[发明专利]一种快速无过调冷却结晶反应釜温度控制方法

说明书

技术领域

本发明属于工业过程控制技术领域，涉及到工业结晶反应釜的温度控制系统，具体是指一种快速无过调冷却结晶反应釜温度控制方法。

背景技术

用于结晶和生物发酵等的化工反应釜普遍采用温度控制来调节生产过程，温度控制主要包括升温、降温、恒温。对于结晶过程，主要是通过降温来实现晶体产物析出，由于降温速率和平稳性直接决定晶体产物品质和尺寸大小，因而降温控制是冷却结晶工艺的核心技术。实际工程实践中由于存在反应釜容积不统一并且各种材质和冷却循环介质的换热特性差异大，缺乏一致公认的高效冷却控制方法，国内外很少有文献和专利介绍能推广使用的有关温度控制方法，如国际结晶工程控制专家Z.K.Nagy在近期文献“Efficient output feedback nonlinear model predictive control for temperature control of industrial batch reactors,”(简译：用于工业批量生产反应釜温度控制的高效输出反馈非线性模型预测控制方法，发表在控制工程领域国际重要刊物Control Engineering Practice,2007,15,839-859.)中明确指出，采用常规的单位反馈控制结构会导致过调冷却的问题，为此提出一种基于输出反馈的非线性模型预测控制方法，通过实时调节降温速率来确保不出现过调冷却的现象，但其缺点是控制性能过于保守，也即降温速率不能调节得较快，而且控制器结构过于复杂，在线计算量大，依赖于高性能计算机执行控制算法，因而限制了其应用范围。

目前结晶工程实践中，大多数是以人工操作经验为主，根据测试和历史操作结果，反复调节和优化降温控制策略，这种人工经验方法的主要缺点是：(1)需要长时间的反复整定测试，没有统一的调节方法；(2)不能定量评估降温控制策略可以达到的性能指标，一旦出现系统运行条件或参数变化，难以保证控制系统的稳定性；(3)没有参考设计标准，不便于快速推广用于不同生产体量或相近生产体系的控制系统设计。因此，如何设计快速无过调冷却的温度控制系统是目前的研究和应用难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对工业冷却结晶工艺中的快速无过调降温控制问题。为解决上述这一问题，提出对结晶反应釜溶液体系建立温度动态响应传递函数模型来设计采样控制系统的技术方法，以实现快速无过调降温控制效果。

本发明利用可变频调节功率的制冷压缩机、基于脉宽调制功率的电子加热管、可编程序控制器(PLC)、监控计算机构造温度控制系统,首先采用方波激励，即通过周期性改变制冷压缩机的功率来检测结晶反应釜的温度变化，应用系统辨识理论建立结晶反应釜的冷却响应传递函数模型；其次基于辨识得到的模型采用鲁棒内模控制理论设计闭环控制系统和控制器形式；最后，根据制冷压缩机和电子加热管的实际可执行功率和反应釜工况约束条件，整定控制器参数合适范围，以及确定稳态热平衡控制参数以消除环境散热造成的不利影响。

本发明的技术方案如下：

(1)开环降温辨识

首先利用加热装置将结晶反应釜内溶液温度升高至溶液内晶体全部溶解的温度(例如80℃)，并且保持该温度稳定一段时间(如10-30分钟)，然后关掉加热装置，采用方波测试信号启动调节制冷装置功率来对结晶反应釜进行降温，实时采集结晶反应釜内溶液温度变化的数据，直至温度降到结晶温度低限以外例如室温25℃)；

2.建立温度响应传递函数模型：根据采集到的温度变化数据建立结晶反应釜的温度响应传递函数模型；

3.设计闭环控制系统：根据已建立的温度响应传递函数模型，设计闭环控制系统结构和控制器形式；

4.整定控制器参数：对结晶反应釜应用闭环控制系统进行操作运行，通过单调地增大或减小控制器的单一可调参数进行调试，实现最快速无过调降温控制效果。

本发明利用开环降温辨识，能够建立结晶反应釜降温动态响应特性的传递函数模型，为控制系统设计提供参考依据，基于传递函数模型设计控制系统能够达到鲁棒内模控制理论的输出误差平方和最小性能指标，保证实现无过调降温控制效果，控制器形式是基于模型参数的有理表达式，易于编写成软件程序或硬件设备制作，并且具有单一可调节的整定参数，可以方便地进行单调地调节(如单调地增大或减小)，克服结晶反应釜在实际操作过程中的时变不确定性，达到最优化的控制性能，实现最快速无过调降温控制效果。