Smith預(yù)估-模糊控制在硝酸氧化爐自設(shè)定氨空比控制中的應(yīng)用①

左為恒 程 源

(重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院)

Smith預(yù)估-模糊控制在硝酸氧化爐自設(shè)定氨空比控制中的應(yīng)用①

左為恒 程 源

(重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院)

硝酸生產(chǎn)氧化爐溫度控制系統(tǒng)具有大慣性、非線性及時(shí)變等特點(diǎn)，采用常規(guī)控制方法對(duì)溫度進(jìn)行控制難以獲得滿(mǎn)意的效果。因此，提出一種新的基于模糊控制的氨空比自動(dòng)設(shè)定方案，通過(guò)模糊控制器輸出氨空比修正值，實(shí)現(xiàn)了氨空比的自動(dòng)設(shè)定；同時(shí)，將Smith預(yù)估控制應(yīng)用于主回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，減小了時(shí)滯的不利影響。仿真結(jié)果顯示：該方案自動(dòng)設(shè)定的氨空比能夠很好地調(diào)節(jié)氧化爐溫度，較常規(guī)控制方法超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時(shí)間短。

Smith預(yù)估-模糊控制 硝酸氧化爐 溫度控制 氨空比自設(shè)定

隨著化工行業(yè)的發(fā)展，硝酸的需求量逐年增大[1]。硝酸生產(chǎn)過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)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(fù)荷及時(shí)滯等因素的影響[2]，常規(guī)控制方法在控制精度、靈敏度和系統(tǒng)的魯棒性上存在很大的缺陷，造成生產(chǎn)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(yīng)用于氨空比的自動(dòng)設(shè)定，且主回路通過(guò)Smith預(yù)估器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。模糊控制把人類(lèi)專(zhuān)家對(duì)特定被控對(duì)象或過(guò)程的控制策略總結(jié)為控制規(guī)則，通過(guò)模糊推理得到控制作用集，作用于被控對(duì)象或過(guò)程[3]。Smith預(yù)估控制采用預(yù)先估計(jì)得到動(dòng)態(tài)模型，設(shè)計(jì)一個(gè)預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，以減小時(shí)滯帶來(lái)的不利影響[4]，使得溫度控制性能的動(dòng)態(tài)指標(biāo)有很大提高。

1 氧化爐控制系統(tǒng)分析和優(yōu)化

1.1 控制系統(tǒng)分析

硝酸生產(chǎn)的主要原料是空氣和氨氣，由合成氨系統(tǒng)合成得到的液態(tài)氨經(jīng)過(guò)過(guò)濾和預(yù)熱處理后，與過(guò)濾后的空氣同時(shí)輸入混合器中按一定比例均勻混合，完全混合的氣體進(jìn)入氧化爐，在鉑(Pt)網(wǎng)催化劑的作用下發(fā)生氨的催化氧化反應(yīng)，生成NO氣體，反應(yīng)溫度約860℃。反應(yīng)后的氣體經(jīng)過(guò)其他處理生成硝酸。氧化工序是一個(gè)多參數(shù)相互制約、工藝指標(biāo)控制精度要求極高的復(fù)雜過(guò)程，對(duì)控制系統(tǒng)有很高的要求[5]。作為最重要的反應(yīng)環(huán)節(jié)，氧化爐中氨氣的氧化效率決定著硝酸的生產(chǎn)率。氨氣的反應(yīng)效率與氧化爐的溫度有關(guān)[6]，生產(chǎn)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(chǎn)中的最大問(wèn)題。

工業(yè)中，需要將氨濃度控制在9.5%～11.5%的范圍，通過(guò)換算即可得到氨空比為10.5%～12.5%[6]。硝酸生產(chǎn)中，常規(guī)控制方法是雙閉環(huán)比值控制和變比值控制。雙閉環(huán)比值控制采用的是定比值，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)通過(guò)同時(shí)調(diào)整氨氣和空氣的輸入量來(lái)調(diào)節(jié)溫度，其缺點(diǎn)是對(duì)于大擾動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且調(diào)節(jié)效果不好；常規(guī)變比值控制采用氨空比作為主參數(shù)，空氣輸入不變，僅改變氨氣流量調(diào)節(jié)溫度，當(dāng)溫度達(dá)到工藝要求時(shí)，實(shí)際氨氣的輸入量和空氣流量比值往往處于安全生產(chǎn)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(yīng)具有大慣性且純時(shí)滯的特點(diǎn)，導(dǎo)致反饋后的調(diào)節(jié)滯后于溫度的變化[7]，致使控制精度達(dá)不到要求，給生產(chǎn)帶來(lái)隱患。

1.2 控制方案優(yōu)化

針對(duì)氧化爐溫度調(diào)節(jié)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合雙閉環(huán)比值控制和變比值控制的優(yōu)點(diǎn)，提出新的控制方法。使用模糊控制器，對(duì)氨空比穩(wěn)態(tài)設(shè)定值進(jìn)行小范圍修正，保證氨空比的動(dòng)態(tài)設(shè)定值在安全范圍以?xún)?nèi)。為減小反應(yīng)中純時(shí)滯帶來(lái)的不利影響，在主控制回路中加入Smith預(yù)估補(bǔ)償。優(yōu)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(shí)滯的不利影響，溫度響應(yīng)及時(shí)，使整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程能更穩(wěn)定高效地進(jìn)行。

氧化爐氨空比自動(dòng)設(shè)定控制原理如圖1所示。系統(tǒng)正常工作時(shí)，氧化爐的實(shí)時(shí)溫度與設(shè)定溫度值比較，溫度控制器輸出需要的氨氣流量，通過(guò)氨氣閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入氧化爐的氨氣流量。為保證空氣按照設(shè)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(shè)定值比較，比值控制器調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)改變空氣的輸入量。

圖1 氧化爐氨空比自動(dòng)設(shè)定控制原理框圖

當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)，氧化爐溫度發(fā)生偏差時(shí)，如果偏差很小，通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)荷即可使溫度穩(wěn)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(guò)改變氨空比來(lái)加快溫度的響應(yīng)，使?fàn)t溫迅速穩(wěn)定。氨空比的改變是通過(guò)模糊控制器輸出修正值完成的，將氧化爐實(shí)時(shí)溫度與設(shè)定值的偏差作為模糊控制器的輸入，模糊控制器根據(jù)控制規(guī)則計(jì)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(shè)定值K1疊加成氨空比動(dòng)態(tài)設(shè)定值K(數(shù)學(xué)關(guān)系為K=K1+Δk)，氨氣流量和空氣流量的實(shí)時(shí)比值與氨空比動(dòng)態(tài)設(shè)定值K進(jìn)行比較，通過(guò)比值控制器，使空氣在新的氨空比下保持穩(wěn)定。所以，在不同的溫度偏差下，模糊控制器都能根據(jù)規(guī)則計(jì)算出最合適的氨空比修正值，使?fàn)t溫在新的氨空比下保持穩(wěn)定。

2 模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制系統(tǒng)主要由氧化爐溫度檢測(cè)系統(tǒng)、空氣輸入風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和模糊控制器組成。當(dāng)溫度變化很小時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)氨氣和空氣流量實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定；當(dāng)溫度偏差大時(shí)利用模糊控制器對(duì)氨空比進(jìn)行修正，同時(shí)改變空氣和氨氣流量，使溫度趨向穩(wěn)定。模糊控制器利用計(jì)算機(jī)模擬人的思維和決策方式，根據(jù)控制規(guī)則輸出氨空比修正值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化爐生產(chǎn)過(guò)程的控制和操作。

模糊控制器由規(guī)則庫(kù)、模糊化、推理機(jī)和反模糊化4個(gè)功能模塊組成。模糊控制單元先將輸入信息模糊化，然后經(jīng)過(guò)模糊推理規(guī)則，給出模糊輸出，然后經(jīng)過(guò)反模糊化輸出操作變量。該模糊控制器的主要任務(wù)是在氨空比允許的工藝范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)氨空比的自動(dòng)設(shè)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(shù)的選取

模糊控制器設(shè)計(jì)為雙輸入單輸出結(jié)構(gòu)。將硝酸生產(chǎn)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(yǔ)言變量分別為E、EC、ΔK。每個(gè)語(yǔ)言變量都劃分為7個(gè)語(yǔ)言描述值，分別為負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)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(shí)現(xiàn)實(shí)際連續(xù)域到有限整數(shù)離散域的轉(zhuǎn)換，需通過(guò)量化因子進(jìn)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(chǎn)氧化爐溫度偏差e的基本論域?yàn)閇-75,75]℃，偏差變化ec的基本論域[-12，12]℃/s,氨空比基本設(shè)定值K1為11.5%，氨空比修正值Δk的基本論域?yàn)閇-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(huì)引起溫度的快速變化，對(duì)控制靈敏度要求較高，這里輸入變量的隸屬度函數(shù)選擇三角形函數(shù)[8]。

2.2 模糊規(guī)則

模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到模糊控制器的控制效果，其設(shè)計(jì)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(lái)盡快消除溫度偏差。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)e為NB且ec也為NB時(shí)，即偏差為負(fù)大且有增大趨勢(shì)，實(shí)測(cè)溫度高于設(shè)定值且有繼續(xù)增大的趨勢(shì)。為盡快消除已有的負(fù)大偏差并抑制偏差變大，控制器輸出的給定比值應(yīng)取負(fù)大，即Δk為NB。

當(dāng)e為ZO時(shí)，即偏差為零時(shí)，氨空比修正值Δk為零，調(diào)節(jié)給定的負(fù)荷即可穩(wěn)定溫度。

當(dāng)e為PB且ec也為PB時(shí)，即偏差為正大且有增大趨勢(shì)，實(shí)測(cè)溫度低于設(shè)定值且有繼續(xù)降低趨勢(shì)。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(yīng)取正大，即Δk為PB。

分析各種情況得出的模糊規(guī)則見(jiàn)表1。

表1 模糊控制規(guī)則

模糊規(guī)則是根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出的模糊條件語(yǔ)句集合，模糊控制器的核心是“if…then…”模糊控制規(guī)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(chǔ)描述工具，對(duì)以一般集合論為基礎(chǔ)描述工具的數(shù)理邏輯進(jìn)行擴(kuò)展，從而建立模糊推理理論。筆者采用Mamdani推理方法，Mamdani將經(jīng)典的極大-極小合成運(yùn)算法作為模糊關(guān)系與模糊集合的合成運(yùn)算法則。

2.4 反模糊化

3 Smith預(yù)估控制器的設(shè)計(jì)

圖2 氧化爐溫度控制系統(tǒng)框圖

4 系統(tǒng)仿真

圖3 控制系統(tǒng)Simulink仿真

給定階躍信號(hào)，空氣回路的控制參數(shù)kp=1.7，ki=0.42；氨氣回路的控制參數(shù)kp=0.675，ki=0.00675；主控制參數(shù)kp=0.001，ki=0.0015，kd=0.001。為了比較控制效果，將之與常規(guī)雙閉環(huán)比值控制和變比值控制對(duì)比，仿真結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯Ｒ?guī)雙閉環(huán)比值控制調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，超調(diào)量大，不利于溫度的穩(wěn)定控制；變比值控制性能適中；Smith預(yù)估-模糊控制方法具有超調(diào)小、調(diào)節(jié)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，有利于安全生產(chǎn)。具體性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

圖4 3種控制方式的系統(tǒng)響應(yīng)曲線

控制方式上升時(shí)間s超調(diào)量%調(diào)節(jié)時(shí)間s穩(wěn)態(tài)誤差℃雙閉環(huán)比值控制23120．006252．5變比值控制22015．244461．2Smith預(yù)估-模糊控制1997．213750．0

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)常規(guī)比值控制存在的問(wèn)題，提出以模糊控制器動(dòng)態(tài)修正氨空比，使得控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)設(shè)定氨空比，并在主回路加入Smith預(yù)估補(bǔ)償來(lái)消除純時(shí)滯和慣性的影響。Matlab Simulink仿真結(jié)果表明，新的控制方法具有超調(diào)小、響應(yīng)速度快及穩(wěn)態(tài)精度高等優(yōu)勢(shì)，并且氨空比一直處于安全范圍之內(nèi)，可在實(shí)際生產(chǎn)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。

TH862+.6

A

1000-3932(2017)03-0228-05

聯(lián)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)