CN105204342B - 一种快速无超调升温夹套式加热反应釜的温度控制方法 - Google Patents
一种快速无超调升温夹套式加热反应釜的温度控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种快速无超调升温夹套式加热反应釜的温度控制方法，该方法利用基于脉宽调制功率的电子加热管、可编程序控制器(PLC)、监控计算机构造温度控制系统，首先采用全功率加热的方式进行开环阶跃响应实验，根据实验检测温度数据建立夹套式加热反应釜的升温响应传递函数模型；其次基于响应模型设计鲁棒闭环控制系统和控制器形式；最后，根据加热装置的实际功率大小和反应釜工况约束条件，整定控制器参数合适范围。应用该发明可以定量地调节夹套式反应釜溶液的升温速率，确保无超调达到指定的升温目标值，从而为化工聚合、蒸馏分离、以及生物发酵工艺等的升温调节提供一种方便可靠的自动化控制方法。
Description
技术领域
本发明属于工业过程控制技术领域，涉及到工业夹套式加热反应釜的快速升温控制方法，具体是指一种快速无超调升温夹套式加热反应釜的温度控制方法。
背景技术
用于化工聚合、蒸馏分离、以及生物发酵等的夹套式加热反应釜普遍采用温度控制来调节生产过程。对于很多聚合和蒸馏分离过程，主要是通过升温操作来实现聚合反应和产物分离，由于升温速率和平稳性直接决定了产物质量和生产效率，因而升温控制是有关生产工艺的核心技术。实际工程实践中由于存在反应釜容积不统一并且各种材质和加热循环介质的换热特性差异大，缺乏一致公认的高效升温控制方法，国内外很少有文献和专利介绍能推广使用的有关温度控制方法，如国际制药工程控制专家Z.K.Nagy在近期文献“Efficient output feedback nonlinear model predictive control for temperaturecontrol of industrial batch reactors,”(简译：用于工业批量生产反应釜温度控制的高效输出反馈非线性模型预测控制方法，发表在控制工程领域国际重要刊物ControlEngineering Practice,2007,15,839-859.)中明确指出，采用常规的单位反馈控制结构会导致升温过程出现严重超调的问题，为此提出一种基于输出反馈的非线性模型预测控制方法，通过实时调节升温速率来确保不出现升温温度过高以及过热时间较长的现象，但其缺点是控制性能过于保守，也即升温速率不能调节得较快，而且控制器结构过于复杂，在线计算量大，依赖于高性能计算机执行控制算法，因而限制了其应用范围。
目前工业夹套式加热反应釜的温度调节大多数是以人工操作经验为主，根据测试和历史操作结果，反复调节和优化升温控制策略，这种人工经验方法的主要缺点是：(1)需要长时间的反复整定测试，没有统一的调节方法；(2)不能定量评估升温控制策略可以达到的性能指标，一旦出现系统运行条件或参数变化，难以保证控制系统的稳定性；(3)没有参考设计标准，不便于快速推广用于不同生产体量或相近生产体系的控制系统设计。因此，如何设计快速无超调升温的夹套式加热反应釜温度控制系统是目前的研究和应用难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对工业夹套式加热反应釜的快速无超调升温控制问题。为解决这一问题，提出对夹套式加热反应釜溶液体系建立温度动态响应传递函数模型来设计闭环控制系统的技术方法，以实现快速无超调升温控制效果。
本发明利用基于脉宽调制功率的电子加热管、可编程序控制器(PLC)、监控计算机构造温度控制系统,首先采用全功率加热的方式进行开环阶跃响应实验，通过实时检测反应釜内溶液的温度变化，应用系统辨识理论建立夹套式加热反应釜的升温响应传递函数模型；其次基于辨识得到的模型采用鲁棒内模控制理论设计闭环控制系统和控制器形式；最后，根据电子加热管的实际功率大小和反应釜工况约束条件，整定控制器参数合适范围。
一种快速无超调升温夹套式加热反应釜的温度控制方法，步骤如下：
(1)开环阶跃响应升温实验辨识
采用全功率加热方式，即令其中h＝100(Hz)表示设置加热功率为100％，将夹套式反应釜内溶液温度升高至期望或指定的工作区温度附近(例如60℃)，然后关闭加热装置(如电子加热管)。实时采集反应釜内溶液温度变化的数据，直至溶液温度升至预定温度(例如60℃)时，结束实验；
(2)建立温度响应传递函数模型
根据辨识采集到的溶液温度变化数据，记为Y＝[y(t0+1),y(t0+2),…,y(tN)]T，其中t0表示起始采样时刻，tN表示采样数据长度；采用如下频域积分模型进行数据拟合，
其中s表示频域Laplace算子，kp是比例系数，θ是滞后响应时间参数，τp是惯性时间常数。
令s＝α+jω，得到如下形式
其中Δy(t)＝y(t)-y(t0)表示反应釜温度变化量，y(t0)表示反应釜初始温度，α是一个频域衰减因子，可取为满足如下条件的任一数值，
其中Δy(tp)＝y(tp)-y(t0)，Ts表示采样时间，tp可取为(0.1-0.5)tN，tN是开环阶跃响应实验时间总长度，δ1表示一个数值计算精度下限值，可取为|Δy(tp)|Ts×10-6，δ2是另一个数值计算精度下限值，可取为|Δy(tN)|Ts×10-6。
相应地，可以计算出升温过程传递函数模型的频域响应值，
记频域函数F(s)关于s的n阶导数为
可以算得
积分传递函数模型的参数可由下面计算公式得出，
kp＝α(τpα+1)G(α)eαθ
其中
Q3(α)＝Q2(α)-1/α2
实际应用中，可以通过减小开环阶跃实验加热功率值来延长实验允许测量时间长度，从而保证可以选取合适的α值来求解模型参数；
(3)设计闭环控制系统
控制系统中有两个控制器，其中一个是设定值跟踪控制器Cs，其输入端为设定值输入指令信号r，输出端接一个两路信号混合器的正极端，该信号混合器的负极端接另一个控制器的输出信号；另一个控制器是闭环反馈控制器Cf，其输入端为另一个两路信号混合器的输出，该信号混合器的正极端接夹套式反应釜溶液的测量温度信号y，其副极端接期望温度输出响应信号yr，该信号由期望温度响应传递函数Tr产生，该传递函数的输入端接设定值输入指令信号r；设定值跟踪控制器为如下形式
设定值跟踪控制器具有单一可调节参数λc，对应的期望升温响应传递函数为
闭环反馈控制器Cf为如下形式
其中
η1＝5λf+θ
其中，λf是Cf的单一可调节参数；
(4)整定控制器参数
单调地增大设定值跟踪控制器Cs的调节参数λc使设定点跟踪响应变慢，提高在有对象不确定性情况下的跟踪响应鲁棒性，反之亦然；单调地增大闭环反馈控制器Cf的调节参数λf加快闭环反馈控制性能，但在有对象不确定性情况下会使比闭环鲁棒稳定性变差，反之亦然；结合实际加热装置的输出功率限幅条件，通过在线单调地增大或减小这两个控制参数λc和λf，达到最快速无超调升温控制效果。
本发明利用开环全功率升温辨识实验，能够建立夹套式加热反应釜升温动态响应特性的传递函数模型，为控制系统设计提供参考依据，基于传递函数模型设计控制系统能达到鲁棒内模控制理论的输出误差平方和最小性能指标，保证实现快速升温无超调控制效果，控制器形式是基于模型参数的有理表达式，易于编写成软件程序或硬件设备制作，并且具有单一可调节的整定参数，可以方便地进行单调地调节(如单调地增大或减小)，克服夹套式加热反应釜在实际操作过程中的不确定性，达到最优化的控制性能，实现最快速无超调升温控制效果。
附图说明
图1为本发明的控制系统方框原理图。图1中，Cs是指用于跟踪设定温度值(图中示为r)的控制器，uc表示Cs的输出控制信号；Cf是指用于消除建模误差和负载干扰的闭环控制器，uf表示Cf的输出控制信号；u是指控制加热装置的指令信号，如图所示，它是由uc和uf混合而成的，即u＝uc-uf；Tr是期望的升温响应传递函数模型，它的输出是期望的温度响应值(记为yr)，实际夹套式加热反应釜的温度测量值(y)与yr之间的偏差用作反馈控制信号，发送给闭环控制器Cf；加热装置连同夹套式加热反应釜一起被视为广义控制对象，以便设计控制器。
图2为本发明的开环升温辨识实验示意图。图2中，阶跃信号是指实施开环升温辨识试验时设置加热装置功率大小的指令信号。
图3为应用本发明的开环升温辨识方法得出的4升夹套式加热反应釜温度响应辨识效果图。其中粗实线表示4升夹套式加热反应釜溶液的温度响应曲线，虚点线表示本发明给出的辨识模型预测温度响应曲线。
图4为本发明的闭环控制器中积分项的实施示意图。图4中，Td是期望的闭环抗扰传递函数。
图5(a)和图5(b)为本发明(粗实线)和德国Julabo公司CF41系列自动温控循环器(虚点线)给出的升温控制效果曲线。其中，图5(a)示出了温度响应曲线，图5(b)示出了加热装置的加热功率变化曲线，图中热功率的负值部分表示需要采用的制冷功率值。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的实施方式作详细描述。
实施例采用4升夹套式加热反应釜，内装2升浓度为10％的谷氨酸水溶液，配置了一台加热循环器，由2kw加热功率的电子加热管和内装7升换热介质(浓度为40％的乙二醇水溶液)的循环油浴槽组成，电子加热管的加热功率开启运行范围为0-100％。
采用本发明的具体实施步骤如下：
步骤1：开环升温辨识
首先在初始室温条件(如25℃)下，对夹套式反应釜进行开环阶跃响应升温实验，即全功率开启电子加热管，即令
其中h＝100(Hz)表示设置加热功率为100％。
将夹套式反应釜内溶液温度升高至期望或指定的工作区温度附近(例如60℃)，实时采集反应釜内溶液温度变化的数据，当检测到溶液温度升至预定温度(例如60℃)时，关闭电子加热管，结束实验，如图3所示。
步骤2：建立温度响应传递函数模型
根据从辨识采集到的溶液温度变化数据，记为Y＝[y(t0+1),y(t0+2),…,y(tN)]T(其中t0表示起始采样时刻，tN表示采样数据长度)，考虑到升温过程属于积分过程，采用如下频域积分模型进行数据拟合，
其中s表示频域Laplace算子，kp是比例系数，θ是滞后响应时间参数，τp是惯性时间常数。
令s＝α+jω，可以计算出反应釜温度响应频域函数
其中Δy(t)＝y(t)-y(t0)表示反应釜温度变化量，y(t0)表示反应釜初始温度，α是一个频域衰减因子，可取为满足如下条件的任一数值，
其中Δy(tp)＝y(tp)-y(t0)，Ts表示采样时间，tp可取为(0.1-0.5)tN，δ1表示一个数值计算精度下限值，可取为|Δy(tp)|Ts×10-6，δ2是另一个数值计算精度下限值，可取为|Δy(tN)|Ts×10-6。实际应用中，如果上述(4)和(5)中的两个条件不能同时得到满足，可以通过减小开环阶跃实验加热功率值来延长实验允许测量时间长度，从而保证这两个条件得到满足以选取合适的α值。
相应地，可以计算出升温过程传递函数模型的频域响应值，
记频域函数F(s)关于s的n阶导数为
可以算得
其中α是s＝α+jω中的实部，选取方法如上(3)式中计算反应釜温度频域响应函数。
上述(2)式中过程传递函数模型的参数可由下面计算公式得出，
kp＝α(τpα+1)G(α)eαθ (12)其中
Q3(α)＝Q2(α)-1/α2 (15)
根据上述4升夹套式加热反应釜的全功率开环阶跃实验数据，取Ts＝1(秒)，α＝0.009和tN＝1300(秒)来应用该辨识算法，可以得到升温响应传递函数模型，
步骤3：设计闭环控制系统
构建如图1所示的闭环控制系统，其中设定值跟踪控制器为如下形式
由式(17)可以看出，该控制器具有单一可调节参数λc，对应的期望升温响应传递函数为
结合式(17)和(18)可以看到，单调地增大调节参数λc可以使设定点跟踪响应变慢，从而提高在有对象不确定性情况下的跟踪响应鲁棒性，反之亦然。
根据如式(16)所示的4升夹套式加热反应釜升温响应传递函数模型，由上面控制器设计方法可以得出
闭环控制器Cf采用如下形式
其中
η1＝5λf+θ
上式(21)中1/(1-Td)具有积分性质，即用于消除稳态输出偏差，可以采用一个单位正反馈闭环控制结构实现，如图4所示。λf是Cf的单一可调节参数，单调地增大λf可以加快闭环反馈控制性能，但在有对象不确定性情况下会使闭环鲁棒稳定性变差，反之亦然。
根据如式(16)所示的4升夹套式加热反应釜升温响应传递函数模型，可以确定闭环控制器Cf中的参数值，
η1＝5λf+79.9
步骤4：整定控制器参数
由开环阶跃响应实验可知(参见图3)，夹套式加热反应釜溶液的最大升温速率不会超过0.04℃/秒，因此采用如下抗噪滤波输出测量反馈信号，
其中是指用于反馈控制的温度测量信号，y(kTs)是实际测量的温度值，ΔT＝0.05℃是滤波最大限幅。
结合电子加热管的实际输出功率限制，初始设置两个控制器参数值λc＝λf＝τp＝657.8，经过在线单调地减小这两个控制参数，确定出一组取得快速无超调控制效果的参数整定值λc＝280和λf＝180，控制效果如图5所示。图5中(a)为夹套式加热反应釜溶液的温度响应曲线，图5(b)中为电子加热管的实际输出功率。图5中还示出了德国JULABO公司的自动化温度控制装置(2014年产品CF41)的升温控制效果，以作比较。可以看到，本发明给出的控制方法能缩短大约800秒时间达到稳态目标温度区域(50±0.1)℃，由于全部升温时间大约为3000秒，因此可见本发明可以显著提高升温控制快速性，并且保证在满足电子加热管的输出功率限制条件下实现无超调响应。由图5(b)可见，德国JULABO公司的自动化温度控制装置在升温过程中产生了过热，必须采用制冷装置来补偿吸收热量，造成了一些能量消耗浪费，然而采用本发明的控制方法自始至终都不会产生过热现象，满足了反应釜工况要求。
本发明可以定量地调节夹套式加热反应釜溶液的升温速率，确保快速无超调达到指定的升温目标值，方法简便易行，不依赖于夹套式加热反应釜的任何先验知识和操作经验或数据库，能够实现快速升温无超调控制效果，便于实际工业应用和推广。
Claims (1)
1.一种快速无超调升温夹套式加热反应釜的温度控制方法，其特征在于如下步骤：
(1)进行开环阶跃响应升温实验
采用全功率加热方式，即令其中h＝100Hz表示设置加热功率为100％，将夹套式反应釜内溶液温度升高至指定的工作区温度，然后关闭加热装置；实时采集反应釜内溶液温度变化的数据，直至溶液温度升至预定温度时，结束实验；
(2)建立温度响应传递函数模型
根据辨识采集到的溶液温度变化数据，记为Y＝[y(t0+1),y(t0+2),…,y(tN)]T，其中t0表示起始采样时刻，tN表示采样数据长度；采用如下频域积分模型进行数据拟合，
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其中s表示频域Laplace算子，kp是比例系数，θ是滞后响应时间参数，τp是惯性时间常数；
令s＝α+jω，得到如下形式
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其中Δy(t)＝y(t)-y(t0)表示反应釜温度变化量，y(t0)表示反应釜初始温度，α是一个频域衰减因子，可取为满足如下条件的任一数值，
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其中Δy(tp)＝y(tp)-y(t0)，Ts表示采样时间，tp可取为0.1tN-0.5tN，tN是开环阶跃响应实验时间总长度，δ1表示一个数值计算精度下限值，可取为|Δy(tp)|Ts×10-6，δ2是另一个数值计算精度下限值，取为|Δy(tN)|Ts×10-6；
计算出升温过程传递函数模型的频域响应值：记频域函数F(s)关于s的n阶导数为
算得：
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积分传递函数模型的参数可由下面计算公式得出，
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其中
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Q3(α)＝Q2(α)-1/α2
(3)设计闭环控制系统
控制系统中有两个控制器，其中一个是设定值跟踪控制器Cs，其输入端为设定值输入指令信号r，输出端接一个两路信号混合器的正极端，该信号混合器的负极端接另一个控制器的输出信号；另一个控制器是闭环反馈控制器Cf，其输入端为另一个两路信号混合器的输出，该信号混合器的正极端接夹套式反应釜溶液的测量温度信号y，其负极端接期望温度输出响应信号yr，该信号由期望温度响应传递函数Tr产生，该传递函数的输入端接设定值输入指令信号r；设定值跟踪控制器为如下形式
<mrow>
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设定值跟踪控制器具有单一可调节参数λc，对应的期望升温响应传递函数为
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</mrow>
其中，λf是Cf的单一可调节参数；
(4)整定控制器参数
单调地增大设定值跟踪控制器Cs的调节参数λc使设定点跟踪响应变慢，提高在有对象不确定性情况下的跟踪响应鲁棒性，反之亦然；单调地增大闭环反馈控制器Cf的调节参数λf加快闭环反馈控制性能，但在有对象不确定性情况下会使比闭环鲁棒稳定性变差，反之亦然；结合实际加热装置的输出功率限幅条件，通过在线单调地增大或减小这两个控制参数λc和λf，达到最快速无超调升温控制。
Priority Applications (1)
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| CN201510642153.0A CN105204342B (zh) | 2015-10-02 | 2015-10-02 | 一种快速无超调升温夹套式加热反应釜的温度控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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- 2015-10-02 CN CN201510642153.0A patent/CN105204342B/zh active Active
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