69-间歇聚丙烯反应温度的一般模型控制方法研究【PSE 2006】.pdf

主题八：过程先进控制、优化技术研究及应用 1间歇聚丙烯反应温度的一般模型 控制方法研究 栾志业，黄德先，金以慧，郭富 清华大学自动化系 过程控制工程研究所，北京 100084 中国石油华北石油管理局，任丘 062552） 摘 要：针对间接聚丙烯过程的强非线性，直接从模型出发，探讨控制方案。采用GMC 一般模型控制） 控制，用一个GMC 控制器控制主对象 反应器温度），副对象 夹套水出口温度）分别采用拟稳态假设与 GMC 控制。比较了模型/对象匹配与否时的控制性能。实验结果显示了上述方法的有 性。 关键词： 聚丙烯，非线性，模型 ，一般模型控制 引 言 [1] 聚丙烯 过程是一类非常重要的化工间歇生产过程。由于其具有时变、非线性、反应机 理复杂等特点，难以控制。聚丙烯的生产主要由投料、升温、恒温、出料四部分组成。其 [2] 工艺流程 为首先按工艺要求在反应釜内投入一定量的精丙烯、催化剂、活化剂和氢气，然 后用泵向反应釜夹套内送热水，当釜温达到一定温度时，改用冷水取走反应热。当釜温继 续上升到某个温度时，进行恒温控制。聚合反应的关键在釜内温度的控制，釜的升温或降 温是通过改变流过釜的夹套热水流量或冷水流量达到改变反应釜加热量或取热量来实现。 聚合反应过程具有典型的非线性特征，在反应前段需要进行加热，以确保反应釜以稳 定的方式进行升温。反应釜内温度达到一定程度后，聚合反应开始放出大量的反应热，这 时需要迅速移走反应釜的多余热量，此过程 续一段时间之后，反应进入平稳过程。 多年来，许多学者在解决这一复杂的控制问题上做了大量的探索并提出一些有 的解 决方案，比如Shinskey与Weinstein提出的双模控制(dual-mode)[3] ，采用bang-bang+PID控制， 其大致步骤 为：过程开始时，全力加热，直至反应釜温度距其设定值为t1度；然后，全 力冷却， 续TD1分钟；此后，将夹套水温设定值定在某个合适的中间温度， 续TD2分钟； 最后，用串级PID控制器控制夹套水温度；并且发现如果参数选择得当，双模控制是最优的； Arthur Jutan与 Ashok Uppal[4]提出将反应防热作为一种扰动，采用适当的方法估计出来，用 前馈控制抵消；余下的部分近似为线性系统，可以用PID控制；Barry与Sandro( 1989)[5]采用 GMC方法控制放热间歇反应釜温度，得到了很好的仿真结果，并且进一步考察了操作条件 与过程参数变动时被控过程的鲁棒性，发现GMC 的鲁棒性明显强于双模控制。H. NI, K. DEBELAK与 D. HUNKELER [6]采用模糊控制与PID混合的策略控制间歇放热聚合反应釜的 温度，在他们的方法中，模糊控制器的输出用来调整PID控制器的设定值，以之补偿反应放 热对过程温度造成的扰动；将此方案应用与乳液聚合的试验设备上，发现能明显提高控制 性能。此外还有一些研究者采用预测控制解决这一难题，如Nagy Z, Agachi S[7]采用非线性 预测控制控制间歇PVC聚合釜的温度；Xia[8]等采用基于小波神经网络的预测控制 法控制 1 本文受973 项目子课题 2002CB312200. ）资助 471 主题八：过程先进控制、优化技术研究及应用 [9] 间歇聚丙烯反应器温度；栾志业 等采用基于模型分解的预测控制 法也取得了很好的结 果。 本文拟就直接从过程的非线性模型出发进行控制。本文的主要思路是：从过程非线性 模型出发，采用求逆的办法求出反应器沿设定值变化需要的操作变量，进而计 控制作用。 通过仿真表明所采取的控制方案的有 性，以及对于过程/模型失配以及参数时变的鲁棒性。 第一节将简述过程模型，重点放在反应釜内部温度变化方程上；第二节描述了一般模型控 制的应用；第三节给出了结论。 1 过程模型 [10] 根据丙稀聚合 过程的物理与化学机理，过程模型主要由以方程组成： 1.1 反应速率Rp 由于聚丙烯的聚合度很大