Smith预估-模糊控制在硝酸氧化炉自设定氨空比控制中的应用①

左为恒 程 源

(重庆大学电气工程学院)

Smith预估-模糊控制在硝酸氧化炉自设定氨空比控制中的应用①

左为恒 程 源

(重庆大学电气工程学院)

硝酸生产氧化炉温度控制系统具有大惯性、非线性及时变等特点，采用常规控制方法对温度进行控制难以获得满意的效果。因此，提出一种新的基于模糊控制的氨空比自动设定方案，通过模糊控制器输出氨空比修正值，实现了氨空比的自动设定；同时，将Smith预估控制应用于主回路进行温度补偿，减小了时滞的不利影响。仿真结果显示：该方案自动设定的氨空比能够很好地调节氧化炉温度，较常规控制方法超调量小、调节时间短。

Smith预估-模糊控制 硝酸氧化炉 温度控制 氨空比自设定

随着化工行业的发展，硝酸的需求量逐年增大[1]。硝酸生产过程中最重要的环节就是控制氧化炉的温度。但硝酸氧化炉的温度控制受到氨空比、负荷及时滞等因素的影响[2]，常规控制方法在控制精度、灵敏度和系统的鲁棒性上存在很大的缺陷，造成生产效率不高且存在安全隐患的后果。因此，笔者提出将模糊控制应用于氨空比的自动设定，且主回路通过Smith预估器进行温度补偿。模糊控制把人类专家对特定被控对象或过程的控制策略总结为控制规则，通过模糊推理得到控制作用集，作用于被控对象或过程[3]。Smith预估控制采用预先估计得到动态模型，设计一个预估器进行补偿，以减小时滞带来的不利影响[4]，使得温度控制性能的动态指标有很大提高。

1 氧化炉控制系统分析和优化

1.1 控制系统分析

硝酸生产的主要原料是空气和氨气，由合成氨系统合成得到的液态氨经过过滤和预热处理后，与过滤后的空气同时输入混合器中按一定比例均匀混合，完全混合的气体进入氧化炉，在铂(Pt)网催化剂的作用下发生氨的催化氧化反应，生成NO气体，反应温度约860℃。反应后的气体经过其他处理生成硝酸。氧化工序是一个多参数相互制约、工艺指标控制精度要求极高的复杂过程，对控制系统有很高的要求[5]。作为最重要的反应环节，氧化炉中氨气的氧化效率决定着硝酸的生产率。氨气的反应效率与氧化炉的温度有关[6]，生产表明，影响氧化炉温度的因素很多，但主要取决于氨气和空气的流量比，因此控制氨空比成为生产中的最大问题。

工业中，需要将氨浓度控制在9.5%～11.5%的范围，通过换算即可得到氨空比为10.5%～12.5%[6]。硝酸生产中，常规控制方法是双闭环比值控制和变比值控制。双闭环比值控制采用的是定比值，当温度发生变化时通过同时调整氨气和空气的输入量来调节温度，其缺点是对于大扰动调节时间过长且调节效果不好；常规变比值控制采用氨空比作为主参数，空气输入不变，仅改变氨气流量调节温度，当温度达到工艺要求时，实际氨气的输入量和空气流量比值往往处于安全生产范围以外，氨空比和温度不能很好地配合。此外，氧化炉中的反应具有大惯性且纯时滞的特点，导致反馈后的调节滞后于温度的变化[7]，致使控制精度达不到要求，给生产带来隐患。

1.2 控制方案优化

针对氧化炉温度调节过程中出现的问题，结合双闭环比值控制和变比值控制的优点，提出新的控制方法。使用模糊控制器，对氨空比稳态设定值进行小范围修正，保证氨空比的动态设定值在安全范围以内。为减小反应中纯时滞带来的不利影响，在主控制回路中加入Smith预估补偿。优化后的控制方法既能输出符合工艺需求的氨空比，又克服了时滞的不利影响，温度响应及时，使整个生产过程能更稳定高效地进行。

氧化炉氨空比自动设定控制原理如图1所示。系统正常工作时，氧化炉的实时温度与设定温度值比较，温度控制器输出需要的氨气流量，通过氨气阀门来调节进入氧化炉的氨气流量。为保证空气按照设定的比值输入，将氨气和空气的流量比值作为空气回路的反馈，与氨空比基本设定值比较，比值控制器调节变频风机改变空气的输入量。

图1 氧化炉氨空比自动设定控制原理框图

当系统受到扰动，氧化炉温度发生偏差时，如果偏差很小，通过调节负荷即可使温度稳定，模糊控制器输出的氨空比修正值Δk为零；若偏差很大，则需要通过改变氨空比来加快温度的响应，使炉温迅速稳定。氨空比的改变是通过模糊控制器输出修正值完成的，将氧化炉实时温度与设定值的偏差作为模糊控制器的输入，模糊控制器根据控制规则计算出氨空比的修正值Δk，将氨空比修正值Δk和氨空比基本设定值K1叠加成氨空比动态设定值K(数学关系为K=K1+Δk)，氨气流量和空气流量的实时比值与氨空比动态设定值K进行比较，通过比值控制器，使空气在新的氨空比下保持稳定。所以，在不同的温度偏差下，模糊控制器都能根据规则计算出最合适的氨空比修正值，使炉温在新的氨空比下保持稳定。

2 模糊控制器设计

模糊控制系统主要由氧化炉温度检测系统、空气输入风机频率调节系统和模糊控制器组成。当温度变化很小时可以通过调节氨气和空气流量实现温度的稳定；当温度偏差大时利用模糊控制器对氨空比进行修正，同时改变空气和氨气流量，使温度趋向稳定。模糊控制器利用计算机模拟人的思维和决策方式，根据控制规则输出氨空比修正值，从而实现对氧化炉生产过程的控制和操作。

模糊控制器由规则库、模糊化、推理机和反模糊化4个功能模块组成。模糊控制单元先将输入信息模糊化，然后经过模糊推理规则，给出模糊输出，然后经过反模糊化输出操作变量。该模糊控制器的主要任务是在氨空比允许的工艺范围内实现氨空比的自动设定，从而保证氧化炉温度保持在860℃左右。

2.1 模糊子集和隶属度函数的选取

模糊控制器设计为双输入单输出结构。将硝酸生产氧化炉温度偏差e和温度偏差的变化ec作为模糊控制器的输入变量，氨空比修正值Δk为输出变量，基本论域分别为[-e,e]、[-ec,ec]、[-Δk,Δk]。在e、ec、Δk的论域上定义的语言变量分别为E、EC、ΔK。每个语言变量都划分为7个语言描述值，分别为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。E、EC、ΔK的模糊子集论域都为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。为实现实际连续域到有限整数离散域的转换，需通过量化因子进行论域变换。偏差量化因子Ke=3/e、偏差变化量化因子Kec=3/ec、控制量量化因子KΔk=3/Δk[7]。硝酸生产氧化炉温度偏差e的基本论域为[-75,75]℃，偏差变化ec的基本论域[-12，12]℃/s,氨空比基本设定值K1为11.5%，氨空比修正值Δk的基本论域为[-1%,1%]，最终选择比例因子Ke=1/25、Kec=1/4、KΔk=0.01/3。

由于氨空比的微小改变都会引起温度的快速变化，对控制灵敏度要求较高，这里输入变量的隶属度函数选择三角形函数[8]。

2.2 模糊规则

模糊规则的设计直接关系到模糊控制器的控制效果，其设计思想是利用氧化炉温度偏差和偏差变化输出氨空比修正值，以改变氨空比来尽快消除温度偏差。

根据实际生产经验，当e为NB且ec也为NB时，即偏差为负大且有增大趋势，实测温度高于设定值且有继续增大的趋势。为尽快消除已有的负大偏差并抑制偏差变大，控制器输出的给定比值应取负大，即Δk为NB。

当e为ZO时，即偏差为零时，氨空比修正值Δk为零，调节给定的负荷即可稳定温度。

当e为PB且ec也为PB时，即偏差为正大且有增大趋势，实测温度低于设定值且有继续降低趋势。为尽快消除已有正大偏差并抑制偏差变大，控制器输出的给定比值应取正大，即Δk为PB。

分析各种情况得出的模糊规则见表1。

表1 模糊控制规则

模糊规则是根据实践经验得出的模糊条件语句集合，模糊控制器的核心是“if…then…”模糊控制规则：ifeis A andecis B,then Δkis C(A、B、C分别为e、ec和Δk的模糊子集)。

2.3 模糊推理

模糊推理以模糊集合论为基础描述工具，对以一般集合论为基础描述工具的数理逻辑进行扩展，从而建立模糊推理理论。笔者采用Mamdani推理方法，Mamdani将经典的极大-极小合成运算法作为模糊关系与模糊集合的合成运算法则。

2.4 反模糊化

3 Smith预估控制器的设计

图2 氧化炉温度控制系统框图

4 系统仿真

图3 控制系统Simulink仿真

给定阶跃信号，空气回路的控制参数kp=1.7，ki=0.42；氨气回路的控制参数kp=0.675，ki=0.00675；主控制参数kp=0.001，ki=0.0015，kd=0.001。为了比较控制效果，将之与常规双闭环比值控制和变比值控制对比，仿真结果如图4所示。可以看出，常规双闭环比值控制调节时间长，超调量大，不利于温度的稳定控制；变比值控制性能适中；Smith预估-模糊控制方法具有超调小、调节时间短的优点，有利于安全生产。具体性能指标见表2。

图4 3种控制方式的系统响应曲线

控制方式上升时间s超调量%调节时间s稳态误差℃双闭环比值控制23120．006252．5变比值控制22015．244461．2Smith预估-模糊控制1997．213750．0

5 结束语

针对常规比值控制存在的问题，提出以模糊控制器动态修正氨空比，使得控制系统能够自动设定氨空比，并在主回路加入Smith预估补偿来消除纯时滞和惯性的影响。Matlab Simulink仿真结果表明，新的控制方法具有超调小、响应速度快及稳态精度高等优势，并且氨空比一直处于安全范围之内，可在实际生产中推广使用。

[1] 靳小桂.我国硝酸/硝酸铵行业现状及发展趋势[J].化肥工业,2011,38(4):1～3.

[2] 张颖超.过程控制系统分析、设计及应用[M].西安:西北工业大学出版社,1996:133～134.

[3] 王耀南.智能控制理论及应用[M].北京:机械工业出版社,2008:31.

[4] 王正林,郭阳宽.过程控制与Simulink应用[M].北京:电子工业出版社,2006:175.

[5] 杨会敏.硝酸氧化工艺氨/空控制[J].化工自动化及仪表,1998,25(2):20～23.

[6] 何伟,鲁明,李国强,等.SNCR脱硝系统的广义预测控制[J].石油化工自动化,2016,52(1):38～41.

[7] 张燕红.模糊PID-Smith串级控制在加热炉温度控制系统中的应用[J].化工自动化及仪表,2012,39(8):979～981.

[8] 李士勇.模糊控制[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2011:77.

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ApplicationofSmith-FuzzyPredictiveControlinAuto-settingAmmonia-AirRatioinNitricAcidOxidationFurnace

ZUO Wei-heng, CHENG Yuan

(SchoolofElectricalEngineering,ChongqingUniversity)

Considering the large inertia, nonlinearity and time variation of the oxidation furnace’s temperature control system in the nitric acid production, and the conventional control methods’ difficulty in obtaining satisfactory control effect there, a fuzzy control-based auto-setting scheme for the ammonia-air ratio was proposed, which adopts fuzzy controller to output the ammonia-air ratio modified so as to realize the auto-setting of ammonia-air ratio; in addition, it has Smith predictive control applied to the main circuit for temperature compensation to reduce the delay of the adverse effects. The simulation results show that, the auto-setting ammonia-air ratio in this scheme can adjust the oxidation furnace temperature better than the conventional control method in controlling both overshoot and time.

Smith-fuzzy predictive control, nitric acid oxidation furnace, temperature control, auto-setting ammonia-air ratio

左为恒(1961-)，副教授，从事控制理论与控制工程的研究。

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1000-3932(2017)03-0228-05

联系人程源(1990-)，硕士研究生，从事控制工程的研究，chengyuan007@foxmail.com。

2016-03-01,

2017-02-15)