聯(lián)合制堿工藝過程控制模型的研究

1母液的分離和干燥聯(lián)合制堿是直接將聯(lián)合廠生產(chǎn)中的變換氣直接引入堿化塔的過程。在脫除變氣中的co后，重堿是由過濾堿機(jī)過濾的，然后將重堿轉(zhuǎn)化為純堿，過濾后的母液被引入氯化銨項(xiàng)目的步驟中。其主要工序分為重堿生產(chǎn)、氯化氨生產(chǎn)和煅燒等工段。整個(gè)生產(chǎn)過程需要對(duì)60個(gè)溫度點(diǎn)、20個(gè)壓力點(diǎn)、16個(gè)液位點(diǎn)、21個(gè)流量點(diǎn)及210多個(gè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)檢測(cè)和控制,是典型的多參數(shù)、多回路、非線性、大滯后、強(qiáng)耦合的連續(xù)生產(chǎn)的復(fù)雜工業(yè)對(duì)象。為此,我們采用了基于DCS的智能專家控制策略,針對(duì)不同工段的工藝特點(diǎn)和要求,采用了不同的控制模式,實(shí)現(xiàn)了“給定值優(yōu)化”的變工況控制。2重要技術(shù)的工作原則和實(shí)現(xiàn)2.1智能控制器的設(shè)計(jì)圖1為制堿塔的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,該塔由三個(gè)外冷器、一個(gè)制堿塔和六個(gè)氣動(dòng)角閥等組成,為了確保反應(yīng)進(jìn)程穩(wěn)定和重堿的結(jié)晶質(zhì)量,需要塔內(nèi)反應(yīng)液溫度、液面高度h和塔內(nèi)壓力p2保持恒定。由于反應(yīng)液溫度受到放熱反應(yīng)等多種因素的影響,并且,塔內(nèi)不同位置的溫度也不相同且存在著相互耦合。為此,我們提出了基于軟測(cè)量技術(shù)的智能控制策略。假設(shè)反應(yīng)放出的熱量為Q1,它可使質(zhì)量m1的反應(yīng)液從反應(yīng)溫度t1升到t2,即滿足(1)式:Q1=C1m1(t2-t1)(1)式中:C1為反應(yīng)液的比熱。在外冷器內(nèi),反應(yīng)熱被循環(huán)水移出,那么,循環(huán)水吸收的熱量Q2可使水從原來的溫度T升到t2,即滿足(2)式:Q2=C2m2(t2-T)(2)式中,C2為水中的比熱。根據(jù)熱平衡原理,有Q1=Q2成立。因兩種介質(zhì)反應(yīng)放出的熱量可通過化學(xué)反應(yīng)方程式計(jì)算得出,C1和m1均為已知,則通過反演計(jì)算可得出t2,根據(jù)Q1=Q2,則由(1)式可知:通過改變m2使t1保持不變,進(jìn)而達(dá)到移出全部反應(yīng)熱的目的。換言之,僅需確保合理的T值,就可以通過改變循環(huán)水流量的方法,移出全部反應(yīng)熱,T可利用計(jì)算機(jī)經(jīng)過反演計(jì)算得到合理的設(shè)定值,從而保證塔內(nèi)的反應(yīng)溫度t1恒定。智能控制器采用文獻(xiàn)提出的神經(jīng)元PID控制器,其增量表達(dá)式和權(quán)系數(shù)自學(xué)習(xí)算法為:ΔUn=w1en-1+w2(en-en-1)+w3(en-2en-1+en-2)(3)Wi(k+1)=Wi(k)?εi?E(k)?Wi(k)(4)Wi(k+1)=Wi(k)-εi?E(k)?Wi(k)(4)式中:i=1、2、3;εi為學(xué)習(xí)速度因子,這里取εi=0.03;這里取wi(k)的初值可取一般PID算法的經(jīng)驗(yàn)值。2.2采用智能專家控制方法,提高系統(tǒng)對(duì)于不同地域爐頭壓力是通過調(diào)節(jié)排風(fēng)機(jī)擋風(fēng)板開度實(shí)時(shí)控制的,是保證從重堿制得純堿的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),受到重堿物料量及其含水量、加熱用的蒸汽流量及洗滌除塵的工作狀態(tài)等多種因素的影響。因此,對(duì)爐頭壓力的控制存在以下的困難:(1)重堿及其含水量給系統(tǒng)帶來的不確定性;(2)加熱用蒸汽量變換到擋風(fēng)板開度控制存在著嚴(yán)重的時(shí)滯;(3)洗滌除塵器的狀態(tài)變換使系統(tǒng)存在不穩(wěn)定性和非線性等。為此,我們提出了一種智能專家控制方法,對(duì)這種時(shí)變、非線性和不確定性系統(tǒng)加以控制。煅燒工藝流程圖如圖2所示。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,其中主控制器根據(jù)不同時(shí)刻的實(shí)測(cè)壓力值,按加權(quán)平均方法作為基本輸出量UI,Fuzzy補(bǔ)償器時(shí)刻根據(jù)風(fēng)道內(nèi)的壓力變化及其變化率,通過Fuzzy推理合成得到修正值,對(duì)UI修正;BP預(yù)估器是根據(jù)重堿流量的變化A、加熱蒸汽量的變化B以及洗滌除塵器的工況變化C來預(yù)測(cè)混合尾氣產(chǎn)生量的變化,并把預(yù)測(cè)值作為模糊補(bǔ)償器的給定值,以改變系統(tǒng)的工作點(diǎn),從而確保爐頭壓力為-50Pa左右;專家規(guī)則庫實(shí)際上是一張控制規(guī)則表和歷史數(shù)據(jù)表。2.2.1智能設(shè)備的設(shè)計(jì)2.2.1.產(chǎn)生混合尾氣量近似根據(jù)操作人員長(zhǎng)期控制得到的實(shí)際數(shù)據(jù),通過加權(quán)平均計(jì)算出平均控制量。設(shè)K時(shí)刻的壓力為Pk,產(chǎn)生混合尾氣量近似可用函數(shù)f(Pk)表示,則從K-1時(shí)刻到K時(shí)刻的混合尾氣變化量ΔQk為:ΔQk=f(Pk)-f(pk-1)(5)在K時(shí)刻的主控制器輸出量Uk為:Uk=Uk-1+εΔQk(6)式中,Uk-1為K-1時(shí)刻的主控制器輸出量,ε為速度因子,ε∈。2.2.1.自組織fpseFuzzy補(bǔ)償器是根據(jù)操作人員經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成模糊控制規(guī)則,對(duì)主控制器的輸出量進(jìn)行補(bǔ)償。其輸入為實(shí)測(cè)壓力值與預(yù)測(cè)壓力值之差E及其變化量EC,則輸出量直接用文獻(xiàn)中的控制方法給出,其表達(dá)式為:ΔU1=[aE+(1-a)EC](7)自組織Fuzzy控制一般根據(jù)選定的幾種a值保存其相應(yīng)的控制表,根據(jù)a值選其中的一張表,再根據(jù)E和EC查出Fuzzy控制量。液位能保存的控制表是有限的,這里我們直接用(7)式求出ΔUI,省去了保存和查尋的控制表,實(shí)踐表明是可行的。2.2.1.網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)及自適應(yīng)調(diào)整規(guī)則我們利用BP網(wǎng)絡(luò)的泛化特性,構(gòu)造三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)工況的變化,對(duì)系統(tǒng)的工作點(diǎn)進(jìn)行整定。設(shè)輸入層第i個(gè)單元和隱層第j個(gè)單元的連接權(quán)為Wij(i=1,2,...,n;j=1,2,...,n1);設(shè)隱層第j個(gè)單元和輸出層第k個(gè)單元的連接權(quán)為Wok,輸出層閥值為Wik(i=1,2,...,m),神經(jīng)元的變化函數(shù)取為S型,則有:yPk=f(∑j=1n1Wjk×f(∑i=1nWij×SPi?Woj)?Wok)(8)ykΡ=f(∑j=1n1Wjk×f(∑i=1nWij×SiΡ-Woj)-Wok)(8)式中,SPiiΡ為輸入樣本集P的第i個(gè)分量。網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練,采用標(biāo)準(zhǔn)的反向傳播(BP)學(xué)習(xí)方法,其調(diào)整規(guī)則為:Wij(I+1)=Wij(I)?λI?E?Wij(I)(9)Wik(I+1)=Wik(I)?λI?E?Wik(I)(10)E=12∑P=1P(∑k=0m(tPk?yPk))2(11)Wij(Ι+1)=Wij(Ι)-λΙ?E?Wij(Ι)(9)Wik(Ι+1)=Wik(Ι)-λΙ?E?Wik(Ι)(10)E=12∑Ρ=1Ρ(∑k=0m(tkΡ-ykΡ))2(11)式中,tPkkΡ、yPkkΡ分別為P樣本集中第k個(gè)輸出單元的希望輸出和實(shí)際輸出值。由于BP算法易陷入誤差局部最小和產(chǎn)生振蕩。這里采用步長(zhǎng)自適應(yīng)調(diào)整,令步長(zhǎng):λI=λ×E(∑i,j(?E?Wij)2+∑j,k(?E?Wjk)2)ue001?ue000ue000(12)λΙ=λ×E(∑i,j(?E?Wij)2+∑j,k(?E?Wjk)2)(12)式中,λ為步長(zhǎng)因子,從而可有效的克服誤差局部最小和產(chǎn)生振蕩。這里,輸入量S為[A,B,C]三個(gè)輸入量,輸出量Q為預(yù)測(cè)產(chǎn)生的混合尾氣量,由于隱層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)沒有理論上的指導(dǎo),取其為5,則權(quán)系數(shù)修正算法和輸入表達(dá)式由上述的(8)～(12)式給出,通過計(jì)算機(jī)離線學(xué)習(xí),達(dá)到E≤0.01后,確定權(quán)值。2.2.1.控制規(guī)則表和歷史數(shù)據(jù)表專家規(guī)則庫實(shí)際上就是一組程序、一張控制規(guī)則表和歷史數(shù)據(jù)表,當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)無輸入信號(hào)或超過規(guī)定的范圍時(shí),則按預(yù)定的規(guī)則,選擇對(duì)應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)直接輸出。3基于模型的優(yōu)化控制該自動(dòng)控制系統(tǒng),巧妙地把軟測(cè)量技術(shù)、模糊控制技術(shù)、智能控制技術(shù)