CN105607481A - 一种聚乙烯反应过程温度的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚乙烯反应过程温度的控制方法，具体步骤包括：(a)主控建模：建立调温水量与循环气温度之间的机理模型，调温水量作为操作变量，循环气进入反应器的温度作为被控变量；(b)前馈建模：建立催化剂进量与反应器过程温度的模型，通过比例系数K_c叠加到MPC主控制器；(c)线性处理；(d)参数确定；(e)优化计算：通过预测控制MPC算法对聚乙烯反应过程的温度经行迭代求解，控制调温水流量，进而控制反应过程的温度。本发明可测扰动—催化剂加料量采用前馈控制及时消除对系统的影响，减小反应器温度的波动，使装置运行在经济合理位置，提高产品质量和产量，降低能耗，节省高昂的催化剂，减小非正常的停车次数。

Description

一种聚乙烯反应过程温度的控制方法

【技术领域】

本发明涉及聚合反应的技术领域，特别是聚乙烯反应生成过程中温度控制方法的技术领域。

【背景技术】

聚合过程是在聚合反应釜内，在分散剂、缓冲剂、链转移剂、防黏剂、热稳定剂、引发剂和终止剂等助剂作用下，单体在一定温度和压力下聚合成高分子聚合物的过程。

聚乙烯是乙烯聚合而成的高分子化合物。产品分为高、中、低压聚乙烯和低压低密度聚乙烯等。聚乙烯反应系统主要由聚合反应器、循环气冷却器和循环气压缩机组成。反应循环气体在压缩机的作用下，连续经过被硫化的树脂反应床和冷却器，同时带走反应产生的热量。冷却器是单程壳式换热器，气体走管程，调温水走壳层。聚合反应在硫化床反应器中进行，反应用料乙烯、氢气、T₂、C₂、C₄及其共聚单体从反应器底部加入，一部分转化为聚乙烯，大部分单体和共聚单体从反应器顶部作为循环气又返回到反应器。循环冷却器的调温水由水泵打入，从循环冷却器出来的调温水带出大量的热量。反应器的出料包含两路：一路排出料粉进入出料缸，另一路从反应器顶部排出参与循环反应。

为了提高温度的动静态控制品质，减少反应器温度的波动；同时也为了克服催化剂进料的干扰，本发明提出一种前馈-反馈结构的MPC控制方案，使反应温度稳定在设定值水平。预测控制是70年代后期产生的一类新型计算机控制算法，这类算法以对象的阶跃或脉冲响应为模型，采用滚动优化推移对的方式在线地对过程实现优化控制，在复杂的工业过程中显现出良好的控制性能。

【发明内容】

本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种聚乙烯反应过程温度的控制方法，可以明显减小反应过程温度的方差，有效地提高过程系统的控制精度，并且易于实现计算机控制。

为实现上述目的，本发明提出了一种聚乙烯反应过程温度的控制方法，所述控制方法利用预测控制MPC和前馈-反馈控制的形式对聚乙烯反应过程的温度进行跟踪控制，具体步骤包括：

(a)主控建模：建立调温水量与循环气温度之间的机理模型，调温水量作为操作变量，循环气进入反应器的温度作为被控变量；

(b)前馈建模：建立催化剂进量与反应器过程温度的模型，通过比例系数K_c叠加到MPC主控制器上；

(c)线性处理：在不同工作点处，对主控模型进行线性化，得到调温水量与循环气温度之间的线性模型；

(d)参数确定：选取采样周期T，动态响应测试，得到模型系数a₁,a₂.....a_N，仿真调优确定其他参数；

(e)优化计算：通过预测控制MPC算法对聚乙烯反应过程的温度经行迭代求解，控制调温水的流量，进而控制反应过程的温度。

作为优选，所述(a)步骤中，采用的是MPC算法，调温水量与循环气温度之间的机理模型通过脉冲响应的值来确定，需要符合实际生产过程或者分析历史数据，并不一定为单位脉冲。

作为优选，所述(b)步骤中，在前馈模型的建立之后需要经过参数整定、与主控模型的关系分析之后确定比例系数K_c的值，并应具体考量催化剂的种类、硫化床反应器。

作为优选，所述(e)步骤中，优化计算的具体过程参照具体实施过程部分中的预测控制MPC算法，需要确定参考轨迹和解优化方程，通过控制阀最终确定调温水量的大小。

本发明的有益效果：本发明一种聚乙烯反应过程温度的控制方法在工作过程中，通过将预测控制与前馈-反馈控制结合的方法进行聚乙烯反应过程的温度控制。在通过机理建模、得到系统模型的情况下，结合预测控制可用于时变、时滞以及非线性系统的控制的特点,可以方便的处理控制量、操作工况、装置上下限等约束；对可测扰动——催化剂加料量采用前馈控制及时消除对系统的影响，大大减小了反应器温度的波动，使装置运行在经济合理的位置，提高产品的质量和产量，降低了能耗；同时，装置的平稳运行节省了高昂的催化剂，减小了非正常的停车次数。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本发明一种聚乙烯反应过程温度的控制方法的控制框图；

图2是本发明一种聚乙烯反应过程温度的控制方法的流程工艺图。

【具体实施方式】

参阅图1和图2，本发明一种聚乙烯反应过程温度的控制方法，具体步骤包括：

步骤一、建立调温水量与循环气温度之间的机理模型，调温水量作为操作变量，循环气进入反应器的温度作为被控变量；

步骤二、建立催化剂进量与反应器过程温度的模型，通过比例系数K_c叠加到MPC主控制器上；

步骤三、在不同工作点处，对主控模型进行线性化，得到调温水量与循环气温度之间的线性模型；

步骤四、选取采样周期T，动态响应测试，得到模型系数a₁,a₂.....a_N，仿真调优确定其他参数；

步骤五、通过预测控制MPC算法对聚乙烯反应过程的温度经行迭代求解，控制调温水的流量，进而控制反应过程的温度。

其中预测控制MPC算法的主要过程为：

基于聚乙烯反应对象的脉冲响应：

1、主控过程的预测模型

线性对象，其单位脉冲响应的采样值g₁...g_j...，离散卷积公式可以写出：其中u，y分别是输入量、输出量相对于稳定工作点的偏移量。渐进稳定的对象， 使t_N＝NT。

因此，对象的动态特性可以用一个有限卷积的预测模型表示：

$\begin{array}{c}y(k+i)=\stackrel{N}{\mathrm{\Σ}}{g}_{j}u(k+i-j)\\ M\≤P,u(k+M)=\mathrm{...}=u(k+P-1)\\ y_M(k+1)=g_{1}u\left(k\right)+g_{2}u(k-1)+\mathrm{...}+g_{N}u(k+1-N)\\ \mathrm{...}\\ y_M(k+M)=g_{1}u(k+M-1)+g_{2}u(k+M-2)+\mathrm{...}+g_{N}u(k+M-N)\\ y_M(k+M-1)=(g_1+g_2)u(k+M-1)+g_{3}u(k+M-2)+\mathrm{...}+g_{N}u(k+M-N+1)\\ \mathrm{...}\\ y_M(k+P)=(g_1+\mathrm{...}+g_{P-M+1})u(k+M-1)+g_{P-M+2}u(k+M-2)+\mathrm{...}+g_{N}u(k+P-N)\\ y_M\left(k\right)=G_1{u}_1\left(k\right)+G_2{u}_2\left(k\right)\end{array}$ 即

其中， $\begin{array}{c}{y}_M\left(k\right)={\[y_M(k+1)\mathrm{...}{y}_M(k+P)\]}^T\\ u_1\left(k\right)={\[u\left(k\right)\mathrm{...}u(k+M-1)\]}^T\\ u_2\left(k\right)={\[u(k-1)\mathrm{...}u(k+1-N)\]}^T\end{array}$

2、参考轨迹

MPC中，期望输出是从现实实际输出温度y(k)出发向设定值温度c光滑过度的一条参考轨迹规定的。

y_r(k+i)＝y(k)+[c-y(k)](1-e^-iT/τ)＝aⁱy(k)+(1-aⁱ)c,i＝1,2...

其中a＝e^-T/τ，τ越小，参考轨迹快速性更好，鲁棒性能降低。

3、滚动优化

MPC中，k时刻的优化目标是使未来P个时刻的预测输出y_P尽可能的接近由参考输出提供的期望输出y_r。性能优化指标：

$\min J\left(k\right)=\stackrel{P}{\mathrm{\Σ}}{q}_i{\[w(k+i)-{\tilde{y}}_M(k+i|k)\]}^2+\stackrel{M}{\mathrm{\Σ}}{r}_j{\mathrm{\Δu}}^2(k+j-1)$

预测模型输出值y_P：闭环预测

y_P(k+i)＝y_M(k+i)+He(k)＝y_M(k+i)+H[y(k)-y_M(k)]，其中y(k)为实际输出值。

偏导得到：

u(k)＝d^T[y_r(k)-G₂u₂(k)-He(k)]，其中 $d^T=\[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& \mathrm{...}\end{array}\]{({G_1}^T{\mathrm{QG}}_1+R)}^{-1}{G_1}^{T}Q$

本发明工作过程：

本发明一种聚乙烯反应过程温度的控制方法在工作过程中，通过将预测控制与前馈-反馈控制结合的方法进行聚乙烯反应过程的温度控制。在通过机理建模、得到系统模型的情况下，结合预测控制可用于时变、时滞以及非线性系统的控制的特点,可以方便的处理控制量、操作工况、装置上下限等约束；对可测扰动——催化剂加料量采用前馈控制及时消除对系统的影响，大大减小了反应器温度的波动，使装置运行在经济合理的位置，提高产品的质量和产量，降低了能耗；同时，装置的平稳运行节省了高昂的催化剂，减小了非正常的停车次数。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种聚乙烯反应过程温度的控制方法，其特征在于：所述控制方法利用预测控制MPC和前馈-反馈控制的形式对聚乙烯反应过程的温度进行跟踪控制，具体步骤包括：

(a)主控建模：建立调温水量与循环气温度之间的机理模型，调温水量作为操作变量，循环气进入反应器的温度作为被控变量；

(b)前馈建模：建立催化剂进量与反应器过程温度的模型，通过比例系数K_c叠加到MPC主控制器上；

(c)线性处理：在不同工作点处，对主控模型进行线性化，得到调温水量与循环气温度之间的线性模型；

(d)参数确定：选取采样周期T，动态响应测试，得到模型系数a₁,a₂.....a_N，仿真调优确定其他参数；

(e)优化计算：通过预测控制MPC算法对聚乙烯反应过程的温度经行迭代求解，控制调温水的流量，进而控制反应过程的温度。

2.如权利要求1所述的一种聚乙烯反应过程温度的控制方法，其特征在于：所述(a)步骤中，采用的是MPC算法，调温水量与循环气温度之间的机理模型通过脉冲响应的值来确定，需要符合实际生产过程或者分析历史数据，并不一定为单位脉冲。

3.如权利要求1所述的一种聚乙烯反应过程温度的控制方法，其特征在于：所述(b)步骤中，在前馈模型的建立之后需要经过参数整定、与主控模型的关系分析之后确定比例系数K_c的值，并应具体考量催化剂种类、硫化床反应器。

4.如权利要求1所述的一种聚乙烯反应过程温度的控制方法，其特征在于：所述(e)步骤中，优化计算的具体过程参照具体实施过程部分中的预测控制MPC算法，需要确定参考轨迹和解优化方程，通过控制阀最终确定调温水量的大小。