反應釜溫度自抗擾控制系統

辛瑞昊　唐琪　喻佳俊　王蘋　馮欣

摘? 要：基于反應釜的溫度控制器具有高非線性、大滯后等特性，設計了一個自抗擾控制（Automatic Disturbance Rejection Control， ADRC）系統，與Z-N參數整定法的PID進行了比較，從仿真結果中可發現，ADRC的控制響應速度明顯更快，并且當外部加入干擾時，自抗擾控制器能夠很明顯地改善溫度控制系統的動態和控制特性以及抗干擾的能力，對提高反應釜溫度控制系統的快速性具有重要作用。

關鍵詞：反應釜;溫度控制;ADRC

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）20-0175-04

Automatic Disturbance Rejection Control System for Reactor Temperature

XIN Ruihao， TANG Qi， YU Jiajun， WANG Ping， FENG Xin

（Jilin Institute of Chemical Technology， Jilin 132022， China）

Abstract： Based on the characteristics of high nonlinearity and large delay of the temperature controller of the reactor， an ADRC system is designed. Compared with the PID of Z-N parameter tuning method， it can be found from the simulation results that the control

response speed of ADRC is obviously faster， and when external interference is added， ADRC can obviously improve the dynamic and control characteristics and anti-interference ability of the temperature control system， and plays an important role in improving the rapidity of the reactor temperature control system.

Keywords： reactor; temperature control; ADRC

0? 引? 言

間歇反應釜是石油化工產品中常見的化學反應器，以其造價相對低廉、熱交換能力強等優勢，被廣泛應用于石油、化工、食品、醫藥等制造工藝流程中。在間歇反應釜的制造工藝流程中，環境溫度一直是影響化學反應結果最關鍵的因素之一，它也直接地影響著質量和制造效果。但由于真空反應釜自身存在的較強滯后性、時變性和非線性等特征，使得對其進行溫度控制困難很大，因此近年來關于間歇反應釜的溫度控制一直是我國發展現代化制造工藝流程中高溫監控技術應用領域研發的熱點與難點[1]。由于傳統的PID控制器是采用線性時定常控制系統，盡管有操作簡便靈活、穩定性好、安全性高等的優點，但也因為它嚴重依賴于受控對象的精確數學模型，在控制系統處理過程中，只要確定了比例系數值、微分時間常數和微分時間常數等參量，便不會隨著誤差e或偏差變化率ec的變動而更改，即不是直接在線調整監控的參量。而對于真空反應釜非線性時變溫控制器，若直接使用傳統的PID控制器，則難以實現對反應釜溫度控制的精確調控[2]。所以近年來有許多學者對反應釜溫度控制的問題進行了研究，如文獻[3]為解決反應釜溫度的高滯后性和弱跟蹤性問題，從而改善溫度控制精確率和控溫效率，在傳統PID算法中通過增加了比例規定值的權重，在基礎上又增加了模糊控制系統，利用模糊法則實時調整加權PID的比例系數和比例規定值權重，由此來提高了溫度的跟蹤性能。不過該控制系統方法也有一定的局限，只適合于高滯后非線性控制系統，而無法適應對精度高要求較特殊的控制系統，同時其適應性雖獲得了提高，但當外在的環境變動較大時還會對控制系統效率產生比較明顯的影響。

ADRC融合了現代控制系統理論與古典PID控制系統理論的優勢，不管控制系統是線性的或者非線性的，它同樣對被控對象沒有依賴性[4]，不同之處在于自抗擾控制器利用ESO（擴張狀況觀測器）檢測并補償由已知的擾動和未知的擾動合成的總擾動，同時安排過渡過程給給定信號，進而使得系統響應得更快并且不出現超調的現象[5，6]，從而不管系統的狀況變化魯棒或者其抗干擾能力都相對較好。

綜上所述，在本文的研究中，根據反應釜溫度系統的特性，設計了一種自抗擾控制器，整體控制精度得到了很大的提升，當加入其他擾動時表現出較強的魯棒性，同時與基于Z-N參數整定法PID進行對比，來突出ADRC控制器優良的控制效果。

1? 自抗擾控制器

1.1? 自抗擾控制原理

自抗擾控制器（Active Disturbance Rejection Control，? ADRC）從內部構造看主要包括三大部分[7];第一個部分即是TD，也就是跟蹤-微分器;第二部分是NLSEF，亦即一般認為的非線性反饋控制律，而第三部分則是ESO，亦即擴張的狀態觀測器[7]。其中TD的主要功能是為了安排閉環系統，它的安排依據除微分輸出以外，還涉及最速綜合函數，總體來說屬于一種過渡過程;而NLSEF的主要功能則是為了反映非線性和擾動狀態變化[8]，以達到回歸原被控對象狀態的目的，如果被控對象狀態原本就是非線性、擾動、不確定的，則通過向NLSEF反饋可恢復至標準的積分串聯形式;受控對象也會輸出一定的干擾作用，而ESO通過擴展后可將這些功能轉變成新的狀態變量。與此同時，對擴展后的總擾動信息，可通過特殊的反饋機制對其加以監測。ADRC的主要功能是如果發現了控制系統中存在干擾時，會搶在干擾影響控制系統的輸出前，主動從被控對象中獲得干擾的信號，進而迅速地對信號實施抑制，最后再將其去除，這樣就能夠很大程度的減小對被控量的影響。ADRC的基本構造如圖1所示。

1.2? 跟蹤微分器（TD）

跟蹤-微分器（TD），TD目的是用來對原始信號進行一個信號預處理，它不但可以對原始信號進行跟蹤，同時還具有提取微分信號的功能，正因如此，才可以對系統進行安排，也就是為其安排一個過渡過程，這樣即使信號發生跳變，震蕩也不會太過明顯，同時也能在一定程度上緩解存在于系統內部的矛盾，也就是“快速性”與“超調”二者間的矛盾，這樣系統魯棒性也能得到明顯改善。TD控制率為：

1.3? 擴張狀態觀測器（ESO）

對于自抗擾控制技術而言，ESO是不可或缺的組成部分，它主要是將系統中的內外部擾動整合為系統的總擾動，并通過擴張作用將這部分轉化為新的狀態變量，同時通過反饋機制將擾動徹底消除，最后還需要實時估計系統的狀態與總擾動，這樣便能有效補償擾動。ESO控制率如下：

1.4? 非線性狀態誤差反饋率（NLSEF）

TD不但會產生跟蹤信號，而且也能產生微分信號，同時被控對象也會存在一定的誤差在狀態估計量中。而NLSEF的主要作用就是利用非線性函數以非線性的方式對這兩種信號與誤差進行組合，從而可以獲得被控對象的控制量，然后再根據ESO對系統的總擾動估計量實現實時補償誤差的目的，進而可以獲得新的控制量，并將其輸入被控制對象，這樣就可以有效控制被控對象了。NLSEF控制率詳見下式：

2? 仿真實驗

本文的研究對象是有時變性、較強的非線性和嚴重的滯后性的反應釜溫度控制系統，根據MATLAB的系統辨識工具箱進行數學建模獲得的傳遞函數為二階傳遞函數：

本文使用Z-N（齊格勒-尼柯爾斯）參數整定法設置了PID參數，此法可以確定控制器的非常準確的參數，在此之后也可以進行微調。

Ziegler-Nichols方法分為兩步：

（1）建立閉環控制回路并確定穩定極限。

（2）根據公式計算控制器參數。

將單位為10的階躍信號輸入到系統內，這時PID和ADRC兩種控制系統都會產生相應的階躍響應，如圖2所示。從穩定時間來看，ADRC控制穩定時間大致在2 000 s左右，就Z-N參數整定PID控制而言，剛開始時還處于震蕩狀態，進入穩定狀態的時間在4 000 s左右。從響應速度來看，ADRC控制的響應速度是更快的。綜上所述，ADRC的控制效果優于Z-N參數整定PID的控制效果。

假定控制器參數保持不變，將一個幅值大小為1的階躍擾動在5 000 s時接入其中，其效果變化如圖3所示。由圖可見，在系統進入穩態的時間上兩種控制方法并無明顯差異，在擾動給入時，兩種控制方法都偏離了輸入的給定值，偏離后會恢復到設定值，恢復的過程中ADRC控制調節速度更加迅速，可以很平穩的恢復到設定值，而PID控制偏離了給定值一段時間后才緩慢的恢復到穩態，PID 的調節時間要比ADRC調節時間長。

3? 結? 論

本文的研究對象為反應釜，被控量為反應釜溫度，根據反應釜溫度控制的特點選擇了ADRC控制器開展研究，將ADRC控制與Z-N參數整定PID控制進行了仿真對比，并得出以下結論：ADRC控制性能明顯比Z-N參數整定PID的控制效果相對更好，ADRC的控制響應速度也相對較快。當增加了外部擾動時，ADRC的動態特性更為優異，抗干擾性和魯棒性也更強。

參考文獻：

[1] 淮朝磊.反應釜溫度控制參數優化研究與PLC控制系統 [D].石家莊：河北科技大學，2020.

[2] 高晴，張莉，高田田，等.基于PCS7的反應釜爐溫控制系統PID參數整定仿真與分析 [J].計算機與數字工程，2017，45（8）：1607-1610+1624.

[3] 魏小宇，鄭晟.運用灰色預測與模糊加權PID的反應釜溫度控制 [J].重慶理工大學學報（自然科學），2019，33（2）：82-86.

[4] 王鵬，鄭博聞，秦付軍，等.電鍋爐智能控制系統及其FPGA實現 [J].中國農機化學報，2014，35（5）：224-227+250.

[5] 韓京清.從PID技術到“自抗擾控制”技術 [J].控制工程，2002（3）：13-18.

[6] 朱海榮，李奇.穩定平臺二階自抗擾控制器設計 [J].哈爾濱理工大學學報，2020，25（4）：122-128.

[7] 陳振宇，孟婥，孫以澤，等.基于串級自抗擾的三維編織機同步控制 [J].毛紡科技，2020，48（10）：72-76.

[8] NOWAK P，CZECZOT J，KLOPOT T. Robust tuning of a first order reduced Active Disturbance Rejection Controller [J].Control Engineering Practice，2018（74）：44-57.

作者簡介：辛瑞昊（1989—），男，漢族，吉林梅河口人，講師，工學博士，主要研究方向：先進控制理論及應用、大數據分析;

唐琪（1998—），男，漢族，湖南邵陽人，碩士研究生在讀，主要研究方向：先進控制技術;

喻佳俊（1996—），男，漢族，湖北仙桃人，碩士研究生在讀，主要研究方向：先進控制技術;

王蘋（1998—），女，漢族，山東濟寧人，碩士研究生在讀，研究方向：先進控制技術;

通訊作者：馮欣（1989—），女，滿族，吉林吉林人，講師，工學博士，主要研究方向：大數據分析、先進控制理論及應用。