基于定量單參數(shù)pid控制的化工反應(yīng)器溫度控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于定量單參數(shù)PID控制的化工反應(yīng)器溫度控制方法，用于化工聚合反應(yīng)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(jù)溫度信號辨識被控對象模型，同時建立基于系統(tǒng)性能度的單參數(shù)PID控制模型，然后根據(jù)被控對象模型和設(shè)定的系統(tǒng)性能度獲得單參數(shù)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(shè)定范圍內(nèi)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明只需調(diào)整參數(shù)λ就可以達到系統(tǒng)性能，操作簡單，并且對辨識的模型有很好的魯棒性，對于溫度控制過程中的大延遲、大慣性等特性，控制效果既快速又平穩(wěn)。
【專利說明】基于定量單參數(shù)PID控制的化工反應(yīng)器溫度控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)過程控制【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種基于定量單參數(shù)PID控制的化工反應(yīng)器溫度控制方法，針對大型化工廠用的聚合反應(yīng)器的溫度控制中，以定量過程控制理論為基礎(chǔ)，可以方便地在系統(tǒng)性能和魯棒性之間進行折中，使用非常簡單。
【背景技術(shù)】
[0002]化工領(lǐng)域一直是關(guān)系到國民經(jīng)濟命脈的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)，而化工過程控制又是化工領(lǐng)域中十分重要的一環(huán)，直接影響著化工業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，運行效率和經(jīng)濟效益，因而化工過程控制器的設(shè)計有著重要的實際應(yīng)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(yīng)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(shù)人員以一種直接的方式來調(diào)節(jié)系統(tǒng)；另一方面是因為它在很廣的控制范圍內(nèi)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。
[0003]目前化工過程使用較多的PID控制器整定方法還是傳統(tǒng)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 Theoreticalconsideration of retarded control (Trans.ASME, 1953., 75, pp.827-834) — 文中提出的C-C法。由于Z-N法整定的PID控制器超調(diào)較大，Astrom在Refinements oftheZiegler-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(quán)和修正積分常數(shù)改善了系統(tǒng)超調(diào)，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(tǒng)的基于經(jīng)驗的整定方法都只用了系統(tǒng)動態(tài)特性的部分信息。近年來發(fā)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(shù)值方法，因為充分利用了系統(tǒng)的動態(tài)特性信息，受到了廣泛的重視。
[0004]但是隨著我國化工業(yè)的不斷發(fā)展，尤其是大型化工用的聚合反應(yīng)器，其容量變得相當龐大，同時反應(yīng)的放熱量也變得極其的大，而熱傳效果往往有很差，導(dǎo)致傳統(tǒng)的PID控制器整定方法無法滿足平穩(wěn)控制聚合反應(yīng)器的反應(yīng)溫度。主要是因為，這類反應(yīng)器的開環(huán)響應(yīng)往往是不穩(wěn)定的，假如在運行過程中不能及時有效地移除反應(yīng)熱，則由于反應(yīng)器內(nèi)部的正反饋，將使反應(yīng)器內(nèi)部的溫度不斷上升，以至于達到無法控制的地步，最后以產(chǎn)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(yīng)熱生成的速度，就能提高反應(yīng)器的穩(wěn)定性。但是，由于設(shè)計上與工藝上的困難，對于大型聚合反應(yīng)器是難以實現(xiàn)這些要求的。只能在控制器的設(shè)計方案上做進一步的改進和優(yōu)化。
[0005]此外聚合反應(yīng)器里面的聚合反應(yīng)的三個特點也使得控制器的設(shè)計變得復(fù)雜，如下:
[0006](I)在反應(yīng)開始前，反應(yīng)物必須升高到指定的最低溫度；
[0007](2)反應(yīng)是放熱反應(yīng)；
[0008](3)反應(yīng)速度隨溫度升高而增加。[0009]為了使反應(yīng)發(fā)生,必須把熱量供給反應(yīng)物。但是,一旦反應(yīng)發(fā)生后，則必須將熱量取走，以維持一個穩(wěn)定的操作溫度。此外，單體轉(zhuǎn)化為聚合物的轉(zhuǎn)化率取決于給定溫度，給定時間下的反應(yīng)速率。
[0010]所以，由上可以得知，聚合反應(yīng)器的開環(huán)響應(yīng)不穩(wěn)定性，實際工藝和設(shè)計上的困難，以及反應(yīng)器的反應(yīng)特點使得傳統(tǒng)的控制器無法滿足實際溫度控制的需求。因為常規(guī)的方法無法指定性能按指定性能和魯棒性設(shè)計控制器。此外，狀態(tài)空間魯棒性方法設(shè)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(shè)計控制器，當不確定性范圍發(fā)生變化時，需要重新設(shè)計控制器，控制器比較復(fù)雜。因此，設(shè)計一種能適應(yīng)多種工況變化且具有較強魯棒性的PID控制器對化工反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)有著十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種魯棒性好、控制效果快速平穩(wěn)的基于定量單參數(shù)PID控制的化工反應(yīng)器溫度控制方法。
[0012]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0013]一種基于定量單參數(shù)PID控制的化工反應(yīng)器溫度控制方法，用于化工聚合反應(yīng)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(jù)溫度信號辨識被控對象模型，同時建立基于系統(tǒng)性能度的單參數(shù)PID控制模型，然后根據(jù)被控對象模型和設(shè)定的系統(tǒng)性能度獲得單參數(shù)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(shè)定范圍內(nèi)。
[0014]該控制方法具體包括以下步驟:
[0015]I)采集被控對象 的溫度信號，進行濾波后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過OPC總線傳送給上位機，上位機根據(jù)該數(shù)字信號對被控對象進行辨識，獲得被控對象的一階純滯后模型及模型參數(shù)；
[0016]2)設(shè)定系統(tǒng)性能度λ，使其滿足要求的響應(yīng)；
[0017]3)根據(jù)步驟I)中數(shù)字信號的極性，計算被控對象輸出的誤差信號；
[0018]4)采用H00性能指標、McLaughlin級數(shù)展開和Pade近似建立基于系統(tǒng)性能度的單參數(shù)PID控制模型；
[0019]5)根據(jù)獲得的模型參數(shù)和系統(tǒng)性能度λ作為單參數(shù)PID控制模型的輸入，得到該模型的控制輸出信號；
[0020]6)將步驟5)的控制輸出信號通過OPC總線傳輸給PLC，PLC根據(jù)接收到的信號對被控對象進行控制，使被控對象的溫度保持在設(shè)定范圍內(nèi)。
[0021]所述的一階純滯后模型為:
[0022]
【權(quán)利要求】
1.一種基于定量單參數(shù)PID控制的化工反應(yīng)器溫度控制方法，用于化工聚合反應(yīng)器的溫度控制，其特征在于，該控制方法首先采集被控對象的溫度信號，根據(jù)溫度信號辨識被控對象模型，同時建立基于系統(tǒng)性能度的單參數(shù)PID控制模型，然后根據(jù)被控對象模型和設(shè)定的系統(tǒng)性能度獲得單參數(shù)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(shè)定范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于定量單參數(shù)PID控制的化工反應(yīng)器溫度控制方法，其特征在于，該控制方法具體包括以下步驟: 1)采集被控對象的溫度信號，進行濾波后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過OPC總線傳送給上位機，上位機根據(jù)該數(shù)字信號對被控對象進行辨識，獲得被控對象的一階純滯后模型及模型參數(shù)； 2)設(shè)定系統(tǒng)性能度λ，使其滿足要求的響應(yīng)； 3)根據(jù)步驟I)中數(shù)字信號的極性，計算被控對象輸出的誤差信號； 4)采用H00性能指標、McLaughlin級數(shù)展開和Pade近似建立基于系統(tǒng)性能度的單參數(shù)PID控制模型； 5)根據(jù)獲得的模型參數(shù)和系統(tǒng)性能度λ作為單參數(shù)PID控制模型的輸入，得到該模型的控制輸出信號； 6)將步驟5)的控制輸出信號通過OPC總線傳輸給PLC，PLC根據(jù)接收到的信號對被控對象進行控制，使被控對象的溫度保持在設(shè)定范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于定量單參數(shù)PID控制的化工反應(yīng)器溫度控制方法，其特征在于，所述的一階純滯后模型為:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于定量單參數(shù)PID控制的化工反應(yīng)器溫度控制方法，其特征在于，所述的步驟3)具體為: (a)如果數(shù)字信號的極性是正作用，則誤差信號e(n) =y (n)-r (η)； (b)如果是數(shù)字信號的極性負作用，則誤差信號e(n)=r(n)-y(n)； 其中，y(n)為η時刻被控對象的輸出信號，r (η)為設(shè)定信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于定量單參數(shù)PID控制的化工反應(yīng)器溫度控制方法，其特征在于，所述的建立單參數(shù)PID控制模型的具體步驟為: 設(shè)定PID控制連續(xù)域表達式為
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于定量單參數(shù)PID控制的化工反應(yīng)器溫度控制方法，其特征在于，所述的設(shè)定系統(tǒng)性能度λ時，首先設(shè)定λ初始值為2 Θ，以步長0.001 Θ從小到大單調(diào)地增加λ的值，直至獲得要求的響應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于定量單參數(shù)PID控制的化工反應(yīng)器溫度控制方法，其特征在于，所述的步驟6)中，PLC接收到單參數(shù)PID控制模型傳輸來的控制輸出信號后，PLC對該控制輸出信號進行限幅處理，以限幅處理后的信號對被控對象進行控制。
【文檔編號】G05B13/04GK103576711SQ201310566915
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】張衛(wèi)東, 張坤, 張偉, 吉明明 申請人:上海交通大學(xué)