基于定量单参数PID控制的化工反应器温度控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于定量单参数PID控制的化工反应器温度控制方法，用于化工聚合反应器的温度控制，该控制方法首先采集被控对象的温度信号，根据温度信号辨识被控对象模型，同时建立基于系统性能度的单参数PID控制模型，然后根据被控对象模型和设定的系统性能度获得单参数PID控制模型的控制输出信号，最后以该控制输出信号控制被控对象的温度，使其保持在设定范围内。与现有技术相比，本发明专利技术只需调整参数λ就可以达到系统性能，操作简单，并且对辨识的模型有很好的鲁棒性，对于温度控制过程中的大延迟、大惯性等特性，控制效果既快速又平稳。

【技术实现步骤摘要】
基于定量单参数PID控制的化工反应器温度控制方法
本专利技术涉及工业过程控制
，尤其是涉及一种基于定量单参数PID控制的化工反应器温度控制方法，针对大型化工厂用的聚合反应器的温度控制中，以定量过程控制理论为基础，可以方便地在系统性能和鲁棒性之间进行折中，使用非常简单。
技术介绍
化工领域一直是关系到国民经济命脉的关键产业，而化工过程控制又是化工领域中十分重要的一环，直接影响着化工业的产品质量，运行效率和经济效益，因而化工过程控制器的设计有着重要的实际应用价值。目前化工过程控制中有95%以上的控制器都是PID控制器，之所以PID控制器应用得最广泛，最成熟，一方面是由于它具有简单而固定的形式，允许工程技术人员以一种直接的方式来调节系统；另一方面是因为它在很广的控制范围内能够保持较好的鲁棒性。所以，PID控制器的整定变得尤为重要。目前化工过程使用较多的PID控制器整定方法还是传统的整定方法。其中典型的有 Ziegler 和 Nichols 在文章 Optimum Settings for Automatic Controllers (Trans.ASME，1942，65，pp.443-444)中提出的 Z-N 法以及 Cohen 和 Coon 于 Theoreticalconsideration of retarded control (Trans.ASME, 1953., 75, pp.827-834) — 文中提出的C-C法。由于Z-N法整定的PID控制器超调较大，Astrom在Refinements oftheZiegler-Nichols tuning formula (IEE Proceedings-D, 1991,138, 2, pp.111-118) 一文中提出一种改进的Z-N法，简称RZN法，通过给定值加权和修正积分常数改善了系统超调，这一方法被认为是对PID整定方法最为成功的改进。然而以上这些传统的基于经验的整定方法都只用了系统动态特性的部分信息。近年来发展起来的基于误差信号积分性能准则的整定方法是一种数值方法，因为充分利用了系统的动态特性信息，受到了广泛的重视。但是随着我国化工业的不断发展，尤其是大型化工用的聚合反应器，其容量变得相当庞大，同时反应的放热量也变得极其的大，而热传效果往往有很差，导致传统的PID控制器整定方法无法满足平稳控制聚合反应器的反应温度。主要是因为，这类反应器的开环响应往往是不稳定的，假如在运行过程中不能及时有效地移除反应热，则由于反应器内部的正反馈，将使反应器内部的温度不断上升，以至于达到无法控制的地步，最后以产生事故或者事故停车而告终。从理论上讲，只需增加传热面积或者加快传热速度，使移去热量的速度大于反应热生成的速度，就能提高反应器的稳定性。但是，由于设计上与工艺上的困难，对于大型聚合反应器是难以实现这些要求的。只能在控制器的设计方案上做进一步的改进和优化。此外聚合反应器里面的聚合反应的三个特点也使得控制器的设计变得复杂，如下:(I)在反应开始前，反应物必须升高到指定的最低温度；(2)反应是放热反应；(3)反应速度随温度升高而增加。为了使反应发生,必须把热量供给反应物。但是,一旦反应发生后，则必须将热量取走，以维持一个稳定的操作温度。此外，单体转化为聚合物的转化率取决于给定温度，给定时间下的反应速率。所以，由上可以得知，聚合反应器的开环响应不稳定性，实际工艺和设计上的困难，以及反应器的反应特点使得传统的控制器无法满足实际温度控制的需求。因为常规的方法无法指定性能按指定性能和鲁棒性设计控制器。此外，状态空间鲁棒性方法设计控制器的主要问题是:需要已知不确定性的范围，很难按指定性和鲁棒性设计控制器，当不确定性范围发生变化时，需要重新设计控制器，控制器比较复杂。因此，设计一种能适应多种工况变化且具有较强鲁棒性的PID控制器对化工反应器温度控制系统有着十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种鲁棒性好、控制效果快速平稳的基于定量单参数PID控制的化工反应器温度控制方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现:一种基于定量单参数PID控制的化工反应器温度控制方法，用于化工聚合反应器的温度控制，该控制方法首先采集被控对象的温度信号，根据温度信号辨识被控对象模型，同时建立基于系统性能度的单参数PID控制模型，然后根据被控对象模型和设定的系统性能度获得单参数PID控制模型的控制输出信号，最后以该控制输出信号控制被控对象的温度，使其保持在设定范围内。该控制方法具体包括以下步骤:I)采集被控对象 的温度信号，进行滤波后转化为数字信号，通过OPC总线传送给上位机，上位机根据该数字信号对被控对象进行辨识，获得被控对象的一阶纯滞后模型及模型参数；2)设定系统性能度λ，使其满足要求的响应；3)根据步骤I)中数字信号的极性，计算被控对象输出的误差信号；4)采用H00性能指标、McLaughlin级数展开和Pade近似建立基于系统性能度的单参数PID控制模型；5)根据获得的模型参数和系统性能度λ作为单参数PID控制模型的输入，得到该模型的控制输出信号；6)将步骤5)的控制输出信号通过OPC总线传输给PLC，PLC根据接收到的信号对被控对象进行控制，使被控对象的温度保持在设定范围内。所述的一阶纯滞后模型为:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于定量单参数PID控制的化工反应器温度控制方法，用于化工聚合反应器的温度控制，其特征在于，该控制方法首先采集被控对象的温度信号，根据温度信号辨识被控对象模型，同时建立基于系统性能度的单参数PID控制模型，然后根据被控对象模型和设定的系统性能度获得单参数PID控制模型的控制输出信号，最后以该控制输出信号控制被控对象的温度，使其保持在设定范围内。

【技术特征摘要】
1.一种基于定量单参数PID控制的化工反应器温度控制方法，用于化工聚合反应器的温度控制，其特征在于，该控制方法首先采集被控对象的温度信号，根据温度信号辨识被控对象模型，同时建立基于系统性能度的单参数PID控制模型，然后根据被控对象模型和设定的系统性能度获得单参数PID控制模型的控制输出信号，最后以该控制输出信号控制被控对象的温度，使其保持在设定范围内。2.根据权利要求1所述的一种基于定量单参数PID控制的化工反应器温度控制方法，其特征在于，该控制方法具体包括以下步骤: 1)采集被控对象的温度信号，进行滤波后转化为数字信号，通过OPC总线传送给上位机，上位机根据该数字信号对被控对象进行辨识，获得被控对象的一阶纯滞后模型及模型参数； 2)设定系统性能度λ，使其满足要求的响应； 3)根据步骤I)中数字信号的极性，计算被控对象输出的误差信号； 4)采用H00性能指标、McLaughlin级数展开和Pade近似建立基于系统性能度的单参数PID控制模型； 5)根据获得的模型参数和系统性能度λ作为单参数PID控制模型的输入，得到该模型的控制输出信号； 6)将步骤5)的控制输出信号通过OPC总线传输给PLC，PLC根据接收到的信号对被控对象进行控制，使被控对象的温度保持在设...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫东，张坤，张伟，吉明明，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：