化工生產過程參數(shù)的自動控制

殷興光

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院 陜西 西安710300）

化工生產過程參數(shù)的自動控制

殷興光

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院 陜西 西安710300）

基于對化工生產過程參數(shù)的精確控制的目的，采用建立機理動態(tài)數(shù)學模型的方法，該控制方法不僅能給出過程穩(wěn)態(tài)特性的設計，同時能給出過程動態(tài)特性的設計，必將使設計工作進入到一個新的更高的水平。通過水位、溫度控制系統(tǒng)的試驗，得出使用該方法參數(shù)控制精度可提高20%以上的結論。

機理；數(shù)學模型；程序設計；參數(shù)控制

在工業(yè)控制中穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型在化工過程的設計、分析、操作、指導等方面已發(fā)揮了重要作用，但不能解釋和處理動態(tài)現(xiàn)象[1]；在分析問題時常局限于穩(wěn)態(tài)平衡關系，或著重于單個因素的分析，不能很好的給出過程變化的因果關系和各因素(變量)間的互相影響[2]。而動態(tài)數(shù)學模型既可給出變量的動態(tài)關系也可給出穩(wěn)態(tài)關系。基于動態(tài)模型的系統(tǒng)分析方法著重于因果關系，將變量分為輸入(原因)變量、狀態(tài)或輸出(后果)變量，采用單向性的信號流圖和反饋，為分析互相關聯(lián)較為復雜的化工過程提供了有力的方法。因而，利用動態(tài)機理數(shù)學模型全面提高化工過程技術是參數(shù)優(yōu)化的一個重要途徑。尤其對于市場和環(huán)境頻繁變化，始終處于動態(tài)變化之中的生產過程更是如此[3]。

1 溫度機理數(shù)學模型的建立

化工生產裝置的設計應包括兩大方面：一方面是工藝參數(shù)、流程、設備結構及其尺寸的確定，需要穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型作為基礎；另一方面是生產裝置的運行與操作控制方法的設計，需要動態(tài)數(shù)學模型作為基礎。這兩方面是相輔相成的，工藝參數(shù)和設備是操作控制的對象。

機理分析法是通過對過程內部機理的分析，推導出描述過程輸入/輸出變量之間關系的數(shù)學模型[4]。針對不同的物理過程，可采用不同的定理、定律。用微分方程來描述過程輸入/輸出變量之間關系是最常見的表示形式之一，動態(tài)機理數(shù)學模型經(jīng)分析形式為：

為了確定上式中的參數(shù)K、T和τ。本設計采用兩點法。所謂兩點法就是利用階躍響應y(t)上兩點的數(shù)據(jù)去計算K和τ。增益K仍按輸入、輸出的穩(wěn)態(tài)值計算。

首先需要把y(t)轉換成它的無量綱形式y(tǒng)*(t),即

其中y（∞）為y（t）的穩(wěn)態(tài)值。

上式與（1）相對應的階躍響應無量綱形式為

上式中只有兩個參數(shù)即τ和T，因此只能根據(jù)兩個點的測試數(shù)據(jù)進行擬合。為此先選定兩個時刻t2>t1≥τ，從測試結果中讀出y*(t1)和y*(t2)并寫出下述聯(lián)立方程：

由以上兩式可以解出

現(xiàn)對其作一下階躍響應，通過MATLAB編程并仿真計算出Ky、Ty、τy。

2 程序設計

在本控制系統(tǒng)中，共應用了溫度的升降溫判斷程序、液位的PID運算程序、濾波后液位運算程序、加熱器通斷程序4個程序，下面以加熱器通斷程序為例作以介紹。

根據(jù)溫度的設定值、當前值、死區(qū)值進行判斷、運算，運算的結果去控制加熱器的通斷[5]。3個值的關系是設定值＝當前值＋死區(qū)值，由于溫度的熱慣性較大，防止當前值達到設定值時超過設定值，所以在這里設置了死區(qū)值，使得當前值提前達到設定值，以抑制熱慣性的影響。

3 在控制系統(tǒng)中的應用試驗

采用的控制對象如圖1所示：液罐Ⅰ和液罐Ⅱ均是液體，由液罐Ⅰ的液體通過進液管的水泵將液體輸送到液罐Ⅱ，控制參數(shù)為液罐Ⅱ中液體的液位、溫度[6]。在本文中以溫度參數(shù)控制為例進行參數(shù)的優(yōu)化控制。采用動態(tài)機理模型，使化工過程中不可實測變量的在線計算適應動態(tài)變化，得到更準確的計算結果。機理分析是根據(jù)對現(xiàn)實對象特性的認識，分析其因果關系，找出反映內部機理的規(guī)律,建立的模型常有明確的物理或現(xiàn)實意義[7]。

圖1 水位、溫度遠程控制結構框圖Fig.1 Water level，temperature remote control structure diagram

4 結論

經(jīng)控制系統(tǒng)得出的數(shù)據(jù)分析，建立動態(tài)機理數(shù)學模型，實現(xiàn)了過程控制和設計的一體化。避免了工藝設計與操作控制的脫節(jié)，使化工生產參數(shù)控制精度提高20%以上，并縮短了施工周期，較高的發(fā)揮了裝置的效益。

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[7]陶永華，尹怡欣，葛蘆生.新型PID控制及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社,2000.

Automatic control of chem ical production process parameters

YIN Xing-guang
（Shaanxi Vocational College of National Defense Industry，Xi’an 710300,China）

Precise control of chemical production process parameters based on the purpose,the methods to establish the dynamic mathematical model,the control method cannotonly design the steadystatecharacteristics is process,design and dynamic characteristicsare given process,it will make the design work to a new higher level.Test the water level,temperature control system using the method of control parameters,the accuracy can be increased by more than 20%conclusion.

mechanism;mathematical model;program design;parameter control

TP273

A

1674-6236（2015）07-0102-02

2014-07-07 稿件編號：201407045

國家自然科學基金資助項目（61272038）

殷興光(1973—)，男，陜西乾縣人，碩士,副教授。研究方向：工業(yè)電氣自動化。