Smith預估-模糊控制在硝酸氧化爐自設定氨空比控制中的應用①

左為恒 程 源

(重慶大學電氣工程學院)

Smith預估-模糊控制在硝酸氧化爐自設定氨空比控制中的應用①

左為恒 程 源

(重慶大學電氣工程學院)

硝酸生產氧化爐溫度控制系統具有大慣性、非線性及時變等特點，采用常規控制方法對溫度進行控制難以獲得滿意的效果。因此，提出一種新的基于模糊控制的氨空比自動設定方案，通過模糊控制器輸出氨空比修正值，實現了氨空比的自動設定；同時，將Smith預估控制應用于主回路進行溫度補償，減小了時滯的不利影響。仿真結果顯示：該方案自動設定的氨空比能夠很好地調節氧化爐溫度，較常規控制方法超調量小、調節時間短。

Smith預估-模糊控制 硝酸氧化爐 溫度控制 氨空比自設定

隨著化工行業的發展，硝酸的需求量逐年增大[1]。硝酸生產過程中最重要的環節就是控制氧化爐的溫度。但硝酸氧化爐的溫度控制受到氨空比、負荷及時滯等因素的影響[2]，常規控制方法在控制精度、靈敏度和系統的魯棒性上存在很大的缺陷，造成生產效率不高且存在安全隱患的后果。因此，筆者提出將模糊控制應用于氨空比的自動設定，且主回路通過Smith預估器進行溫度補償。模糊控制把人類專家對特定被控對象或過程的控制策略總結為控制規則，通過模糊推理得到控制作用集，作用于被控對象或過程[3]。Smith預估控制采用預先估計得到動態模型，設計一個預估器進行補償，以減小時滯帶來的不利影響[4]，使得溫度控制性能的動態指標有很大提高。

1 氧化爐控制系統分析和優化

1.1 控制系統分析

硝酸生產的主要原料是空氣和氨氣，由合成氨系統合成得到的液態氨經過過濾和預熱處理后，與過濾后的空氣同時輸入混合器中按一定比例均勻混合，完全混合的氣體進入氧化爐，在鉑(Pt)網催化劑的作用下發生氨的催化氧化反應，生成NO氣體，反應溫度約860℃。反應后的氣體經過其他處理生成硝酸。氧化工序是一個多參數相互制約、工藝指標控制精度要求極高的復雜過程，對控制系統有很高的要求[5]。作為最重要的反應環節，氧化爐中氨氣的氧化效率決定著硝酸的生產率。氨氣的反應效率與氧化爐的溫度有關[6]，生產表明，影響氧化爐溫度的因素很多，但主要取決于氨氣和空氣的流量比，因此控制氨空比成為生產中的最大問題。

工業中，需要將氨濃度控制在9.5%～11.5%的范圍，通過換算即可得到氨空比為10.5%～12.5%[6]。硝酸生產中，常規控制方法是雙閉環比值控制和變比值控制。雙閉環比值控制采用的是定比值，當溫度發生變化時通過同時調整氨氣和空氣的輸入量來調節溫度，其缺點是對于大擾動調節時間過長且調節效果不好；常規變比值控制采用氨空比作為主參數，空氣輸入不變，僅改變氨氣流量調節溫度，當溫度達到工藝要求時，實際氨氣的輸入量和空氣流量比值往往處于安全生產范圍以外，氨空比和溫度不能很好地配合。此外，氧化爐中的反應具有大慣性且純時滯的特點，導致反饋后的調節滯后于溫度的變化[7]，致使控制精度達不到要求，給生產帶來隱患。

1.2 控制方案優化

針對氧化爐溫度調節過程中出現的問題，結合雙閉環比值控制和變比值控制的優點，提出新的控制方法。使用模糊控制器，對氨空比穩態設定值進行小范圍修正，保證氨空比的動態設定值在安全范圍以內。為減小反應中純時滯帶來的不利影響，在主控制回路中加入Smith預估補償。優化后的控制方法既能輸出符合工藝需求的氨空比，又克服了時滯的不利影響，溫度響應及時，使整個生產過程能更穩定高效地進行。

氧化爐氨空比自動設定控制原理如圖1所示。系統正常工作時，氧化爐的實時溫度與設定溫度值比較，溫度控制器輸出需要的氨氣流量，通過氨氣閥門來調節進入氧化爐的氨氣流量。為保證空氣按照設定的比值輸入，將氨氣和空氣的流量比值作為空氣回路的反饋，與氨空比基本設定值比較，比值控制器調節變頻風機改變空氣的輸入量。

圖1 氧化爐氨空比自動設定控制原理框圖

當系統受到擾動，氧化爐溫度發生偏差時，如果偏差很小，通過調節負荷即可使溫度穩定，模糊控制器輸出的氨空比修正值Δk為零；若偏差很大，則需要通過改變氨空比來加快溫度的響應，使爐溫迅速穩定。氨空比的改變是通過模糊控制器輸出修正值完成的，將氧化爐實時溫度與設定值的偏差作為模糊控制器的輸入，模糊控制器根據控制規則計算出氨空比的修正值Δk，將氨空比修正值Δk和氨空比基本設定值K1疊加成氨空比動態設定值K(數學關系為K=K1+Δk)，氨氣流量和空氣流量的實時比值與氨空比動態設定值K進行比較，通過比值控制器，使空氣在新的氨空比下保持穩定。所以，在不同的溫度偏差下，模糊控制器都能根據規則計算出最合適的氨空比修正值，使爐溫在新的氨空比下保持穩定。

2 模糊控制器設計

模糊控制系統主要由氧化爐溫度檢測系統、空氣輸入風機頻率調節系統和模糊控制器組成。當溫度變化很小時可以通過調節氨氣和空氣流量實現溫度的穩定；當溫度偏差大時利用模糊控制器對氨空比進行修正，同時改變空氣和氨氣流量，使溫度趨向穩定。模糊控制器利用計算機模擬人的思維和決策方式，根據控制規則輸出氨空比修正值，從而實現對氧化爐生產過程的控制和操作。

模糊控制器由規則庫、模糊化、推理機和反模糊化4個功能模塊組成。模糊控制單元先將輸入信息模糊化，然后經過模糊推理規則，給出模糊輸出，然后經過反模糊化輸出操作變量。該模糊控制器的主要任務是在氨空比允許的工藝范圍內實現氨空比的自動設定，從而保證氧化爐溫度保持在860℃左右。

2.1 模糊子集和隸屬度函數的選取

模糊控制器設計為雙輸入單輸出結構。將硝酸生產氧化爐溫度偏差e和溫度偏差的變化ec作為模糊控制器的輸入變量，氨空比修正值Δk為輸出變量，基本論域分別為[-e,e]、[-ec,ec]、[-Δk,Δk]。在e、ec、Δk的論域上定義的語言變量分別為E、EC、ΔK。每個語言變量都劃分為7個語言描述值，分別為負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。E、EC、ΔK的模糊子集論域都為{-3，-2，-1，0，1，2，3}。為實現實際連續域到有限整數離散域的轉換，需通過量化因子進行論域變換。偏差量化因子Ke=3/e、偏差變化量化因子Kec=3/ec、控制量量化因子KΔk=3/Δk[7]。硝酸生產氧化爐溫度偏差e的基本論域為[-75,75]℃，偏差變化ec的基本論域[-12，12]℃/s,氨空比基本設定值K1為11.5%，氨空比修正值Δk的基本論域為[-1%,1%]，最終選擇比例因子Ke=1/25、Kec=1/4、KΔk=0.01/3。

由于氨空比的微小改變都會引起溫度的快速變化，對控制靈敏度要求較高，這里輸入變量的隸屬度函數選擇三角形函數[8]。

2.2 模糊規則

模糊規則的設計直接關系到模糊控制器的控制效果，其設計思想是利用氧化爐溫度偏差和偏差變化輸出氨空比修正值，以改變氨空比來盡快消除溫度偏差。

根據實際生產經驗，當e為NB且ec也為NB時，即偏差為負大且有增大趨勢，實測溫度高于設定值且有繼續增大的趨勢。為盡快消除已有的負大偏差并抑制偏差變大，控制器輸出的給定比值應取負大，即Δk為NB。

當e為ZO時，即偏差為零時，氨空比修正值Δk為零，調節給定的負荷即可穩定溫度。

當e為PB且ec也為PB時，即偏差為正大且有增大趨勢，實測溫度低于設定值且有繼續降低趨勢。為盡快消除已有正大偏差并抑制偏差變大，控制器輸出的給定比值應取正大，即Δk為PB。

分析各種情況得出的模糊規則見表1。

表1 模糊控制規則

模糊規則是根據實踐經驗得出的模糊條件語句集合，模糊控制器的核心是“if…then…”模糊控制規則：ifeis A andecis B,then Δkis C(A、B、C分別為e、ec和Δk的模糊子集)。

2.3 模糊推理

模糊推理以模糊集合論為基礎描述工具，對以一般集合論為基礎描述工具的數理邏輯進行擴展，從而建立模糊推理理論。筆者采用Mamdani推理方法，Mamdani將經典的極大-極小合成運算法作為模糊關系與模糊集合的合成運算法則。

2.4 反模糊化

3 Smith預估控制器的設計

圖2 氧化爐溫度控制系統框圖

4 系統仿真

圖3 控制系統Simulink仿真

給定階躍信號，空氣回路的控制參數kp=1.7，ki=0.42；氨氣回路的控制參數kp=0.675，ki=0.00675；主控制參數kp=0.001，ki=0.0015，kd=0.001。為了比較控制效果，將之與常規雙閉環比值控制和變比值控制對比，仿真結果如圖4所示?？梢钥闯?，常規雙閉環比值控制調節時間長，超調量大，不利于溫度的穩定控制；變比值控制性能適中；Smith預估-模糊控制方法具有超調小、調節時間短的優點，有利于安全生產。具體性能指標見表2。

圖4 3種控制方式的系統響應曲線

控制方式上升時間s超調量%調節時間s穩態誤差℃雙閉環比值控制23120．006252．5變比值控制22015．244461．2Smith預估-模糊控制1997．213750．0

5 結束語

針對常規比值控制存在的問題，提出以模糊控制器動態修正氨空比，使得控制系統能夠自動設定氨空比，并在主回路加入Smith預估補償來消除純時滯和慣性的影響。Matlab Simulink仿真結果表明，新的控制方法具有超調小、響應速度快及穩態精度高等優勢，并且氨空比一直處于安全范圍之內，可在實際生產中推廣使用。

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ApplicationofSmith-FuzzyPredictiveControlinAuto-settingAmmonia-AirRatioinNitricAcidOxidationFurnace

ZUO Wei-heng, CHENG Yuan

(SchoolofElectricalEngineering,ChongqingUniversity)

Considering the large inertia, nonlinearity and time variation of the oxidation furnace’s temperature control system in the nitric acid production, and the conventional control methods’ difficulty in obtaining satisfactory control effect there, a fuzzy control-based auto-setting scheme for the ammonia-air ratio was proposed, which adopts fuzzy controller to output the ammonia-air ratio modified so as to realize the auto-setting of ammonia-air ratio; in addition, it has Smith predictive control applied to the main circuit for temperature compensation to reduce the delay of the adverse effects. The simulation results show that, the auto-setting ammonia-air ratio in this scheme can adjust the oxidation furnace temperature better than the conventional control method in controlling both overshoot and time.

Smith-fuzzy predictive control, nitric acid oxidation furnace, temperature control, auto-setting ammonia-air ratio

左為恒(1961-)，副教授，從事控制理論與控制工程的研究。

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1000-3932(2017)03-0228-05

聯系人程源(1990-)，碩士研究生，從事控制工程的研究，chengyuan007@foxmail.com。

2016-03-01,

2017-02-15)