[发明专利]一种基于反步法的均相管式反应器温度控制方法及系统

说明书

本公开提出了一种基于反步法的均相管式反应器温度控制方法及系统，包括：获取当前时刻管式反应器管壁的各个位置的温度值，并将其转化为电压或电阻的物理量输出；读入数据并进行处理，基于各个位置的温度值计算反步法控制器的输出，输出作用于管式反应器管壁的一端，继而控制设备进行加热或冷却，从而使管式反应器温度稳定维持在化学反应进行的设定温度。相较于基于PID算法的传统温控器，能够使得均相管式反应器的温度调节具有精确度高，稳健性强和能耗低等优点。

技术领域

本公开属于温度控制技术领域，尤其涉及一种基于反步法的均相管式反应器温度控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在现代化工生产中，管式反应器是工业生产中常用的反应器型式之一，例如石油烃类的热裂解反应，低级烃的卤化反应和氧化反应等。这类化学反应会大量放热，但由于管式反应器自身结构设计的缘故，很难直接控制管壁的温度。为了防止管式反应器过热烧坏，所以只能在反应器两端进行温度调节。而在实际化工生产中，管式反应器的温度控制极为重要，这是保证化学反应正常高效进行而又不至于烧坏反应器的关键。

在连续操作的管式反应器中，沿着与物料流动方向垂直的截面总是会出现不均匀分布(反应)的现象，易造成局部过热；其次，因反应器壁面的阻滞而导致反应时，反应物在径向，轴向有一定程度的混合。

这种速度分布的不均匀性和径向，轴向的混合给反应器的温度控制带来了诸多困难。

就目前已知文献而言，管式反应器的温度控制并没有特别有效的控制算法，这是因为管式反应器系统具有大惯性，纯滞后，高耦合，难建模的特点。在市面上所售的温控器设备中，PID控制是应用最广泛的算法，它结构简单、易于实现。尽管PID算法及其各种变形虽然可以应用管式反应器的温度控制上，但是在面对更加精细的化工反应过程时，PID算法不仅稳定性差而且调参难度大。

控制目标主要分为两类：一是最优控制；二是达到系统稳定性。现有的技术中关于自适应控制方法的专利研究的是使得管式反应器中目标反应物浓度最大化，属于最优控制的范畴。但是现有技术并没有考虑化学反应时剧烈的放热现象。精确的温度控制对于化学反应过程来说非常重要的。另外，现有技术中关于超临界水氧化装置管式反应器的温度控制方法，因为缺乏严格的数学证明，其温度控制的精确性，可靠性都难以保障。

由此可见，对于管式反应器的温度控制缺乏有效的控制方法，很多专利直接避开了温度镇定控制环节，或者没有严格的数学证明。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种基于反步法的均相管式反应器温度控制方法，能够解决管式反应器的温度镇定控制需求。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了一种基于反步法的均相管式反应器温度控制方法，包括：

获取当前时刻管式反应器管壁的各个位置的温度值，并将其转化为电压或电阻的物理量输出；

读入数据并进行处理，基于各个位置的温度值计算反步法控制器的输出，输出作用于管式反应器管壁的一端，继而控制设备进行加热或冷却，从而使管式反应器温度稳定维持在化学反应进行的设定温度。

进一步的技术方案，所述反步法控制器具体为：

式中I₁(·)表示Bessel函数，u(·，t)表示在t时刻的温度分布值。

进一步的技术方案，管式反应器反应过程中的温度分布可由下述的反应-扩散方程所建模：

u_t(x，t)＝u_xx(x，t)+λu(x，t)，