趨勢，具有較大的時滯性，所以停止加熱后需要開起冷卻劑閥門，盡量使系統處于恒溫狀態。恒溫階段是整個工藝的關鍵，要求控制系統應該具備較高的控制精度，此時要采用一段高分辨率的PID控制或高分辨率的模糊控制才可以實現恒溫控制功能，在很大偏差范圍內，系統是通過模糊控制器對系統進行調節的。當偏差較小時，系統采用的是PID控制，在整個控制過程中，這一偏差范圍所占比例較小，所以模糊控制器對整個控制器的性能影響較大。模糊控制對模型未知或多變的控制系統具有很好的適應性，模糊控制原理框圖如圖3所示。

圖3 模糊控制原理框圖

在模擬控制系統中，PID控制是控制器較為常用的控制規律，該系統在常規PID算法中加入一個低通濾波器，采用了不完全微分PID控制算法，其原理圖如圖4所示。

圖4 不完全微分PID控制算法結構圖

2.2 反應釜智能控制系統的硬件設計研究

反應釜智能控制系統的硬件電路主要由主控制器、電源、過零檢測電路、數字溫度計和輸出控制電路等部分組成，系統硬件電路如圖5所示。

圖5 系統硬件電路圖

AT89C2051單片機是該系統的主控制器，AT89C2051是一款與MCS一51系列單片機完全兼容的8位單片機，它有2個16位定時/計數器、128字節的內部RAM、2KB Flash程序存儲器、15條可編程I/O線、1個全雙工串行UART接口、5個可設定為兩級優先級的中斷源，AT89C2051單片機的功耗較低。DS18B20單線集成溫度傳感器是系統的溫度采集模塊，具有測溫速度快、互換性好和精度高的顯著優點，本身內置了溫度傳感器，不需要A/D轉換電路，與單片機的1位I/O線相互連接，4片DS18B20可以同時掛接在1條I/O線上，單片機的I/O口線資源得到了節省，具有傳輸距離遠、通信方便和抗干擾性好等優點，在遠距離溫度采集中可以得到很好的應用。通過采用1片8位串行輸入D/A轉換器MAX518可以將控制信號送入電動執行器實現模擬量的輸出。控制冷卻閥門和加熱閥門開度的工作主要是由D/A轉換器MAX518完成的，其可以完成兩路D/A轉換。電壓信號通過D/A轉換轉化成相應的電流信號，進而實現遠距離傳輸。開關量輸出通道采用的是雙向可控硅控制交流電動機，通過軟件延時及過零檢測對雙向可控硅的導通角進行有效控制，進而控制電動機的轉速和導通時間，使電動機無級調速成為可能。反應釜智能控制系統還設計了4個8位LED數碼管、8個薄膜開關、5個發光二極管，可通過上述設備元件實現工作狀態的設定及顯示功能。

2.3 反應釜智能控制系統的軟件設計研究

該系統采用了模塊化的軟件設計思想，系統主要包括主程序、PID控制算法子程序、模糊控制算法子程序、過零檢測中斷服務子程序、溫度采集子程序和定時器l中斷服務子程序等模塊。本文對主程序、PID控制算法子程序和模糊控制算法子程序3個模塊進行了詳細論述。

2.3.1 主程序設計

系統上電后，通過過零中斷間接控制系統定時，使反應釜溫度的采集、控制量計算和輸出工作由DS18B20數字溫度計功能模塊負責完成，主程序流程圖如圖6所示[4]。

圖6 主程序流程圖

當Tl定時器溢出中斷、按鍵被按下或是過零中斷發生時，系統開始執行與之相對應的中斷服務子程序；系統沒有發生中斷時，程序將會實現發光二極管和LED數碼管的動態顯示。該系統將顯示的字段碼存放在3AH至3EH地址當中，通過74HC164實現了串行輸入及并行輸出。

2.3.2 PID控制子系統

PID控制算法的流程如圖7所示。

2.3.3 模糊控制算法子程序

該系統采用基于規則修改的自適應模糊控制，由計算機在線確定模糊控制算法的控制規則，模糊控制器模糊算法流程如圖8所示。

圖7 PID控制算法流程圖

圖8 模糊控制算法子程序流程圖

3 結語

本系統通過采用改進的PID控制及自適應模糊控制相結合的控制方法，設計了一種反應釜智能控制系統，系統根據偏差分擋進行控制，系統集模糊控制適應性強、控制靈活及PID控制穩態精度高的優點于一身，完全可以達到系統所要求的控制精度及要求，有很大的應用空間。

[1] 楊軍民. 反應釜溫度控制的研究現狀及化工自動化發展現狀[J]. 廣東化工，2010(5)：288-290.

[2] 董立新，萬小華，顧幸生. 基于西門子PCS7的攪拌反應釜連續反應控制系統[J]. 華東理工大學學報:自然科學版，2011(4):496-501.

[3] 黃昌遠. 基于粒子群優化算法的反應釜溫度預測控制研究與應用[D].杭州：浙江理工大學，2014.

[4] 張鐸，蔡曉君，周士達. 小型數控雕刻機控制系統設計[J].新技術新工藝，2014(4)：28-31.

責任編輯李思文

ResearchonDesignandIntelligentControlandRelatedStirringPerformanceParametersbasedonReactor

ZHANG Zhongling1，2

(1.Ningbo Easy Link Technology Co., Ltd., Ningbo 315000, China；2.Ningbo Conda Art Material Group Co.,

The reactor has a broad application of a chemical reactor, which has a strong time-delay, nonlinear, time-varying and other defects, it is difficult to establish a precise mathematical model for the reaction system , and the classic , modern control optimal control theory in the reactor control is also not fully reflected. To solve the above problems, this paper based on the analysis of the heat transfer characteristics of the reactor, designed a reactor intelligent control system. Through the intelligent controller effective control the reactor temperature gradient. It is great significance of improving the quality of chemical production.

reactor, intelligent controller, agitation, temperature, performance parameters

TP 27

：A

張中領(1970-)，男，研發總監，工程師 ，主要從事機電一體化等方面的研究。

2015-01-12