基于散裝預(yù)測函數(shù)的丙烯酸聚合優(yōu)化控制

基于散裝預(yù)測函數(shù)的丙烯酸聚合優(yōu)化控制

0控制方案的確定目前，國內(nèi)中小企業(yè)主要通過pid法進行反應(yīng)控制，并在重要控制點輔助手動操作。由于聚合反應(yīng)在每個階段的特性各異,加之反應(yīng)釜本身的時變性、時滯性和非線性,數(shù)學(xué)模型很難建立。各種結(jié)合計算機技術(shù)的先進控制方案已得到工程人員的關(guān)注。這些方案現(xiàn)已有了一些成功的仿真、探索和工程應(yīng)用。但算法的修改和轉(zhuǎn)化對于中小企業(yè)的技術(shù)人員而言仍有較大的難度。本文針對丙烯聚合過程溫度控制的要求,基于JX-300X系統(tǒng)平臺,給出了適合企業(yè)工程技術(shù)人員操作組態(tài)的軟手操、預(yù)測函數(shù)控制、PID優(yōu)化控制方案。下面通過工程實例,詳細介紹方案選擇、PFC模塊設(shè)計、控制方案組態(tài)、參數(shù)選擇和切換過渡等問題。1預(yù)升溫段pid控制方案丙烯聚合升溫過程如圖1所示。影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的階段主要集中在反應(yīng)前的預(yù)升溫、過渡反應(yīng)的升溫升壓、維持反應(yīng)的恒溫恒壓三個階段。丙烯聚合過程熱量大、純滯后時間長,因此,在反應(yīng)初期要通過熱水循環(huán)提高反應(yīng)釜的溫度;在反應(yīng)中后期的強放熱則需冷水循環(huán)移去多余熱量。該聚合過程機理復(fù)雜,具有高度的非線性。根據(jù)聚合工藝要求,在反應(yīng)前的預(yù)升溫段,應(yīng)在保障安全的條件下盡可能縮短單釜操作周期;在過渡反應(yīng)的升溫升壓階段,則要考慮平穩(wěn)升溫升壓,以防止“飛溫爆聚”和“僵釜”,這是控制過程的難點,也是常規(guī)PID控制難以做到的;在維持反應(yīng)的恒溫恒壓階段,影響釜溫的兩個主要因素是反應(yīng)放熱和循環(huán)冷卻水去熱,控制的目的是通過冷水循環(huán),精確地移去反應(yīng)過程中多余的熱量,從而提高溫度控制的精度。根據(jù)以上控制要求,經(jīng)過現(xiàn)場測試和試驗,確定如下控制方案。①預(yù)升溫段采取軟手操控制,熱水閥開度置為100%,以有效縮短單釜操作周期。②升溫升壓階段采取PFC-1和PFC-2兩個預(yù)測函數(shù)控制(PFC)模塊:PFC-1控制熱水循環(huán)系統(tǒng)在反應(yīng)起始階段給聚合釜加熱,PFC-2控制循環(huán)冷水管移去反應(yīng)過程中多余的熱量。③恒溫恒壓階段的反應(yīng)過程相對平穩(wěn),通過設(shè)置合理的PID參數(shù)即可滿足要求?？刂品桨溉绫?所示。下文將重點討論PFC控制器的組態(tài)、參數(shù)設(shè)置,以及方案切換時的波動問題。2運動圖的設(shè)計JX-300X集散控制系統(tǒng)的圖形化組態(tài)軟件(SCControl)基于Windows操作系統(tǒng)設(shè)計,它具備梯形圖、順控圖、功能塊圖和ST語言編輯功能。SCControl的PFC模塊在線計算量小,對模型精度要求低,目前已應(yīng)用于間歇控制和流程控制。2.1控制輸出pfcPFC于1986年由法國ADERSA公司的Richalet和德國IITB公司的Kuntze等人共同提出。該理論將輸入量結(jié)構(gòu)化,把每一時刻的控制輸入看作是若干事先選定的基函數(shù)的線性組合;而控制輸出則是上述基函數(shù)作用于對象模型所產(chǎn)生響應(yīng)的加權(quán)組合。通過在線優(yōu)化,可求得加權(quán)系數(shù),進而可得到未來的控制輸入。預(yù)測模型、反饋校正和滾動優(yōu)化是PFC的三個基本特征,其原理如圖2所示。圖2中,ys為設(shè)定值;y(k)為系統(tǒng)過程輸出;yr(k)為參考軌跡;Tr為參考軌跡時間常數(shù);fj(i)為基函數(shù);u(k)為控制器輸出;ym(k)為模型輸出;e(k+i)為預(yù)測模型輸出與系統(tǒng)過程輸出的誤差;yp(k+i)為過程預(yù)測輸出;d為過程干擾。預(yù)測模型預(yù)測模型預(yù)測模型采用形如下式的一階慣性加純滯后近似,其表達式為:Gm(S)=KMTMS+1e?TDSGm(S)=ΚΜΤΜS+1e-ΤDS(1)式中:KM、TM和TD分別為預(yù)測模型的穩(wěn)態(tài)增益、時間常數(shù)和純滯后時間。階指數(shù)ts/tr丙烯聚合過程通過合理的控制可達到漸進穩(wěn)定,設(shè)λ=e(-Ts/Tr),TS為采樣周期,參考軌跡可采用一階指數(shù)形式,其表達式為:yr(k+i)=ys(k+i)-λi[ys(k)-y(k)](2)ylk+i及受迫輸出PFC的模型輸出為:ym(k+i)=yl(k+i)+yf(k+i)(3)式中:yl(k+i)為自由輸出;yf(k+i)為受迫輸出。控制輸入u(k+i)與受迫輸出可分別表示為:式中:N為基函數(shù)個數(shù);μn為線性組合系數(shù);ubn(i)為基函數(shù)在t=k+i時刻的值;H為預(yù)測時域;gn(i)為第n個基函數(shù)作用時對象在t=k+i時刻的輸出值,可通過離線計算得到。反饋校正為實現(xiàn)反饋校正,將預(yù)測誤差作為前饋量,引入?yún)⒖架壽E進行補償。預(yù)測誤差表達式為:e(k+i)=y(k)-ym(k)(5)njp、i、n在優(yōu)化時域[H1,H2]中,按照JP最小的原則,選取優(yōu)化目標函數(shù)為:minJp=∑i=H1H2[yr(k+i)?y1(k+i)?∑n=1Nμnybn(i)?e(k+i)]2(6)minJp=∑i=Η1Η2[yr(k+i)-y1(k+i)-∑n=1Νμnybn(i)-e(k+i)]2(6)2.2pfc的基本概念PFC模塊程序流程如圖3所示。為減少在線計算量,在設(shè)計PFC模塊時把預(yù)測時域壓縮為一個固定的點。依據(jù)PFC基本原理,在JX-300X的SCControl系統(tǒng)Lib庫的源文件中,建立一個PFC.C文件,用C語言編寫PFC控制算法,形成PFC和FODEL兩個功能塊。每個PFC控制模塊安排200B的內(nèi)存空間保存模型計算輸出。3該控制計劃的實施3.1主控制板及監(jiān)控基于項目組態(tài)編程時,在SCControl軟件的圖形編輯環(huán)境中,調(diào)用PFC模塊進行端口的連接以及過程所需自定義變量的定義和設(shè)置,各參數(shù)設(shè)定后經(jīng)過編譯傳至工程項目的組態(tài)軟件SCKey。在項目組態(tài)環(huán)境下,各參數(shù)經(jīng)過編譯可下載至主控制卡FW247進行現(xiàn)場信號的控制,同時在各操作站通過AdvanTrol-Pro軟件實現(xiàn)工作過程的監(jiān)控。在SCControl圖形編程環(huán)境下,調(diào)用輔助模塊庫中的PFC模塊,并根據(jù)項目的實際位號和自定義位號進行端口的連接和參數(shù)設(shè)置。3.2控制方案設(shè)計PFC模型的增益KM、純滯后時間TD、時間常數(shù)TM要根據(jù)已有歷史數(shù)據(jù)進行設(shè)定,其他相關(guān)參數(shù)以此為基礎(chǔ)進行設(shè)定。PFC控制方案關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。每個周期中,PFC模塊將依據(jù)上述參數(shù)自動計算分步增量輸出STEPMV(DMV/TS)、模型校正輸出CV,其閥門開度MV則通過相關(guān)閥門實施調(diào)節(jié)。表2中的參數(shù)主要依據(jù)歷史信息和現(xiàn)場試驗獲得,參數(shù)設(shè)定后需通過現(xiàn)場試運行進行調(diào)節(jié)。3.3工作控制器的輸出跟蹤方案切換時的閥門輸出是在原有開度上的增量累加,要實現(xiàn)平穩(wěn)過渡、減小超調(diào),最關(guān)鍵的是備用控制器的閥門輸出要跟蹤工作控制器的閥位輸出,從而保證不同的控制器在切換時各控制器的輸出同步,具體說明如下。操作員進行軟件操作和控制在25～60℃升溫段,操作人員可在AdvanTrol-Pro監(jiān)控畫面上直接設(shè)定循環(huán)熱水閥門的開度。pfc-1的輸出值當溫度為60℃時,將軟手操回路的閥位實際輸出值記為PFC的當前時刻輸出值,保證PFC-1的輸出和軟手操調(diào)節(jié)輸出的閥位開度一致;然后通過PFC-1模塊自動運行。c-1低負荷+pfc-2控制熱水循環(huán)調(diào)節(jié)當壓力達到2.8MPa時,通過連鎖程序?qū)FC-1方案中的調(diào)節(jié)閥關(guān)閉,然后投入PFC-2控制冷水循環(huán)調(diào)節(jié);PFC的當前時刻輸出閥門開度從0%開始,然后通過PFC-2模塊自動運行。pid回路工作原理當溫度達到75℃時,需要恒溫恒壓運行,切換前先把跟蹤開關(guān)SwTV切換到閥門跟蹤,再把PID算法輸出的控制增量累加到原來閥位上加以輸出,然后再把SwAM開關(guān)切換到PID回路控制。4雙pfc模塊優(yōu)化控制方案針對