化工自動化儀表的自動控制過程研究

沈高飛

（江陰市三良橡塑新材料有限公司，江蘇江陰 214445）

自動化控制在化工工業中扮演著至關重要的角色。它不僅提高了生產效率，還增強了產品質量，并在保證操作員安全的同時降低了事故風險。本論文旨在深入研究化工自動化儀表的自動控制過程，以探討控制系統的基本原理、控制策略的選擇及研究方法的應用，從而為化工生產過程的優化提供支持。

1 自動控制基礎

1.1 控制系統的基本原理

成熟可靠的自動控制系統是確保化工生產安全順利進行和保障化工產品質量穩定的前提條件，控制系統是一個復雜的系統，包括多個關鍵組成部分，如控制目標設定、控制反饋、控制器模型和執行器。每種化工生產過程都有其特定控制目標和性能指標，目標可包括生產特定數量產品、維持產品質量、降低能源消耗或減少廢料產生等，明確和設定目標決定著自動控制系統能否正常發揮作用，目標的設定需要考慮化工生產過程的特點及市場需求，以便確保控制系統能夠實現控制目標。控制反饋機制是控制系統的核心部分，通過實時采集化工生產過程中的各項關鍵參數，將生產參數反饋給自動控制器，通過不斷比較反饋信號與設定目標，控制系統可以自動調整化工生產操作，采用各種化工自動化儀表來測量溫度、壓力、流量等過程變量。采集數據的準確性和及時性會影響到能否實現精準控制，是維持正常化工生產過程的基礎。控制器為控制系統最為核心部分，根據采集到反饋信息和制定的控制策略來進行決策，再發送信號給執行器來調整化工生產過程。執行器是控制系統的最后環節，它將控制器生成的信號轉化為實際化工生產操作，執行器可能是閥門、加熱器、泵等設備，用于控制流體、溫度、壓力等生產參數，執行器的性能和響應時間直接影響著控制系統的性能，具體的控制原理見圖1。

圖1 自動控制原理圖

1.2 傳感器技術和儀表選擇

不同化工產品生產過程需要不同的測量精度、運行環境和數據采集速度，選擇合適的儀表和傳感器對提升化工生產的安全性、可靠性和生產效率均發揮著重要作用。化工產品生產多運行于高溫、高壓、高腐蝕等極端環境，要結合化工生產具體環境選擇抗高溫、抗高壓和抗腐蝕傳感器，一些生產過程需要高速采集生產數據，也可能需要采集速度較慢但更高精度的數據，合適采樣速率有助于滿足特定化工生產需求。化工傳感器和儀表成本對于項目的可行性和經濟性非常重要，在選擇自動化儀表時要考慮成本和性能之間的關系，而傳感器的維護和校準對于保持其性能起到至關重要的作用，易于維護的傳感器可以減少停工時間和維護成本。

1.3 控制器設計與調整

控制器是決定化工生產穩定性和性能的核心組件，化工自動化系統控制性能與控制器設計和調整有著直接聯系。常見的控制器包括PID 控制器、模糊邏輯控制器、模型預測控制器等，不同的控制系統具有不同的動態特性，如慣性、延遲和振蕩等，可結合具體的化工生產需求及特點選擇合適的控制器類型，并確定系統控制目標，如誤差最小化、過程響應時間或振蕩抑制，也有助于選擇最合適的控制器類型。一些高級控制器（如模型預測控制器）需要更強大的計算能力，選擇控制器類型時需要考慮硬件和軟件的可用性。

1.4 反饋控制與前饋控制

在化工自動化生產過程中，反饋控制和前饋控制是兩種常用的控制策略，在優化生產過程、提高產品質量和確保系統穩定性方面發揮著重要作用。反饋控制是一種基于系統當前狀態的控制策略，通過監測系統的輸出并將實際輸出與期望輸出進行比較，然后根據誤差來調整控制輸入以使系統維持在期望狀態。這意味著系統可以自動糾正偏差并保持在期望狀態，反饋控制具有很強的適應性，能夠應對系統參數變化和外部干擾，也能夠在不確定性條件下進行控制，提高了系統的穩定性和魯棒性，反饋控制廣泛應用于化工生產過程中，如溫度控制、液位控制和壓力控制，在確保產品質量和生產效率方面發揮著重要作用。前饋控制是一種基于先驗知識的控制策略，可提前預測系統干擾或擾動，并在其影響系統之前采取措施來抵消影響，前饋控制使用模型或先驗知識來預測系統未來行為，并提前調整控制輸入以抵消干擾或擾動，不依賴于實際輸出的反饋信息，可以快速響應干擾且減少系統的響應時間，在已知干擾或擾動的情況下尤為有效，常應用于需要迅速應對干擾的應用，例如，化工生產過程中的喂料控制，有助于減小系統的不穩定性和振蕩。

2 控制策略的選擇

2.1 化工生產過程特點分析

化工生產過程存在著復雜性和多樣性，每種生產過程都具有各自特性，為了選擇科學合理的自動控制策略，需要深入了解和分析化工生產過程特點。化工生產過程的主要特點包括非線性、時變性和不確定性等。非線性意味著過程的輸出與輸入之間的關系并非簡單的線性關系，而是復雜的、非線性的，與化學反應的非線性動力學、設備的非線性特性，或者由需要采用更復雜的控制策略來處理。時變性是化工生產過程的另一個重要特點，過程參數、條件和環境會隨時間產生變化，導致控制系統的動態行為發生變化，多源自原料特性的波動、設備的老化、季節性變化或操作策略的變化。針對控制系統存在的時變過程，需要采用適應性控制策略，以使系統能夠在不同的操作條件下保持性能穩定。

2.2 控制策略在化工生產過程中的優化

模型預測控制（MPC）是一種高級多變量控制策略，在復雜的化工生產過程中表現出卓越的性能，MPC 通過使用系統的數學模型來預測未來的系統行為，然后根據優化目標來調整控制輸入，以實現所需的性能和目標。

2.2.1 過程模型MPC 的關鍵部分之一是過程模型，它用于描述系統的動態行為，過程模型通常采用差分方程或狀態空間形式表示，一種常見的過程模型（離散時間狀態空間模型）表示如下。

式中，x(k)是系統狀態向量，包括所有相關的狀態變量，k表示時間步驟；u(k)是控制輸入向量，包括操作變量；y(k)是輸出向量，包括系統的輸出變量；A是狀態轉移矩陣，描述狀態變量之間的演化關系；B是輸入矩陣，描述控制輸入如何影響系統狀態；C是輸出矩陣，描述狀態變量如何映射到輸出變量。

2.2.2 控制目標

MPC 的控制目標通常以優化問題的形式表示，其中包括性能目標和約束條件，一般形式如下。

優化問題：

其中：U 是控制輸入序列，包括u(0)，u(1)，…u(N-1)，N是優化的預測步數；J是性能指標，通常是控制誤差的加權和，用于最小化成本或實現其他性能目標；L(x(k)，u(k))是每個時間步驟k的局部性能指標，用于衡量系統狀態x(k)和控制輸入u(k)的質量；umin和umax是控制輸入u(k)的下限和上限；xmin和xmax是狀態變量x(k)的下限和上限。

3 研究方法

3.1 實驗設計

對化工自動化儀表的自動控制進行研究，選擇合適的傳感器和儀器是確保數據準確性和實驗成功的關鍵。溫度是一個重要的化工產品生產參數，溫度傳感器選擇PT100或PT1000，精度可達到±0.1℃，靈敏度為0.00385 Ω/℃，采樣頻率為1 Hz。反應釜和儲罐選擇Honeywell 31A 壓力傳感器，精度為±0.1%，靈敏度為4~20 mA，采樣頻率為10 Hz。采用Siemens SITRANS F M MAG 5100流量傳感器用于測量液體或氣體的流動速度，精度為±0.2%，靈敏度為 0.01 m/s，采樣頻率為100 Hz。Rosemount 3051 液位傳感器通常用于監測儲罐或反應釜中的液位高度，精度為±0.05%，靈敏度為4~20 mA，采樣頻率1 Hz。Mettler Toledo InPro 3250 pH 傳感器，用于監測化學產品生產中的pH，精度為±0.01，靈敏度為0.001，采樣頻率為2 Hz。Alphasense CO-B4氣體濃度傳感器，精度為±5%，靈敏度為1 ×10–6，采樣頻率5 Hz。還需要選擇合適的數據采集設備，例如數據采集卡或數據記錄儀，以確保能夠按照所需的采樣頻率和數據存儲容量記錄實驗數據，考慮環境條件、工作溫度范圍、兼容性及可維護性等因素，確保實驗數據的準確性和可靠性，為自動控制過程的研究提供可靠的數據基礎。

3.2 控制系統模型開發

在實驗中優化模型預測控制（MPC）控制器性能、比較不同配置的性能和研究系統對不同輸入信號的響應時，建立準確的控制系統模型至關重要。針對MPC 控制器的建模，可采用基于化學工程原理和系統動力學建立的物理方程，此模型通常較為準確，但也可能復雜且需要詳細的過程知識。也可采用基于實驗數據而非物理原理建立的模型，例如系統辨識方法。這種模型的優勢在于能夠適應復雜的非線性系統，但可能對數據要求較高。在實驗中使用不同的輸入信號來激發系統，并記錄系統的輸入和輸出數據，對采集到的數據進行清洗、平滑和去噪，以準備用于建模的數據，采用線性回歸分析方法進行模型識別。使用不同的數據集或交叉驗證方法來驗證模型的準確性和可靠性，如果模型不滿足性能要求，可以嘗試調整模型參數，或者考慮更復雜的模型結構。在仿真環境中測試模型的性能，模擬不同控制策略的效果，建立的模型集成到MPC 控制器中來控制系統。

3.3 實驗結果分析方法

在優化模型預測控制（MPC）控制器性能、比較不同配置性能和研究系統動態特性之后，對實驗結果進行詳細的分析，有助于評估所選擇的控制策略在化工生產過程中的性能，并為進一步的決策提供依據。對于每個實驗條件（不同控制器配置和輸入信號），計算一系列性能指標，這些指標可以幫助評估控制系統的性能。穩定性分析用于計算系統的穩態誤差，以確保系統在穩態條件下能夠精確控制目標變量。振蕩分析用于分析系統的振蕩頻率和振蕩幅度，以確定控制系統的穩定性。響應速度用于評估系統對輸入信號的響應速度，包括上升時間、峰值時間和調節時間等。控制誤差用于計算系統在不同時間點的控制誤差，以了解系統在不同操作階段的性能，具體的實驗數據統計見表1。

表1 實驗數據統計表

通過表1可以直觀地比較不同配置下的控制性能，從表1看出，在穩態誤差、振蕩頻率、響應速度和控制誤差等方面有著較為理想的控制表現，可作為最佳控制策略。

4 結束語

研究了化工自動化儀表的自動控制過程，探討了與此過程相關的關鍵概念和方法，并對控制系統的目標、反饋機制、控制器和執行器等核心組成部分進行深入論述，采用模型預測控制器，并討論了其設計和參數調整方法。進一步探討了反饋控制和前饋控制這兩種常用的控制策略，分析了化工生產過程的特點，包括非線性、時變性和不確定性。最后，通過實驗結果分析，模型預測控制器策略可確保化工生產過程中的各項性能，并為優化化工自動化儀表的自動控制過程提供了有力的支持。