丙烯腈和己内酰胺加成放热反应的模糊控制方法

贾洪源

【摘要】 模拟人工操作控制方法，将偏差和偏差变化率的精确测量值模糊化，总结人工操作经验，建立模糊推理规则，产生相应指令，通过控制原料的注入流量来控制放热反应. 方法简明易行，在偏差和偏差变化率进行控制的不同工作中，这种模拟人工操作的模糊控制系统在原理和处理方法上是相通的和可借鉴的。

【关键词】丙烯腈 己内酰胺 加成放热 控制

我单位中试车间采用丙烯腈和己内酰胺进行加成反应制取N-（ 2-氰基乙基）己内酰胺，丙烯腈易挥发、易燃、毒性大，出于人身健康和生产安全的考虑，对生产实行自动化控制是十分必要的。

该反应是放热反应，反应过程的控制实际就是温度的控制。首先将己内酰胺、溶剂和催化剂投入反应釜中，然后加热到一定温度，开动搅拌，滴加丙烯腈。丙烯腈和己内酰胺进行亲核加成放热反应，丙烯腈是逐渐加入的，与己内酰胺反应产生生成热，冷却水通过釜内盘管将反应生成热置换掉，把反应温度控制在规定的范围内，使放热反应顺利进行。釜内温度与丙烯腈的加入速度和冷却水的流量及其温度有关。当丙烯腈的注入流量加大时，釜温并不是立即随之升高，同样，冷却水流量加大时，釜温也不是立即随之降低。所以无论采用丙烯腈的注入流量控制还是采用冷却水流量控制，都因为温度变化滞后性较大，并且有非线性的特点，所以通过建立精确的数学模型来实现自动化控制比较困难。而熟练的操作人员可凭经验，通过观察温度变化的快慢，相应的调节阀门大小来控制温度，因此采用模拟操作人员的方法实行模糊控制则是简便适宜的。

1 控制方法分析

釜内温度应控制在一定范围内：上限温度应设定在丙烯腈沸点之下，以免丙烯腈难以冷凝而蒸发掉。下限温度应在该加成反应的活化温度之上，使反应得以进行。在此温度范围内，进一步探索最佳温度，反应在最佳温度点进行时，即不会因为温度高造成丙烯腈挥发，也不会因丙烯腈加入速度低，而延长反应时间和生产周期。

当釜内温度高于最佳温度时，则通过降低丙烯腈的注入流量或加大冷却水的流量来降低温度，当釜内温度低于最佳温度时，则通过提高丙烯腈的注入流量或降低冷却水的流量来提升温度。操作人员为缩短生产周期，一般将冷却水阀门开至最大，只通过调节丙烯腈的流量来控制反应温度，这样也使控制参数减少﹑控制过程简化了。

2 模糊控制方法

2.1 模糊控制原理

模拟人工采用模糊控制方法如下图1所示：

在模糊控制原理图中：

T为最佳反应温度；

e为偏差量，e=Tn-T。

式中：

Tn——被控制量的反馈值；

T——给定值（最佳反应温度）。

ec为偏差变化率，ec= （ e-e）/△t。

式中：

△t——测量周期；

e——本次测量偏差；

e——前一次测量偏差。

U为模糊控制量，表示丙烯腈流量阀门的开度；

u为流量控制器的具体指令。

2.2 模糊化方法

把精确的连续量转为模糊控制器能够识别的模糊语言值，

设偏差变量e的论域为[-3，+3]，量化比例因子Ke=1，量化为7个等级，其偏差语言值E的离散论域为X={-3，-2，-1，0，1，2，3}。

分别对应温差：-3.0℃、-2.0℃、-1.0℃、0℃、1℃、2℃、3℃。

偏差变化率ec相对较小，论域为[-0.15，+0.15]，量化比例因子Kec=15/1，量化为7个等级，其偏差变化率语言值EC的离散论域为Y={-3，-2，-1，0，1，2，3}。

偏差语言值E在X中有7个语言取值：e1， e2， e3， e4，e5， e6， e7符号：NB， NM，NS， 0，PS，PM， PB含义：负大，负中，负小，零，正小，正中，正大

表示测定值与设定值的偏差程度。

偏差变化率语言值EC在Y中有7个语言取值：

ec1， ec2，ec3，ec4，ec5，ec6，ec7符号：NB， NM，NS， 0，PS，PM， PB，含义同上。

U为模糊控制变量，其论域设为：

Z={-3，-2，-1，0，1，2，3}。

丙烯腈流量阀门关闭时对应为-3，阀门全开时3

模糊控制变量U在Z中有7个语言取值：U1， U2， U3，U4，U5，U6， U7

符号：NB， NM，NS， 0，PS，PM，PB 含义同上。表示控制丙烯腈流量的阀门开度大小程度。如μPB=1表示全开，μNB=1表示关闭。

E的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

EC的模糊集为{NB。NM，NS，0，PS，PM，PB}；

U的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

各变量的模糊集和论域确定后，采用三角形的隶属度函数为模糊变量赋值。偏差语

实际控制效果如图4所示。

本方法模拟人工操作，原理简明，易实现.该控制对反应温度实行自动全程不间断监控，避免了人为失误，达到了保证生产安全，缩短周期，提高质量的效果。在通过偏差和偏差变化律来进行控制的不同工作中，这种模拟人工操作的模糊控制系统在原理和处理方法上是相通的和可借鉴的。

参考文献

[1] 欧奕勤，张先迪.模糊数学原理及应用[M].成都：电讯工程学院出版社，1989.8

[2] 谢季坚，刘承平.模糊数学方法及其应用[M].华中科技大学出版社，2007.7

[3] 奉小军，赵新.化工生产温度的模糊控制技术应用[J].汉江石油科技，2005.6