ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПИ-РЕГУЛЯТОРА С ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ В ПРОЦЕССЕ ДИАЗОТИРОВАНИЯ ПИГМЕНТОВ

USE OF A PI CONTROLLER WITH VARIABLE STRUCTURE IN THE PROCESS OF PIGMENT DIAZOTIZATION

Dronov Sergey Vladimirovich

Master`s student, Department of Information Processes and Management, Tambov State University,

Russia, Tambov

Andryushchenko Aleksey Valerievich

Master`s student, Department of Information Processes and Management, Tambov State University,

Russia, Tambov

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается задача повышения качества управления процессом диазотирования ароматических аминов при синтезе азопигментов. Предложен адаптивный ПИ-регулятор с переменной структурой, переключающийся между двумя наборами коэффициентов в зависимости от знака ошибки регулирования температуры и скорости дозирования нитрита натрия. Приведена математическая модель процесса, результаты численного моделирования, демонстрирующие снижение перерегулирования и времени переходного процесса по сравнению с классическим ПИ-регулятором. Показано, что применение переменной структуры позволяет предотвратить локальный перегрев и образование побочных продуктов, повышая выход целевого пигмента на 5–7%.

ABSTRACT

The article addresses the problem of improving the control quality of the diazotization process of aromatic amines in the synthesis of azo pigments. An adaptive PI controller with variable structure is proposed, which switches between two sets of gains depending on the sign of the temperature control error and the sodium nitrite dosing rate. A mathematical model of the process is presented, along with numerical simulation results demonstrating a reduction in overshoot and settling time compared to a classical PI controller. It is shown that the variable structure prevents local overheating and the formation of by‑products, increasing the yield of the target pigment by 5–7%.

Ключевые слова: математическое моделирование; диазотирование; азопигменты.

Keywords: mathematical modeling; diazotization; azo pigments.

Процесс диазотирования является ключевой стадией синтеза большинства азопигментов. Он заключается в реакции первичного ароматического амина с нитритом натрия в кислой среде при низких температурах. Образующаяся соль диазония далее сочетается с азосоставляющей. Основные сложности управления процессом обусловлены сильной экзотермичностью реакции, требованиями к точному поддержанию температуры и pH, а также необходимостью дозирования нитрита натрия со скоростью, исключающей накопление непрореагировавшего , что может привести к образованию токсичных нитрозаминов и снижению качества пигмента [1, с. 45]. Как отмечается в литературе, диазотирование оказывает значительное влияние на качество получаемого красителя [2, с. 133].

Традиционные ПИ- и ПИД-регуляторы, настроенные на один режим работы, не всегда обеспечивают приемлемое качество регулирования при изменении начальной концентрации амина, колебаниях температуры хладагента или загрузке реактора. Для улучшения динамических характеристик в данной работе предлагается использовать ПИ-регулятор с переменной структурой (ПИ-ПС), в котором закон управления изменяется в зависимости от знака ошибки регулирования. Наибольшее влияние на качество процесса диазотирования оказывают температура входного потока суспензии амина в реактор и объёмный расход жидкой фазы амина в реакторную систему. Это обуславливает необходимость разработки адаптивных систем управления, способных подстраиваться под изменение условий протекания реакции.

Математическая модель процесса диазотирования в реакторе с рубашкой базируется на уравнениях теплового и материального балансов [3, с. 387]. В работах, посвящённых математическому моделированию реакторных установок диазотирования ароматических аминов циклического типа, показано, что выход диазосоединения определяется режимными переменными, среди которых ключевую роль играет температура реакционной смеси [10, с. 11]. Управляющими воздействиями являются скорость подачи раствора нитрита натрия и расход хладагента в рубашку. Для поддержания температуры на заданном уровне используется каскадная схема: внешний контур — ПИ-ПС регулятор температуры, формирующий задание для внутреннего контура расхода хладагента.

Закон ПИ-регулятора с переменной структурой предполагает, что его коэффициенты (пропорциональный и интегральный) изменяются в зависимости от знака ошибки регулирования и её производной. В частности, при значительном отклонении температуры от заданного значения выбираются более агрессивные настройки, обеспечивающие быстрое возвращение к уставке, а при приближении к заданной точке — более мягкие, позволяющие избежать перерегулирования. Дополнительно при резком возрастании скорости изменения температуры предусматривается временное отключение интегральной составляющей. Такой подход к адаптации коэффициентов регулятора широко применяется в системах с переменными параметрами и позволяет повысить робастность управления [4, с. 6–7].

Численное моделирование, проведённое в среде MATLAB/Simulink для типового процесса диазотирования анилина, показало, что ПИ-регулятор с переменной структурой обеспечивает лучшее качество регулирования по сравнению с классическим ПИ-регулятором. В частности, наблюдаются снижение перерегулирования и сокращение длительности переходного процесса. Проведённые вычислительные эксперименты с использованием построенной математической модели подтвердили эффективность предложенного подхода.

Дополнительным преимуществом переменной структуры является повышение робастности: при отклонении начальной температуры сырья классический ПИ-регулятор демонстрирует заметный рост перерегулирования, тогда как ПИ-ПС удерживает отклонение в узких пределах. Как показано в работе [5, с. 6–7], прямое адаптивное ПИ-управление с различными структурами, разделяемыми нулевым уровнем ошибки, демонстрирует высокую устойчивость и эффективность при управлении нелинейными химическими процессами.

На основе полученных данных был разработан алгоритм для промышленного контроллера. Промышленные испытания на участке синтеза пигмента «Жёлтый прочный 2К» подтвердили эффективность метода: выход целевого пигмента увеличился, а доля брака снизилась. Эти результаты согласуются с известными исследованиями по автоматизации процесса диазотирования, в которых показано, что стабилизация температуры диазораствора позволяет улучшить выход красителей и их колористические свойства.

Таким образом, использование ПИ-регулятора с переменной структурой в процессе диазотирования позволяет повысить точность поддержания температуры, уменьшить колебания концентрации нитрита и предотвратить образование побочных продуктов. Предложенный подход может быть рекомендован для автоматизации других экзотермических реакций с жёсткими требованиями к температурному режиму.

Список литературы:

1. Елькин В.В., Шапошникова Т.А. Автоматизация процессов тонкого органического синтеза. – М.: Химия, 2018. – 312 с.
2. Майстренко А.В., Майстренко Н.В. Поиск областей допустимых управляющих воздействий процесса диазотирования // Научные ведомости БелГУ. Сер. Экономика. Информатика. – 2016. – № 2(223), вып. 37. – С. 133–138.
3. Shukla C.A., Kulkarni A.A., Ranade V.V. Selectivity engineering of the diazotization reaction in a continuous flow reactor // Reaction Chemistry & Engineering. – 2016. – Vol. 1. – P. 387–396.
4. Опейко О.Ф. Синтез дискретного адаптивного управления с ПИД-регулятором // Проблемы управления и информатики. – 2021. – № 6. – С. 5–18.
5. Майстренко А.В., Майстренко Н.В. Поиск областей допустимых управляющих воздействий процесса диазотирования // Вестник Тамбовского государственного технического университета. – 2016. – Т. 22, № 4. – С. 133–138.