先进控制系统在氨纶生产过程中的应用

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1、 先进控制软件在氨纶生产过程中的应用先进控制软件在氨纶生产过程中的应用 周猛飞、沈旭辉、刘炳杰 （浙江中控软件技术有限公司 浙江杭州 310053） 1 1 1 1、引、引言言 模型预测控制（MPC）是目前得到广泛应用的先进控制策略。预测控制具有预测模型、 滚动优化、反馈校正等特点，适应复杂工业过程控制的要求。预测函数控制（PFC）是第三 代模型预测控制算法，由于具有在线计算量少、对模型精度要求不高、有较强的稳定性和鲁 棒性等特点，在工业过程中得到了广泛的应用。 氨纶是近年来发展最快的一种合成纤维。它是一种重要的高技术纤维, 具有软硬嵌段的 区段结构特征, 性能优异, 越来越多的纺织品都混入适

2、量氨纶以提高其服用性能。聚合过程 是氨纶生产中的一个重要环节， 聚合过程的好坏对氨纶质量起着决定性的作用。同时由于氨 纶生产大多采用间歇方式， 若干条生产线同时运行， 存在着干扰因素多、 非线性严重等问题， 常规 PID 控制难以达到满意的控制效果，从而造成聚合质量不稳定，影响氨纶的质量。 因此， 针对聚合过程存在的控制难题，应用了浙江中控软件技术有限公司开发的预测函 数控制软件 APC-PFC 建立聚合过程的先进控制系统， 并于 2006 年 7 月成功投入运行。 聚合 过程先进控制系统投运后大大减轻了操作人员的工作强度， 提高了聚合过程的稳定性， 取得 了满意的控制效果。 2 2 2 2、

3、氨纶聚合过程工艺和特点、氨纶聚合过程工艺和特点 氨纶聚合过程是典型的间歇过程，放热反应过程。由于反应釜温度太高，副反应加剧； 反应釜温度太低，反应不够完全，因此聚合反应釜温度直接影响聚合质量，需严格按照一定 的温度轨迹运行。 公用 恒 温 水 槽 1 线 反 应 器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . N 线 反 应 器 蒸汽 图 1 氨纶聚合过程工艺流程图 聚合过程工艺流程如图 1 所示。 若干个聚合反应器同时进行生产，聚合反应温度通过夹 套通恒温水时间的时间长短来控制，同时又将经过热交换的夹套冷却水排到公用恒温水槽 中。 公用恒温水槽温度通过调节蒸汽量的

4、大小来控制。 由于循环进入公用恒温水槽的夹套水 温度和流量都在不断变化， 恒温水槽的温度波动大，恒温水槽温度波动严重影响聚合反应釜 温度的控制，最终影响氨纶产品的质量。单纯的 PID 控制很难综合地考虑这种干扰因素， 公用恒温水槽温度控制不好。 3 3 3 3、APC-PFCAPC-PFCAPC-PFCAPC-PFC 先进控制软件原理及特点先进控制软件原理及特点 APC-PFC 先进控制软件的核心算法是预测函数控制（PFC） 。PFC 隶属于模型预测控制 家族的一种， 由法国的 J.Richalet 等人于 1986 年提出。 与传统的模型预测控制算法不同， PFC 注重控制变量的结构形式，将

5、控制输入视为基函数的加权组合，引入误差反馈校正，进行在 线优化。由于 PFC 仍属于模型预测控制的范畴，因此它仍具有模型预测控制的三大原理， 即内部模型(预测输出)、滚动优化和反馈校正等三大部分。PFC 的各个部分之间的关系可以 用图 2 来描述。 由于基函数及其响应均可事先离线计算，在线计算只在于少量线性加权系数 的参数优化，因此 PFC 的在线计算量比一般的模型预测控制算法显著减少。同时 PFC 的控 制变量结构规律明确，比模型算法控制有很大改进，这是 PFC 的一个优点。 在 PFC 算法中，其调节手段有基函数、参考轨迹和优化时域。其中控制精度取决于基 函数的选择；动态响应主要受参考轨迹

6、影响，同时受优化时域的影响；系统稳定性和鲁棒性 主要由优化时域起作用，但也受参考轨迹的影响。因此在控制系统设计时，可以按照闭环控 制性能要求很快整定得到 PFC 控制器的有关参数。这是 PFC 的又一个优点。 设定值 PFC 过 程 + + - 过程输出 扰动 图 2预测函数控制基本原理图 预测模型 参考轨迹 基函数集 综合以上 PFC 的特点，APC-PFC 先进控制软件具有算法简单，在线计算量少，对模型 精度要求低；调节参数少等特点。易于在工程中实施和推广运用。 4 4 4 4、先进控制方案设计、先进控制方案设计 公用恒温水槽温度的波动会影响聚合质量，从而氨纶产品的质量。考虑到常规 PID

7、 控 制效果不是十分理想，为此，我们设计了以 APC-PFC 先进控制软件为监督层，常规 PID 控 制为控制层的透明控制结构的先进控制系统。该控制结构既结合了 PID 控制的可靠性、稳 定性，又糅合了 PFC 的良好的设定值跟踪性能及动态响应效果。 APC-PFC 在这里起到监督层的控制作用，实际应用中，在 PID 控制器中加入前馈量， 形成一个 PFC-PID 控制器，前馈量的加入，在扰动发生时，PID 控制器及时克服扰动，消 除余差。以此达到及时克服扰动变量对水槽温度的扰动作用，使整个系统达到平稳控制。 其 控制系统的方块图如图 3 所示。 5 5 5 5、应用效果、应用效果 APC-P

8、FC 软件应用到公用恒温水槽温度以来，公用恒温水槽温度的平稳性有了很大的 提高， 生产操作平稳性有了显著的提高， 大大减轻了操作人员的操作强度。 图 4 是 APC-PFC 先进控制软件投运前后 60 天的控制效果比较图。表 1 是先进控制系统投运前后数据分析。 从图 4 和表 1 可以看出， 公用恒温水槽温度在先进控制投运前波动较大， 控制效果并不理想； APC-PFC 先进控制软件投运后，能够有效的克服扰动，控制系统的控制质量明显提高，方 差和极差均显著减小， 大大改善了氨纶聚合过程的操作平稳性， 为聚合质量的提高创造了有 利条件。 图 3APC-PFC 先进控制系统的方块图 温度设定值 PID控制过程 检测 输出 前馈2 前馈1 APC-PFC 前馈n 表 1先进控制系统投运前后数据分析 参数标准差标准差减小率 恒温水温 度 投运前0.792 36.79% 投运后0.5006 先 控 投 运 前先 控 投 运 前 时 间时 间 t t t t/ / / /d d d d 先 控 投 运 后先 控 投 运 后 温温度度归归一一化化数数据据（） 0 0 0 03 03 03 03 06 06 06 06 0 5 05 05 05 0 1 0 01 0 01 0 01 0 0 图 4 公用恒温水槽温度先进控制投运前后效果比较图