[发明专利]基于机理参数在线修正的反应量热系统模型预测控温方法

说明书

本发明公开了一种基于机理参数在线修正的反应量热系统模型预测控温方法。本发明基于传热分析建立反应量热系统的等效机理参数模型，用于预测输出计算。并利用反应量热仪的通用参数标定流程同步更新模型参数初值，在模型预测控温过程中结合实时参数关系对比等逻辑在线调整模型参数。本发明温度控制的平稳性显著提高，有效抑制超调，等温控制收敛速度增加。在模型参数在线修正的作用下，对反应系统大范围工况变化的适应性提高，降低了预测模型严重失配的影响，并可在实验完成后给出机理参数的参考变化趋势。结合反应量热系统在线参数标定流程，无需复杂或耗时的系统参数辨识，可以自动更新初始模型参数。

技术领域

本发明属于精细化工反应安全测试技术领域，涉及一种基于机理参数在线修正的反应量热系统模型预测控温方法。

背景技术

被控对象-反应量热仪^[1-2]是一种在实验室条件下模拟釜式半间歇反应工艺的自动化仪器。在实现工艺操作步骤的过程中，反应量热仪实时测量釜中样品的温度、投料质量等变化，并计算反应放热、预测温度变化等信息，为反应安全风险评估、工艺开发和优化提供依据，是精细化工反应安全评估和自动化化学研究领域的重要科学仪器。单步等温控制或连续变化的等温控制是反应量热仪实现其测量内容所需要的基本控制功能。

反应量热仪的原理结构如图1所示：主要包括带有循环油夹套的反应釜4，温度传感器9、10、11，循环油浴系统12，校正加热器2(由加热器功率驱动器5驱动)，搅拌器1、搅拌电机6和监控系统8。系统对反应釜中反应物样品3温度进行反馈控制的原理为：监控系统8通过信号通讯服务器7连续监测传感器9、10、11的温度，根据控制算法的输出实时调整循环油浴温控器12的设定温度，循环油浴温控器12依据指令对油液进行加热或冷却，并驱动温度受控的油液在油液管路13和反应釜夹套中循环流动，使油液与样品通过夹套壁进行热量传递，实现样品温度调节，其控温系统框图如图2所示。

反应量热系统的控温面临以下瓶颈问题：

一、该系统是典型的迟滞系统，量热反应釜通常采用的容积在几百mL至几L范围内，样品自身热容较大，参与循环的油液同样具有较大热质量；油浴系统对样品进行控温需要经历油液变温、油液流动、夹套壁面热交换和样品温度变化过程，总体传热效率不高。因此系统温度控制响应迟滞性很大，容易出现超调，控制快速性和稳定性差。

二、在系统结构原理和硬件性能不变的情况下，控温性能只有依赖监控系统中的控温算法，在确定工况下对算法进行最优化并不困难-例如PID算法的参数整定。然而反应量热系统中的样品属性往往是复杂、不确定的，不同反应体系热力学属性差异巨大，致使PID这一类方法的参数适应性很难满足需求。最后，即使在同一次测量实验中，反应量热系统经常需要根据工艺要求进行大幅变温或连续多步的等温控制，温度大幅变化也会使样品体系的传热系数与热容发生显著改变，同样对控温方法适应性提出很高要求。

模型预测控制是一类成功应用于石油、化工、冶金和电力等复杂工业过程的先进控制方法^[3-5]，其基本特征是控制过程包含模型预测、有限时域滚动优化和反馈校正三个环节。相对于PID等“事后调节”的算法，模型预测思想对迟滞系统控制具有先天优势，其控制输出的优化过程是在有限移动时间内反复在线进行的，适用于动态特性变化的复杂系统。同时因为反馈校正过程的存在，算法具有很强的鲁棒性，能够很大程度上克服系统非线性、时变、模型失配等因素带来的不确定性，因此本发明采用该算法作为方法基本结构。尽管如此，其应用存在的问题是，如前所述被控对象-样品的属性在不同反应体系的实验、或同一次实验温度大幅变化中会发生显著改变，预测所用模型输出可能与实际过程输出发生很大误差，即严重模型失配，会导致控制效果恶化，所以预测模型参数的标定校正与在线修正十分重要。