基于散装预测函数的丙烯酸聚合优化控制

基于散装预测函数的丙烯酸聚合优化控制

0控制方案的确定目前，国内中小企业主要通过pid法进行反应控制，并在重要控制点辅助手动操作。由于聚合反应在每个阶段的特性各异,加之反应釜本身的时变性、时滞性和非线性,数学模型很难建立。各种结合计算机技术的先进控制方案已得到工程人员的关注。这些方案现已有了一些成功的仿真、探索和工程应用。但算法的修改和转化对于中小企业的技术人员而言仍有较大的难度。本文针对丙烯聚合过程温度控制的要求,基于JX-300X系统平台,给出了适合企业工程技术人员操作组态的软手操、预测函数控制、PID优化控制方案。下面通过工程实例,详细介绍方案选择、PFC模块设计、控制方案组态、参数选择和切换过渡等问题。1预升温段pid控制方案丙烯聚合升温过程如图1所示。影响产品质量和产量的阶段主要集中在反应前的预升温、过渡反应的升温升压、维持反应的恒温恒压三个阶段。丙烯聚合过程热量大、纯滞后时间长,因此,在反应初期要通过热水循环提高反应釜的温度;在反应中后期的强放热则需冷水循环移去多余热量。该聚合过程机理复杂,具有高度的非线性。根据聚合工艺要求,在反应前的预升温段,应在保障安全的条件下尽可能缩短单釜操作周期;在过渡反应的升温升压阶段,则要考虑平稳升温升压,以防止“飞温爆聚”和“僵釜”,这是控制过程的难点,也是常规PID控制难以做到的;在维持反应的恒温恒压阶段,影响釜温的两个主要因素是反应放热和循环冷却水去热,控制的目的是通过冷水循环,精确地移去反应过程中多余的热量,从而提高温度控制的精度。根据以上控制要求,经过现场测试和试验,确定如下控制方案。①预升温段采取软手操控制,热水阀开度置为100%,以有效缩短单釜操作周期。②升温升压阶段采取PFC-1和PFC-2两个预测函数控制(PFC)模块:PFC-1控制热水循环系统在反应起始阶段给聚合釜加热,PFC-2控制循环冷水管移去反应过程中多余的热量。③恒温恒压阶段的反应过程相对平稳,通过设置合理的PID参数即可满足要求。控制方案如表1所示。下文将重点讨论PFC控制器的组态、参数设置,以及方案切换时的波动问题。2运动图的设计JX-300X集散控制系统的图形化组态软件(SCControl)基于Windows操作系统设计,它具备梯形图、顺控图、功能块图和ST语言编辑功能。SCControl的PFC模块在线计算量小,对模型精度要求低,目前已应用于间歇控制和流程控制。2.1控制输出pfcPFC于1986年由法国ADERSA公司的Richalet和德国IITB公司的Kuntze等人共同提出。该理论将输入量结构化,把每一时刻的控制输入看作是若干事先选定的基函数的线性组合;而控制输出则是上述基函数作用于对象模型所产生响应的加权组合。通过在线优化,可求得加权系数,进而可得到未来的控制输入。预测模型、反馈校正和滚动优化是PFC的三个基本特征,其原理如图2所示。图2中,ys为设定值;y(k)为系统过程输出;yr(k)为参考轨迹;Tr为参考轨迹时间常数;fj(i)为基函数;u(k)为控制器输出;ym(k)为模型输出;e(k+i)为预测模型输出与系统过程输出的误差;yp(k+i)为过程预测输出;d为过程干扰。预测模型预测模型预测模型采用形如下式的一阶惯性加纯滞后近似,其表达式为:Gm(S)=KMTMS+1e−TDSGm(S)=ΚΜΤΜS+1e-ΤDS(1)式中:KM、TM和TD分别为预测模型的稳态增益、时间常数和纯滞后时间。阶指数ts/tr丙烯聚合过程通过合理的控制可达到渐进稳定,设λ=e(-Ts/Tr),TS为采样周期,参考轨迹可采用一阶指数形式,其表达式为:yr(k+i)=ys(k+i)-λi[ys(k)-y(k)](2)ylk+i及受迫输出PFC的模型输出为:ym(k+i)=yl(k+i)+yf(k+i)(3)式中:yl(k+i)为自由输出;yf(k+i)为受迫输出。控制输入u(k+i)与受迫输出可分别表示为:式中:N为基函数个数;μn为线性组合系数;ubn(i)为基函数在t=k+i时刻的值;H为预测时域;gn(i)为第n个基函数作用时对象在t=k+i时刻的输出值,可通过离线计算得到。反馈校正为实现反馈校正,将预测误差作为前馈量,引入参考轨迹进行补偿。预测误差表达式为:e(k+i)=y(k)-ym(k)(5)njp、i、n在优化时域[H1,H2]中,按照JP最小的原则,选取优化目标函数为: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模块程序流程如图3所示。为减少在线计算量,在设计PFC模块时把预测时域压缩为一个固定的点。依据PFC基本原理,在JX-300X的SCControl系统Lib库的源文件中,建立一个PFC.C文件,用C语言编写PFC控制算法,形成PFC和FODEL两个功能块。每个PFC控制模块安排200B的内存空间保存模型计算输出。3该控制计划的实施3.1主控制板及监控基于项目组态编程时,在SCControl软件的图形编辑环境中,调用PFC模块进行端口的连接以及过程所需自定义变量的定义和设置,各参数设定后经过编译传至工程项目的组态软件SCKey。在项目组态环境下,各参数经过编译可下载至主控制卡FW247进行现场信号的控制,同时在各操作站通过AdvanTrol-Pro软件实现工作过程的监控。在SCControl图形编程环境下,调用辅助模块库中的PFC模块,并根据项目的实际位号和自定义位号进行端口的连接和参数设置。3.2控制方案设计PFC模型的增益KM、纯滞后时间TD、时间常数TM要根据已有历史数据进行设定,其他相关参数以此为基础进行设定。PFC控制方案关键参数如表2所示。每个周期中,PFC模块将依据上述参数自动计算分步增量输出STEPMV(DMV/TS)、模型校正输出CV,其阀门开度MV则通过相关阀门实施调节。表2中的参数主要依据历史信息和现场试验获得,参数设定后需通过现场试运行进行调节。3.3工作控制器的输出跟踪方案切换时的阀门输出是在原有开度上的增量累加,要实现平稳过渡、减小超调,最关键的是备用控制器的阀门输出要跟踪工作控制器的阀位输出,从而保证不同的控制器在切换时各控制器的输出同步,具体说明如下。操作员进行软件操作和控制在25～60℃升温段,操作人员可在AdvanTrol-Pro监控画面上直接设定循环热水阀门的开度。pfc-1的输出值当温度为60℃时,将软手操回路的阀位实际输出值记为PFC的当前时刻输出值,保证PFC-1的输出和软手操调节输出的阀位开度一致;然后通过PFC-1模块自动运行。c-1低负荷+pfc-2控制热水循环调节当压力达到2.8MPa时,通过连锁程序将PFC-1方案中的调节阀关闭,然后投入PFC-2控制冷水循环调节;PFC的当前时刻输出阀门开度从0%开始,然后通过PFC-2模块自动运行。pid回路工作原理当温度达到75℃时,需要恒温恒压运行,切换前先把跟踪开关SwTV切换到阀门跟踪,再把PID算法输出的控制增量累加到原来阀位上加以输出,然后再把SwAM开关切换到PID回路控制。4双pfc模块优化控制方案针对