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先进控制软件在氨纶聚合过程中的应用

www.cechina.cn2007.08.05阅读 2501

  引  言
  模型预测控制(MPC)是目前得到广泛应用的先进控制策略。预测控制具有预测模型、滚动优化、反馈校正等特点,适应复杂工业过程控制的要求。预测函数控制(PFC)是第三代模型预测控制算法,由于具有在线计算量少、对模型精度要求不高、有较强的稳定性和鲁棒性等特点,在工业过程中得到了广泛的应用。
  氨纶是近年来发展最快的一种合成纤维。它是一种重要的高技术纤维, 具有软硬嵌段的区段结构特征, 性能优异, 越来越多的纺织品都混入适量氨纶以提高其服用性能。聚合过程是氨纶生产中的一个重要环节,聚合过程的好坏对氨纶质量起着决定性的作用。同时由于氨纶生产大多采用间歇方式,若干条生产线同时运行,存在着干扰因素多、非线性严重等问题,常规PID控制难以达到满意的控制效果,从而造成聚合质量不稳定,影响氨纶的质量。
  因此,针对聚合过程存在的控制难题,应用了浙江中控软件技术有限公司开发的预测函数控制软件APC-PFC建立聚合过程的先进控制系统,并于2006年7月成功投入运行。聚合过程先进控制系统投运后大大减轻了操作人员的工作强度,提高了聚合过程的稳定性控制工程网版权所有,取得了满意的控制效果。

</如图1

  氨纶聚

合过程工艺和特点
  氨纶聚合过程是典型的间歇过程,放热反应过程。由于反应釜温度太高,副反应加剧;反应釜温度太低,反应不够完全,因此聚合反应釜温度直接影响聚合质量,需严格按照一定的温度轨迹运行。
  聚合过程工艺流程如图1所示。若干个聚合反应器同时进行生产,聚合反应温度通过夹套通恒温水时间的时间长短来控制,同时又将经过热交换的夹套冷却水排到公用恒温水槽中。公用恒温水槽温度通过调节蒸汽量的大小来控制。由于循环进入公用恒温水槽的夹套水温度和流量都在不断变化,恒温水槽的温度波动大CONTROL ENGINEERING China版权所有,恒温水槽温度波动严重影响聚合反应釜温度的控制,最终影响氨纶产品的质量。单纯的PID控制很难综合地考虑这种干扰因素www.cechina.cn,公用恒温水槽温度控制不好。

  APC-PFC先进控制软件原理及特点
  APC-PFC先进控制软件的核心算法是预测函数控制(PFC)。PFC隶属于模型预测控制家族的一种,由法国的J.Richalet等人于1986年提出。与传统的模型预测控制算法不同,PFC注重控制变量的结构形式,将控制输入视为基函数的加权组合,引入误差反馈校正,进行在线优化。由于PFC仍属于模型预测控制的范畴,因此它仍具有模型预测控制的三大原理,即内部模型(预测输出)、滚动优化和反馈校正等三大部分。PFC的各个部分之间的关系可以用图2来描述。由于基函数及其响应均可事先离线计算www.cechina.cn,在线计算只在于少量线性加权系数的参数优化,因此PFC的在线计算量比一般的模型预测控制算法显著减少。同时PFC的控制变量结构规律明确,比模型算法控制有很大改进,这是PFC的一个优点。
  在PFC算法中,其调节手段有基函数、参考轨迹和优化时域。其中控制精度取决于基函数的选择;动态响应主要受参考轨迹影响,同时受优化时域的影响;系统稳定性和鲁棒性主要由优化时域起作用,但也受参考轨迹的影响。因此在控制系统设计时,可以按照闭环控制性能要求很快整定得到PFC控制器的有关参数。这是PFC的又一个优点。
  综合以上PFC的特点www.cechina.cn,APC-PFC先进控制软件具有算法简单,在线计算量少,对模型精度要求低;调节参数少等特点。易于在工程中实施和推广运用。

  先进控制方案设计
  公用恒温水槽温度的波动会影响聚合质量,从而氨纶产品的质量。考虑到常规PID控制效果不是十分理想,为此,我们设计了以APC-PFC先进控制软件为监督层,常规PID控制为控制层的透明控制结构的先进控制系统。该控制结构既结合了PID控制的可靠性、稳定性控制工程网版权所有,又糅合了PFC的良好的设定值跟踪性能及动态响应效果。
  APC-PFC在这里起到监督层的控制作用,实际应用中,在PID控制器中加入前馈量,形成一个PFC-PID控制器,前馈量的加入,在扰动发生时,PID控制器及时克服扰动,消除余差。以此达到及时克服扰动变量对水槽温度的扰动作用,使整个系统达到平稳控制。其控制系统的方块图如图3所示。

如图2

  应用效果
  APC-PFC软件应用到公用恒温水槽温度以来,公用恒温水槽温度的平稳性有了很大的提高,生产操作平稳性有了显著的提高,大大减轻了操作人员的操作强度。图4是APC-PFC先进控制软件投运前后60天的控制效果比较图。表1是先进控制系统投运前后数据分析。从图4和表1可以看出,公用恒温水槽温度在先进控制投运前波动较大,控制效果并不理想;APC-PFC先进控制软件投运后,能够有效的克服扰动,控制系统的控制质量明显提高,方差和极差均显著减小,大大改善了氨纶聚合过程的操作平稳性,为聚合质量的提高创造了有利条件。

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