化學反應器自動控制

化學反應器是化工生產過程中的重要設備，化學反應器的控制屬於約束控制，常採用最優預測和適應控制。

基本介紹

• 中文名：化學反應器自動控制
• 性質：化工生產過程中的重要設備
• 隸屬：約束控制
• 措施：最優預測和適應控制

產品介紹

化學反應器是化工生產過程中的重要設備。在化學反應器中可按受控條件進行化學反應。反應器的結構有箱狀和管狀兩種，前者容納均勻混合的反應物，後者則連續流過反應物。反應器的操作方式有批量和連續兩種。化學反應可按單相和多相進行，多相反應通常在催化劑的作用下進行。批量反應在給定的時間內進行，連續反應沿反應物流體的流線進行，催化反應沿催化劑的表面進行。反應器控制的優劣對生產過程的經濟效益有直接影響。反應器的控制變數為反應物的流速，控制作用施加在反應器內或入口處的反應物流體上，同時對流速的變化率和範圍均有限制。因此，化學反應器的控制屬於約束控制，常採用最優預測和適應控制。

產品控制

建模

建立化學反應器的動態模型需要考慮反應物平衡方程,能量和動量平衡方程,反應速度的動力學表達，遷移現象，相平衡以及化學平衡等方面。在建模中需要作大量簡化，但大多數模型仍具有很強的非線性。化學反應是在時間和空間中進行的，所以採用常微分方程和偏微分方程描述。
模型參數估計

反應器模型的參數估計（見系統辨識）依據批量實驗數據進行。這種方法屬於離線估計，通常分別進行反應動力學、物理特性、遷移現象和液體流量（如測量滯留時間分布）等方面的參數估計。

20世紀70年代末以來逐漸採用實時線上辨識，並將辨識系統直接接在適應控制系統上，而離線辨識則用於研究反應器模型的多變數特性和非線性特性。最常用的離線參數估計方法基於模型殘差協變矩陣行列式的最小化。線上參數估計基於相同的非線性回歸原理，但殘差協變矩陣隨時間變化。常用記憶漸消濾波器進行參數更新，即在濾波器中寫入所有變數及其向量積，並在規定的時間間隔內用重複進行的行列式最小化來更新參數。參數在兩次更新之間的變化不很大，最小化疊代的次數也不多。這種參數估計要求對輸入取合理的期望值，這在適應控制的條件下一般是能滿足的。
控制 　

現代化學反應器計算機控制的最好算法是最優預測和適應控制算法。在每個採樣間隔對反應器的輸入輸出進行採樣，控制作用則在採樣間隔中持續進行。在控制算法中考慮了過程動力學和經濟指標的非線性，並採用多變數系統。指標函式F(X0,U)為輸入U和輸出X0的非線性函式。在經濟指標函式中還可考慮包括生產率和選擇性這樣的派生變數。在考慮等式約束g(X0,U，V)=0（V為干擾矢量）和不等式約束h(X0,U)≥0之後,指標函式取如下形式：式中λ為拉格朗日乘子，μi和hi分別為不等式約束代價因子的分量和h的分量。這種最優控制方案在原理上較簡單，在計算上卻很複雜。但採用功能強的計算機還能處理更複雜的模型。在控制過程中利用前述行列式最小化準則，根據預測數據和測量數據的殘差來更新模型參數。對於干擾也可採用隨機時間序列的自相關和互相關函式進行仿真預測以實現建模和參數更新。