摘? 要： 針對羰基合成反應(yīng)中氣液分離器壓力難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jì)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
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在羰基合成模試評價(jià)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(jìn)行評價(jià)，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(gè)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(jìn)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(jì)算機(jī)技術(shù)及自動(dòng)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(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。但反應(yīng)器需在6.4MPa的高壓下才能進(jìn)行羰基合成反應(yīng)，而進(jìn)行氣液分離則在0.5MPa以下即可。由于整個(gè)系統(tǒng)是由串級耦合形成，故無法建立一個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的一個(gè)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(jìn)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(gè)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(shí)間約6小時(shí)，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(jìn)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(jìn)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(jìn)行分離。
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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(shí)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(jī)械結(jié)構(gòu)的壓力恒壓控制閥，由美國進(jìn)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(jìn)料量的波動(dòng)引起的壓力變化、合成氣壓力的波動(dòng)、催化劑進(jìn)料量的波動(dòng)引起的壓力變化以及相鄰反應(yīng)罐壓力的波動(dòng)均會(huì)導(dǎo)致分離器壓力的波動(dòng)。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(gè)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(jī)械慣性，很難實(shí)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(gè)控制器與電磁調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。在諸多壓力波動(dòng)因素中，由稀烴進(jìn)料量波動(dòng)引起的壓力△P較小，可通過采用恒速電機(jī)拖動(dòng)進(jìn)料泵控制流速；合成氣壓力波動(dòng)引起的壓力波動(dòng)△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(jìn)料量的波動(dòng)引起的壓力波動(dòng)△P可通過控制電機(jī)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(dòng)（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(shí)時(shí)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(jìn)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(dòng)卻無法實(shí)現(xiàn)及時(shí)、有效的控制，待擾動(dòng)到來對被控壓力產(chǎn)生影響，使被控壓力偏離給定值時(shí)，再由本罐控制器進(jìn)行有效調(diào)節(jié)又需要經(jīng)過一定的滯后時(shí)間，這早已造成氣液分離器壓力的偏差，從而使壓力精度達(dá)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(jì)
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(dòng)出現(xiàn)時(shí)，通過前饋控制器直接對擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，而不是等擾動(dòng)對被控對象產(chǎn)生影響使被控對象偏離給定值后，再去進(jìn)行補(bǔ)償。但前饋控制使用的條件是：擾動(dòng)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(dòng)；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(jì)算機(jī)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(dú)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(jì)了一個(gè)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(gè)系統(tǒng)以工控機(jī)作為上位機(jī)，選用臺(tái)灣研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，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(jī)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(shí)現(xiàn)。工控機(jī)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(gè)分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。上位機(jī)應(yīng)用國產(chǎn)工控組態(tài)軟件（KingView）開發(fā)基于Windows操作平臺(tái)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(jī)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(shí)現(xiàn)。
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2.2 在線自調(diào)整智能模糊控制器的設(shè)計(jì)
在線自調(diào)整智能模糊控制器的基本設(shè)計(jì)思想是：在上位機(jī)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，借鑒人工手動(dòng)控制的豐富經(jīng)驗(yàn)，仿制人工手動(dòng)控制的基本原理，應(yīng)用模糊控制思想設(shè)計(jì)一個(gè)軟件控制器，依靠上位機(jī)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(shí)時(shí)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(dá)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。
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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(shí)時(shí)值的差值e=rt-yt作為模糊控制器的一個(gè)輸入變量，將緩沖罐的壓力誤差變化率de/dt作為第二個(gè)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(yùn)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。現(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(gè)分隔點(diǎn)，這些分隔點(diǎn)即為模糊集合論域元素。取n=3，誤差相應(yīng)模糊集合論域?yàn)閄={-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）、正小（PS）、零（0）、負(fù)小（NS）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NB）。采用模糊統(tǒng)計(jì)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。
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設(shè)誤差變化率
的基本論域?yàn)椋?15，15］。取n=3，模糊集合論域?yàn)閅={-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(gè)等級：PB、PS、0、NS、NB。通過總結(jié)操作者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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?yàn)閆1={-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(gè)等級：PB、PM、PS、0、NS、NM、NB。控制量u2的基本論域可取[-30，30]，取n=3，模糊集合論域?yàn)閆2={-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(gè)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(yàn)和總結(jié)操作者的手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)而實(shí)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(yàn)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(shí)刻的輸入模糊集合，便可進(jìn)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(shí)時(shí)性，采用離線計(jì)算法計(jì)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(jì)
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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的模糊控制器中，查詢表被看作是模糊控制器的實(shí)體。在一個(gè)控制周期內(nèi)，只要將每個(gè)周期測得的ei和計(jì)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(shí)現(xiàn)對氣液分離器壓力的間接精確控制。
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模糊控制器采用VISUAL BASIC語言進(jìn)行開發(fā)。開發(fā)好的程序借助于Windows平臺(tái)運(yùn)行，然后與KingView進(jìn)行有效鏈接，從而與羰基合成反應(yīng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)有機(jī)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，實(shí)際上是將魯棒性很強(qiáng)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(shí)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(jià)裝置實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)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。
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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(jī)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(qiáng)的魯棒性、實(shí)時(shí)性及較高的控制精度。系統(tǒng)性能穩(wěn)定、運(yùn)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。
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