基于ARM9的甲醇合成塔神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

賈默伊 趙文斌

(河北聯(lián)合大學電氣工程學院，河北 唐山 063000)

甲醇是多種有機產(chǎn)品的基本原料和重要有機溶劑，廣泛應用于有機合成、染料、醫(yī)藥、涂料及國防等領(lǐng)域。甲醇對人體有很強的毒性，故其生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。甲醇生產(chǎn)裝置中部分輸送介質(zhì)對環(huán)境的影響較大，崔正堂在某新建甲醇生產(chǎn)項目中將無泄漏磁力驅(qū)動泵應用于介質(zhì)輸送環(huán)節(jié)，解決了可能污染環(huán)境的問題[1]；為保證甲醇制烯烴裝置的長周期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，許德建等將急冷水旋流分離器應用于急冷水處理環(huán)節(jié)，并闡述了堵塞旋流分離器的檢修方法和過程[2]；何明珍分析了甲醇聯(lián)合壓縮機運轉(zhuǎn)過程中推力瓦溫度過高的原因，并給出了解決辦法[3]。

隨著化工技術(shù)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的改變，由甲醇轉(zhuǎn)化為汽油的研究成果，開辟了由煤轉(zhuǎn)化為汽車燃料的新途徑。在焦爐煤氣制甲醇的生產(chǎn)過程中，甲醇合成塔的塔內(nèi)溫度具有非線性、大時滯及不確定等特點，常規(guī)PID控制無法解決穩(wěn)定性與準確性之間的矛盾。傳統(tǒng)PID算法難以達到甲醇合成精確控溫的要求[4～9]。并且，目前常用的PLC控制器體積大、成本高且兼容性差，功能拓展還需增加較多的模塊。筆者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與常規(guī)PID控制相結(jié)合，設(shè)計基于ARM9的溫度控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對甲醇合成塔的溫度控制。

1 甲醇生產(chǎn)工藝簡介①

甲醇生產(chǎn)工藝流程中，由焦化廠送出的焦爐氣經(jīng)粗脫硫、壓縮、精脫硫、轉(zhuǎn)化、合成及精餾等主要工段處理，其中甲醇合成是甲醇生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，對于合成塔的控制效果會直接影響甲醇產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量。

低壓甲醇合成工藝采用列管式反應器，合成塔為管殼式，CuO/ZnO催化劑全部裝填在列管式固定床中，由脫碳工段來的高氫氣體與循環(huán)氣混合后進入循環(huán)機加壓，再與脫硫后的氣體混合，經(jīng)換熱器預熱至225℃進入管殼型甲醇合成塔的列管內(nèi)，在銅基催化劑的作用下，于5MPa、220～260℃環(huán)境下進行甲醇合成反應。主要反應方程式如下[10]：

反應放出的熱被列管間的沸水帶走，并產(chǎn)生副產(chǎn)蒸汽，反應后出塔氣體與進塔氣體換熱后溫度降至95℃，經(jīng)冷水器冷卻到40℃后進入甲醇分離器，分離出來的氣體大部分回到循環(huán)機入口，少部分無污染排放。

2 合成塔溫度控制流程

甲醇生產(chǎn)裝置中合成塔的列管溫度和壓力是甲醇合成系統(tǒng)的重要參數(shù)，它直接影響甲醇的質(zhì)量與產(chǎn)量。甲醇合成是放熱反應，生產(chǎn)中要將反應放出的熱量不斷移出，否則隨著反應的進行催化劑溫度也會逐漸升高，嚴重時會燒毀催化劑。因此，及時移出反應熱、合理控制塔內(nèi)溫度是提高甲醇合成率和催化劑使用壽命的前提條件。甲醇合成是體積縮小的反應，因此增加壓力可以提高甲醇的平衡產(chǎn)率。但合成壓力與選用的催化劑、溫度、空間速度及碳氫比等因素都有關(guān)，所以要將塔內(nèi)壓力控制在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

在列管式甲醇合成塔的溫度控制過程中，當塔內(nèi)壓力穩(wěn)定在5MPa設(shè)定值時，合成塔內(nèi)反應溫度為220～260℃，此時甲醇氣體出塔溫度控制在216.2℃左右。由于甲醇氣體出塔溫度與塔內(nèi)溫度有直接關(guān)系，因而檢測出塔溫度，通過調(diào)節(jié)汽包的飽和蒸汽排氣閥開度即可調(diào)節(jié)蒸汽的流出量，也就可以控制塔內(nèi)反應溫度，使塔內(nèi)溫度趨于平穩(wěn)。甲醇合成塔溫度控制流程如圖1所示，適當開大塔頂汽包蒸汽排氣閥，加快沸水循環(huán)速度，則塔內(nèi)溫度降低；適當調(diào)小塔頂汽包蒸汽排氣閥，減慢沸水循環(huán)速度，則塔內(nèi)溫度升高。

3 溫控系統(tǒng)

以ARM9作為控制器，實現(xiàn)甲醇合成塔的排氣溫度控制，使其恒定在設(shè)定值，以保證得到高純度的甲醇產(chǎn)品；系統(tǒng)是在塔內(nèi)壓力不變的前提下，設(shè)定溫度通過控制面板向ARM9輸入，溫度傳感器對合成氣體溫度進行測量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換

圖1 甲醇合成塔塔溫控制流程簡圖

后將實時數(shù)字測量值送回ARM9；ARM9將測量值與設(shè)定值進行比較，經(jīng)控制算法處理后通過驅(qū)動電路將控制信號傳給執(zhí)行機構(gòu)，通過控制飽和蒸汽流量達到控制溫度的目的，其整體系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 甲醇合成塔溫控系統(tǒng)框圖

甲醇合成塔溫控系統(tǒng)的硬件電路主要包括：ARM9以及外部電源電路、驅(qū)動電路、溫度測量電路、控制按鍵和LCD顯示，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。ARM9芯片是Samsung公司的16/32位RISC微處理器S3C2440，系統(tǒng)所需電源由外部電源電路提供；外部振蕩器為ARM9提供主時鐘；控制面板由開關(guān)和控制按鍵組成，開關(guān)用來控制LCD顯示，控制按鍵向ARM9輸入設(shè)定溫度并利用驅(qū)動電路驅(qū)動汽包出水閥。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)框圖

4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法設(shè)計

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應用于PID控制并與傳統(tǒng)PID控制器相結(jié)合而產(chǎn)生的一種改進型控制方法，是對傳統(tǒng)PID控制的一種改進和優(yōu)化。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器有兩個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：系統(tǒng)在線辨識器(NNI)和自適應PID控制器(NNC)。PID控制器NNC由動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成，包括數(shù)值積分器、一步滯后環(huán)節(jié)z-1和自適應線性神經(jīng)元，其系統(tǒng)工作原理：由NNI對被控對象進行在線辨識的基礎(chǔ)上，通過對NNC的權(quán)進行實時調(diào)整，使系統(tǒng)具有自適應性，從而達到有效控制的目的[11]。

已知傳統(tǒng)的PID控制器算式如下：

(1)

相應的離散算式為：

(2)

其中e(k)為第k次采樣的輸入偏差值，u(k)為第k次采樣時刻的輸出值，而它的增量式PID控制算法為：

Δu(k)=KPΔe(k)+KIe(k)+KD[Δe(k)-Δe(k-1)]

=u1(k)+u2(k)+u3(k)

(3)

根據(jù)式(3)，用一個單神經(jīng)元構(gòu)造PID控制器，其網(wǎng)絡(luò)輸入為：

x1(k)=e(k)

x2(k)=Δe(k)=e(k)-e(k-1)

x3(k)=Δ2e(k)=e(k)-2e(k-1)+e(k-2)

e(k)=r(k)-y(k)

(4)

其網(wǎng)絡(luò)輸出為：

u(k)=v1x1(k)+v2x2(k)+v3x3(k)

(5)

其中vi(i=1,2,3)為控制器的加權(quán)系數(shù)，相當于PID控制器中的比例、積分、微分系數(shù)KP、KI和KD，但與傳統(tǒng)的PID控制器不同的是，參數(shù)vi可以在線修正。通過不斷調(diào)整vi使之達到最優(yōu)值v*，從而實現(xiàn)改善控制系統(tǒng)控制性能的目的。

5 仿真

利用圖形化工具函數(shù)Simulink進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的仿真設(shè)計。由于Simulink中不含神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器的應用模塊，因此如果簡單地應用Simulink將無法對其進行仿真，為此筆者引入S函數(shù)來創(chuàng)建一個新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制模塊[12]，向其寫入S函數(shù)：

Function[sys,x0]=neuro[t,x,u,flag,ηI,ηP,ηD,k]

if flag==2 sys(1)=x(1)+ηI*u(1)*u(1)

sys(2)=x(2)+ηP*u(1)*u(2)

sys(3)=x(3)+ηD*u(1)*u(3)

if flag==3

sys=k*(x(1)*u(1)+x(2)*u(2)+x(3)*u(3))/(x(1)+x(2)+x(3));

else if flag==0

sys=[0,3,1,3,0,0]

x0=[0.1,0.1,0.1]

else

sys=[];

end

end

end

在控制器中，神經(jīng)元權(quán)值wi(i=1，2，3)的初始值分別設(shè)定為0.1，0.1，0.1。ηI,ηP,ηD和k分別為神經(jīng)元的比例學習速率、積分學習速率、微分學習速率和比例系數(shù)。搭建好的控制系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 Simulink仿真結(jié)構(gòu)

為了對比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID與傳統(tǒng)PID控制的效果，采集甲醇合成塔的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。在合成塔的實際生產(chǎn)過程中，影響塔溫的因素有很多，正常生產(chǎn)時注意調(diào)整以下各項指標以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行：

a. 塔頂汽包進水溫度180～190℃；

b. 塔頂汽包液位為汽包容量的60%；

c. 合成塔塔內(nèi)催化劑工作溫度220～260℃；

d. 合成塔列管內(nèi)氣壓5MPa；

e. 合成塔氣體出口溫度216.2℃；

f. 合成塔塔內(nèi)循環(huán)水壓37.1～37.3kPa。

圖5 控制器響應曲線

由圖5可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制與傳統(tǒng)PID控制相比，超調(diào)量小、調(diào)節(jié)快速且調(diào)整時間短，說明其具有更好的控制特性；另外，穩(wěn)態(tài)誤差也比傳統(tǒng)PID控制下的穩(wěn)態(tài)誤差小，說明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID比傳統(tǒng)PID控制的控制精度更高。其仿真對比結(jié)果見表1，可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制幾乎不產(chǎn)生超調(diào)，整個過渡過程更加平穩(wěn)，且其響應時間也大為縮短，控制性能明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制。

表1 兩種算法比較

6 結(jié)束語

筆者基于ARM9處理器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法，設(shè)計了甲醇合成溫度控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)表現(xiàn)出了較強的魯棒性和抗干擾能力，能夠有效克服甲醇排氣溫度的時變、非線性與大遲延特性，提高了控制品質(zhì)。