[發明專利]基于定量單參數PID控制的化工反應器溫度控制方法

有效

• 申請號: 201310566915.4
• 申請日: 2013-11-14
• 公開（公告）號: CN103576711A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發明（設計）人: 張衛東;張坤;張偉;吉明明
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G05D23/00
• 分類號: G05D23/00;G05B13/04
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 趙繼明

技術領域

本發明涉及工業過程控制技術領域，尤其是涉及一種基于定量單參數PID控制的化工反應器溫度控制方法，針對大型化工廠用的聚合反應器的溫度控制中，以定量過程控制理論為基礎，可以方便地在系統性能和魯棒性之間進行折中，使用非常簡單。

背景技術

化工領域一直是關系到國民經濟命脈的關鍵產業，而化工過程控制又是化工領域中十分重要的一環，直接影響著化工業的產品質量，運行效率和經濟效益，因而化工過程控制器的設計有著重要的實際應用價值。目前化工過程控制中有95％以上的控制器都是PID控制器，之所以PID控制器應用得最廣泛，最成熟，一方面是由于它具有簡單而固定的形式，允許工程技術人員以一種直接的方式來調節系統；另一方面是因為它在很廣的控制范圍內能夠保持較好的魯棒性。所以，PID控制器的整定變得尤為重要。

目前化工過程使用較多的PID控制器整定方法還是傳統的整定方法。其中典型的有Ziegler和Nichols在文章Optimum?Settings?for?Automatic?Controllers(Trans.ASME，1942,65，pp.443-444)中提出的Z-N法以及Cohen和Coon于Theoretical?consideration?of?retarded?control(Trans.ASME,1953.,75,pp.827-834)一文中提出的C-C法。由于Z-N法整定的PID控制器超調較大，Astrom在Refinements?ofthe?Ziegler-Nichols?tuning?formula(IEE?Proceedings-D，1991，138,2,pp.111-118)一文中提出一種改進的Z-N法，簡稱RZN法，通過給定值加權和修正積分常數改善了系統超調，這一方法被認為是對PID整定方法最為成功的改進。然而以上這些傳統的基于經驗的整定方法都只用了系統動態特性的部分信息。近年來發展起來的基于誤差信號積分性能準則的整定方法是一種數值方法，因為充分利用了系統的動態特性信息，受到了廣泛的重視。

但是隨著我國化工業的不斷發展，尤其是大型化工用的聚合反應器，其容量變得相當龐大，同時反應的放熱量也變得極其的大，而熱傳效果往往有很差，導致傳統的PID控制器整定方法無法滿足平穩控制聚合反應器的反應溫度。主要是因為，這類反應器的開環響應往往是不穩定的，假如在運行過程中不能及時有效地移除反應熱，則由于反應器內部的正反饋，將使反應器內部的溫度不斷上升，以至于達到無法控制的地步，最后以產生事故或者事故停車而告終。從理論上講，只需增加傳熱面積或者加快傳熱速度，使移去熱量的速度大于反應熱生成的速度，就能提高反應器的穩定性。但是，由于設計上與工藝上的困難，對于大型聚合反應器是難以實現這些要求的。只能在控制器的設計方案上做進一步的改進和優化。

此外聚合反應器里面的聚合反應的三個特點也使得控制器的設計變得復雜，如下：

(1)在反應開始前，反應物必須升高到指定的最低溫度；

(2)反應是放熱反應；

(3)反應速度隨溫度升高而增加。

為了使反應發生，必須把熱量供給反應物。但是，一旦反應發生后，則必須將熱量取走，以維持一個穩定的操作溫度。此外，單體轉化為聚合物的轉化率取決于給定溫度，給定時間下的反應速率。

所以，由上可以得知，聚合反應器的開環響應不穩定性，實際工藝和設計上的困難，以及反應器的反應特點使得傳統的控制器無法滿足實際溫度控制的需求。因為常規的方法無法指定性能按指定性能和魯棒性設計控制器。此外，狀態空間魯棒性方法設計控制器的主要問題是：需要已知不確定性的范圍，很難按指定性和魯棒性設計控制器，當不確定性范圍發生變化時，需要重新設計控制器，控制器比較復雜。因此，設計一種能適應多種工況變化且具有較強魯棒性的PID控制器對化工反應器溫度控制系統有著十分重要的意義。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種魯棒性好、控制效果快速平穩的基于定量單參數PID控制的化工反應器溫度控制方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種基于定量單參數PID控制的化工反應器溫度控制方法，用于化工聚合反應器的溫度控制，該控制方法首先采集被控對象的溫度信號，根據溫度信號辨識被控對象模型，同時建立基于系統性能度的單參數PID控制模型，然后根據被控對象模型和設定的系統性能度獲得單參數PID控制模型的控制輸出信號，最后以該控制輸出信號控制被控對象的溫度，使其保持在設定范圍內。

該控制方法具體包括以下步驟：