丙烯腈和己內(nèi)酰胺加成放熱反應(yīng)的模糊控制方法

賈洪源

【摘要】 模擬人工操作控制方法，將偏差和偏差變化率的精確測量值模糊化，總結(jié)人工操作經(jīng)驗(yàn)，建立模糊推理規(guī)則，產(chǎn)生相應(yīng)指令，通過控制原料的注入流量來控制放熱反應(yīng). 方法簡明易行，在偏差和偏差變化率進(jìn)行控制的不同工作中，這種模擬人工操作的模糊控制系統(tǒng)在原理和處理方法上是相通的和可借鑒的。

【關(guān)鍵詞】丙烯腈 己內(nèi)酰胺 加成放熱 控制

我單位中試車間采用丙烯腈和己內(nèi)酰胺進(jìn)行加成反應(yīng)制取N-（ 2-氰基乙基）己內(nèi)酰胺，丙烯腈易揮發(fā)、易燃、毒性大，出于人身健康和生產(chǎn)安全的考慮，對(duì)生產(chǎn)實(shí)行自動(dòng)化控制是十分必要的。

該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)過程的控制實(shí)際就是溫度的控制。首先將己內(nèi)酰胺、溶劑和催化劑投入反應(yīng)釜中，然后加熱到一定溫度，開動(dòng)攪拌，滴加丙烯腈。丙烯腈和己內(nèi)酰胺進(jìn)行親核加成放熱反應(yīng)，丙烯腈是逐漸加入的，與己內(nèi)酰胺反應(yīng)產(chǎn)生生成熱，冷卻水通過釜內(nèi)盤管將反應(yīng)生成熱置換掉，把反應(yīng)溫度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，使放熱反應(yīng)順利進(jìn)行。釜內(nèi)溫度與丙烯腈的加入速度和冷卻水的流量及其溫度有關(guān)。當(dāng)丙烯腈的注入流量加大時(shí)，釜溫并不是立即隨之升高，同樣，冷卻水流量加大時(shí)，釜溫也不是立即隨之降低。所以無論采用丙烯腈的注入流量控制還是采用冷卻水流量控制，都因?yàn)闇囟茸兓瘻笮暂^大，并且有非線性的特點(diǎn)，所以通過建立精確的數(shù)學(xué)模型來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制比較困難。而熟練的操作人員可憑經(jīng)驗(yàn)，通過觀察溫度變化的快慢，相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥門大小來控制溫度，因此采用模擬操作人員的方法實(shí)行模糊控制則是簡便適宜的。

1 控制方法分析

釜內(nèi)溫度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)：上限溫度應(yīng)設(shè)定在丙烯腈沸點(diǎn)之下，以免丙烯腈難以冷凝而蒸發(fā)掉。下限溫度應(yīng)在該加成反應(yīng)的活化溫度之上，使反應(yīng)得以進(jìn)行。在此溫度范圍內(nèi)，進(jìn)一步探索最佳溫度，反應(yīng)在最佳溫度點(diǎn)進(jìn)行時(shí)，即不會(huì)因?yàn)闇囟雀咴斐杀╇鎿]發(fā)，也不會(huì)因丙烯腈加入速度低，而延長反應(yīng)時(shí)間和生產(chǎn)周期。

當(dāng)釜內(nèi)溫度高于最佳溫度時(shí)，則通過降低丙烯腈的注入流量或加大冷卻水的流量來降低溫度，當(dāng)釜內(nèi)溫度低于最佳溫度時(shí)，則通過提高丙烯腈的注入流量或降低冷卻水的流量來提升溫度。操作人員為縮短生產(chǎn)周期，一般將冷卻水閥門開至最大，只通過調(diào)節(jié)丙烯腈的流量來控制反應(yīng)溫度，這樣也使控制參數(shù)減少﹑控制過程簡化了。

2 模糊控制方法

2.1 模糊控制原理

模擬人工采用模糊控制方法如下圖1所示：

在模糊控制原理圖中：

T為最佳反應(yīng)溫度；

e為偏差量，e=Tn-T。

式中：

Tn——被控制量的反饋值；

T——給定值（最佳反應(yīng)溫度）。

ec為偏差變化率，ec= （ e-e）/△t。

式中：

△t——測量周期；

e——本次測量偏差；

e——前一次測量偏差。

U為模糊控制量，表示丙烯腈流量閥門的開度；

u為流量控制器的具體指令。

2.2 模糊化方法

把精確的連續(xù)量轉(zhuǎn)為模糊控制器能夠識(shí)別的模糊語言值，

設(shè)偏差變量e的論域?yàn)閇-3，+3]，量化比例因子Ke=1，量化為7個(gè)等級(jí)，其偏差語言值E的離散論域?yàn)閄={-3，-2，-1，0，1，2，3}。

分別對(duì)應(yīng)溫差：-3.0℃、-2.0℃、-1.0℃、0℃、1℃、2℃、3℃。

偏差變化率ec相對(duì)較小，論域?yàn)閇-0.15，+0.15]，量化比例因子Kec=15/1，量化為7個(gè)等級(jí)，其偏差變化率語言值EC的離散論域?yàn)閅={-3，-2，-1，0，1，2，3}。

偏差語言值E在X中有7個(gè)語言取值：e1， e2， e3， e4，e5， e6， e7符號(hào)：NB， NM，NS， 0，PS，PM， PB含義：負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大

表示測定值與設(shè)定值的偏差程度。

偏差變化率語言值EC在Y中有7個(gè)語言取值：

ec1， ec2，ec3，ec4，ec5，ec6，ec7符號(hào)：NB， NM，NS， 0，PS，PM， PB，含義同上。

U為模糊控制變量，其論域設(shè)為：

Z={-3，-2，-1，0，1，2，3}。

丙烯腈流量閥門關(guān)閉時(shí)對(duì)應(yīng)為-3，閥門全開時(shí)3

模糊控制變量U在Z中有7個(gè)語言取值：U1， U2， U3，U4，U5，U6， U7

符號(hào)：NB， NM，NS， 0，PS，PM，PB 含義同上。表示控制丙烯腈流量的閥門開度大小程度。如μPB=1表示全開，μN(yùn)B=1表示關(guān)閉。

E的模糊集為{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

EC的模糊集為{NB。NM，NS，0，PS，PM，PB}；

U的模糊集為{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

各變量的模糊集和論域確定后，采用三角形的隸屬度函數(shù)為模糊變量賦值。偏差語

實(shí)際控制效果如圖4所示。

本方法模擬人工操作，原理簡明，易實(shí)現(xiàn).該控制對(duì)反應(yīng)溫度實(shí)行自動(dòng)全程不間斷監(jiān)控，避免了人為失誤，達(dá)到了保證生產(chǎn)安全，縮短周期，提高質(zhì)量的效果。在通過偏差和偏差變化律來進(jìn)行控制的不同工作中，這種模擬人工操作的模糊控制系統(tǒng)在原理和處理方法上是相通的和可借鑒的。

參考文獻(xiàn)

[1] 歐奕勤，張先迪.模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用[M].成都：電訊工程學(xué)院出版社，1989.8

[2] 謝季堅(jiān)，劉承平.模糊數(shù)學(xué)方法及其應(yīng)用[M].華中科技大學(xué)出版社，2007.7

[3] 奉小軍，趙新.化工生產(chǎn)溫度的模糊控制技術(shù)應(yīng)用[J].漢江石油科技，2005.6