CN102455718B - 一种催化剂生产装置中的温度控制系统及其方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于催化剂间歇生产过程中的温度控制的设计，属生产过程自动控制领域。具体涉及顺酐催化剂生产装置中主要设备糖衣锅的过程反应温度的控制方法。本发明研发了PID模糊控制器，针对于顺酐催化剂制备工艺中糖衣锅锅内温度惯性大、时间滞后明显、耦合强、难以建立精确的数学模型的特点，采用了模糊控制与串级控制相结合的控制方法，对顺酐催化剂控制系统中的温度偏差进行了控制，从而实现了对锅内温度的自动控制。应用表明，该控制算法完全满足糖衣锅锅温度参数的控制要求，改善了系统的动态性能，提高了顺酐催化剂产品的性能和质量。

Description

一种催化剂生产装置中的温度控制系统及其方法和应用

技术领域

本发明属于催化剂间歇生产过程中的温度控制的设计，属生产过程自动控制领域。具体涉及顺酐催化剂生产装置中主要设备糖衣锅的过程反应温度的控制方法。 

背景技术

顺酐催化剂是重要的有机化工原料，工业应用十分广泛。顺酐催化剂生产是间歇生产过程，其装置中催化剂制备的主要工艺设备是糖衣锅。糖衣锅控制流程简图见图1。糖衣锅是一个带变频电机调速的可旋转锅体，锅内加入颗粒料载体，糖衣锅下方有多个天然气炉嘴，在生产过程中通过点燃天然气给锅内物料加热。锅体通过变频电机调速旋转，当锅内物料温度升温达到一定值(T1)时，锅上方喷淋装置开始喷出催化剂物料浆液。根据工艺条件，生产过程分为升温阶段和保温阶段，在保温阶段要求温度控制精度在±3℃。保温阶段的温度控制精度直接影响顺酐催化剂的产品质量。 

在传统的顺酐催化剂制备工艺中，大多采用温度直接控制天然气流量的单回路PID控制方法。但是由于糖衣锅锅内热惯性大，时间滞后明显，温度耦合影响强烈，且糖衣锅锅内温度分布不均匀，沿锅内从内到外呈梯度分布，建立锅内的数学模型非常困难。所以在传统的控制方法中，升温过程时温度会急剧上升，使得天然气流量也会逐渐减小，当天然气压力小于1.5Kpa时，就会出现 熄火的现象，这又造成温度快速下降。在保温过程中偶尔会出现浆液喷淋装置堵塞和天然气压力波动等不确定因素，导致温度波动过大，温度控制的偏差超过±20℃。 

所以针对糖衣锅内温度存在着严重的滞后，致使调节系统难以满足生产工艺的要求，采用了温度压力串级调节系统克服系统存在的大滞后，虽然串级调节系统有一定的自适应的能力，但是控制器具有积分作用且长期存在偏差，将出现积分饱和现象，所以将模糊控制引入到常规串级调节系统中。 

串级模糊控制方案就是仿人工操作而设计的控制方案。模糊控制的提出就是为了解决由精确控制理论难于建立数学模型和实施有效控制而有经验的操作人员的人工操作却能很好运行的被控系统的控制问题。将模糊控制与串级调节有机结合的控制方案显然对大滞后生产过程是非常合适的。 

发明内容

为了克服现有技术中温度直接控制天然气流量存在的滞后问题，以及温度波动过大，造成对顺酐催化剂的产品性能和质量的不良影响。本发明提供了一种模糊控制和串级调节有机结合的控制系统及其方法，该方案能够使得顺酐催化剂制备工艺中的温度实现精确控制。 

本发明为了实现上述发明目的，采用的技术方案为， 

一种在催化剂生产装置中的温度控制系统，所述系统包括温度检测单元，温度压力控制单元，和实施单元； 

所述温度检测单元包括热电阻温度传感器，用于实时检测反应器内温度的变化。 

所述温度压力控制单元包括PLC控制模块，用于根据温度变化控制压力输出； 

所述实施单元包括仪表组件和一组压力控制阀单元；用于根据所述温度压力控制单元输出的控制信号控制阀门，进而控制温度变化； 

所述PLC控制模块中包括温度压力串级控制子单元，温度偏差和偏差变化率作为控制器的输入变量进行模糊推理和模糊运算，其模糊控制器的输出调节压力回路输入； 

所述温度压力串级控制子单元包含PID模糊控制器；所述PID模糊控制器采用的是两输入-单输出的结构形式； 

两输入变量是温度误差E及误差变化量ΔE，经过尺度变换及量化，其论域为X＝{-3，-2，-1，0，1，2，3}，对应的语言值为{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}；对于温度误差E＝sp-pv，其中sp为设定温度，pv为实际温度，分别代表当前温度相对于设定值为“极高”、“很高”、“偏高”、“正好”、“偏低”、“很低”、“极低”；对于温度误差的变化量ΔE＝E_i+1-E_i，分别表示当前的温度的变化为“快速下降”、“下降”、“不变”、“上升”、“快速上升”； 

温度控制器的输出为控制量u，其语言变量U；论域为Y＝{-3，-2，-1，0，1，2，3}，其对应的语言值为{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。 

所述PID模糊控制器由PID调节器和模糊控制单元组成；所述模糊控制单元应用模糊理论建立温度参数误差绝对值E和温度误差变化率ΔE与PID模糊控 制器输出U之间的二元函数关系U＝f(E，ΔE)，根据不同的E和ΔE在线自整定参数U，图3是模糊控制的结构图，图4是具体算法的实现. 

本系统根据所述传感器得出的温度偏差信号，建立温度误差、误差变化率及控制器输出之间的模糊关系U＝f(E，ΔE)，首先确定模糊控制规则表，经过模糊推理和模糊运算建立模糊控制表，最后解模糊化，得到模糊控制器的输出结果，并控制所述实施单元进行温度控制操作。 

所述模糊推理其实是一种近似推理，以模糊条件语句为基础，在模糊控制中模拟人的决策过程。对于模糊控制表(表1)输出量U的调节规则可以写成26条语句如下： 

1)if e＝NB and  Δe＝NB  then U＝NB 

2)if e＝NB and  Δe＝NM  then U＝NB 

3)if e＝NB and  Δe＝NS  then U＝NM 

那么第一条语句规则的隶属度计算为： 

w₁＝μe_NB∧μΔe_NB

U₁＝w₁∧u_NB

那么第二条语句规则的隶属度计算为： 

w₂＝μe_NB∧μΔe_NM

U₂＝w₂∧u_NB

那么第三条语句规则的隶属度计算为： 

w₃＝μe_NB∧μΔe_NS

U₃＝w₃∧u_NM

依次类推，可以得到变量在各种情况下的隶属度，采用加权平均法得到最后的模糊控制表，实际控制时只要查表就可以了。根据<<模糊控制理论与工程应用>>中记载（增光奇胡均安王东刘春玲主编;华中科技大学出版社）,解模糊化采用加权平均法，即，该公式是计算输出量模糊集中的各元素U_ci(i=1,2,…,7)，与其隶属度μ_B(U_ci)的乘积U_ciμ_B(U_ci)(i=1,2,…,7)，再计算该乘积和对于隶属度和的平均值，式中U_ci是使μ_B(U_ci)取得最大值的点，它也是隶属函数的中心点，即：μ_B(U_ci)=maxμ_B(U_ci)=σ_i，μ_B(U_ci)是相应的模糊集合的隶属函数，输出的表达式也可变为： 

$U=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{\mathrm{ci}}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&sigma;}}}_i,$ 其中 ${\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&sigma;}}}_i=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_i}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&sigma;}}_i},$ 最终得到电压设定值。 

本发明采用上述系统进行温度控制的方法，采用温度压力串级控制过程，其包括如下步骤： 

(1)探测温度并参数初始化步骤：根据所述传感器探测到当前装置内的温度值，并确定主、副回路初始的PID参数，其中温度回路为主回路，压力回路为副回路； 

(2)PID模糊控制器操作步骤：将温度偏差和偏差的变化率变换成相应的基本论域，温度偏差E和温度偏差变化率ΔE转换成对应的语言值，经过量化以后，根据确定的隶属函数建立模糊控制规则表，经过模糊推理和和解模糊化运算建立模糊控制表，将模糊控制量转换到实际论域中，得到准确的压力控制信号； 

(3)现场调整步骤：根据温度偏差及偏差变化率调整PID参数，并对控制规 则表进行微调，并调整阀门的流通能力，减小调节阀的控制死区。 

所述步骤(2)PID模糊控制器操作步骤包括， 

(21)确定出模糊控制器的输入变量和输出变量，将输入、输出变量模糊化，定义其论域，将输入变量和输出变量转换为相应的语言值,建立温度误差、误差变化率及控制器输出之间的模糊关系。 

(22)确定语言值的隶属函数，选取是三角函数  $f(x,a,b,c)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{x-a}{b-a}& a<x<b\\ \frac{x-c}{b-c}& b<x<c\end{array}\right.,$ 将温度的温度误差E及温度误差变化量ΔE的绝对值作为横轴坐标（x），X的取值范围在上升段下降段不同，a<x<b,b<x<c,将温度T作为纵轴的坐标(即函数f(x,a,b,c))，根据隶属函数确定出各语言变量在其离散化论域上的隶属度。 

(23)经过模糊推理得到变量在各种情况下的隶属度，通过加权平均法解模糊化建立模糊控制表，将模糊控制量转换到实际论域中，得到准确的压力控制信号； 

(24)输出压力控制信号。 

本发明所述系统和方法用于制备顺酐催化剂制备工艺。 

本发明为了实现发明目的，在一个由工程师站、PLC控制系统、温度仪表、压力仪表和天然气调节阀组成的硬件系统中，提供了一种模糊控制理论和温度压力串级控制相结合的控制方法，该方法主被控变量是温度，通过设计的PID模糊控制器，得到控制器的输出，将作为压力控制器的输入值，从而控制天然气的流量。 

本发明与现有技术的实质性区别在于，在温度控制中设计了PID模糊控制器，基于模糊控制理论对温度偏差和偏差变化率进行模糊化处理，然后模糊推理，与传统的单回路控制方式和串级控制方式有很大的区别。传统温度PID控制是在PLC内部温度偏差信号进行PID运算，利用PID调节模块调节天然气流量阀门，但是对模糊控制不需要精确的数学模型，通过模拟手动操作的过程，以温度偏差、温度偏差的变化率参数为模糊关系，经模糊推理和模糊运算，根 据控制规则调节压力回路输入，压力回路的输出作用到天然气调节阀上，使得天然气流量大小改变，最终实现温度控制平稳精确的目的。 

本发明采用如上的技术方案，得到的有益效果是：这种控制方法的实施，克服了现有技术工艺过程中经常出现的温度大的波动、催化剂脱落和天然气熄火的缺点，使顺酐催化剂的产品质量大为提高。 

附图说明

图1是顺酐催化剂制备设备，糖衣锅控制流程简图； 

图2是串级模糊控制系统框图； 

图3是模糊控制器结构图； 

图4是模糊PID控制程序流程图； 

图5是隶属函数分布图； 

图6是PID模糊控制器阶跃响应曲线图。 

将结合说明书内容和具体实施方式对附图进行说明 

具体实施方式

图1是顺酐催化剂制备设备，糖衣锅控制流程简图； 

图2是串级模糊控制系统框图；总控制方案选取的是串级控制系统，糖衣锅内的温度作为串级控制系统的主被控变量，压力作为串级控制系统的辅助被控变量，即模糊控制为主环，PID控制作为副环，温度控制器的输出作为压力控制器的设定值。 

图3是模糊控制器结构图；在采样时刻计算温度偏差和偏差的变化率，根据控制经验总结出来的模糊控制规则，经模糊判决给出控制量的确切值，作为副环的给定值，从而控制压力。 

图4是模糊PID控制程序流程图；是模糊控制算法的具体流程图。 

图5是隶属函数分布图；选取的是三角形隶属函数，其中NB隶属函数曲线为Z型隶属函数，PB隶属函数曲线为S型隶属函数。 

图6是PID模糊控制器阶跃响应曲线图。仿真结果表明模糊串级控制系统超调明显减小，调节时间大大缩短，全面改善了系统的动态性能。 

本发明技术方案采取的是串级控制系统，糖衣锅内的温度作为串级控制系统的主被控变量，是要保持平稳控制的主要变量，压力作为串级控制系统的辅助被控变量，温度控制器的输出作为压力控制器的设定值，见图2。 

在温度控制中设计了PID模糊控制器，这是一种PID控制与模糊控制系统相结合的智能控制系统它采用Fuzzy-PID复合控制算法，即在常规PID调节器的基础上，应用模糊理论建立参数误差绝对值E和误差变化率ΔE与控制器输出U之间的二元函数关系U＝f(E，ΔE)，可以根据不同的E和ΔE在线自整定参数U，使其既具有模糊控制灵活、响应快、适应性强等优点，又具有PID控制精度高的优点，具有较强的鲁棒性和稳定性。PID模糊控制器的原理图见图3。 

下面对模糊控制器的建立进行具体描述： 

一、模糊控制器采用的是两输入-单输出的结构形式。控制器的输入变量是温度误差E及误差变化量ΔE，经过尺度变换及量化，其论域为X＝{-3，-2，-1，0，1，2，3}，对应的语言值为{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)， 正大(PB)}。对于温度误差E＝sp-pv(sp为设定温度，pv为实际温度)，分别代表当前温度相对于设定值为“极高”、“很高”、“偏高”、“正好”、“偏低”、“很低”、“极低”。对于温度误差的变化量ΔE＝E_i+1-E_i，分别表示当前的温度的变化为“快速下降”、“下降”、“不变”、“上升”、“快速上升”。 

模糊控制算法得出的模糊控制输出量U，论域为Y＝{-3，-2，-1，0，1，2，3}，其对应的语言值为{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。 

二、选取三角形隶属函数作为Fuzzy子集的隶属函数，隶属度函数分布图型表示见图5，这里NB隶属函数曲线为Z型隶属函数，PB隶属函数曲线为S型隶属函数。 

三、根据模糊控制规则表(表1)进行模糊推理，可由if...then...等26条模糊条件语句进行描述 

表1 

四、通过模糊推理得到的各种情况下的隶属度采用合理的方法将模糊量转换为精确量，选用的解模糊化采用的是加权平均法，即， 最终得到电压设定值。 

综上所述，本发明采用的是模糊控制方法，对顺酐催化剂控制系统中的温度偏差进行了控制，通过来自传感器得出的温度偏差信号，建立了温度误差、误差变化率及控制器输出之间的模糊关系，通过模糊运算得到模糊控制规则表，经过模糊推理和解模糊化，最终得到模糊控制器的输出，PID模糊控制器程序流程图见图4，通过仿真结果也可以看到，PID模糊控制器的阶跃响应如图6，控制系统超调减小，调节时间缩短，改善了系统的动态性能。 

实施例1 

顺酐催化剂制备工艺中温度压力串级控制方法的实施主要包括以下几个步骤： 

(1)将该过程中的控制方式由温度单回路控制改为温度压力串级控制。通过工程师站和PLC控制系统进行编程组态，用糖衣锅温度来控制天然气的压力，进而来调节天然气流量的大小。其中，温度回路为主回路，压力回路为副回路直接控制天然气流量。现场调试确定主、副回路初始的PID参数。 

(2)在对温度控制中设计了PID模糊控制器，将温度偏差和偏差的变化率变换成相应的基本论域，温度偏差E和温度偏差变化率ΔE转换成合适的语言值，经过量化以后，根据确定的隶属函数建立模糊控制规则表，用IF...THEN总结出模糊语言的控制规则。最后通过解模糊化，将模糊控制量转换到实际论域中，得 到准确的压力控制信号。 

(3)在现场实际调整阶段，根据温度偏差及偏差变化率调整PID参数，并对控制规则表进行微调，在此过程中，又通过更换调节阀的阀芯改变阀门的流通能力，减小调节阀的控制死区，以保证在较低天然气压力下不熄火。通过以上环节的调整，为PID模糊控制器的实际应用创造了前提和软硬件保障。 

Claims (5)

1.一种在催化剂生产装置中的温度控制系统，所述系统包括温度检测单元，温度压力控制单元，和实施单元； 

所述温度检测单元包括热电阻温度传感器,用于实时检测反应器内温度的变化； 

所述温度压力控制单元包括PLC控制模块，用于根据温度变化控制压力输出； 

所述实施单元包括仪表组件和一组压力控制阀单元；用于根据所述温度压力控制单元输出的控制信号控制阀门，进而控制温度变化；其特征在于，所述PLC控制模块中包括温度压力串级控制子单元，温度偏差和偏差变化率作为控制器的输入变量进行模糊推理和模糊运算，其模糊控制器的输出调节压力回路输入；所述模糊推理是一种近似推理，以模糊条件语句为基础，在模糊控制中模拟人的决策过程; 

解模糊化采用加权平均法，即，该公式是计算输出量模糊集中的各元素U_ci(i=1,2,…,7)，与其隶属度μ_B(U_ci)的乘积U_ciμ_B(U_ci)(i=1,2,…,7)，再计算该乘积和对于隶属度和的平均值，式中U_ci是使μ_B(U_ci)取得最大值的点，它也是隶属函数的中心点，即：μ_B(U_ci)=maxμ_B(U_ci)=σ_i，μ_B(U_ci)是相应的模糊集合的隶属函数，输出的表达式也可变为： 

其中最终得到电压设定值； 

所述温度压力串级控制子单元包含PID模糊控制器；所述PID模糊控制器由PID调节器和模糊控制单元组成；所述模糊控制单元应用模糊理论建立温度参数误差绝对值E和温度误差变化率ΔE与PID模糊控制器输出U之间的二元函数关系U=f(E,ΔE),根据不同的E和ΔE在线自整定参数U； 

所述PID模糊控制器采用的是两输入-单输出的结构形式； 

两输入变量是温度误差E及误差变化量ΔE，经过尺度变换及量化，其论域为X={-3,-2,-1,0,1,2,3},对应的语言值为{负大(NB),负中(NM),负小(NS),零(ZO),正小(PS),正中(PM),正大(PB)}；对于温度误差E=sp-pv，其中sp为设定温度,pv为实际温度，分别代表当前温度相对于设定值为“极高”、“很高”、“偏高”、“正好”、“偏低”、“很低”、“极低”；对于温度误差的变化量ΔE=E_i+1-E_i，分别表示当前的温度的变化为“快速下降”、“下降”、“不变”、“上升”、“快速上升”； 

温度控制器的输出为控制量u,其语言变量U;论域为Y={-3,-2,-1,0,1,2,3}，其对应的语言值为{负大(NB),负中(NM),负小(NS),零(ZO),正小(PS),正中(PM),正大(PB)}； 

本系统根据所述传感器得出的温度偏差信号，建立温度误差、误差变化率及控制器输出U之间的模糊关系U=f(E,ΔE)，通过模糊运算得到模糊控制规则表，经过模糊推理和解模糊化，最终得到模糊控制器的输出结果，并控制所述实施单元进行温度压力控制操作。 

2.根据权利要求1所述的一种在催化剂生产装置中的温度控制系统，其特征在于，所述温度控制系统所包含两条回路：温度回路和压力回路；根据所述传感器检测到当前装置内的温度值，并确定主、副回路初始的PID参数，其中温度回路为主回路，压力回路为副回路。 

3.采用权利要求1－2之一的系统进行温度控制的方法，其特征在于， 

所述温度控制方法采用温度压力串级控制过程，其包括如下步骤： 

(1)检测温度并参数初始化步骤：根据所述传感器检测到当前装置内的温度值，并确定主、副回路初始的PID参数，其中温度回路为主回路，压力回路为副回路； 

(2)PID模糊控制器操作步骤：将温度偏差和偏差的变化率变换成相应的基本论域，温度偏差E和温度偏差变化率ΔE转换成对应的语言值，经过量化以后，根据确定的隶属函数建立模糊控制规则表，设定控制规则；最后通过解模糊化，将模糊控制量转换到实际论域中，得到准确的压力控制信号； 

(3)现场调整步骤：根据温度偏差及偏差变化率调整PID参数，并对控制规则表进行微调，并调整阀门的流通能力，减小调节阀的控制死区。 

4.根据权利要求3所述的温度控制的方法，其特征在于， 

所述步骤(2)PID模糊控制器操作步骤包括， 

(21)确定出模糊控制器的输入变量和输出变量，将输入、输出变量模糊化，定义其论域，将输入变量和输出变量转换为相应的语言值,即建立温度误差、误 差变化率及控制器输出之间的模糊关系; 

(22)确定语言值的隶属函数，选取是三角函数 将温度的温度误差E及温度误差变化量ΔE的绝对值作为横轴坐标（x），X的取值范围在上升段下降段不同，a<x<b,b<x<c,将温度T作为纵轴的坐标(即函数f(x,a,b,c))，根据隶属函数确定出各语言变量在其离散化论域上的隶属度； 

(23)经过模糊推理得到变量在各种情况下的隶属度，通过加权平均法解模糊化该公式是计算输出量模糊集中的各元素U_ci(i=1,2,…,7)，与其隶属度μ_B(U_ci)的乘积U_ciμ_B(U_ci)(i=1,2,…，7)，再计算该乘积和对于隶属度和的平均值，式中U_ci是使μ_B(U_ci)取得最大值的点，它也是隶属函数的中心点，即：μ_B(U_ci)=maxμ_B(U_ci)=σ_i，μ_B(U_ci)是相应的模糊集合的隶属函数，输出的表达式也可变为： 

其中建立模糊控制表，将模糊控制量转换到实际论域中，得到准确的压力控制信号； 

(24)输出压力控制信号。 

5.根据权利要求1－2之一的温度控制系统，其特征在，所述系统用于制备顺酐催化剂制备工艺。