一种面向温度强约束的聚合反应釜改进PID控制方法及系统

本发明涉及化工过程控制领域，具体来说，涉及一种面向温度强约束的聚合反应釜改进pid控制方法及系统。

背景技术：

1、聚合反应釜是用于制备高分子化合物的主要设备，一般是立式圆柱形高压釜，带有夹套，以便通入蒸汽或冷水来加热或冷却。聚合反应釜在实际生产过程中通常采用间歇式生产的方式，操作流程一般包括以下4个阶段：（1）反应器投料阶段：反应物经过计量后一批或分批投入聚合反应釜中，并混合；（2）加热升温阶段：间歇式生产的初期需要对原料进行加热，使得原料在充分混合的基础上吸收热量，达到反应温度使得反应开始；（3）反应与恒温/恒压阶段：保持聚合反应釜内处于合适的温度和压力，使得反应能够顺利进行；（4）冷却和回收成品阶段：反应完成后，降低聚合反应釜内温度，并排出产品。

2、在加热升温阶段中，为了提升生产效率、提高产品的产量，需要尽快地将釜内温度提高到期望温度，对温度控制的快速性有较高的要求；然而，由于聚合反应釜的大惯性特性，当加热停止后温度仍会上升一段时间，为了保障化学反应平稳安全地进行，釜内温度必须严格限制在期望温度，如果超过就必须加入终止剂结束反应，这就要求温度控制不能有超调。

3、现在大部分的聚合反应釜温度控制算法主要依靠人工经验和传统pid控制，难以兼顾快速性和无超调。

4、针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种面向温度强约束的聚合反应釜改进pid控制方法及系统，有效地解决传统的聚合反应釜升温阶段温度控制系统存在快速性和无超调难以兼顾的问题。本发明所述方法提出了一种面向温度强约束的聚合反应釜改进pid控制方法及系统，通过在微分系数中引入非线性的约束项，并合理设置温度上限和约束因子，实现了控制聚合反应釜内部温度不超过期望温度上限的目的，能够用于不同聚合反应釜的不同工作状态，满足不同生产工艺的控制要求；该方法的特点是同时满足了温度控制响应速度快和没有超调的要求，控制效果好、具有一定抗干扰能力；通过对采集到的数据进行预处理，消除了异常数据带来的干扰，提升了算法的可靠性；在进行微分运算前通过加入低通滤波器的方法，减小了高频噪声带来的影响，使得信号更加平滑；该方法易于实现、整定方便，能够很好地和现有的传统pid控制器结合起来,提升控制器的控制性能，进而保障生产安全、提升生产效率和产品质量，具有广泛的应用前景。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种面向温度强约束的聚合反应釜改进pid控制方法，该方法包括以下步骤：

3、步骤一、利用安装在聚合反应釜内部的温度传感器模块，通过plc采集聚合反应釜内当前时刻的温度值并进行预处理以便进行控制算法运算，然后利用总线通信传输到上位机进行远程监控和算法运算；

4、步骤二、计算当前时刻的温度值和预期设定值的差值，并通过积分运算和微分运算得到温度差值的积分量和微分量，其中，为积分运算的阶次（），为微分运算的阶次（），当时，进行的为传统pid运算，其余情况为分数阶pid运算；在进行微分运算前需进行低通滤波，除去高频噪声信号；

5、步骤三、通过如下面向温度强约束的聚合反应釜改进pid算法计算得到控制输出：

6、

7、上式中，、、分别为改进pid算法中的比例系数、积分系数、微分系数，为期望温度上界，为约束因子（），表示以10为底的对数。

8、步骤四、将上述控制输出经过总线通信输送到plc，并由plc经过串口通信输送到加热蒸汽阀控制模块中，调节加热蒸汽阀的开度。

9、进一步的，对采集到的温度数据的预处理包括：对原始数据中异常值的剔除、对数据类型进行必要的数模/模数转换、去除因通信故障造成的异常数据，以提高数据的质量。

10、进一步的，微分运算前的低通滤波能够采用串联一个低通滤波器的方式实现，低通滤波器的传递函数如下所示：

11、

12、上式中，为低通滤波器的截止频率，单位是rad/s。

13、进一步的，低通滤波器的截止频率能够根据实际工作情况进行修正，以满足不同工况下的滤波要求。

14、进一步的，根据实际生产过程的具体要求，设置温度上界，对于不同的工艺要求和聚合反应釜的固有特性，温度上界能够进行修正，以满足控制要求；由于约束项的存在，当聚合反应釜内部温度趋向于所设置的温度上界时，改进pid算法能够使得微分项的总增益系数趋向于无穷大值，从而增大系统的阻尼，迫使聚合反应釜内部温度低于所设置的温度上界，实现温度约束。

15、进一步的，所提出的面向温度强约束的聚合反应釜改进pid控制方法及系统的整定过程包括：首先按照传统pid的整定过程，确定、、，然后针对设定好的温度上界，确定合适的约束因子。

16、进一步的，所提出的面向温度强约束的聚合反应釜改进pid控制方法及系统的约束因子能够写为与温度上界相关的形式，以实现参数自动调整，如，令。

17、进一步的，所提出的面向温度强约束的聚合反应釜改进pid控制方法及系统的微分运算和积分运算能够使用分数阶的形式，从而提升控制算法的控制性能。

18、进一步的，所述反应釜包括套夹，所述套夹中部设置有釜体，套夹与釜体之间设置有温度传感器，釜体顶部一侧设置有进料口，釜体的底部设置有出料口；

19、所述釜体的顶部固定连接有驱动电机，所述驱动电机的输出端固定连接有搅拌轴，所述搅拌轴延伸至釜体内，所述套夹内壁与釜体之间设置有蒸汽管，所述蒸汽管的下端贯通连接有蒸气加气阀，所述蒸气加气阀贯穿至套夹外部，所述蒸汽管靠近釜体一侧固定连接有导向板，导向板倾斜朝向釜体。

20、进一步的，所述套夹内壁固定连接有内支撑环，所述内支撑环的上表面固定连接有复位弹簧，所述复位弹簧远离内支撑环的一侧固定连接有往复杆，所述往复杆远离复位弹簧的一端滑动贯穿釜体的顶部，往复杆靠近蒸汽管一侧固定连接有多个组限位板，每组所述限位板的想对侧与蒸汽管外壁接触。

21、进一步的，所述驱动电机的输出端固定连接有转动盘，所述釜体的上表面固定连接有支撑座，所述支撑座中部转动连接有传动杆，所述传动杆远离转动盘的一端铰接有铰接块，所述铰接块的下表面与往复杆的上端铰接；

22、所述转动盘的下表面固定连接有弧形凸起。

23、本发明还提供一种面向温度强约束的聚合反应釜改进pid控制系统，该系统采用上述的面向温度强约束的聚合反应釜改进pid控制方法进行操作。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、（1）本发明提供了一种面向温度强约束的聚合反应釜改进pid控制方法及系统，该方法有效地解决了传统pid中控制变量线性组合导致难以兼顾系统响应的快速性和无超调的难题，具有简单、易于实现的特点，能够提升系统响应速度并约束温度小于设定好的温度上界。

26、（2）本发明提供的一种面向温度强约束的聚合反应釜改进pid控制方法及系统，与传统pid相比，仅增加了约束项，无需更改其他部分便能实现算法的功能，能够广泛应用在各种控制领域，同时整定过程十分便捷。

27、（3）本发明提供的一种面向温度强约束的聚合反应釜改进pid控制方法及系统，在微分运算和积分运算时，能够使用分数阶的形式，能够进一步地提升控制器的性能；动态调整的约束因子也增强了控制器的自适应能力，使得其应用场景更加广泛。

28、（4）本发明提供的一种面向温度强约束的聚合反应釜：通过蒸气加气阀源源不断通过蒸汽管通入到套夹与釜体之间，蒸汽能够沿蒸汽管内壁向上移动，同时一部分蒸汽会通过导向板的外壁吹向釜体对釜体进行加热，导向板倾斜设置从而能够增加蒸汽的覆盖面积，往复杆上下运动的过程中通过限位板带动蒸汽管同步运动，从而能够使得釜体受热更加的均匀。