一种快速无过调冷却结晶反应釜温度控制方法

一种快速无过调冷却结晶反应釜温度控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于工业过程控制技术领域，设及到工业结晶反应蓋的温度控制系统，具 体是指一种快速无过调冷却结晶反应蓋温度控制方法。
【背景技术】
[0002] 用于结晶和生物发酵等的化工反应蓋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 核屯、技术。实际工程实践中由于存在反应蓋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.化gy在近期文献"Efficient outputfeedbacknonlinearmodelpredictivecontrolfortemperaturecontrolof in化strialbatchreactors,"(简译；用于工业批量生产反应蓋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化gineering 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。
[0003] 目前结晶工程实践中，大多数是W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，该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W达到的性能指标，一 旦出现系统运行条件或参数变化，难W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】

[0004] 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。为解决上述该一问题，提出对结晶反应蓋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，W实现快速无过调降温控制效果。
[0005] 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蓋的温度变化，应用系统辨识理论建立结晶反应蓋的 冷却响应传递函数模型；其次基于辨识得到的模型采用鲁椿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蓋工况约 束条件，整定控制器参数合适范围，W及确定稳态热平衡控制参数W消除环境散热造成的 不利影响。
[0006] 本发明的技术方案如下；
[0007] (1)开环降温辨识
[0008] 首先利用加热装置将结晶反应蓋内溶液温度升高至溶液内晶体全部溶解的温度 (例如80°C)，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蓋进行降温，实时采集结晶反应蓋内溶液 温度变化的数据，直至温度降到结晶温度低限W外例如室温25°C);
[0009] 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蓋的 温度响应传递函数模型；
[0010] 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；
[0011] 4.整定控制器参数；对结晶反应蓋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。
[0012] 本发明利用开环降温辨识，能够建立结晶反应蓋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椿内模控 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W方便地进行单调地调节（如单调地增大或减小），克服结晶反应蓋在实际操 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。
[0013] 本发明可W定量地调节结晶反应蓋溶液的降温速率，确保无过调达到指定的降温 目标值，方法简便易行，不依赖于结晶反应蓋的任何先验知识和操作经验或数据库，能够实 现快速无过调降温控制效果，便于实际工业应用和推广。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明的控制系统方框原理图。图1中，（；是指用于跟踪设定温度值（图 中示为r)的控制器，U。表示C,的输出控制信号；Cf是指用于消除建模误差和负载干扰的闭 环控制器，％表示Cf的输出控制信号；U是指控制调节制冷/循环器的指令信号，如图所示， 它是由U。和Uf混合而成的，即U=U r是期望的降温响应传递函数模型，它的输出是 期望的温度响应值（记为5〇,实际结晶反应蓋的温度测量值（y)与y,之间的偏差用作反馈 控制信号，发送给闭环控制器Cf;制冷/循环器连同结晶反应蓋一起被视为广义控制对象， W便设计控制器。
[0015] 图2为本发明的开环降温辨识示意图。图2中，方波信号是指实施开环降温辨识 试验时设置制冷/加热循环器的指令信号。
[0016] 图3为应用本发明的开环降温方法得出的10升结晶反应蓋温度响应辨识效果图。 其中粗实线表示10升结晶反应蓋溶液的温度响应曲线，点线表示本发明给出的辨识模型 温度响应曲线。
[0017]图4(a)和图4(b)为本发明（粗实线）和德国化labo公司CF41系列自动温控制 冷/循环器（粗点线）给出的降温控制效果曲线。其中，图4(a)示出了温度响应曲线，图 4(b)示出了制冷/循环器的制冷功率和加热功率变化曲线。
【具体实施方式】
[0018] 为了更好地理解本发明的技术方案，W下结合附图对本发明的实施方式作详细描 述。
[0019] 实施例采用10升结晶反应蓋，内装4升浓度为10%的谷氨酸水溶液，配置了一台 制冷/加热循环器，由2kw制冷功率的氣利昂冷却压缩机和2kw加热功率的电子加热管组 成。其中氣利昂冷却压缩机的制冷功率开启运行范围为40-100%，电子加热管的加热功率 开启运行范围为0-100%。
[0020] 采用本发明的具体实施步骤如下；
[0021] 步骤1;开环降温辨识
[0022] 首先开启电子加热管将结晶反应蓋内溶液温度升高至50°C，并保持该温度稳定 20分钟左右，使得溶液内谷氨酸晶体全部溶解。然后关掉电子加热管，采用方波测试信号U 启动调节氣利昂冷却压缩机功率来对结晶反应蓋进行降温，即令
[0023]
(1)
[0024] 其中hi= 50化2)是指调节冷却压缩机功率的变频器设定值，对应设置压缩机输 出功率为50%，h2= 10(KHz)表示设置压缩机输出功率为100%，Tpi= 20(s)和Tp2= 100 (s)分别表示压缩机输出功率为60%和100%的时间为20秒和100秒。由于采样周期 为L=0.2(s)，冷却压缩机功率不可能在该样短的一个采样周期内完成从50%到100%输 出功率的转换，因此实际测试采用20秒时间来完成该两个输出功率的转换，在该20秒转换 期内，冷却压缩机功率由50%逐步递增到100%，反之亦然。当检测到溶液温度降至40°C 时，结束，如图3所示。
[00巧]步骤2 ;建立温度响应传递函数模型
[0026]根据从辨识采集到的溶液温度变化数据，记为Y= [y(t0+l)，y(t0+2)，…，y(N)] T(其中t。表示起始采样时刻，N表示采样数据长度），考虑到降温过程属于积分过程，采用 如下离散时间域积分模型结构进行数据拟合，
[0027]
(2)
[002引其中Z表示采样时间算子，即有z^i(t) =u(t-l)，
[0031] 因此，待估计模型参数可W写为一个向量形式
[0034]为便于参数估计，令ye(t) = (1-Z-i)y(t) =y(t)-y(t-1)，由式（2)可得
[00巧]
脚
[0036] 根据采样数据，可W整理得到观测数据序列和矩阵，
[0040] 其中j表示预先估计的时滞参数，其初始值為可W从降温的初始时间滞后响应观 测出一个近似值。
[0041] 首先设置初始采样数据个数，记为N。，应用最小二乘法可W对参数向量0做初步 估计，即
[0042]
(10)
[0043] 然后沿着数据采样顺序，取一个滑动窗口，窗口长度记为以做迭代算法逐步收敛 估计最佳拟合参数，即
[005引上面式（1扣中P(t)初始值可取为巧= ，迭代遗忘因子可取为
[0054]
U9)
[00巧]其中Ami。可在[0. 85, 0. 95]内选取，取较大值可w提高迭代算法对噪声信号的敏 感度。但会减慢参数估计的收敛速度，反之亦然。
[005引上面式（巧）中P和q可W取为任意整数，但须满足P+q=
[005 7] 应用上述迭代算法，直至参数估计满足精度条件I马灼-如-1)1，，其中e可 根据实际测量噪声水平取为一个微小值如0. 001等，或者直至采样数据长度为止，即t=N。[005引根据上述10升结晶反应蓋的数据，取t0=30，N0= 300，巧0) = 10乂"><。"，入mi。 =0. 985,L= 150,i。= 600，N= 8000来应用该辨识算法，可W得到降温响应传递函数模 型，
[0059]
(20)
[0060] 步骤3;设计闭环控制系统
[0061] 构建如图1所示的闭环控制系统，其中设定值跟踪控制器为如下形式
[0062]
(21)
[0063] 其中F(z)是带有一个可调节参数的滤波器，其形式为
[0064]
(22)
[0065]F(z)的阶次1可W根据实际控制器输出限幅条件选取，最低阶次可取为1。Gm(z) 是对象传递函数模型Gm(z)中的最小相位部分（即零极点均在Z平面单位圆内），即由式 (2)所示的模型进行如下分解得出，
[0066]
(23)
[0067] 其中Zi(i= 1,…]!。）是Gm(z)中位于Z平面单位圆之外的零点，即IZ;I> 1。rig 是使zDeGm(z)的分子和分母阶次相同的正整数。
[006引由式（21)可W看出，该控制器具有单一可调节参数A。，对应的期望降温响应传递 函数为
[006引 Tr=Gm(z)Cs(z) (24)
[0070] 结合式（21)和（24)可w看到，单调地增大调节参数A。可W使设定点跟踪响应 变慢，从而提高在有对象不确定性情况下的跟踪响应鲁椿性，反之亦然。
[0071] 根据如式（20)所示的10升结晶反应蓋降温响应传递函数模型，由上面控制器设 计方法可W得出
[0072]
口5)
[0073]
(26)
[0074] 说明一下，该里选取3阶滤波器F(z)(即1 = 3)来设计控制器C,(z)是考虑到冷 却压缩机的最大输出功率限制。
[0075] 闭环控制器C康用如下形式
[0081] 上式（28)中，rif是类似于式（22)中的滤波器阶次1，可W根据实际控制器输出限 幅条件选取，最低阶次可取为1。Af是Cf的单一可调节参数，单调地增大Af可W加快闭 环反馈控制性能，但在有对象不确定性情况下会使比闭环鲁椿稳定性变差，反之亦然。
[0082] 考虑到冷却压缩机的最大输出功率限制，该里取rif= 4,由此确定
[00财步骤4 ;整定控制器参数
[0086] 由可知，结晶反应蓋溶液的最大降温速率不会超过0.rc/秒，因此采用如下抗噪 滤波反馈信号，
[0087]
[008引其中.i>(巧指用于反馈控制的温度测量信号，y(kig是实际测量的温度值，AT=0. 01°C是滤波最大限幅。
[0089] 由于冷却压缩机的最小启动输出功率为额定功率的40%，因此为了克服其不能执 行要求输出功率在0-40%额定功率的缺陷，该里采用热补偿的方法来近似替代该低输出功 率运行区间，即用恒定冷却压缩机的输出功率为40%并补充加热功率的方法。根据仿真和 测试，得出如下热补偿换算公式
[0090] hp= -1. 3385VC+56. 0414
[0091] 其中V。是指需要执行的制冷输出功率，hp是指在保持冷却压缩机的输出功率为 40 %额定功率的情况下，等效所需的加热功率。
[0092] 初始设置两个控制器参数值A。=Af=〇. 99,结合冷却压缩机和电子加热管的实 际输出功率限制，经在线单调地增大该两个控制参数，确定出一组取得快速无过调控制效 果的参数整定值人。=0.99936和Af= 0.9978,控制效果如图4中（a)和图4(b)所示。 图4中（a)为结晶反应蓋溶液的温度响应曲线，图4(b)中为冷却压缩机和电子加热管的实 际输出功率。图中还示出了德国JULAB0公司的自动化温度控制装置（2014年产品CF41) 的降温控制效果，W作比较。可W看到，本发明给出的控制方法能缩短大约400秒时间达到 稳态目标温度区域（40 + 0. 1)°C，由于全部降温时间大约为2400秒，因此可见本发明可W 显著提高降温控制快速性，并且保证无过调响应。
【主权项】
1. 一种快速无过调冷却结晶反应釜温度控制方法，其特征在于如下步骤： (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，保持 该温度稳定，然后关掉加热装置，采用方波测试信号U启动调节制冷装置功率来对结晶反 应釜进行降温，即其中，hi是指设定冷却压缩机功率的下限 幅值，h2表示设定冷却压缩机功率的上限幅值，Tpl和Tp2分别表示压缩机输出功率为下限和 上限幅值的时间； 实时采集结晶反应釜内溶液温度变化的数据，直至溶液温度降到结晶温度低限以外， 结束降温； (2) 建立温度响应传递函数模型 根据辨识采集到的溶液温度变化数据，记为Y = [y (tfl)，y (h+2)，…，y (N) ]τ，其中tQ 表示起始采样时刻，N表示采样数据长度；采用如下离散时间域积分模型结构进行数据拟 合，其中z表示采样时间算子，即有ZT1UU) =u(t-1)， A(z) = I + axz^x + a2z^2 H-----l· an z^"a B(z) = b'z-1 + b，z-2 H-----l· b Z^tlb 记待估计模型参数为一个向量形式：Θ g= [ Θ T，d]T，其中 记 ye(t) = (l-zly(t) =丫(1:)1(1：-1)，得到如下形式根据采样数据，整理得到观测数据序列和矩阵： Ye= [y P(tn+1), yP(tn+2), ···, yP(N)]T其中^表示预先估计的时滞参数，其初始值元从降温的初始时间滞后响应观测出一个 近似值； 首先设定初始采样数据个数，记为Ntl，应用最小二乘法对参数向量Θ做初步估计，即 θ = {Μ/ψ? YxψΥ^ 然后沿着数据采样顺序，取一个滑动窗口，窗口长度记为L，做迭代算法逐步收敛估计 最佳拟合参数,即：4⑴=4(，-丨)+A⑴[κ-λ(ο - v>/.⑴如-1)]Δ u(t_k) = u(t_k)_u(t_k_l) 上面P(t)的初始值取为Zj(O) = IOiV,,，迭代遗忘因子取为其中λ min在[0. 85, 0. 95]内选取；P和q取为任意整数，但须满足p+q = n a-l ; 应用上述迭代算法，直至参数估计满足精度条件卜l)|2<e，其中ε根据实 际测量噪声水平取为一个微小值或者直至采样数据长度为止，即t = N ; (3)设计闭环控制系统 控制系统中有两个控制器，其中一个是设定值跟踪控制器Cs，其输入端为设定值输入 指令信号r，输出端接一个两路信号混合器的正极端，该信号混合器的负极端接另一个控制 器的输出信号；另一个控制器是闭环反馈控制器C f，其输入端为另一个两路信号混合器的 输出，该信号混合器的正极端接结晶反应釜溶液的测量温度信号y，其副极端接期望温度输 出响应信号5^，该信号由期望温度响应传递函数?；产生，该传递函数的输入端接设定值输 入指令信号r ;设定值跟踪控制器为如下形式其中F(Z)是带有一个可调节参数λ。的滤波器，其形式为F(Z)的阶次1根据实际控制器输出限幅条件选取，最低阶次取为I ;GM(z)是对象传递 函数模型Gm(Z)中的最小相位部分，即由上述步骤（2)建立的传递函数模型进行如下分解 得出，其中ZiQ = 1，···]!)是Gm(Z)中位于Z平面单位圆之外的零点，即IziI > I ;ng是使 ，GM(Z)的分子和分母阶次相同的正整数； 设定值跟踪控制器具有单一可调节参数λ。，对应的期望降温响应传递函数为 Tr= Gm(Z)Cs(Z) 闭环反馈控制器Cf为如下形式 T其中，1,是Cf的单一可调节参数，nf是一个根据实际控制器输出限幅条件选取的滤波 器阶次，最低阶次取为1 ; (4)整定控制器参数 单调地增大设定值跟踪控制器Cs的调节参数λ。使设定点跟踪响应变慢，提高在有对 象不确定性情况下的跟踪响应鲁棒性，反之亦然；单调地增大闭环反馈控制器(^的调节参 数λ f加快闭环反馈控制性能，但在有对象不确定性情况下会使比闭环鲁棒稳定性变差，反 之亦然；结合实际制冷装置的输出功率限幅条件，通过在线单调地增大或减小这两个控制 参数1。和λ f，达到最快速无过调降温控制效果。
【专利摘要】一种快速无过调冷却结晶反应釜温度控制方法，该方法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、监控计算机构造温度控制系统，首先采用方波激励实验，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，根据实验数据建立结晶反应釜的冷却响应传递函数模型；其次基于响应模型设计鲁棒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。应用该发明可以定量地调节结晶反应釜溶液的降温速率，确保无过调达到指定的降温目标值，从而为结晶工艺的降温调节提供一种方便可靠的自动化控制方法。
【IPC分类】G05D23/19
【公开号】CN104881062
【申请号】CN201510292975
【发明人】刘涛, 许佳, 荣世立, 董世健, 仲崇权
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月1日