带搅拌釜式反应器CSTR系统控制方案

1带搅拌釜式反应器带搅拌釜式反应器带搅拌釜式反应器带搅拌釜式反应器（（（（CSTRCSTRCSTRCSTR））））系统系统系统系统控制方案控制方案控制方案控制方案[摘要摘要摘要摘要]本文分析了带搅拌釜式反应器系统的特性，并且根据其特性提出与进料流量比例、压力、组份控制相应的控制方案，特别是对于温度控制提出了一种bang-bang控制、PID控制及模糊控制相结合的控制思想，并且在仿真中取得了很好的效果。[关键词关键词关键词关键词]连续搅拌反应釜，放热反应，PID控制，模糊控制[Abstract]ThispaperanalyzesthecharacteroftheContinuouslyStirredTankReactor-CSTR,andprovidesthecorrespondingcontrolschemesoffluxcontrol,pressurecontrolandcomposingcontrol,inspecially,providesakindofcontrolstrategy,whichincludingbang-bangcontrol,PIDcontrolandfuzzycontrol,andtakesagoodeffectinsimulink.[keywords]CSTR，exothermicreaction，PIDcontrol，fuzzycontrol1带搅拌式反应器系统简介带搅拌式反应器系统简介带搅拌式反应器系统简介带搅拌式反应器系统简介釜式反应器是化学工业中常用的一类反应器，在石油、化工生产中占有很重要的地位。由于化工生产的特殊性，反应釜具有大时滞性，时变性和非线性的特点，很难建立对象准确的数学模型，因此，在生产现场对反应釜进行温度控制较为困难。反应釜的结构如下图1所示：图图图图1反应釜结构图反应釜结构图反应釜结构图反应釜结构图反应釜基本原理：反应物A和B以及催化剂C分别由阀门V4、V5和V62以一定比例进入反应釜，开始需要从阀门S6加入热水诱发反应；本化学反应是一个放热反应，诱发成功之后停止加热水；反应速度与温度成正比，温度高反应速度又会加快，因此这个化学过程是个自激反应；同时反应温度与压力又称正比，温度过高会导致压力过大，从而会发生事故，而温度过低对产品质量会造成影响，所以需要把温度控制到合理的范围；对放热反应的对象进行恒温控制的方法是通过夹套或蛇管加入冷水进行降温。工艺管道图如图2所示：图图图图2工艺管道图工艺管道图工艺管道图工艺管道图整个控制的系统配置图如图3所示：图图图图3系统配置图系统配置图系统配置图系统配置图2控制方案的设计控制方案的设计控制方案的设计控制方案的设计32.1反应温度数学反应温度数学反应温度数学反应温度数学模型的建立模型的建立模型的建立模型的建立通过对被控对象特性的分析，被控对象可以近似为一个二阶滞后的系统，故假定被控对象的数学模型为2()sKeGssbscτ−=++，其中b=4,c=64,τ=200,K=64。2.2被控量和控制量及控制器的选择被控量和控制量及控制器的选择被控量和控制量及控制器的选择被控量和控制量及控制器的选择表表表表1被控变量控制器控制量控制阀B、C进料流量釜内液位比值控制器PID串级复合控制A进料流量V4、V5、V6反应温度最优控制、模糊控制、PID控制复合控制冷却水流量F8V8反应压力PI控制B的进料流量F5V5组份PID控制反应物出口浓度AV92.3控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择控制阀的选择表表表表2控制阀选型表控制阀选型表控制阀选型表控制阀选型表阀门作用公称直径流量系数选用型号V4反应物A进料阀Dg25Kv=3.42，Cv=4西门子VVG41V5反应物B进料阀Dg25Kv=5.38，Cv=6.3西门子VVG41V6催化剂C进料阀Dg20Kv=0.214，Cv=0.25西门子VVG44V7冷却水阀（蛇管）Dg40Kv=25.64，Cv=30西门子VVG41V8冷却水阀（夹套）Dg50Kv=42.73，Cv=50西门子VVF41V9反应器出口阀Dg25Kv=8.54，Cv=10西门子VVG41S6热水阀————任意S8搅拌电机开关————任意2.4进料流量及比例控制进料流量及比例控制进料流量及比例控制进料流量及比例控制和和和和反应器液位控制反应器液位控制反应器液位控制反应器液位控制42.4.1控制方案设计控制方案设计控制方案设计控制方案设计反应器共有三股连续进料，需要保证三股物料以一定比例进料，假设A：B：C＝1：b：c，初始化b=2.11，c=0.12。所以三路进料分别有三路控制阀控制流量，4FA=，由控制阀V4进行控制；5FbA=⋅，有控制阀V5进行控制；6FcA=⋅，有控制阀V6进行控制（A初始化为729kg/h）。三闭环比值控制系统可以保证三种物料以固定比例进料，并且可以克服每一物料进料时的扰动。设计液位控制系统，保证液位处于85％，以获得较大的反应停留时间，保证反应充分进行。反应停留时间与反应器中实际的物料容积和物料的体积流量有关。一般来说停留时间长，进料流量小，反应的转化率高。根据工业情况实际液位控制系统，当L485%时，F9保持不变，减少F4，随之三路进料都会减少；当L485%时，增大F4开度，即增大进料量，保证L4平稳。A,B和C三种进料流量和比值控制以及液位控制可以用一个串级控制实现，方框图如图4所示：图图图图4进料流量及比例控制和液位控制进料流量及比例控制和液位控制进料流量及比例控制和液位控制进料流量及比例控制和液位控制方框方框方框方框图图图图液位设定液位L4+副回路比值调节器F6F5F4F9控制阀V4副对象1副控制器2控制阀V5副对象2副测量变送器副测量变送器副控制器3控制阀V6副对象3副测量变送器副控制器1PID控制主对象L4变送器扰动通道补偿器++比值计算器1+比值计算器2—5图图图图5进料流量及比例控制和液位控制流程图进料流量及比例控制和液位控制流程图进料流量及比例控制和液位控制流程图进料流量及比例控制和液位控制流程图2.4.2流量及比例控制和液位控制流量及比例控制和液位控制流量及比例控制和液位控制流量及比例控制和液位控制调节器的选型调节器的选型调节器的选型调节器的选型，，，，系统的投运及系统的投运及系统的投运及系统的投运及参数调整方法参数调整方法参数调整方法参数调整方法副回路是一个比值控制器，因此选择副回路调节器时既要按照比值调节系统的调节器选择原则，又要符合副回路调节器特点。由于副回路是控制流量的比值控制，为了消除余差采用PI控制器，而整个副回路又是一个三比值控制器，每一副回路都要稳定各自物料流量，因此副回路所有的控制器均用PI控制器。副回路整定步骤：根据常用的临界比例度法(Zieger-Nichols法)进行参数整定。首先将控制器的积分作用去掉，按比例增益Kc由小到大的变化规律，对于某一Kc值作小幅度的设定值扰动。以获得临界情况下的等幅震荡。可获得临界震荡周期Pu和控制器临界比例增益maxKc，从而确定参数0.45maxKcKc=和0.83TiPu=。整个串级控制系统的投运：(1)先将主、副控制器切换开关都置于手动位置，副控制器处于外给定（主控制器始终为内给定）；开始液位偏差值PID算法子程序PI控制器控制阀V4设定A料的设定值阀V4对象主对象返回比值计数器1设定B料的设定值A流量偏差B流量偏差PI控制器控制阀V5阀V5对象比值计数器2C流量偏差PI控制器控制阀V6阀V6对象流量检测流量检测外部扰动F9设定C料的设定值6(2)用副控制器操纵控制阀，使生产处于要求的工况（即主变量接近设定值，且工况较平稳）。这时可调整主控制器设定值，使副控制器偏差指示为“零”，接着可将副控制器切换到自动位置；(3)假定在主控制器切换到“自动”之前，主变量偏差已接近“零”，则可稍稍修正主控制器设定值，使偏差为“零”，并将主控制器切换到“自动”，然后逐渐改变设定值使之恢复到规定值；假定在主控制器切换到“自动”之前，主变量存在较大偏差，一般的做法是手操主控制器输出，使偏差减小后再进行上述操作。主控制器参数的整定也是根据Zieger-Nichols法进行的，和副回路参数确定方法类似，先确定max1Kc，由于主控制器为PID控制器，所以10.6max1KcKc=，10.5,10.12TiPuTdPu==。2.5反应温度及升温速率控制反应温度及升温速率控制反应温度及升温速率控制反应温度及升温速率控制2.5.1升温速率控制升温速率控制升温速率控制升温速率控制在反应开车阶段，当T1=40℃，关S6。当T1=45℃，逐渐以小开度开V8（夹套冷却水阀），为了防止反应温度上升幅度过快而失控，超前进行适当冷却是必要的。如果ΔT10.1℃/sec，则适当开大冷却水阀；如果ΔT10.1℃/sec，可维持当前冷却水阀位不变；当V8=50%时，且T1=65℃，维持V8开度不变，改用V7（夹套冷却水阀）手动控温。2.5.2恒温恒温恒温恒温控制控制控制控制当T1=70.1℃时，将T1切换到自动控制。控制器设计思想是通过F8，串级控制T1的温度，主回路控制点为T1，副回路控制点为F8，控制阀为V8。传统的反应釜过程控制器多采用PID控制算法，它的控制原理简单、实现方便、参数易于调整。但是，由于反应釜控制对象具有非线性、时变、大时滞等特点，过程模型难以确定，参数整定往往比较困难，即使可行也因为受温控对象工况变化的影响大，调整时间过长、超调量大，使控制效果不佳。解决这个问题的一个办法是采用先进的控制理论来弥补PID控制算法的不足。目前比较成熟和实用的方法是采用模糊控制算法与PID控制算法相结合。模糊控制不需要精确的数学模型，控制规则基于专家知识，响应速度快，过渡时间短;且其规则可以通过学习不断更新，对参数变化具有较强的鲁棒性。但模糊控制器的设计参数7多，调整烦琐，以模糊控制完全取代PID调节控制不是最佳设计方案。因此，针对反应釜温控对象的特性，本方案采用模糊控制算法与传统的PID算法相结合，使系统既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有PID控制稳态精度高的特点，使被控变量具有良好的动态和静态特性。具体做法是，根据设定值与测量值之间的误差大小，分段采取不同的控制算法。在温度的误差值较大时，采用最优控制方案，即开关控制，调高系统的响应速度，以实现快速升温和节能；当温差较小时，采用模糊控制算法，使系统具有良好的动态性能；在温差接近很小接近零时，采用PID控制，使系统在取得较好的动态性能下，达到期望的稳态性能。假设进入模糊控制和PID控制的误差分界点分别为e1和e2，则所采用的三段分档控制原理。根据三种控制算法不同的特点，e1取150C，e2取20C。模糊控制器的设计方案：根据输入量的个数，模糊控制器有一维、二维和多维之分。最常用的模糊控制器是二维的控制器，本论文也采用这种方式。在二维模糊控制器中，将设定温度和实际温度的偏差e和偏差的变化率ec作为输入变量，从e和ec按以下两式求得()()(),()()(1)enrnynecnenen=−=−−式中()en和()ecn为第n次采样时刻的精确值。e和ec经过模糊化后分别为模糊变量E和Ec。经模糊推理以后的输出模糊变量为U，解模糊后对应的精确量为冷剂阀门的开度的变化量uΔ。由此，本论文中的模糊控制器设计可分为三个步骤:精确量的模糊化、模糊推理规则的确定和输出量的模糊判决。（（（（1））））精确量的模糊化精确量的模糊化精确量的模糊化精确量的模糊化首先确定量化因子。设误差e的基本论域为[],XeXe−，模糊集合论域为{},1,,0,1,nnnn−−+⋅⋅⋅−，误差变化率ec的基本论域为[],XecXec−，模糊集合论域为{},1,,0,,1,mmmm−−+⋅⋅⋅⋅⋅⋅−，则误差的量化因子Ke和误差变化率的量化因子Kec分别为,,nmKeKecXeXec==Ke和Kec的大小对于系统控制效果影响很大。8当误差的模糊集论域给定，增大Ke就意味着误差的基本论域减小，将增加误差控制的灵敏度，从而有利于系统恢复时间的减