摘? 要： 針對羰基合成反應(yīng)中氣液分離器壓力難以實現(xiàn)自動控制的問題，提出了一種基于模糊控制思想，構(gòu)成參數(shù)在線自調(diào)整智能控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。將該系統(tǒng)應(yīng)用于氣液分離器壓力控制中，魯棒性較好，滿足了生產(chǎn)工藝對壓力的控制要求。
關(guān)鍵詞： 模糊控制； 在線自整定； 氣液混合物； 高壓差； 恒壓控制
?
在羰基合成模試評價裝置中，借助于某一化工產(chǎn)品生產(chǎn)的完整過程，可對催化劑活性進行評價，以對催化劑的大規(guī)模生產(chǎn)提供中試。該裝置采用稀烴中壓羰基合成制醇反應(yīng)工藝，長鏈稀烴和合成氣在鈷磷配位催化劑體系作用下完成反應(yīng)。整個生產(chǎn)工藝由催化劑制備、造氣、凈化、反應(yīng)、分離、蒸餾組成,產(chǎn)品的生產(chǎn)在密閉的管網(wǎng)和密閉罐中進行[1]。羰基合成反應(yīng)對溫度和壓力的要求較高,只有保證一定精度的溫度和壓力，才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量和精確的研究性數(shù)據(jù)。近年來隨著計算機技術(shù)及自動控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，采用了具有程序升溫、PID算法以及PWM周期可調(diào)的智能化儀表作為控制器，對反應(yīng)罐內(nèi)的溫度、壓力實現(xiàn)了自動控制。但反應(yīng)器需在6.4MPa的高壓下才能進行羰基合成反應(yīng)，而進行氣液分離則在0.5MPa以下即可。由于整個系統(tǒng)是由串級耦合形成，故無法建立一個對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型以確定相應(yīng)的控制算法，使在如此高的壓差下要實現(xiàn)恒壓控制難度很大。因此，分離器的壓力控制一直以來都是制約該小型化工生產(chǎn)線實現(xiàn)自動化的一個瓶頸。
1 影響分離器壓力控制的因素
1.1 羰基合成反應(yīng)工藝
圖1為羰基合成反應(yīng)工藝流程圖。稀烴（液體）由進料泵以一定流速經(jīng)預(yù)熱器泵入反應(yīng)器1，合成氣經(jīng)調(diào)節(jié)閥降壓后以一定壓力（6.4MPa）送入反應(yīng)器1，催化劑由循環(huán)泵以一定流速也泵入反應(yīng)器1。在反應(yīng)器中，稀烴與合成氣和鈷膦催化劑混合，在串聯(lián)的三個管式反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生羰基合成反應(yīng)（高壓6.4MPa），總停留時間約6小時，生成脂肪醇，反應(yīng)罐內(nèi)介質(zhì)為氣液混合物，過量的合成氣經(jīng)氣液分離后以一定流速直接放空。反應(yīng)后的生成物為一種氣液混合物，需要進行兩次分離才能得到產(chǎn)品：第一次分離為氣體與液體的分離（在0.5±0.1MPa低壓條件下進行）反應(yīng)后多余的合成氣通過管道放空，分離后的液體是催化劑與產(chǎn)品的混合物；第二次分離主要是催化劑與產(chǎn)品（液態(tài)）的混合物在真空狀態(tài)下通過蒸餾的方式進行分離。
?
1.2 影響氣液分離器壓力的因素
反應(yīng)器3出口的壓力為6.4MPa，介質(zhì)為氣液混合物，同時氣體中還含有大量H2、CO等易燃易爆有害性氣體，而分離器只能在低壓（0.5±0.1MPa）狀態(tài)下工作。如此高的壓差、介質(zhì)又是氣液混合物，大大增加了控制的難度。在國內(nèi)目前還沒有專門生產(chǎn)的純機械結(jié)構(gòu)的壓力恒壓控制閥，由美國進口的調(diào)壓閥也僅對氣體或純液體有效，而對氣液混合物卻無能為力。分離器中介質(zhì)的壓力可認(rèn)為是一典型的一階慣性環(huán)節(jié)，但稀烴進料量的波動引起的壓力變化、合成氣壓力的波動、催化劑進料量的波動引起的壓力變化以及相鄰反應(yīng)罐壓力的波動均會導(dǎo)致分離器壓力的波動。一旦失控，將造成低壓管線的崩裂，甚至人身傷害和爆炸事故。因此分離器壓力恒壓控制是羰基合成反應(yīng)各環(huán)節(jié)中最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。
若采用智能電磁調(diào)節(jié)閥作為壓差調(diào)節(jié)器，則由于介質(zhì)流體的快速特性及調(diào)節(jié)閥的機械慣性，很難實現(xiàn)高壓差下的低壓恒壓控制。經(jīng)過對生產(chǎn)工藝、調(diào)節(jié)閥特性及流體特性的分析，擬采用兩級減壓、中間加緩沖罐的控制方案，即緩沖罐壓力、分離器壓力各由一個控制器與電磁調(diào)節(jié)閥進行控制。在諸多壓力波動因素中，由稀烴進料量波動引起的壓力△P較小，可通過采用恒速電機拖動進料泵控制流速；合成氣壓力波動引起的壓力波動△P可通過提高氣體壓力調(diào)節(jié)器的控制精度削弱；催化劑進料量的波動引起的壓力波動△P可通過控制電機速度加以控制；然而相鄰緩沖罐壓力只受本罐控制器的控制，其壓力的波動（即△P）規(guī)律或趨勢卻無法預(yù)測。作為分離器的控制器只能根據(jù)檢測的實時壓力值與給定壓力的差值及趨勢得出由控制算法決定的輸出，從而對電磁調(diào)節(jié)閥開度進行相應(yīng)的控制，而對于相鄰緩沖罐由串級耦合引起的壓力擾動卻無法實現(xiàn)及時、有效的控制，待擾動到來對被控壓力產(chǎn)生影響，使被控壓力偏離給定值時，再由本罐控制器進行有效調(diào)節(jié)又需要經(jīng)過一定的滯后時間，這早已造成氣液分離器壓力的偏差，從而使壓力精度達不到工藝要求，正是這種控制回路間的關(guān)聯(lián)即單向串級耦合，造成了壓力的較大偏差與失控。
2 在線自調(diào)整智能模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計
對于羰基合成反應(yīng)中由于單向串級耦合引起的壓力偏差，常規(guī)的解決方法一般采用前饋控制或解耦控制。前饋控制的原理是：當(dāng)擾動出現(xiàn)時，通過前饋控制器直接對擾動進行補償，而不是等擾動對被控對象產(chǎn)生影響使被控對象偏離給定值后，再去進行補償。但前饋控制使用的條件是：擾動量必須是可測的。而氣液分離器的控制器卻無法感知相鄰緩沖罐的壓力變化，也無相應(yīng)的控制算法來解決這種擾動；解耦控制的原理是：通過專門的解耦裝置使各控制器只對各自相應(yīng)的被控對象施加作用，從而消除回路間的相互影響，借助于計算機控制系統(tǒng)，利用專門的控制算式來消除彼此間的有害關(guān)聯(lián)，使它們成為彼此間獨立的控制回路[2]。但解耦控制著重于解決變量間的相互關(guān)聯(lián)問題，而對于羰基合成反應(yīng)中的單向串級耦合并不完全適用。為此，本研究根據(jù)羰基合成反應(yīng)工藝的特殊性，基于解耦控制的基本思想，設(shè)計了一個在線自調(diào)整智能模糊控制系統(tǒng)。
2.1 系統(tǒng)硬件控制原理
系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。整個系統(tǒng)以工控機作為上位機，選用臺灣研華工業(yè)控制計算機，其配置為：CPU：PⅣ/1.7G，內(nèi)存256MB，硬盤40GB，17英寸液晶彩顯；緩沖罐與氣液分離器的壓力控制器采用單片機構(gòu)建的專家PID智能化壓力儀表，壓力調(diào)節(jié)則采用電磁調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)。工控機與緩沖罐、氣液分離器智能化儀表以及羰基合成反應(yīng)中的所有過程參量控制儀表均通過RS485串行總線組建成一個分布式計算機控制系統(tǒng)。上位機應(yīng)用國產(chǎn)工控組態(tài)軟件（KingView）開發(fā)基于Windows操作平臺的可視化操作指導(dǎo)友好界面，各工藝參數(shù)的控制及檢測則采用國內(nèi)智能化二次儀表完成DDC控制。上位機與智能二次儀表之間的控制與通信采用在組態(tài)王軟件中添加該公司通信協(xié)議的方式實現(xiàn)。
?
?
2.2 在線自調(diào)整智能模糊控制器的設(shè)計
在線自調(diào)整智能模糊控制器的基本設(shè)計思想是：在上位機上進行設(shè)計，借鑒人工手動控制的豐富經(jīng)驗，仿制人工手動控制的基本原理，應(yīng)用模糊控制思想設(shè)計一個軟件控制器，依靠上位機KingView與緩沖罐、氣液分離器智能控制器之間的串行通信功能，實時監(jiān)測相鄰緩沖罐壓力及變化趨勢，然后由模糊控制器做出控制決策，其輸出可下傳至氣液分離器控制器E2PROM中，通過改變分離器控制器中的PID值，達到前饋控制或解耦控制的目的，從而消除或減小由相鄰罐壓力關(guān)聯(lián)引起的壓力誤差。模糊控制器原理如圖3所示。
?
2.2.1 模糊變量的確定
對于羰基合成反應(yīng)系統(tǒng)，選氣液分離器作為控制對象。模糊控制器采用雙輸入、雙輸出模糊控制器。輸入語言變量為緩沖罐壓力誤差和誤差變化率，輸出語言變量為控制量。取緩沖罐壓力給定值與實時值的差值e=rt-yt作為模糊控制器的一個輸入變量，將緩沖罐的壓力誤差變化率de/dt作為第二個輸入變量，而將氣液分離器控制器的P值作為輸出變量1，將氣液分離器控制器的I值作為輸出變量2。
2.2.2 精確量的模糊化
由于模糊控制器的輸入語言變量值為精確量，而在模糊控制器內(nèi)部參加運算的量為模糊量，故需將模糊控制器的輸入端輸入的精確量轉(zhuǎn)換成模糊量?，F(xiàn)將緩沖罐壓力控制目標(biāo)設(shè)定為2±0.2MPa,這里±0.2MPa為誤差允許范圍，也稱誤差的基本論域。氣液分離器的壓力控制目標(biāo)設(shè)定為0.5±0.1MPa。誤差、誤差變化率和控制量的基本論域分別為[-e,e]、
和[-u,u]。語言變量的值是基本論域上的某一確定值。將[-e,e]分成2n等份，便得到(2n+1)個分隔點，這些分隔點即為模糊集合論域元素。取n=3，誤差相應(yīng)模糊集合論域為X={-3，-2，-1，0，1，2，3}，則誤差e的量化因子ke=3/20。將e的基本論域分成正大（PB）、正中（PM）、正?。≒S）、零（0）、負(fù)?。∟S）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NB）。采用模糊統(tǒng)計法可得e的各模糊子集的隸屬度表，如表1所示。其中，xi表示模糊集合論域元素；E表示誤差e的某一模糊子集。
?
設(shè)誤差變化率
的基本論域為［-15，15］。取n=3，模糊集合論域為Y={-3，-2，1，0，1，2，3}，則誤差變化率的量化因子ke3/15=1/5。將的基本論域分成5個等級：PB、PS、0、NS、NB。通過總結(jié)操作者的實踐經(jīng)驗，可得描述的各模糊子集的隸屬度表（這里從略）。
同理，控制量u1的基本論域可取[-60，60]，取n=3，模糊集合論域為Z1={-3，-2，-1，0，1，2，3}，則控制量u1的比例因子ku1=3/60=1/20，將u1的論域分成7個等級：PB、PM、PS、0、NS、NM、NB?？刂屏縰2的基本論域可取[-30，30]，取n=3，模糊集合論域為Z2={-3，-2，-1，0，1，2，3}，則控制量u2的比例因子ku2=3/30=1/10，將u2的論域分成7個等級：PB、PM、PS、0、NS、NM、NB。
2.2.3 模糊控制規(guī)則和模糊推理
根據(jù)專家經(jīng)驗和總結(jié)操作者的手動控制經(jīng)驗，對氣液分離器控制器中的P值和I值采用if A and B then u1和if A and B then u2控制策略，進而實現(xiàn)對氣液分離器壓力的間接控制;再根據(jù)操作者的操作經(jīng)驗及現(xiàn)場調(diào)試數(shù)據(jù)總結(jié)出由35條模糊條件語句組成的一組控制規(guī)則,根據(jù)總的模糊關(guān)系和某一特定時刻的輸入模糊集合，便可進行模糊推理，得到相應(yīng)輸出控制量的模糊集合[3]。為了使模糊控制器具有良好的實時性，采用離線計算法計算出如表2所示的模糊控制器查詢表。其中yi為誤差變化率的模糊集合論域元素。
2.2.4 模糊量的解模糊及控制軟件設(shè)計
為使解模糊中獲得更好的性能，本研究采取了靜態(tài)性能較好的加權(quán)平均法。在計算機實現(xiàn)的模糊控制器中，查詢表被看作是模糊控制器的實體。在一個控制周期內(nèi)，只要將每個周期測得的ei和計算得到的i分別乘以量化因子ke和ke，轉(zhuǎn)換成模糊集合論域元素，通過查找查詢表2，得到控制量論域元素，再乘以比例因子轉(zhuǎn)換成精確控制量，從而在線改變氣液分離器控制器的P參數(shù)值和I參數(shù)值，以實現(xiàn)對氣液分離器壓力的間接精確控制。
?
模糊控制器采用VISUAL BASIC語言進行開發(fā)。開發(fā)好的程序借助于Windows平臺運行，然后與KingView進行有效鏈接，從而與羰基合成反應(yīng)計算機控制系統(tǒng)構(gòu)成一個有機的整體。
3 控制效果
將基于在線自調(diào)整的模糊控制器應(yīng)用于羰基合成反應(yīng)計算機控制系統(tǒng)中，實際上是將魯棒性很強的模糊控制與具有消除靜差功能的PID結(jié)合在一起的產(chǎn)物。應(yīng)用于實際生產(chǎn)中后滿足了生產(chǎn)工藝對氣液分離器的參數(shù)要求，解決了困惑羰基合成模試評價裝置實現(xiàn)計算機自動控制的瓶頸問題。圖4為使用參數(shù)在線自調(diào)整技術(shù)的模糊控制器后的控制效果。
?
由圖4可以看出，基于參數(shù)在線自調(diào)整技術(shù)的模糊控制系統(tǒng)將模糊控制、PID控制及純滯后控制算法有機地結(jié)合起來，有效地解決了在高壓差、介質(zhì)為氣液混合物的特殊條件下氣液分離器的壓力高精度控制問題，系統(tǒng)具有很強的魯棒性、實時性及較高的控制精度。系統(tǒng)性能穩(wěn)定、運行可靠，壓力控制精度滿足了生產(chǎn)工藝要求。這種方法特別適合于類似化工生產(chǎn)的過程控制。
參考文獻
[1] 夏建全，包鵬.基于參數(shù)在線自調(diào)整的智能模糊控制系統(tǒng)研究. 電氣傳動，2006,27(5)：47-48.
[2] 王勤.計算機控制技術(shù). 南京：東南大學(xué)出版社，2003:36-37,47-49.
[3] 樓順天，胡昌華.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計—模糊系統(tǒng).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.
?