李永彪1，孙正贵2，赵清杰3
(1北京华盛德佳科技公司，北京100084；2胜利石油管理局科技处，
山东257000；3清华大学计算机系，北京100084)
1引言
化学反应间歇过程的特性相当复杂，具有严重的非线性和时变特性。尤其是在不同的反应期内，过程的特性迥然不同，这就要求控制策略适应反应期并随之变化，因此常规的控制方法遇到了挑战。目前在不少间歇工业生产过程中，仍采用手动或半自动操作，整体自动化水平较低。本文将模糊控制与常规控制方法如位式控制、pid控制等结合起来，充分利用人工控制长期积累的经验知识，提出一种智能复合控制方案。这对提高产品的质量和产量，对降低工人的劳动强度具有实际意义。
2工艺特点
以某化工厂的一万吨／年聚丙烯装置为例，装置的主体是a、b、c、d 4个聚合釜，采用间歇式液相本体法聚合工艺，以液相丙烯为原料，采用络合ⅱ型三氯化钛为催化剂，以一氯二乙基铝为活化剂，以氢气为聚合物分子量调节剂。具体工艺过程描述如下(见图2—1)：液相丙烯经计量进入聚合釜，并将活化剂、催化剂和分子量调节剂按一定比例和顺序加入聚合釜。各物料加完后，开始向聚合釜夹套通热水给釜内物料升温升压，这时釜内温度及压力上升。当温度升至60℃、压力在2.4 mpa左右时釜内开始反应，放出热量。由于反应放出的热量会加剧反应的进行，所以应及时停止加热，打开循环冷却水使釜内温度或压力按一定速度上升，当釜内温度升至75±2℃、釜压升到3.5±0.1 mpa时进行恒温恒压反应过程。随着反应时间的延长，液相丙烯逐渐减少，聚丙烯颗粒的浓度增加。最后，釜内液相丙烯基本消失，釜内主要是聚丙烯固体颗粒和未反应的气相丙烯，即达到所谓“干锅”状态，釜压下降，此时认为反应结束。其中，升温升压阶段约40 min，恒温恒压阶段为4～6 h。可以看出，过程具有明显分阶段的特点。
从控制的角度看，该聚合反应过程可分为3个阶段。
(1)升温升压阶段。投料完毕后，向聚合釜的夹套中通入热水进行升温升压。该阶段需在较短的时间内把釜内温度或压力升至开始反应的状态，并且必须保持连续升温升压。该阶段控制得当，有利于缩短单釜操作周期，提高现有装置的生产能力。
(2)过渡阶段。丙烯聚合反应最关键的阶段是升温升压过程中的60℃～75℃，对应釜压为24～3.5 mpa之间。60℃、2.4 mpa左右开始放热反应，如果不及时移去反应热，将使反应剧烈超出正常范围，造成反应阶段不易控制，易引起“爆聚”或产生安全阀跳；如果加入过量的冷水又将使反应激落，甚至造成“僵釜”现象。因此，这一阶段是控制的难点，直接影响能否获得高质量的产品。该阶段控制时，不仅要求釜内温度或压力连续上升，同时又要求不能产生超调。
(3)恒温恒压阶段。这是正常反应阶段，该阶段反应时间长，对控制精度要求较高。因此，这一阶段是整个聚合反应过程控制的重点。
3控制方案
根据经验，选取釜内压力为被控变量，因为丙烯聚合釜在反应阶段釜内丙烯总是处于饱和状态，釜压十分接近丙烯的饱和蒸气压，压力的高低与温度基本上一一对应［１］，并且压力的测量也较温度的测量超前。选取水流量作为操纵变量，通过调节水流量来控制釜压。
设计如下智能复合控制方案：在加热阶段，偏差大，压力变化大，希望控制系统能快速调整，而对控制精度要求相对较低，采用时间最优控制方案，即位式控制，这样做有利于缩短单釜操作周期，提高设备的生产能力；在过渡阶段，偏差不太大，希望控制系统能无超调地兼顾快速性和精度，参考操作工的手操经验，采用模糊控制方案；在正常反应期，状况相对平稳，希望有较高的控制精度，因此仍采用pid控制方案。智能复合控制框图如图3—1所示。
3.1位式控制
聚合釜在加热前压力为0.5 mpa左右，根据手操经验，当釜压达到2.8 mpa时，一定要关闭热水阀，然后再观察釜内压力的上升趋势，决定是否开启冷水调节阀或开度为多大。所以，在釜压为0.5～2.8 mpa这段范围内，采用位式控制，以降低单釜的操作周期。
3.2模糊控制
仿照人工控制的经验，设计出二维模糊控制器［２］，输入变量为釜内压力和釜压的变化，输出变量为冷水阀的开度。模糊控制的任务为：在过渡过程的2.8～3.5 mpa阶段，用双输入单输出的模糊控制，代替人的手动操作，实现快速平稳过渡。
(1)选择描述输入输出变量的词集
通过分析历史数据，取输入变量釜压p的
基本论域：［28，35］mpa
量化论域：x＝｛－3，－2，－1，－0｝
词集：｛nb，nm，ns，no｝
4个词汇分别表示釜内压力太低，偏低、稍低和正常。取压力变化pc的
基本论域：［0，02］mpa/min
量化论域：y＝｛0，1，2，3｝
词集：｛po，ps，pm，pb｝
4个词汇分别表示压力上升速度为零，正小，正中，正大。
取冷水阀开度(控制量)u的
基本论域：［0，100］
量化论域：z＝｛0，1，2，3｝
词集：｛po，ps，pm，pb｝
各词汇对应的阀门状态分别为全关，小开，大开，全开。
(2)定义各模糊变量的模糊子集
根据手动策略，隶属函数采用等腰三角形的形式。由隶属函数曲线可以得出各模糊变量在量化论域上的赋值表。
(3)建立模糊控制规则
通过总结间歇聚丙烯生产过程熟练操作工控制和操作的经验，描述出冷却阀状态和反应釜压力及其变化的关系，从而归纳出被控制过程的控制规则如表3—1所示。
(4)计算模糊关系矩阵r及控制表
模糊算法最常用的一种推理语言规则是
if p and pc then u
这种控制规则是一个模糊条件推理语句，它对应的模糊关系为
r＝p×pc×u
从表3—1我们可以得出16条控制语句，对每条控制语句都可以得到一个模糊关系，那么，由16条语句可得到16个模糊关系，从而总的模糊关系为
对于给定的输入p和输入变化率pc，把它们模糊化后由模糊推理合成规则求出推理结果u。用最大隶属度法进行决策(去模糊化)，可得到量化论域上的控制量。
对于所有可能的输入，都进行类似的离线计算，便可得到一张输入输出的对照表。通过离线计算，得出过渡阶段的模糊控制表3—2。
将表中的数据存放到过程控制计算机的内存，实际控制时，只要直接查这张控制表即可，在线的运算量是很少的。这种离线计算，在线查表的模糊控制方法比较容易满足实时控制的要求。
3.3pid控制
利用pid控制稳态精度高的特点，在正常反应阶段，采用pid控制方式。
3.4规则集
根据釜内压力的高低，组成简单的规则集来实现智能复合控制。主要规则有：
4实验结果
一组实验结果见图4—1。主要生产因素有：投料量8.4 m3，催化剂用量270 g，活化济用量1.5 l，氢气0.2 mpa，热水槽水深70%，热水温度90℃，循环水温度25℃。
从实验结果可以看出，用智能复合控制的方法，从开始加热到釜内压力上升到3.5±0.1mpa，所用时间为30 min左右，最大超调量为0.03 mpa。
图4—1中虚线表示的是从人工控制的结果中挑出的一种比较好的情况。
通过分析手动控制的记录，可以发现，从开始加热到釜压平稳上升到3.5±0.1 mpa，多数情况下需要40～60 min，在快速性上显然不如智能复合控制方案。
手动控制经常出现的另一种情况是，在2.8～3.3 mpa这段范围内，人工控制往往不及时，易引起超调，影响后续反应的平稳性，对产品的质量影响也比较大。
5结论
本文中的智能控制方案充分利用了人工控制的实践经验，可以避免盲目试探性的操作。在如何利用经验数据并和常规的控制理论相结合方面，笔者作了有益的尝试。虽然本文的研究工作是针对间歇式聚丙烯装置，但对其它类似过程也有一定的参考价值。
［参考文献］
［1］李玉贵，等．液相本体法聚丙烯生产及应用［ｍ］．中国石化出版社，1990．
［2］孙增圻，等．智能控制理论与技术［ｍ］．清华大学出版社，1997．
［3］van der rhee,f.et al..knowledge based fuzzy control of systems［j］.[wtbx]ieee trans.on automatic control,[wtbz]1990,35(2),148－155．
［4］wang lixin,fuzzy systems are universal approximators［j］．ieee fuzzy'92，1992，1163－1170.
