王華強(qiáng) 周筱雅

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，合肥 230009)

聚酯(PET)即對苯二甲酸乙二酯，是生產(chǎn)滌綸及包裝瓶等的重要材料。對某企業(yè)的聚酯生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行分析可知，保證相關(guān)原料加入時定量有序，反應(yīng)釜中溫度符合規(guī)范，是確保產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。原生產(chǎn)工藝中，工人勞動強(qiáng)度大、相關(guān)精度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，致使生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量合格率較低。為此，在對比了閉環(huán)PID控制和串級PID控制各自的優(yōu)缺點之后，提出模糊PID串級控制系統(tǒng)，由PLC采集聚酯生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，用工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)造通信網(wǎng)絡(luò)，用組態(tài)王平臺編程實現(xiàn)人機(jī)交互系統(tǒng)，實現(xiàn)聚酯生產(chǎn)的智能化自動控制。

1.1 反應(yīng)機(jī)理

目前，生產(chǎn)聚酯的方法主要有3種：EO法，采用高純對苯二甲酸(PTA)與環(huán)氧乙烷(EO)直接熵化，連續(xù)縮聚成聚酯，這種方法易燃易爆，目前已不再使用；DMT法，將對苯二甲酸二甲酯(DMT)和乙二醇(EG)進(jìn)行酯交換反應(yīng)，然后縮聚成PET；PTA法，采用PTA或中純對苯二甲酸(MTA)與EG直接酯化，連續(xù)縮聚成PET。由于PTA法較DMT法有更多優(yōu)點，20世紀(jì)中后期新建的聚酯生產(chǎn)裝置紛紛轉(zhuǎn)向PTA法，本項目亦采用此法進(jìn)行研究。

1.2 生產(chǎn)流程

PTA法生產(chǎn)聚酯過程包括酯化階段和縮聚階段，由于反應(yīng)程度不同，可以采用1～3個反應(yīng)器，本項目采用五釜流程，即第一酯化釜、第二酯化釜、第三酯化釜、預(yù)縮聚釜和后縮聚釜。

酯化反應(yīng)(圖1)由3個酯化釜串接而成，原料PTA和EG的混合漿料從第一酯化釜底部進(jìn)入，酯化溫度260～270℃，反應(yīng)壓力從250kPa遞減至20kPa，總酯化率達(dá)96%～97%?？s聚反應(yīng)分為預(yù)縮聚和后縮聚反應(yīng)，溫度逐漸升高，反應(yīng)壓力逐步下降?？s聚反應(yīng)中游離的EG從釜頂以氣相逸出，經(jīng)過噴淋冷凝器至丁二醇回收裝置。EG的回收包括廢EG蒸發(fā)、蒸餾塔及精餾塔等過程。

圖1 PTA法酯化反應(yīng)工藝流程

1.3 釜內(nèi)反應(yīng)

酯化過程包括酯化反應(yīng)、酯化縮聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)(低聚合度)，具體方程式如下：

在反應(yīng)初期，反應(yīng)釜溫度可以改變反應(yīng)常數(shù)和PTA在反應(yīng)物料液相中的溶解度，調(diào)節(jié)反應(yīng)。另外，多數(shù)過程會伴隨水解反應(yīng)，這也會對溫度產(chǎn)生影響?？s聚過程的化學(xué)反應(yīng)方程如下：

在終縮聚階段，反應(yīng)溫度需進(jìn)一步提高以保證反應(yīng)物料的粘度達(dá)標(biāo)，而此過程通常伴有降解反應(yīng)，使聚合物粘度降低，干擾化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

由此可見，溫度是最能表征酯化反應(yīng)過程質(zhì)量的間接質(zhì)量指標(biāo)，PET的化學(xué)反應(yīng)過程需要嚴(yán)格調(diào)控溫度。而添加物料的量、速度和反應(yīng)本身的熱效應(yīng)都會對溫度的控制造成影響。

2 傳統(tǒng)控制方案

2.1 閉環(huán)PID控制

后縮聚釜反應(yīng)器的設(shè)計要滿足物體流動近似活塞流的要求，有研究結(jié)果表明，采用臥式密圈螺帶式攪拌器的反應(yīng)器最為理想[1]。后縮聚釜是圓盤反應(yīng)釜，內(nèi)有12個小室，被電機(jī)帶動緩慢旋轉(zhuǎn)，用于攪拌和增大殘留乙二醇蒸發(fā)表面積，使產(chǎn)品達(dá)到合格的粘度。簡單PID后縮聚控制系統(tǒng)如圖2所示，其中T2T為釜溫，T2C為釜溫控制器，M為電動機(jī)。

圖2 簡單PID后縮聚控制系統(tǒng)

但是，在閉環(huán)PID控制方案中，當(dāng)進(jìn)料流量或進(jìn)料組分變化時，反應(yīng)釜溫度會很快受到影響，反饋時間長、反應(yīng)慢且難以抑制擾動，無法滿足生產(chǎn)要求。

2.2 串級PID控制

串級PID克服了回路擾動迅速的問題，具有一定的自適應(yīng)能力，操控變量精準(zhǔn)。解決了閉環(huán)PID中出現(xiàn)的問題[2]。但是傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的參數(shù)是固定的，一旦環(huán)境變化，很難繼續(xù)有效控制。

3 自適應(yīng)模糊PID串級控制器

3.1 控制回路設(shè)計

為了解決PID串級控制中參數(shù)固定而導(dǎo)致的精度不高、自適應(yīng)能力有限及穩(wěn)定性不強(qiáng)等問題，設(shè)計帶有模糊邏輯的PID控制器，將其與自適應(yīng)能力相結(jié)合，使系統(tǒng)既具有模糊控制靈活適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點，又兼具PID控制精度高的特性，同時自適應(yīng)能力又使控制器能夠適應(yīng)控制對象的變化[3]。自適應(yīng)模糊邏輯PID串級控制如圖3所示，它實現(xiàn)了自調(diào)整功能，減少了擾動對溫度的影響。

系統(tǒng)采用兩套測量變送和控制器。主控制環(huán)為釜溫控制系統(tǒng)，采用模糊自適應(yīng)PID控制器調(diào)節(jié)。其參數(shù)控制見仿真部分。副環(huán)為夾套溫度控制系統(tǒng)，采用常規(guī)數(shù)字PID調(diào)節(jié)。若采用增量式PID控制算法[4]，在開停車或大幅改變設(shè)定值時，由于短時間內(nèi)會產(chǎn)生很大的偏差而引起嚴(yán)重的超調(diào)或長時間振蕩。

圖3 模糊PID串級控制框圖

所以，本項目采用改進(jìn)的積分分離PID算法[5]，即有：

Δu(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+KlKie(k)+

Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

當(dāng)e(k)≤A(A為預(yù)定閾值)時，Kl=1，即引入積分作用；當(dāng)e(k)>A時，Kl=0，即取消積分作用。

3.2 控制規(guī)律

調(diào)節(jié)閥根據(jù)溫度控制。主控制器為反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)，采用模糊自適應(yīng)PID控制規(guī)律，當(dāng)副環(huán)中有擾動發(fā)生，由于副控制回路，調(diào)節(jié)閥能及時調(diào)節(jié)，快速消除擾動。例如：當(dāng)進(jìn)料物料組分變化導(dǎo)致夾套溫度浮動時，反應(yīng)釜溫度還未變化，釜溫控制器的輸出不變，夾套溫度控制器因受到擾動影響，測量值變化，根據(jù)偏差，夾套溫度控制器改變調(diào)節(jié)閥開度，使夾套溫度穩(wěn)定；同時，夾套溫度的變化也影響反應(yīng)釜溫度，使釜溫控制器輸出即夾套溫度控制器的設(shè)定變化，副控制器的設(shè)定值和測量值同時變化，加快控制系統(tǒng)克服擾動的調(diào)節(jié)過程，使主被控變量回到設(shè)定值。

4 仿真與應(yīng)用

4.1 主環(huán)自適應(yīng)模糊PID控制器

4.1.1輸入變量

變量隸屬度函數(shù)如圖4所示[6]。

4.1.2輸出變量

以參數(shù)ΔKp、ΔKi和ΔKd作為輸出變量，其對應(yīng)的模糊語言集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。ΔKp的基本論域為[-20，20]，ΔKi的基本論域為[-0.05，0.05]，ΔKd的基本論域為[-15，15]。參數(shù)Kp=5/20=0.25，Ki=5/0.05=100，Kd=5/15=0.33。

參數(shù)整定初值Kp=35，Ki=0.1，Kd=20。

4.1.3模糊控制規(guī)則

模糊推理要根據(jù)現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗進(jìn)行分析。通過深入研究Kp、Ki和Kd參數(shù)的不同作用，又由模糊語言集得到49條模糊規(guī)則[7]，部分規(guī)則如下：

if(e is NB)and(ec is NB)then(Kp is PB)(Ki is PS)(Kd is PD)

if(e is NB)and(ec is NM)then(Kp is PB)(Ki is PS)(Kd is PM)

if(e is NB)and(ec is NS)then(Kp is PM)(Ki is ZO)(Kd is PM)

if(e is NB)and(ec is ZO)then(Kp is PM)(Ki is ZO)(Kd is PS)

if(e is NB)and(ec is PS)then(Kp is PS)(Ki is ZO)(Kd is PS)

if(e is NB)and(ec is PM)then(Kp is PS)(Ki is ZO)(Kd is PS)

?

4.2 副環(huán)PID控制器

副環(huán)采用常規(guī)數(shù)字PID控制器，由于增量式PID在短時間內(nèi)存在偏差時會引起長時間振蕩，故采用改進(jìn)的積分分離式PID控制器，能夠有效抑制超調(diào)。副環(huán)積分分離式PID仿真結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 副環(huán)積分分離式PID仿真結(jié)構(gòu)

4.3 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)自適應(yīng)模糊PID串級控制的仿真結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 模糊自適應(yīng)PID串級控制仿真結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)趨于穩(wěn)定后對系統(tǒng)組分加入干擾，3種系統(tǒng)相應(yīng)的控制效果對比如圖7所示。

圖7 3種控制方式的仿真曲線對比

對比3條控制曲線可以發(fā)現(xiàn)，采用自適應(yīng)模糊PID串級控制器，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到一定的改進(jìn)，超調(diào)量也有較大的改善[8]。

4.4 組態(tài)王實現(xiàn)

模糊PID算法采用組態(tài)王腳本實現(xiàn)。組態(tài)王界面友好、操作簡易，在保證可靠性的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了聚酯生產(chǎn)過程的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。而且，基于組態(tài)王軟件的特性，該系統(tǒng)同時具有便于更改、擴(kuò)充及升級等優(yōu)勢。

本系統(tǒng)在某聚酯生產(chǎn)企業(yè)投入運(yùn)行后，產(chǎn)品的樹脂粘度穩(wěn)定性提高了20%，樹脂顆粒不溶物減少，樹脂流動性與色澤均有明顯提升。其組態(tài)王工藝控制界面如圖8所示。

圖8 組態(tài)王現(xiàn)場監(jiān)控界面

5 結(jié)束語

在對比了普通PID控制、串級PID控制和自適應(yīng)模糊PID控制器的實時控制曲線后，明顯觀察到自適應(yīng)模糊PID控制器提高了系統(tǒng)的控制精度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的在線自適應(yīng)能力。在對某企業(yè)聚酯生產(chǎn)工藝和溫度控制算法研究的基礎(chǔ)上，將模糊PID串級控制系統(tǒng)運(yùn)用到某企業(yè)聚酯生產(chǎn)過程的自動控制中，系統(tǒng)實際投產(chǎn)后運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品精度和質(zhì)量都有所提高，具有推廣應(yīng)用價值。

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