在线自调整高压差模糊控制系统研究
2009-02-23
作者：夏建全， 岑理章
摘 要： 针对羰基合成反应中气液分离器压力难以实现自动控制的问题，提出了一种基于模糊控制思想，构成参数在线自调整智能控制系统的设计方法。将该系统应用于气液分离器压力控制中，鲁棒性较好，满足了生产工艺对压力的控制要求。
关键词： 模糊控制； 在线自整定； 气液混合物； 高压差； 恒压控制
在羰基合成模试评价装置中，借助于某一化工产品生产的完整过程，可对催化剂活性进行评价，以对催化剂的大规模生产提供中试。该装置采用稀烃中压羰基合成制醇反应工艺，长链稀烃和合成气在钴磷配位催化剂体系作用下完成反应。整个生产工艺由催化剂制备、造气、净化、反应、分离、蒸馏组成,产品的生产在密闭的管网和密闭罐中进行[1]。羰基合成反应对温度和压力的要求较高,只有保证一定精度的温度和压力，才能保证产品的质量和精确的研究性数据。近年来随着计算机技术及自动控制技术的发展和应用，采用了具有程序升温、PID算法以及PWM周期可调的智能化仪表作为控制器，对反应罐内的温度、压力实现了自动控制。但反应器需在6.4MPa的高压下才能进行羰基合成反应，而进行气液分离则在0.5MPa以下即可。由于整个系统是由串级耦合形成，故无法建立一个对应的数学模型以确定相应的控制算法，使在如此高的压差下要实现恒压控制难度很大。因此，分离器的压力控制一直以来都是制约该小型化工生产线实现自动化的一个瓶颈。
1 影响分离器压力控制的因素
1.1 羰基合成反应工艺
图1为羰基合成反应工艺流程图。稀烃（液体）由进料泵以一定流速经预热器泵入反应器1，合成气经调节阀降压后以一定压力（6.4MPa）送入反应器1，催化剂由循环泵以一定流速也泵入反应器1。在反应器中，稀烃与合成气和钴膦催化剂混合，在串联的三个管式反应器内发生羰基合成反应（高压6.4MPa），总停留时间约6小时，生成脂肪醇，反应罐内介质为气液混合物，过量的合成气经气液分离后以一定流速直接放空。反应后的生成物为一种气液混合物，需要进行两次分离才能得到产品：第一次分离为气体与液体的分离（在0.5±0.1MPa低压条件下进行）反应后多余的合成气通过管道放空，分离后的液体是催化剂与产品的混合物；第二次分离主要是催化剂与产品（液态）的混合物在真空状态下通过蒸馏的方式进行分离。
1.2 影响气液分离器压力的因素
反应器3出口的压力为6.4MPa，介质为气液混合物，同时气体中还含有大量H2、CO等易燃易爆有害性气体，而分离器只能在低压（0.5±0.1MPa）状态下工作。如此高的压差、介质又是气液混合物，大大增加了控制的难度。在国内目前还没有专门生产的纯机械结构的压力恒压控制阀，由美国进口的调压阀也仅对气体或纯液体有效，而对气液混合物却无能为力。分离器中介质的压力可认为是一典型的一阶惯性环节，但稀烃进料量的波动引起的压力变化、合成气压力的波动、催化剂进料量的波动引起的压力变化以及相邻反应罐压力的波动均会导致分离器压力的波动。一旦失控，将造成低压管线的崩裂，甚至人身伤害和爆炸事故。因此分离器压力恒压控制是羰基合成反应各环节中最为关键的一个环节。
若采用智能电磁调节阀作为压差调节器，则由于介质流体的快速特性及调节阀的机械惯性，很难实现高压差下的低压恒压控制。经过对生产工艺、调节阀特性及流体特性的分析，拟采用两级减压、中间加缓冲罐的控制方案，即缓冲罐压力、分离器压力各由一个控制器与电磁调节阀进行控制。在诸多压力波动因素中，由稀烃进料量波动引起的压力△P较小，可通过采用恒速电机拖动进料泵控制流速；合成气压力波动引起的压力波动△P可通过提高气体压力调节器的控制精度削弱；催化剂进料量的波动引起的压力波动△P可通过控制电机速度加以控制；然而相邻缓冲罐压力只受本罐控制器的控制，其压力的波动（即△P）规律或趋势却无法预测。作为分离器的控制器只能根据检测的实时压力值与给定压力的差值及趋势得出由控制算法决定的输出，从而对电磁调节阀开度进行相应的控制，而对于相邻缓冲罐由串级耦合引起的压力扰动却无法实现及时、有效的控制，待扰动到来对被控压力产生影响，使被控压力偏离给定值时，再由本罐控制器进行有效调节又需要经过一定的滞后时间，这早已造成气液分离器压力的偏差，从而使压力精度达不到工艺要求，正是这种控制回路间的关联即单向串级耦合，造成了压力的较大偏差与失控。
2 在线自调整智能模糊控制系统的设计
对于羰基合成反应中由于单向串级耦合引起的压力偏差，常规的解决方法一般采用前馈控制或解耦控制。前馈控制的原理是：当扰动出现时，通过前馈控制器直接对扰动进行补偿，而不是等扰动对被控对象产生影响使被控对象偏离给定值后，再去进行补偿。但前馈控制使用的条件是：扰动量必须是可测的。而气液分离器的控制器却无法感知相邻缓冲罐的压力变化，也无相应的控制算法来解决这种扰动；解耦控制的原理是：通过专门的解耦装置使各控制器只对各自相应的被控对象施加作用，从而消除回路间的相互影响，借助于计算机控制系统，利用专门的控制算式来消除彼此间的有害关联，使它们成为彼此间独立的控制回路[2]。但解耦控制着重于解决变量间的相互关联问题，而对于羰基合成反应中的单向串级耦合并不完全适用。为此，本研究根据羰基合成反应工艺的特殊性，基于解耦控制的基本思想，设计了一个在线自调整智能模糊控制系统。
2.1 系统硬件控制原理
系统硬件组成如图2所示。整个系统以工控机作为上位机，选用台湾研华工业控制计算机，其配置为：CPU：PⅣ/1.7G，内存256MB，硬盘40GB，17英寸液晶彩显；缓冲罐与气液分离器的压力控制器采用单片机构建的专家PID智能化压力仪表，压力调节则采用电磁调节阀实现。工控机与缓冲罐、气液分离器智能化仪表以及羰基合成反应中的所有过程参量控制仪表均通过RS485串行总线组建成一个分布式计算机控制系统。上位机应用国产工控组态软件（KingView）开发基于Windows操作平台的可视化操作指导友好界面，各工艺参数的控制及检测则采用国内智能化二次仪表完成DDC控制。上位机与智能二次仪表之间的控制与通信采用在组态王软件中添加该公司通信协议的方式实现。
2.2 在线自调整智能模糊控制器的设计
在线自调整智能模糊控制器的基本设计思想是：在上位机上进行设计，借鉴人工手动控制的丰富经验，仿制人工手动控制的基本原理，应用模糊控制思想设计一个软件控制器，依靠上位机KingView与缓冲罐、气液分离器智能控制器之间的串行通信功能，实时监测相邻缓冲罐压力及变化趋势，然后由模糊控制器做出控制决策，其输出可下传至气液分离器控制器E2PROM中，通过改变分离器控制器中的PID值，达到前馈控制或解耦控制的目的，从而消除或减小由相邻罐压力关联引起的压力误差。模糊控制器原理如图3所示。
2.2.1 模糊变量的确定
对于羰基合成反应系统，选气液分离器作为控制对象。模糊控制器采用双输入、双输出模糊控制器。输入语言变量为缓冲罐压力误差和误差变化率，输出语言变量为控制量。取缓冲罐压力给定值与实时值的差值e=rt-yt作为模糊控制器的一个输入变量，将缓冲罐的压力误差变化率de/dt作为第二个输入变量，而将气液分离器控制器的P值作为输出变量1，将气液分离器控制器的I值作为输出变量2。
2.2.2 精确量的模糊化
由于模糊控制器的输入语言变量值为精确量，而在模糊控制器内部参加运算的量为模糊量，故需将模糊控制器的输入端输入的精确量转换成模糊量。现将缓冲罐压力控制目标设定为2±0.2MPa,这里±0.2MPa为误差允许范围，也称误差的基本论域。气液分离器的压力控制目标设定为0.5±0.1MPa。误差、误差变化率和控制量的基本论域分别为[-e,e]、
和[-u,u]。语言变量的值是基本论域上的某一确定值。将[-e,e]分成2n等份，便得到(2n+1)个分隔点，这些分隔点即为模糊集合论域元素。取n=3，误差相应模糊集合论域为X={-3，-2，-1，0，1，2，3}，则误差e的量化因子ke=3/20。将e的基本论域分成正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（0）、负小（NS）、负中（NM）、负大（NB）。采用模糊统计法可得e的各模糊子集的隶属度表，如表1所示。其中，xi表示模糊集合论域元素；E表示误差e的某一模糊子集。
设误差变化率
的基本论域为［-15，15］。取n=3，模糊集合论域为Y={-3，-2，1，0，1，2，3}，则误差变化率的量化因子ke3/15=1/5。将的基本论域分成5个等级：PB、PS、0、NS、NB。通过总结操作者的实践经验，可得描述的各模糊子集的隶属度表（这里从略）。
同理，控制量u1的基本论域可取[-60，60]，取n=3，模糊集合论域为Z1={-3，-2，-1，0，1，2，3}，则控制量u1的比例因子ku1=3/60=1/20，将u1的论域分成7个等级：PB、PM、PS、0、NS、NM、NB。控制量u2的基本论域可取[-30，30]，取n=3，模糊集合论域为Z2={-3，-2，-1，0，1，2，3}，则控制量u2的比例因子ku2=3/30=1/10，将u2的论域分成7个等级：PB、PM、PS、0、NS、NM、NB。
2.2.3 模糊控制规则和模糊推理
根据专家经验和总结操作者的手动控制经验，对气液分离器控制器中的P值和I值采用if A and B then u1和if A and B then u2控制策略，进而实现对气液分离器压力的间接控制;再根据操作者的操作经验及现场调试数据总结出由35条模糊条件语句组成的一组控制规则,根据总的模糊关系和某一特定时刻的输入模糊集合，便可进行模糊推理，得到相应输出控制量的模糊集合[3]。为了使模糊控制器具有良好的实时性，采用离线计算法计算出如表2所示的模糊控制器查询表。其中yi为误差变化率的模糊集合论域元素。
2.2.4 模糊量的解模糊及控制软件设计
为使解模糊中获得更好的性能，本研究采取了静态性能较好的加权平均法。在计算机实现的模糊控制器中，查询表被看作是模糊控制器的实体。在一个控制周期内，只要将每个周期测得的ei和计算得到的i分别乘以量化因子ke和ke，转换成模糊集合论域元素，通过查找查询表2，得到控制量论域元素，再乘以比例因子转换成精确控制量，从而在线改变气液分离器控制器的P参数值和I参数值，以实现对气液分离器压力的间接精确控制。
模糊控制器采用VISUAL BASIC语言进行开发。开发好的程序借助于Windows平台运行，然后与KingView进行有效链接，从而与羰基合成反应计算机控制系统构成一个有机的整体。
3 控制效果
将基于在线自调整的模糊控制器应用于羰基合成反应计算机控制系统中，实际上是将鲁棒性很强的模糊控制与具有消除静差功能的PID结合在一起的产物。应用于实际生产中后满足了生产工艺对气液分离器的参数要求，解决了困惑羰基合成模试评价装置实现计算机自动控制的瓶颈问题。图4为使用参数在线自调整技术的模糊控制器后的控制效果。
由图4可以看出，基于参数在线自调整技术的模糊控制系统将模糊控制、PID控制及纯滞后控制算法有机地结合起来，有效地解决了在高压差、介质为气液混合物的特殊条件下气液分离器的压力高精度控制问题，系统具有很强的鲁棒性、实时性及较高的控制精度。系统性能稳定、运行可靠，压力控制精度满足了生产工艺要求。这种方法特别适合于类似化工生产的过程控制。
参考文献
[1] 夏建全，包鹏.基于参数在线自调整的智能模糊控制系统研究. 电气传动，2006,27(5)：47-48.
[2] 王勤.计算机控制技术. 南京：东南大学出版社，2003:36-37,47-49.
[3] 楼顺天，胡昌华.基于MATLAB的系统分析与设计—模糊系统.西安：西安电子科技大学出版社，2001.