關(guān)宏偉，李園，梁立達(dá)，馬修水

（1.寧波大紅鷹學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，浙江寧波315175；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江寧波315100）

基于最小二乘法的反應(yīng)釜參數(shù)整定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)宏偉1，李園2，梁立達(dá)2，馬修水2

（1.寧波大紅鷹學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，浙江寧波315175；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江寧波315100）

反應(yīng)釜具有工藝復(fù)雜，干擾量多且難以測(cè)量等特點(diǎn)，獲得其模型較為困難。本文以反應(yīng)釜為對(duì)象，運(yùn)用最小二乘法對(duì)其進(jìn)行辨識(shí)，獲得模型參數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)模型對(duì)其進(jìn)行參數(shù)整定，系統(tǒng)的性能指標(biāo)為超調(diào)量2%，峰值時(shí)間10min，上升時(shí)間6.5min，調(diào)整時(shí)間5min，衰減比為5。

反應(yīng)釜；最小二乘法；動(dòng)態(tài)性能

一、引言

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，反應(yīng)釜具有非線性、時(shí)滯性、時(shí)變性。為了取得良好的反應(yīng)釜溫度控制效果，張文麗和逢海萍將模糊控制算法與PID控制算法相結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種自調(diào)整模糊PID控制器，該控制器具有使系統(tǒng)超調(diào)量小、調(diào)整時(shí)間短、魯棒性好且算法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是一種提高聚合反應(yīng)釜溫度控制效果的有效方法[1]。Barry和Sandro采用GMC方法控制反應(yīng)釜溫度，進(jìn)一步考察了操作條件與過(guò)程參數(shù)變動(dòng)時(shí)被控過(guò)程的魯棒性，得出了GMC的魯棒性明

顯強(qiáng)于雙?？刂频慕Y(jié)論[2]。周曉燕給出了冷劑流量對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)溫度的傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)了按偏差分檔控制的智能控制系統(tǒng)。在控制方法上，采用了基于規(guī)則修改的自適應(yīng)模糊控制和不完全微分PID控制算法相結(jié)合的方法[3]。綜上所述，他們所設(shè)計(jì)的只針對(duì)個(gè)別反應(yīng)的反應(yīng)釜,不能面向多種類型的反應(yīng)釜，因而存在著程序復(fù)雜、單一性等缺點(diǎn)。

本文利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，獲得反應(yīng)釜的溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（采樣），從這些數(shù)據(jù)中提取反應(yīng)釜的模型特性，根據(jù)最小二乘法原理進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別，獲得τ、T、K等描述對(duì)象特性的參數(shù)，然后進(jìn)行PID參數(shù)整定（比例系數(shù)P，積分時(shí)間Ti,微分時(shí)間Td）獲得良好的溫度控制效果。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及溫度控制原理框圖

反應(yīng)釜是物理或化學(xué)反應(yīng)的容器，實(shí)現(xiàn)工藝要求的加熱、蒸發(fā)、冷卻及低高速的混配功能。反應(yīng)釜基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、進(jìn)出料三大系統(tǒng)組成，詳見(jiàn)表1，包含的主要元器件詳見(jiàn)表2。

圖1 反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu)

表1 反應(yīng)釜系統(tǒng)組成

表2 反應(yīng)釜元器件組成

圖2 反應(yīng)釜釜溫控制框圖

將單回路盤管冷卻反應(yīng)釜和執(zhí)行器看做一個(gè)整體，稱為廣義被控對(duì)象，釜溫控制框圖如圖2所示。

三、建模方法

PID參數(shù)整定分為兩類。一是工程整定法，主要依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)試。二是理論計(jì)算整定法，依據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。理論計(jì)算法有機(jī)理建模法、作圖法和最小二乘法等。

機(jī)理建模法以冷卻劑流量對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)溫度的影響為例。通過(guò)機(jī)理獲得系統(tǒng)模型，必須要知道反應(yīng)物的濃度、盤管冷卻液的流量和反應(yīng)釜的傳熱面積等相關(guān)參數(shù)。很顯然這些數(shù)據(jù)在測(cè)量中存在一定困難。這只是一個(gè)變量對(duì)反應(yīng)釜溫度變化的影響，還有其他的影響因素，比如加熱棒的功率、進(jìn)水的溫度，冷卻水的溫度，反應(yīng)釜的體積和形狀等。因此：在工程中，通過(guò)機(jī)理法實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的的數(shù)學(xué)建?？尚行圆淮?。

作圖法開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)操作，將系統(tǒng)置于開(kāi)環(huán)，獲得系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖，自衡對(duì)象曲線圖近似S型。根據(jù)階躍響應(yīng)作圖法[4]得τ=0.5，T=15，K=35?，F(xiàn)知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型特性，故根據(jù)Ziegler-Nichols法[5]獲得PID控制器的相關(guān)參數(shù)為P=14.8；Ti=1；Td= 0.25。

整定結(jié)果：溫度一直處于振蕩過(guò)程，振蕩周期為

10min，振幅1.4℃。

分析原因如下：（1）階躍響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)不易找準(zhǔn)，切線的方向也具有一定的隨意性。（2）做切線時(shí)，與橫縱坐標(biāo)交點(diǎn)讀數(shù)需要估計(jì)，存在著一定的誤差。（3）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式獲得的PID參數(shù)需要重新調(diào)整，需要一定的經(jīng)驗(yàn)。綜上所述：作圖法耗時(shí)較多，且對(duì)工程技術(shù)人員的素質(zhì)要求較高。

最小二乘法由于反應(yīng)釜內(nèi)安裝了熱電偶，反應(yīng)釜內(nèi)的溫度可以時(shí)刻在計(jì)算機(jī)上顯示和記錄，這些溫度是反應(yīng)釜在時(shí)間序列上的工作點(diǎn)，可以體現(xiàn)反應(yīng)釜模型特性。將這些工作點(diǎn)畫(huà)在坐標(biāo)圖上，近似一條S型曲線，而反應(yīng)釜為自衡對(duì)象，其模型形式為，（其中K、T因不同反應(yīng)對(duì)象而不同）故只要求出K、T、τ就可以進(jìn)行參數(shù)整定。其一階階躍輸出為，為此只要運(yùn)用最小二乘法，擬合反應(yīng)釜時(shí)間序列上的工作點(diǎn)就可以得到被控對(duì)象的模型。

應(yīng)用中，選擇冷卻水閥開(kāi)度為65%。待反應(yīng)釜達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)（70℃），施加階躍擾動(dòng)，記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以時(shí)間為自變量，反應(yīng)釜的溫度為因變量，記錄結(jié)果到附表1中（見(jiàn)P25頁(yè)）。擬合曲線后可以得到模型對(duì)象的三個(gè)參數(shù)：K=36.7530，T=10.4611，τ=0.0281。求取最小均方差，得到最小均方差是36.4551。

表3 反應(yīng)釜?jiǎng)討B(tài)性能一覽表

由于τ比較小，采用PI控制器，根據(jù)Ziegler-Nichols法，得到控制器相關(guān)參數(shù)為P=0.11，Ti=0.3。將PI串聯(lián)到控制回路中，使之構(gòu)成閉合回路，獲得該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能示于表3。

作圖法的整定結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)一直處于振蕩狀態(tài)，此狀態(tài)雖處于穩(wěn)定，但是始終達(dá)不到設(shè)定要求，此時(shí)反應(yīng)釜的各個(gè)元器件的狀態(tài)不斷切換，長(zhǎng)此以往將縮短系統(tǒng)的使用壽命。而利用最小二乘法的整定響應(yīng)曲線在3個(gè)波峰之后基本趨于設(shè)定溫度。綜上所述：利用最小二乘法的控制效果明顯優(yōu)于作圖法。

四、結(jié)果與討論

反應(yīng)釜的溫度控制過(guò)程中需要工人即時(shí)監(jiān)管和豐富經(jīng)驗(yàn),不能完全擺脫人工干預(yù)而完全實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。此外,對(duì)于當(dāng)前小批量生產(chǎn)的反應(yīng)釜反應(yīng)過(guò)程,每次生產(chǎn)工況都會(huì)有所不同,其具體反應(yīng)機(jī)理都會(huì)產(chǎn)生變化。

運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行建模，當(dāng)設(shè)定不同參數(shù)時(shí),該函數(shù)可代表不同受控對(duì)象。最小二乘法建模法的最大特點(diǎn)就是不針對(duì)個(gè)別反應(yīng),可面向多種類型的反應(yīng)釜,即無(wú)論參數(shù)如何變化(即受控對(duì)象不斷變化),均可通過(guò)此方法準(zhǔn)確地進(jìn)行溫度控制操作并實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。

[1]張文麗，逢海萍.聚合反應(yīng)釜自調(diào)整模糊PID控制器的設(shè)計(jì)及仿真[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005（2）：132-135.

[2]M.Santos,A.l.Dexter.Control of Cryogenic Process Using Fuzzy PID Scheduler[J].Control Engineering Practice,2002,10: 1145-1152.

[3]周曉燕.反應(yīng)釜智能控制器研究與開(kāi)發(fā)[D].南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005：1-73

[4]金以慧，方崇智.過(guò)程控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[5]Cheng Ching Yu.Autoturing of PID controllers:Relay Feedback Approach[M].Springer,1999.

（責(zé)任編輯：袁媛）

Design of the Parameter Adjusting System of Reaction Kettle Based on the Least Square Method

GUAN Hong-wei1,LI Yuan2,LIANG Li-da2,MA Xiu-shui2
(1.School of Mechanical and Electronic Engineering,Ningbo Dahongying University,Ningbo 315175,China; 2.Ningbo Institute of Technology,Zhejiang University,Ningbo 315100,China)

The reaction kettle has the characteristics of complicated process,much disturbance and measurement difficulty,so it is difficult to obtain its model.The least square method is used to identify and obtain the model parameters of the reaction kettle.According to the system model,the parameters of the system are adjusted,i.e.the system performance is over 2%;the peak time is 10min;the rise time is 6.5min;the adjusting time is 5min; and the attenuation ratio is 5.

reaction kettle;least square method;dynamic performance

附表1 閥門開(kāi)度65%反應(yīng)釜實(shí)時(shí)溫度

TG155

A

2016－08－15

關(guān)宏偉(1977—)，男，吉林人，博士，講師，研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)建模。E-mail：ghw_nit@126.com.

浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201432757)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61304081)，浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LQ13F030007)；寧波市

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(2012B82002，2013B82005）

1671－802X(2016)05－0022－04