规则库方法在反应釜温度控制中的应用
叶鲁彬 贾勋慧 魏传
（浙江中控技术股份有限公司， 杭州 310053）
摘要：化工过程中的温度对象往往具有惯性大、滞后时间长的特征，严重影响常规PID控制算法的性能。规则库方法模拟和提炼了操作人员的经验与专家知识，通常会取得常规控制难以达到的效果。针对放热反应釜过程，根据现场操作经验得到了保温、升降温阶段的控制规则，并在中控WebField JX-300XP系列集散控制系统(DCS)的Advantrol-Pro2.65软件平台上实现规则库控制方法，并在草甘膦生产过程中投运，结果验证了规则库方法的实际有效性。 关键词：人工规则库，温度控制，纯滞后，大惯性，放热反应釜
The Application of Rule – Based Approach in Temperature
Control of Chemical Reactor
YE Lu Bin JIA Xun Hui WEI Chuan
（Zhejiang SUPCON Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang, 310053）
Abstract:In chemical processes, the temperature has the characteristic of long delay and large inertia, which brings difficulties to the conventional PID control approaches. The method based on artificial rule database simulates and extracts the experiences of operators and experts’ knowledge, and thus may haves the performance which conventional methods are unable to achieve. Control rules for exothermic reactor process are concluded from the plant operation experiences. The Control formulations are then implemented on the Advantrol – Pro 2.65, which is the software platform for SUPCON WebFiled JX – 300XP Distributed Control System (DCS). The rule – based control approach is applied in the operation of the glyphosate production process, and the results verified the efficiency of the method.
Keywords：Artificial rule database; Temperature Control; Time Delay; Large Inertia; Exothermic Reactor 1 引言
在化工过程中，温度是系统的关键状态变量之一，对操作稳定、产品质量会有直接的
影响。温度控制不仅需求量较大，而且往往对控制精度有较高的要求。例如在一些精细化工的间歇反应釜过程中，不但在保温阶段需要保持精确稳定，而且在升、降温阶段需要比较准确地跟踪设定曲线。
相比于其他物理量如流量、压力、液位等，温度对象具有惯性大、纯滞后时间长的特点。这是由于对许多化工过程装置，往往由于规模、设备容积大，传导、对流、辐射的热惯性较大，导致了传热过程的时间常数大，响应缓慢、过渡时间较长，容易引起控制作用的矫枉过正，曲线长时间地波动，难以快速稳定。
传热过程通常采用介质进行加热或冷却，如循环水夹套、油加热等，由于介质的流动、接触需要一定时间的滞后，从操作变化到影响实际被控温度存在一定的滞后；而且在实际现场，温度一般具有空间场分布，实际温度计测点在反映被测温度上存在一定的滞后，此外检测仪表也会存在滞后性，这些因素都导致温度控制对象存在明显的纯滞后现象。纯滞后的存在会导致控制作用滞后于实际过程变化，无法发挥调节作用，使基于常规PID算法的控制性能明显下降[1]。
惯性大、纯滞后时间长使温度成为一种较慢的对象，如何使其快速跟踪上升/下降轨迹且避免超出终点值是一个较为困难的问题。针对温度对象的特征，学术和工业界提出了一些结合专家知识的控制方案，将现场操作经验进行提炼，在常规PID控制基础之上增加了规则判断或模糊逻辑的环节，在控制效果上取得了一定的提高[2-7]。
目前在化工过程中，集散控制系统(DCS)得到了广泛使用。DCS具有分散控制、集中管理、显示、监控等功能，并且提供了ST语言和图形化模块等编程工具和平台，便于根据实际情况实现各种控制算法[8-10]。本文以浙江中控技术股份有限公司WebField JX-300XP系统为平台，针对草甘膦生产过程的温度控制问题，充分提炼工业现场的专家知识和操作经验，形成有效的规则，对原有温度控制算法进行优化，并且进行模块化封装，便于在工业中推广应用。经过实际工业现场应用，能达到比常规控制方案更优的控制性能，验证了该方法对此类对象温控的有效性。
2 基于规则库的反应釜温度控制方案 2.1 放热反应釜温度控制特征
在工业反应釜过程中，温度控制采用最多的是PID算法，但由于反应过程的温度对象惯性大、滞后时间长，且容易受冷却水温度等扰动以及环境因素的影响，常规PID控制效果往往难以达到高精度的操作要求。
例如对实际采用夹套循环水冷却的放热反应釜过程，PID控制下的系统容易持续较长的振荡状态，调节过程太过缓慢。经过对实际操作过程数据的分析，当反应器温度超过其设定值且开始呈下降趋势时，表明循环水的冷却作用已经开始起作用了。此时若保持当前冷却水阀即可等待温度下降，但根据PID偏差调节算法，仍需要进一步开大冷却水阀，错过了最佳调增时机，导致阀门的调整幅度过大，当温度下降到设定值时难以保持在平衡状态，进而又导致反向调整时幅度过大，最后使温度控制出现较大的振荡现象。究其原因，主要是由温度对象的滞后性与大惯性引起的。从控制理论上分析，适当引入微分或超前环节能改善系统的滞后性，然而在化工过程中，噪声情况比较严重，而微分作用容易放大高频噪声引起振荡，因此在工业现场中很少使用微分环节[1]。 2.2 基于规则库的放热反应釜温度控制方案
针对工业中一些强非线性、强耦合性、机理复杂、信息不完整或不确定的过程对象，采用专家控制系统可能会取得常规控制难以达到的效果[1]。专家控制是一种基于知识和推理的方法，而最关键的是连接知识和推理的规则，一般采用IF-THEN表达式来表示规则，并将多条规则集成为推理模型。规则往往来自于实际操作人员经验、专家知识、操作曲线和数据等，进行提炼、抽象，转化为数学语言和计算机程序，便可以利用计算机代替有经验的操作人员进行自动调节，大大减轻操作强度、提高控制精度。
对于夹套循环水冷却的放热反应釜过程，当采用人工手动调节时，不仅需考虑温度和设定之间的偏差，同时也需根据其变化趋势进行调整，预估冷却水与反应热的平衡点。当温度在设定值之上且温度上升较快时，采用常规PID控制手段，开大冷却水阀，若温度变化率降低到一定值后，认为冷却效果已经开始作用，此时应减弱控制器输出作用，在温度降低至设定值之前一段时间适当关小冷却水阀；反之，当温度设定值之下且下降较快时，采用常规PID控制方案，减小冷却水阀，温度变化率降低到一定值后，反应放热开始超过冷却作用，此时减弱控制作用，在温度升高至设定值之前一段时间适当开大冷却水阀。这种操作规则实际上是操作人员对滞后长、惯性大的温度控制调节经验度总结，增加了根据温度变化动态趋势进行调整的规则。
据上，可以得到如下温度控制的推理规则(规则1)：
IF ((T>T_SP) AND (D_T>DT_SP)) OR ((T CONTROL1 ELSE CONTROL2 其中T为反应釜检测温度，T_SP为温度设定值，D_T为温度变化率，DT_SP为温度变化率临界设定值；CONTROL1表示常规PID控制方案，CONTROL2表示减弱后的控制方案。 在规则中，需要事先得到的参数是温度变化率临界设定值DT_SP，该参数可以根据现场操作经验进行设置。此外，温度变化率D_T的求取也是一个关键点，一般根据操作经验获取该参数值。将被控变量的变化趋势纳入调节作用本质上是微分的应用，由于工业现场噪声严重，为了避免直接微分给执行器带来较大的振荡，需要对求导算法进行一些改进。在该规则中，对温度变化趋势的处理有别于常规的直接求导微分，采用滑动窗口方法，对窗口内的一段数据采用差分法进行求导，避免个别离群点、错误点对求导结果的影响；同时该方法采用统计方法对数据进行处理，具有较好的滤波性，很大程度上避免了噪声对微分的影响。 在工业中，不仅需要将温度控制在某一个设定值上，而且也存在对均匀升/降温控制的需求，这其实是一种随动控制系统，对精度要求较高，是温度控制的难点之一。根据实际操作经验，每隔一段周期，根据前一周期的温度变化趋势对温度设定值进行自适应更新。可以描述为如下规则(规则2)： IF (D_T>DT_SP) THEN T_SP=T_SP-ΔT_SP IF (D_T T_SP=T_SP 其中D_T为温度变化率，DT_SP为温度变化率设定值，T_SP为温度设定值，ΔT_SP表示温度设定值修正。这样通过反相修正温度设定值,从而加速实际被控温度趋于目标轨迹，优化跟踪效果。 利用规则1、2的控制结构如图1所示，IF-THEN规则模块中包含了人工经验和专家知识，其输出可作为常规控制器的设定值输入。 -+保温期IF-THEN规则库常规控制器反应釜温度对象d/dt升降温IF-THEN规则库图1 反应釜温度人工规则库控制的模型结构 3 基于Advantrol-Pro2.65平台的规则库温度控制方案在工业放热反应器中的实现 Advantrol-Pro2.65是浙江中控技术股份有限公司WebField JX-300XP集散控制系统（DCS）的控制应用软件平台，实现了系统组态、数据服务、实时监控等功能，并且为控制算法的实现提供了开放和灵活的编程方法。 将该规则控制方法应用于某草甘膦生产过程中，采用甘氨法，以甘氨酸为原料，与多聚甲醛 、亚磷酸二烷酯经加成、缩合、水解得到草甘膦。首先将物料甲醇、三乙胺和多聚甲醛同时投入合成釜中，开始解聚反应，反应结束后，加入甘氨酸，加成反应开始，经过一段时间当反应温度到达规定值后，再加入亚磷酸二甲酯，开始缩合反应。 这是一个强放热反应，随着反应的不断进行，釜内温度不断升高，形成正反馈，若不能及时移走相应的反应热，则会出现“ 飞温”现象，导致副反应激增，大大地减弱草甘膦的回收率。随着反应的逐渐完成，反应速度减缓，放热大幅度减少，这时如果过多地移走反应热，又会导致反应不完全，温度直接影响产品质量和收益率，所以工艺上对反应温度的控制要求比较严格。在生产中，温度要求按照一定折线变化，恒温控制精度要求±1℃。在实际工艺中，采用蒸汽和循环水升降温，釜采用夹套模式。 根据草甘膦生产中的操作要求，可以采用2.2中的规则控制，其主要包含了逻辑判断环节，可以方便地在Advantrol-Pro2.65的算法组态中采用图形化模块实现。根据草甘膦过程的现场操作经验，建议将规则1中的温度变化率临界值DT_SP设置为0.1℃/min，具体在组态中的模块如图2。