化工自動(dòng)化儀表的自動(dòng)控制過(guò)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(dòng)化控制在化工工業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色。它不僅提高了生產(chǎn)效率，還增強(qiáng)了產(chǎn)品質(zhì)量，并在保證操作員安全的同時(shí)降低了事故風(fēng)險(xiǎn)。本論文旨在深入研究化工自動(dòng)化儀表的自動(dòng)控制過(guò)程，以探討控制系統(tǒng)的基本原理、控制策略的選擇及研究方法的應(yīng)用，從而為化工生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化提供支持。

1 自動(dòng)控制基礎(chǔ)

1.1 控制系統(tǒng)的基本原理

成熟可靠的自動(dòng)控制系統(tǒng)是確?；どa(chǎn)安全順利進(jìn)行和保障化工產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的前提條件，控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，包括多個(gè)關(guān)鍵組成部分，如控制目標(biāo)設(shè)定、控制反饋、控制器模型和執(zhí)行器。每種化工生產(chǎn)過(guò)程都有其特定控制目標(biāo)和性能指標(biāo)，目標(biāo)可包括生產(chǎn)特定數(shù)量產(chǎn)品、維持產(chǎn)品質(zhì)量、降低能源消耗或減少?gòu)U料產(chǎn)生等，明確和設(shè)定目標(biāo)決定著自動(dòng)控制系統(tǒng)能否正常發(fā)揮作用，目標(biāo)的設(shè)定需要考慮化工生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)及市場(chǎng)需求，以便確?？刂葡到y(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)控制目標(biāo)?？刂品答仚C(jī)制是控制系統(tǒng)的核心部分，通過(guò)實(shí)時(shí)采集化工生產(chǎn)過(guò)程中的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，將生產(chǎn)參數(shù)反饋給自動(dòng)控制器，通過(guò)不斷比較反饋信號(hào)與設(shè)定目標(biāo)，控制系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)整化工生產(chǎn)操作，采用各種化工自動(dòng)化儀表來(lái)測(cè)量溫度、壓力、流量等過(guò)程變量。采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性會(huì)影響到能否實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，是維持正?；どa(chǎn)過(guò)程的基礎(chǔ)?？刂破鳛榭刂葡到y(tǒng)最為核心部分，根據(jù)采集到反饋信息和制定的控制策略來(lái)進(jìn)行決策，再發(fā)送信號(hào)給執(zhí)行器來(lái)調(diào)整化工生產(chǎn)過(guò)程。執(zhí)行器是控制系統(tǒng)的最后環(huán)節(jié)，它將控制器生成的信號(hào)轉(zhuǎn)化為實(shí)際化工生產(chǎn)操作，執(zhí)行器可能是閥門、加熱器、泵等設(shè)備，用于控制流體、溫度、壓力等生產(chǎn)參數(shù)，執(zhí)行器的性能和響應(yīng)時(shí)間直接影響著控制系統(tǒng)的性能，具體的控制原理見(jiàn)圖1。

圖1 自動(dòng)控制原理圖

1.2 傳感器技術(shù)和儀表選擇

不同化工產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程需要不同的測(cè)量精度、運(yùn)行環(huán)境和數(shù)據(jù)采集速度，選擇合適的儀表和傳感器對(duì)提升化工生產(chǎn)的安全性、可靠性和生產(chǎn)效率均發(fā)揮著重要作用?；ぎa(chǎn)品生產(chǎn)多運(yùn)行于高溫、高壓、高腐蝕等極端環(huán)境，要結(jié)合化工生產(chǎn)具體環(huán)境選擇抗高溫、抗高壓和抗腐蝕傳感器，一些生產(chǎn)過(guò)程需要高速采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，也可能需要采集速度較慢但更高精度的數(shù)據(jù)，合適采樣速率有助于滿足特定化工生產(chǎn)需求。化工傳感器和儀表成本對(duì)于項(xiàng)目的可行性和經(jīng)濟(jì)性非常重要，在選擇自動(dòng)化儀表時(shí)要考慮成本和性能之間的關(guān)系，而傳感器的維護(hù)和校準(zhǔn)對(duì)于保持其性能起到至關(guān)重要的作用，易于維護(hù)的傳感器可以減少停工時(shí)間和維護(hù)成本。

1.3 控制器設(shè)計(jì)與調(diào)整

控制器是決定化工生產(chǎn)穩(wěn)定性和性能的核心組件，化工自動(dòng)化系統(tǒng)控制性能與控制器設(shè)計(jì)和調(diào)整有著直接聯(lián)系。常見(jiàn)的控制器包括PID 控制器、模糊邏輯控制器、模型預(yù)測(cè)控制器等，不同的控制系統(tǒng)具有不同的動(dòng)態(tài)特性，如慣性、延遲和振蕩等，可結(jié)合具體的化工生產(chǎn)需求及特點(diǎn)選擇合適的控制器類型，并確定系統(tǒng)控制目標(biāo)，如誤差最小化、過(guò)程響應(yīng)時(shí)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(jí)控制器（如模型預(yù)測(cè)控制器）需要更強(qiáng)大的計(jì)算能力，選擇控制器類型時(shí)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(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，反饋控制和前饋控制是兩種常用的控制策略，在優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程、提高產(chǎn)品質(zhì)量和確保系統(tǒng)穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用。反饋控制是一種基于系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的控制策略，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸出并將實(shí)際輸出與期望輸出進(jìn)行比較，然后根據(jù)誤差來(lái)調(diào)整控制輸入以使系統(tǒng)維持在期望狀態(tài)。這意味著系統(tǒng)可以自動(dòng)糾正偏差并保持在期望狀態(tài)，反饋控制具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠應(yīng)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化和外部干擾，也能夠在不確定性條件下進(jìn)行控制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，反饋控制廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)過(guò)程中，如溫度控制、液位控制和壓力控制，在確保產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率方面發(fā)揮著重要作用。前饋控制是一種基于先驗(yàn)知識(shí)的控制策略，可提前預(yù)測(cè)系統(tǒng)干擾或擾動(dòng)，并在其影響系統(tǒng)之前采取措施來(lái)抵消影響，前饋控制使用模型或先驗(yàn)知識(shí)來(lái)預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)行為，并提前調(diào)整控制輸入以抵消干擾或擾動(dòng)，不依賴于實(shí)際輸出的反饋信息，可以快速響應(yīng)干擾且減少系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，在已知干擾或擾動(dòng)的情況下尤為有效，常應(yīng)用于需要迅速應(yīng)對(duì)干擾的應(yīng)用，例如，化工生產(chǎn)過(guò)程中的喂料控制，有助于減小系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和振蕩。

2 控制策略的選擇

2.1 化工生產(chǎn)過(guò)程特點(diǎn)分析

化工生產(chǎn)過(guò)程存在著復(fù)雜性和多樣性，每種生產(chǎn)過(guò)程都具有各自特性，為了選擇科學(xué)合理的自動(dòng)控制策略，需要深入了解和分析化工生產(chǎn)過(guò)程特點(diǎn)?；どa(chǎn)過(guò)程的主要特點(diǎn)包括非線性、時(shí)變性和不確定性等。非線性意味著過(guò)程的輸出與輸入之間的關(guān)系并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是復(fù)雜的、非線性的，與化學(xué)反應(yīng)的非線性動(dòng)力學(xué)、設(shè)備的非線性特性，或者由需要采用更復(fù)雜的控制策略來(lái)處理。時(shí)變性是化工生產(chǎn)過(guò)程的另一個(gè)重要特點(diǎn)，過(guò)程參數(shù)、條件和環(huán)境會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生變化，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為發(fā)生變化，多源自原料特性的波動(dòng)、設(shè)備的老化、季節(jié)性變化或操作策略的變化。針對(duì)控制系統(tǒng)存在的時(shí)變過(guò)程，需要采用適應(yīng)性控制策略，以使系統(tǒng)能夠在不同的操作條件下保持性能穩(wěn)定。

2.2 控制策略在化工生產(chǎn)過(guò)程中的優(yōu)化

模型預(yù)測(cè)控制（MPC）是一種高級(jí)多變量控制策略，在復(fù)雜的化工生產(chǎn)過(guò)程中表現(xiàn)出卓越的性能，MPC 通過(guò)使用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的系統(tǒng)行為，然后根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)來(lái)調(diào)整控制輸入，以實(shí)現(xiàn)所需的性能和目標(biāo)。

2.2.1 過(guò)程模型MPC 的關(guān)鍵部分之一是過(guò)程模型，它用于描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，過(guò)程模型通常采用差分方程或狀態(tài)空間形式表示，一種常見(jiàn)的過(guò)程模型（離散時(shí)間狀態(tài)空間模型）表示如下。

式中，x(k)是系統(tǒng)狀態(tài)向量，包括所有相關(guān)的狀態(tài)變量，k表示時(shí)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(tǒng)的輸出變量；A是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，描述狀態(tài)變量之間的演化關(guān)系；B是輸入矩陣，描述控制輸入如何影響系統(tǒng)狀態(tài)；C是輸出矩陣，描述狀態(tài)變量如何映射到輸出變量。

2.2.2 控制目標(biāo)

MPC 的控制目標(biāo)通常以優(yōu)化問(wèn)題的形式表示，其中包括性能目標(biāo)和約束條件，一般形式如下。

優(yōu)化問(wèn)題：

其中：U 是控制輸入序列，包括u(0)，u(1)，…u(N-1)，N是優(yōu)化的預(yù)測(cè)步數(shù)；J是性能指標(biāo)，通常是控制誤差的加權(quán)和，用于最小化成本或?qū)崿F(xiàn)其他性能目標(biāo)；L(x(k)，u(k))是每個(gè)時(shí)間步驟k的局部性能指標(biāo)，用于衡量系統(tǒng)狀態(tài)x(k)和控制輸入u(k)的質(zhì)量；umin和umax是控制輸入u(k)的下限和上限；xmin和xmax是狀態(tài)變量x(k)的下限和上限。

3 研究方法

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)化工自動(dòng)化儀表的自動(dòng)控制進(jìn)行研究，選擇合適的傳感器和儀器是確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。溫度是一個(gè)重要的化工產(chǎn)品生產(chǎn)參數(shù)，溫度傳感器選擇PT100或PT1000，精度可達(dá)到±0.1℃，靈敏度為0.00385 Ω/℃，采樣頻率為1 Hz。反應(yīng)釜和儲(chǔ)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(cè)量液體或氣體的流動(dòng)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(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐或反應(yīng)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(jiān)測(cè)化學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)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(shù)據(jù)采集設(shè)備，例如數(shù)據(jù)采集卡或數(shù)據(jù)記錄儀，以確保能夠按照所需的采樣頻率和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮環(huán)境條件、工作溫度范圍、兼容性及可維護(hù)性等因素，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為自動(dòng)控制過(guò)程的研究提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 控制系統(tǒng)模型開(kāi)發(fā)

在實(shí)驗(yàn)中優(yōu)化模型預(yù)測(cè)控制（MPC）控制器性能、比較不同配置的性能和研究系統(tǒng)對(duì)不同輸入信號(hào)的響應(yīng)時(shí)，建立準(zhǔn)確的控制系統(tǒng)模型至關(guān)重要。針對(duì)MPC 控制器的建模，可采用基于化學(xué)工程原理和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建立的物理方程，此模型通常較為準(zhǔn)確，但也可能復(fù)雜且需要詳細(xì)的過(guò)程知識(shí)。也可采用基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而非物理原理建立的模型，例如系統(tǒng)辨識(shí)方法。這種模型的優(yōu)勢(shì)在于能夠適應(yīng)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，但可能對(duì)數(shù)據(jù)要求較高。在實(shí)驗(yàn)中使用不同的輸入信號(hào)來(lái)激發(fā)系統(tǒng)，并記錄系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、平滑和去噪，以準(zhǔn)備用于建模的數(shù)據(jù)，采用線性回歸分析方法進(jìn)行模型識(shí)別。使用不同的數(shù)據(jù)集或交叉驗(yàn)證方法來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性，如果模型不滿足性能要求，可以嘗試調(diào)整模型參數(shù)，或者考慮更復(fù)雜的模型結(jié)構(gòu)。在仿真環(huán)境中測(cè)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(lái)控制系統(tǒng)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析方法

在優(yōu)化模型預(yù)測(cè)控制（MPC）控制器性能、比較不同配置性能和研究系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性之后，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的分析，有助于評(píng)估所選擇的控制策略在化工生產(chǎn)過(guò)程中的性能，并為進(jìn)一步的決策提供依據(jù)。對(duì)于每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件（不同控制器配置和輸入信號(hào)），計(jì)算一系列性能指標(biāo)，這些指標(biāo)可以幫助評(píng)估控制系統(tǒng)的性能。穩(wěn)定性分析用于計(jì)算系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，以確保系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下能夠精確控制目標(biāo)變量。振蕩分析用于分析系統(tǒng)的振蕩頻率和振蕩幅度，以確定控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。響應(yīng)速度用于評(píng)估系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)速度，包括上升時(shí)間、峰值時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間等?？刂普`差用于計(jì)算系統(tǒng)在不同時(shí)間點(diǎn)的控制誤差，以了解系統(tǒng)在不同操作階段的性能，具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)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(wěn)態(tài)誤差、振蕩頻率、響應(yīng)速度和控制誤差等方面有著較為理想的控制表現(xiàn)，可作為最佳控制策略。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究了化工自動(dòng)化儀表的自動(dòng)控制過(guò)程，探討了與此過(guò)程相關(guān)的關(guān)鍵概念和方法，并對(duì)控制系統(tǒng)的目標(biāo)、反饋機(jī)制、控制器和執(zhí)行器等核心組成部分進(jìn)行深入論述，采用模型預(yù)測(cè)控制器，并討論了其設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整方法。進(jìn)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(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)，包括非線性、時(shí)變性和不確定性。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，模型預(yù)測(cè)控制器策略可確?；どa(chǎn)過(guò)程中的各項(xiàng)性能，并為優(yōu)化化工自動(dòng)化儀表的自動(dòng)控制過(guò)程提供了有力的支持。