CN112934142B - 一种基于反步法的均相管式反应器温度控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种基于反步法的均相管式反应器温度控制方法及系统，包括：获取当前时刻管式反应器管壁的各个位置的温度值，并将其转化为电压或电阻的物理量输出；读入数据并进行处理，基于各个位置的温度值计算反步法控制器的输出，输出作用于管式反应器管壁的一端，继而控制设备进行加热或冷却，从而使管式反应器温度稳定维持在化学反应进行的设定温度。相较于基于PID算法的传统温控器，能够使得均相管式反应器的温度调节具有精确度高，稳健性强和能耗低等优点。

Description

一种基于反步法的均相管式反应器温度控制方法及系统

技术领域

本公开属于温度控制技术领域，尤其涉及一种基于反步法的均相管式反应器温度控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在现代化工生产中，管式反应器是工业生产中常用的反应器型式之一，例如石油烃类的热裂解反应，低级烃的卤化反应和氧化反应等。这类化学反应会大量放热，但由于管式反应器自身结构设计的缘故，很难直接控制管壁的温度。为了防止管式反应器过热烧坏，所以只能在反应器两端进行温度调节。而在实际化工生产中，管式反应器的温度控制极为重要，这是保证化学反应正常高效进行而又不至于烧坏反应器的关键。

在连续操作的管式反应器中，沿着与物料流动方向垂直的截面总是会出现不均匀分布(反应)的现象，易造成局部过热；其次，因反应器壁面的阻滞而导致反应时，反应物在径向，轴向有一定程度的混合。

这种速度分布的不均匀性和径向，轴向的混合给反应器的温度控制带来了诸多困难。

就目前已知文献而言，管式反应器的温度控制并没有特别有效的控制算法，这是因为管式反应器系统具有大惯性，纯滞后，高耦合，难建模的特点。在市面上所售的温控器设备中，PID控制是应用最广泛的算法，它结构简单、易于实现。尽管PID算法及其各种变形虽然可以应用管式反应器的温度控制上，但是在面对更加精细的化工反应过程时，PID算法不仅稳定性差而且调参难度大。

控制目标主要分为两类：一是最优控制；二是达到系统稳定性。现有的技术中关于自适应控制方法的专利研究的是使得管式反应器中目标反应物浓度最大化，属于最优控制的范畴。但是现有技术并没有考虑化学反应时剧烈的放热现象。精确的温度控制对于化学反应过程来说非常重要的。另外，现有技术中关于超临界水氧化装置管式反应器的温度控制方法，因为缺乏严格的数学证明，其温度控制的精确性，可靠性都难以保障。

由此可见，对于管式反应器的温度控制缺乏有效的控制方法，很多专利直接避开了温度镇定控制环节，或者没有严格的数学证明。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种基于反步法的均相管式反应器温度控制方法，能够解决管式反应器的温度镇定控制需求。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了一种基于反步法的均相管式反应器温度控制方法，包括：

获取当前时刻管式反应器管壁的各个位置的温度值，并将其转化为电压或电阻的物理量输出；

读入数据并进行处理，基于各个位置的温度值计算反步法控制器的输出，输出作用于管式反应器管壁的一端，继而控制设备进行加热或冷却，从而使管式反应器温度稳定维持在化学反应进行的设定温度。

进一步的技术方案，所述反步法控制器具体为：

式中I₁(·)表示Bessel函数，u(·，t)表示在t时刻的温度分布值。

进一步的技术方案，管式反应器反应过程中的温度分布可由下述的反应-扩散方程所建模：

u_t(x，t)＝u_xx(x，t)+λu(x，t)，

式中λ表示反应常数，u(x，t)表示化学反应进行过程中的反应器壁的温度分布函数，此量可被铂电阻温度传感器实时测出。

进一步的技术方案，所述管式反应器的各个径向截面上，物料浓度只随轴向位置而变，不随时间而变化。

作为进一步的限定，基于管式反应器内各轴向位置的浓度未必相等，反应速率随空间轴向位置而变化。

作为进一步的限定，所述管式反应器反应速率随空间位置的变化将只限于轴向。

第二方面，公开了一种基于反步法的均相管式反应器温度控制系统，包括：

温度测量装置、控制设备及执行设备；

所述温度测量装置通过接触式测量管式反应器实时温度并传输至控制设备；

所述控制设备接收实时温度数据，利用反步法控制器获得控制输出并作用至执行设备；

所述执行设备进行控制设备的输出进行加热或冷却管式反应器。

进一步的技术方案，所述温度测量装置为缠绕在管式反应器的管壁外部的铂电阻温度传感器。

进一步的技术方案，所述管式反应器一端的设置绝热层，将其绝热；在管式反应器另一端配置有可编程式温控器，进行温度控制。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本公开使用四线并绕式的铂电阻传感器精确测出实时温度值，再利用公式计算反馈控制器。相较于基于PID算法的传统温控器，能够使得均相管式反应器的温度调节具有精确度高，稳健性强和能耗低等优点。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开的管式反应器温度控制系统结构图；

图2是本公开的线绕式铂电阻温度传感器的四线并绕法示意图；

图3是本公开的温度控制模块结构框图；

图4是本公开的温度控制方法计算流程图；

图5是本公开硬件设计示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了一种基于反步法的均相管式反应器温度控制方法，针对均相管式反应器，包括：

建立被控对象模型，求解反步法控制器，一端绝热而仅在另一端施加所求反馈控制策略，使得温度逐渐镇定下来，并将反应器温度控制在达到最佳反应温度值附近；

所述的反馈控制阶段，首先需要建立管式反应器中均相化学反应的数学模型，利用铂电阻温度传感器测得在t时刻温度分布值u(x，t)，再通过数学上已经严格证明的反步法公式计算反馈控制器；其中，化学反应模型和反步法控制器的计算公式如下所示：

化学反应系统温度模型：u_t(x，t)＝u_xx(x，t)+λu(x，t)，

其中，u_t表示温度函数对时间的偏导数，u_xx表示对空间的二阶偏导数。特别注意，这两个量都无需单独测量得出，仅仅用于均相管式反应器的数学建模。

反步法控制器计算公式：

式中λ表示反应常数，I₁(·)表示Bessel函数，u(·，t)表示在t时刻的温度分布值，积分号内表示时间变量不动，对空间变量ξ进行积分。控制器计算的可得结果表示在时间t时刻的施加在管式反应器一段的温度值。

u(x，t)表示化学反应进行过程中的反应器壁的温度分布函数，此量可被铂电阻温度传感器实时测出。铂电阻温度传感器工作时可靠性高，环境适应能力强，重复性好，最重要的是温度测量值精度高。

反馈控制阶段的目标是使得管式反应器中大量放热的化学反应温度稳定下来，反步法控制器算出来的值即是施加在管式反应器一端的温度值，这样仅在一端进行制冷就可以使得整个管式反应器温度趋于稳定并恒定于最佳反应温度值。

在反应开始后，根据温度传感器数据计算反步法控制器，此时反应器一端进行绝热处理，仅仅在反应器另一端施加控制策略即可，这样高效能耗。

求解完成反步法控制器后，目标是使得被控对象的温度降下来，并恒定在最佳反应温度，避免反应器过热烧坏的同时让化学反应高效进行。

本公开具体实施例中，通过线绕式铂电阻温度传感器测出当前时刻管式反应器管壁的温度分布值，然后通过公式求解边界反馈控制器并施加在反应器一端，以达到镇定管式反应器温度的目的。

根据本发明的实施例，作为理想管式反应器的限定，在正常情况下，它是连续定态操作。在反应器的各个径向截面上，物料浓度只随轴向位置而变，不随时间而变化。

因为反应器内各轴向位置的浓度未必相等，反应速率随空间轴向位置而变化。

由于径向具有严格均匀的速度分布，也就是在径向不存在浓度变化，所以反应速率随空间位置的变化将只限于轴向。

由以上限定可见，被控制对象理想管式反应器反应过程中的温度分布可由上述的反应-扩散方程所建模。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的控制装置包括：用于测量管式反应器实时温度的接触式温度传感器(即铂电阻温度传感器)；用于绝热管式反应器一端的专用绝热层；还需要在管式反应器另一端配置一个可编程式温控器。整个发明装置的核心就是这个可编程温控器，在一个单片机控制系统中实现温控程序的编写和调试。

本公开所采用的反步法是一种反馈控制器，在数学上其可靠性，稳定性和准确性均已得到证明。相较于传统温度控制器中使用的PID算法，能使得均相管式反应器的温度调节准确，稳定且更抗干扰。

实施例二

本实施例的目的是提供一种基于反步法的均相管式反应器温度控制装置，主要包括软硬件两个部分；

硬件部分，被配置为：单片机微机控制系统，铂电阻温度传感器，LCD液晶显示屏，蜂鸣报警电路，快速加热冷却设备及各设备驱动器间的连接电路；

软件部分，被配置为：温度信号采集模块，LCD液晶屏显示模块，主程序模块，反步法控制器计算模块；

所述硬件部分因还包括电子电路系统抗干扰措施，选用精密电阻，高阻抗电容，绝缘能力强的电路板及稳定的电桥电源等。

采用多模块化的编程，为提高程序执行速度和稳定性，编程语言应当相对底层，本公开采用汇编语言进行模块化编程和计算。

附图1中的温控模块即为该实施例中的温度控制装置，主要分为软硬件两个部分。

绝热材料一般为轻质，疏松，多孔的纤维状材料。管式反应器中有大量放热的氧化反应，一般选用高温绝热材料。这类纤维质材料一般有硅酸铝纤维和硅纤维等；多孔质材料有硅藻土，石棉和耐热粘合剂等产品，温度控制装置安装位置在管式反应器一端即可。

本公开是对化工生产中的均相管式反应器进行温度控制，其系统结构图如图1所示。可以看到，化学反应的物料从左端输进管式反应器，化学反应开始并开始大量放热。为了节省能耗，仅在反应器右端进行温度控制，而左端使用绝热材料将其绝热。

对于理想的均相管式反应器，已知管壁的最大热负荷温度。可以设定一个阈值，比如最大热负荷温度的50％，当温度传感器测量到的数据超过这一阈值时，就可以进行小时间周期采样，接下来根据采样数据计算反步法控制器，并立即将所得计算结果通过微机控制系统的调度施加在反应器右端。该方法可使强滞后，高放热的系统实现温度的反馈镇定控制，从而使管式反应器温度稳定维持在化学反应进行的最佳温度。

为使本公开更容易实现，需要为管式反应器配置一个微机控制系统。其运行过程如下：当管式反应器开始工作时，温度传感器读出反应器各个位置的温度，并将其转化为电压或电阻的物理量输出。微处理器读入数据并进行处理，计算相应的反步法控制器并作用于右端，继而控制设备进行加热或冷却。温度控制系统主要包含以下几种电路：(1)温度传感器采集电路；(2)单片机控制(微机控制系统)电路；(3)LCD或OLED屏显电路；(4)蜂鸣器报警电路；(5)快速加热冷却设备驱动电路。整个微控制器系统是由单片机与其他器件和装置通过电子电路连接，并在软件的操作下协调运行，执行预定的测量或控制任务。以下将分软硬件设计两个方面详细介绍操作方式。

以下是硬件设计。温度控制器的核心是单片机STC89C52，其具有512字节的RAM内存和8K字节的Flash程序存储器，足够进行反步法控制器程序编写。该型号单片机还可通过串行接口直接进行编程，有较好的交互体验。在总体的电路设计中，STC89C52分别与铂电阻温度传感器，LCD液晶显示屏，蜂鸣报警电路及快速加热冷却设备电路相连。整体电路结构设计如图5所示。为提高系统抗干扰性，可以采取如下措施：(1)为了保证电路的性能，电阻选用精密电阻，电容选用高阻抗电容，印制电路板应当绝缘好、布线合理；(2)采用屏蔽技术、隔离技术和接地技术；(3)电桥电源采用专用电源变压器以使桥路有一个稳定的电流。

温度控制器是用于通过传感器信号与设定点进行比较并根据这些值之间的偏差进行计算来控制加热器或冷却器的装置。

可以构建反馈控制系统，主要部件内置于温度控制器中，并且可以通过将温度控制器与适合于受控对象的控制器和温度传感器组合来控制温度。

以下是软件设计。进行温控器的程序设计时，为了后期程序的修改和维护，采取了模块化的设计思想。主要包括以下几个模块：(1)温度信号采集程序；(2)LCD液晶屏显示程序；(3)主程序；(4)反步法控制器计算程序；(5)快速加热冷却装置程序。其中，主程序负责实时测量温度分布值，并将数据送入反步法控制器子程序模块，再将计算结果输入快速加热冷却装置进行温度控制，而实时温度值和控制器温度值可以显示在LCD屏幕上面。为了增强系统的实时控制能力和计算速度，软件应该全部采用汇编语言进行编写。

本公开技术方案是一种节能高效的方式，即仅在管式反应器的一端就能实现的反应过程中的温度反馈镇定控制目标。不仅如此，通过单片机为中央处理器的微机操作系统具有软硬件交互性好，操作方便，可扩展性和可移植性好等一系列优点。

本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于反步法的均相管式反应器温度控制方法，其特征是，包括：

获取当前时刻管式反应器管壁的各个位置的温度值，并将其转化为电压或电阻的物理量输出；

读入数据并进行处理，基于各个位置的温度值计算反步法控制器的输出，输出作用于管式反应器管壁的一端，继而控制设备进行加热或冷却，从而使管式反应器温度稳定维持在化学反应进行的设定温度；

所述反步法控制器具体为：

式中I₁(·)表示Bessel函数，u(·,t)表示在t时刻的温度分布值；

所述管式反应器反应过程中的温度分布可由下述的反应-扩散方程所建模：

u_t(x,t)＝u_xx(x,t)+λu(x,t)，

式中λ表示反应常数，u(x,t)表示化学反应进行过程中的反应器壁的温度分布函数，此量可被铂电阻温度传感器实时测出。

2.如权利要求1所述的一种基于反步法的均相管式反应器温度控制方法，其特征是，所述管式反应器的各个径向截面上，物料浓度只随轴向位置而变，不随时间而变化。

3.如权利要求1所述的一种基于反步法的均相管式反应器温度控制方法，其特征是，基于管式反应器内各轴向位置的浓度未必相等，反应速率随空间轴向位置而变化。

4.如权利要求1所述的一种基于反步法的均相管式反应器温度控制方法，其特征是，所述管式反应器反应速率随空间位置的变化将只限于轴向。

5.如权利要求1所述的一种基于反步法的均相管式反应器温度控制方法，其特征是，反步法控制器算出来的值即是施加在管式反应器一端的温度值，在一端进行制冷使得整个管式反应器温度趋于稳定并恒定于最佳反应温度值。

6.一种基于反步法的均相管式反应器温度控制系统，用于执行权利要求1所述的基于反步法的均相管式反应器温度控制方法，其特征是，包括：

温度测量装置、控制设备及执行设备；

所述温度测量装置通过接触式测量管式反应器实时温度并传输至控制设备；

所述控制设备接收实时温度数据，利用反步法控制器获得控制输出并作用至执行设备；

所述执行设备进行控制设备的输出进行加热或冷却管式反应器。

7.如权利要求6所述的一种基于反步法的均相管式反应器温度控制系统，其特征是，所述温度测量装置为缠绕在管式反应器的管壁外部的铂电阻温度传感器。

8.如权利要求6所述的一种基于反步法的均相管式反应器温度控制系统，其特征是，所述管式反应器一端设置绝热层，将其绝热；在管式反应器另一端配置有可编程式温控器，进行温度控制。

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