连续搅拌反应釜系统设计与仿真

吉 林 化 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书连 续 搅 拌 反 应 釜 系 统 的 控 制 器 设 计 与 仿 真Controller Design and Simulation for CSTR学 生 学 号 ： 11510210 学 生 姓 名 ： 严 新 宇 专 业 班 级 ： 自 动 1102 指 导 教 师 ： 王 野 职 称 ： 工 程 师 起 止 日 期 ： 2015.03.09 2015.06.26 吉 林 化 工 学 院Jilin Institute of Chemical Technology注 ： 专 业 班 级 规 范 ， 例 如06 级 自 动 化 专 业 1 班 ： 自 动 060106 级 计 算 机 专 业 1 班 ： 计 算 060106 级 电 子 信 息 工 程 专 业 1 班 ： 电 信060106 级 测 控 专 业 1 班 ： 测 控 0601阅 后 删 除 此 文 本 框 。注 ： 学 生 学 号 为 学 院 教 务 管 理 系 统 中 确 定的 学 生 学 号 。阅 后 删 除 此 文 本 框 。注 ： “职 称 ”是 指 指 导 教师 的 职 称 。 若 指 导 教 师 为多 人 ， 应 按 上 面 “指 导 教师 ”先 后 顺 序 ， 填 写 对 应的 职 称 。阅 后 删 除 此 文 本 框 。吉 林 化 工 学 院 信 控 学 院 毕 业 设 计 说 明 书I摘 要连 续 搅 拌 反 应 釜 （ CSTR） 是 发 酵 、 化 工 、 石 油 生 产 、 生 物 制 药 等 工 业 生 产 过 程 中应 用 最 广 泛 的 一 种 化 学 反 应 器 ， 其 控 制 质 量 直 接 影 响 到 生 产 的 效 益 和 质 量 指 标 。 对 连续 搅 拌 反 应 釜 通 过 控 制 内 部 的 工 艺 参 数 ， 如 温 度 、 压 力 、 浓 度 等 稳 定 ， 保 证 反 应 的 正常 运 行 。 本 文 针 对 连 续 搅 拌 反 应 釜 的 数 学 模 型 ， 应 用 泰 勒 展 开 得 到 了 线 性 状 态 空 间 表达 式 ， 在 此 基 础 上 设 计 了 LQR 控 制 器 ， 仿 真 结 果 表 明 ， 控 制 效 果 令 人 满 意 。本 设 计 将 CSTR 的 非 线 性 动 态 模 型 进 行 了 输 入 输 出 线 性 化 ， 得 到 CSTR 线 性 状 态空 间 模 型 。 设 计 出 连 续 搅 拌 反 应 釜 的 极 点 配 置 控 制 器 并 对 系 统 进 行 仿 真 。 设 计 出 连 续搅 拌 反 应 釜 的 LQR 控 制 器 并 对 其 系 统 进 行 仿 真 。 并 对 两 种 控 制 方 法 的 控 制 效 果 进 行 了比 较 。关 键 词 ： 连 续 反 应 搅 拌 釜 ； LQR控 制 器 ； MATLAB仿 真连 续 搅 拌 反 应 釜 系 统 的 控 制 器 设 计 与 仿 真IIAbstractContinuous stirred tank reactor (CSTR) is the most widely used in fermentation, chemical engineering, petroleum production, bio pharmaceutical and other industrial production process as a chemical reactor, control the quality directly affect the production efficiency and quality index. For continuous stirred tank reactor by controlling the process parameters, such as temperature, pressure, concentration and so on, ensure the normal operation of the reaction. In this paper, based on a continuous stirred reactor mathematical model, the application of Taylor expansion is obtained for the linear state space representation, on this basis, design the LQR controller. Simulation results show that the control effect is satisfactory.In this paper, the nonlinear dynamic model of CSTR is linearized, and the CSTR linear state space model is obtained. The pole assignment controller for continuous stirred tank reactor was designed and the simulation of the system was carried out. The LQR controller of the continuous stirred tank reactor is designed and the system is simulated. The control effect of the two control methods is compared.Key Words: Continuous Stirred Tank; LQR Controller; MATLAB Simulation吉 林 化 工 学 院 信 控 学 院 毕 业 设 计 说 明 书1目 录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 绪 论 .21.1 课 题 背 景 及 目 的 意 义 .21.2 国 内 研 究 现 状 .21.3 国 外 研 究 现 状 .31.4 连 续 反 应 搅 拌 釜 的 控 制 技 术 .41.5 仿 真 技 术 .41.5.1 数 字 仿 真 概 述 .41.5.2 MATLAB 仿 真 软 件 .81.6 本 设 计 的 主 要 研 究 内 容 .10第 2 章 连 续 搅 拌 反 应 釜 的 数 学 模 型 .122.1 连 续 搅 拌 反 应 釜 结 构 .122.2 连 续 搅 拌 反 应 釜 仿 真 模 型 的 建 立 .142.3 非 线 性 模 型 的 线 性 化 .17第 3 章 极 点 配 置 控 制 器 的 设 计 与 仿 真 .193.1 极 点 配 置 .193.2 极 点 配 置 控 制 器 的 设 计 .193.2.1 极 点 配 置 控 制 算 法 .193.2.2 CSTR 极 点 配 置 控 制 器 设 计 .20第 4 章 LQR 控 制 器 的 设 计 与 仿 真 .254.1 LQR 控 制 器 的 介 绍 .254.2 LQR 控 制 器 的 原 理 .254.3 LQR 控 制 器 的 设 计 .264.4 两 种 控 制 器 效 果 对 比 .29结 论 .31参 考 文 献 .32附 录 线 性 化 程 序 .33致 谢 .35连 续 搅 拌 反 应 釜 系 统 的 控 制 器 设 计 与 仿 真2第 1章 绪 论1.1 课题背景及目的意义连 续 搅 拌 反 应 釜 是 化 工 生 产 中 的 常 用 设 备 ， 同 时 又 是 典 型 的 非 线 性 被 控 对 象 。在 发 酵 、 化 工 、 石 油 生 产 、 生 物 制 药 等 工 业 生 产 过 程 中 ， 发 生 反 应 的 反 应 器 起 着非 常 重 要 的 作 用 ， 也 是 工 业 生 产 过 程 中 必 不 可 少 的 工 具 ， 其 操 作 状 况 直 接 影 响 着生 产 的 效 率 和 质 量 标 准 ， 近 年 来 ， 非 线 性 系 统 的 控 制 理 论 也 受 到 了 广 泛 关 注 。由 于 化 学 反 应 类 型 不 同 ， 物 料 的 相 态 不 同 ， 反 应 条 件 差 别 很 大 ， 按 照 反 应 器的 进 出 物 料 的 状 况 ， 可 将 反 应 器 分 为 间 歇 式 、 半 间 歇 式 、 和 连 续 式 ， 连 续 反 应 器是 工 业 生 产 过 程 中 最 常 用 、 最 普 遍 采 用 的 以 上 方 式 ， 连 续 反 应 器 为 了 保 证 反 应 的正 常 进 行 ， 需 要 对 反 应 器 中 的 某 些 关 键 工 艺 参 加 如 温 度 、 压 力 、 浓 度 灯 进 行 控 制使 系 统 稳 定 ， 通 常 的 控 制 使 采 用 定 值 控 制 ， 从 反 应 器 的 传 热 来 分 ， 又 可 分 为 绝 热式 和 非 绝 热 式 反 应 器 ， 按 操 作 方 式 分 ， 又 可 分 为 连 续 操 作 ， 间 歇 操 作 和 半 间 歇 操作 。 从 结 构 上 分 有 釜 式 、 管 式 、 固 定 床 和 流 化 床 等 ； 釜 式 反 应 器 又 是 工 业 上 广 泛采 用 的 一 种 形 式 ， 可 采 用 进 行 匀 相 反 应 ， 也 可 进 行 多 相 反 应 ， 如 液 固 、 气 液 、 液液 及 气 固 液 灯 反 应 ， 釜 式 反 应 器 内 部 有 搅 拌 装 置 ， 可 以 使 反 应 器 中 反 应 区 的 反 应物 料 的 浓 度 均 一 。连 续 搅 拌 反 应 釜 内 完 成 化 工 过 程 的 特 征 参 量 一 般 为 温 度 、 浓 度 表 现 了 化 工 过程 本 身 的 属 性 ， 这 些 属 性 都 是 化 工 生 产 过 程 质 量 生 产 好 坏 的 重 要 标 志 ， 因 此 ， 通过 测 量 并 校 正 控 制 这 些 反 应 特 这 参 数 是 化 工 生 产 过 程 质 量 的 重 要 保 证 。1.2 国内研究现状1 连 续 搅 拌 反 应 釜 系 统 的 建 模 方 面徐 用 懋 、 范 顺 杰 等 运 用 动 力 学 、 相 平 衡 和 物 料 平 衡 原 理 ， 针 对 三 井 油 化 Hypol工 艺 建 立 了 连 续 搅 拌 反 应 釜 过 程 的 机 理 模 型 ， 他 们 所 建 的 模 型 较 为 成 功 地 对 聚 丙烯 熔 融 指 数 的 进 行 了 预 测 ， 然 后 利 用 工 业 现 场 数 据 ， 得 出 了 反 应 浆 液 丙 烯 的 浓 度 、丙 烯 转 化 率 和 反 应 物 的 聚 合 反 应 热 等 重 要 参 数 ； 罗 正 鸿 对 连 续 搅 拌 反 应 釜 系 统 的稳 态 进 行 机 理 建 模 ， 并 分 析 研 究 了 聚 丙 烯 分 子 量 和 丙 烯 转 化 率 与 操 作 条 件 的 变 化之 间 的 关 系 ； 使 用 结 构 逼 近 式 混 合 神 经 网 络 ， 更 好 地 对 系 统 各 变 量 之 间 的 关 系 进行 了 描 述 ， 建 立 了 连 续 搅 拌 反 应 釜 系 统 的 高 精 度 数 学 模 型 ； 陈 欠 平 通 过 对 实 际 工业 设 备 的 研 究 ， 运 用 聚 丙 烯 液 相 本 体 法 建 立 了 连 续 搅 拌 反 应 釜 的 动 态 和 稳 态 数 学模 型 ， 并 通 过 仿 真 分 析 来 研 究 连 续 搅 拌 反 应 釜 系 统 输 出 与 操 作 条 件 变 化 的 关 系 ；利 用 神 经 网 络 对 连 续 搅 拌 反 应 釜 系 统 进 行 机 理 建 模 使 模 型 的 精 度 得 到 了 提 高 ； 针吉 林 化 工 学 院 信 控 学 院 毕 业 设 计 说 明 书3对 工 厂 实 际 的 连 续 搅 拌连 续 搅 拌 反 应 釜 系 统 的 控 制 器 设 计 与 仿 真4反 应 釜 系 统 ， 杨 爱 新 对 该 对 象 进 行 动 态 机 理 建 模 ， 建 立 的 模 型 符 合 现 场 实 际的 情 况 ， 同 时 利 用 该 模 型 来 研 究 当 操 作 条 件 改 变 时 ， 聚 合 物 体 积 浓 度 百 分 比 、 反应 物 浓 度 、 反 应 速 率 、 冷 却 水 出 口 温 度 以 及 反 应 体 系 温 度 的 变 化 。2 连 续 搅 拌 反 应 釜 系 统 的 控 制 方 面雷 佳 等 充 分 利 用 遗 传 算 法 的 寻 优 特 性 ， 提 出 了 一 种 与 PID 控 制 相 结 合 的 遗 传寻 优 算 法 ， 明 显 地 提 高 了 控 制 效 果 ； 以 工 业 现 场 实 际 情 况 为 背 景 ， 通 过 改 进 跟 踪微 分 器 ， 设 计 了 一 种 二 阶 白 抗 扰 控 制 方 法 ， 明 显 提 高 了 工 业 现 场 连 续 搅 拌 反 应 釜的 控 制 效 果 ； 朱 学 峰 根 据 连 续 搅 拌 反 应 釜 系 统 的 非 线 性 特 性 ， 提 出 了 基 于 混 合 模型 的 非 线 性 预 测 控 制 策 略 ， 此 混 合 模 型 由 非 线 性 和 线 性 两 个 部 分 组 成 ， 通 过 其 仿真 也 可 看 出 实 际 输 出 与 模 型 输 出 误 差 较 小 ； 吴 伟 林 提 出 了 一 种 基 于 神 经 元 网 络 的自 适 应 控 制 方 法 ， 该 方 法 有 效 改 善 了 反 应 釜 温 度 的 大 时 滞 问 题 ， 能 够 对 反 应 釜 温度 进 行 有 效 地 控 制 ； 刘 士 荣 应 用 了 一 种 模 糊 逆 模 一 PID 与 神 经 网 络 相 结 合 的 复 合控 制 策 略 ， 对 反 应 釜 温 度 控 制 获 得 了 良 好 的 控 制 效 果 ； 韩 光 信 等 提 出 了 应 用 于 连续 搅 拌 反 应 釜 的 非 线 性 鲁 棒 控 制 ， 对 开 车 过 程 进 行 了 优 化 ； 针 对 连 续 搅 拌 反 应 釜系 统 ， 贾 爱 民 提 出 了 一 种 鲁 棒 控 制 算 法 ， 该 算 法 具 有 较 强 的 适 应 性 能 和 较 强 的 抗干 扰 能 力 ， 能 够 满 足 实 时 控 制 的 要 求 。连 续 搅 拌 反 应 釜 内 化 工 反 应 过 程 的 复 杂 性 ， 使 得 采 用 一 种 简 单 的 控 制 方 式 都很 难 达 到 理 想 的 控 制 效 果 。 伴 随 着 控 制 理 论 的 发 展 ， 越 来 越 多 的 先 进 控 制 方 法 被应 用 到 连 续 搅 拌 反 应 釜 系 统 并 取 得 了 满 意 的 成 果 。 目 前 很 多 先 进 的 反 应 釜 控 制 技术 就 是 将 几 种 控 制 方 法 相 结 合 ， 通 过 取 长 补 短 以 期 得 到 更 加 令 人 满 意 的 控 制 效 果 。随 着 连 续 搅 拌 反 应 釜 控 制 技 术 的 不 断 深 入 和 发 展 该 系 统 的 控 制 效 果 也 会 得 到 进 一步 地 改 善 和 提 高 。1.3 国外研究现状1 连 续 搅 拌 反 应 釜 系 统 的 建 模 方 面Gupta 等 于 1992 年 提 出 了 基 于 聚 合 多 粒 子 模 型 的 连 续 搅 拌 反 应 釜 系 统 模 型 ，根 据 该 模 型 我 们 可 以 得 出 产 率 、 聚 合 变 化 趋 势 以 及 聚 合 产 物 的 分 子 量 ， 同 时 也 指出 了 聚 合 分 散 度 与 产 率 随 着 反 应 停 留 时 问 增 加 而 变 化 的 趋 势 ， 依 据 这 一 趋 势 他 们解 决 了 模 型 计 算 时 间 长 的 问 题 ， 提 出 了 一 种 改 进 的 模 型 计 算 算 法 。 根 据 实 际 生 产状 况 ， Pinto 和 Mattos 建 立 了 溶 剂 法 连 续 搅 拌 反 应 釜 系 统 的 丙 烯 聚 合 稳 态 数 学 模型 并 对 该 模 型 进 行 仿 真 研 究 ， 结 果 表 明 实 际 生 产 数 据 与 该 模 型 的 计 算 输 出 误 差 很小 ， Soare 对 多 个 反 应 釜 串 联 的 烯 烃 聚 合 建 立 了 动 态 数 学 模 型 ， 对 模 型 的 仿 真 研究 验 证 了 该 模 型 的 合 理 性 ； 通 过 使 用 模 糊 聚 类 的 方 法 ， 动 态 地 建 立 了 连 续 搅 拌 反应 釜 系 统 的 数 学 建 模 ， 提吉 林 化 工 学 院 信 控 学 院 毕 业 设 计 说 明 书5高 了 模 型 的 精 度 ； Zacca 等 对 丙 烯 聚 合 反 应 进 行 动 态 数 学 建 模 ， 通 过 计 算 得出 了 物 性 传 递 等 参 数 ， 而 且 利 用 这 些 参 数 对 该 模 型 进 行 仿 真 分 析 。2 连 续 搅 拌 反 应 釜 系 统 的 控 制 方 面Minesh 利 用 径 向 基 函 数 神 经 网 络 来 在 线 控 制 连 续 搅 拌 反 应 釜 系 统 ， 此 算 法 有极 强 的 适 应 性 ； S.S.Ge 提 出 了 神 经 网 络 自 适 应 控 制 ， 用 多 层 神 经 网 络 构 造 隐 式 反馈 线 性 控 制 （ IFLC） ， 其 优 点 是 跟 踪 误 差 小 ， 对 一 般 非 线 性 系 统 有 良 好 的 控 制 性能 ； M.Jalili 设 计 了 一 种 基 于 对 象 神 经 模 糊 模 型 的 预 测 控 制 方 法 ， 解 决 了 温 度 大 时滞 问 题 ； 采 用 了 控 制 效 果 良 好 的 非 线 性 PID 控 制 器 ， 该 方 法 应 用 局 部 模 型 网 络 通过 门 处 理 来 变 换 非 线 性 模 型 。1.4 连续反应搅拌釜的控制技术在 早 起 反 应 釜 的 自 动 控 制 中 ， 将 单 元 组 合 仪 表 组 成 位 置 式 控 制 装 置 ， 但 是 化学 反 应 过 程 表 表 现 出 很 强 的 非 线 性 和 对 滞 性 ， 采 用 这 种 简 单 控 制 很 难 达 到 理 想 的控 制 制 度 ， 随 后 的 PLC 控 制 器 较 大 的 提 高 了 控 制 精 度 ， 但 是 对 于 较 复 杂 的 控 制 过程 ， 这 种 控 制 方 式 在 通 信 和 管 理 方 面 存 在 不 足 ， 随 着 PID 控 制 技 术 的 发 现 ， 越 来越 多 的 化 学 反 应 釜 都 用 PID 控 制 ， 但 是 PID 控 制 技 术 是 控 制 对 象 有 精 确 模 型 的 线性 过 程 ， 而 连 续 搅 拌 反 应 釜 模 型 一 个 最 主 要 的 特 征 就 是 非 线 性 ， 因 此 PID 控 制 技术 在 复 杂 的 过 程 中 有 很 大 缺 陷 ， 随 着 控 制 理 论 的 发 展 和 研 究 深 入 ， 更 加 先 进 有 效的 控 制 方 法 应 用 于 连 续 反 应 搅 拌 釜 的 控 制 ， 如 广 义 预 测 控 制 ， 基 于 逆 系 统 方 法 控制 ， 基 于 补 偿 算 子 的 模 糊 神 经 网 络 控 制 ， 连 续 反 应 搅 拌 釜 的 非 线 性 H 控 制 等 。任 何 一 种 复 杂 的 化 工 反 应 过 程 都 不 能 用 一 种 简 单 的 控 制 方 式 达 到 理 想 效 果 ，目 前 最 先 进 的 反 应 釜 智 能 控 制 技 术 就 是 将 先 进 的 智 能 控 制 理 论 和 传 统 的 控 制 方 法相 结 合 12， 如 基 于 专 家 系 统 反 应 釜 控 制 系 统 2， PID 参 数 自 适 应 模 糊 控 制 方 法 ， 基于 神 经 元 网 络 的 直 接 自 适 应 控 制 法 ， 利 用 遗 传 算 法 的 寻 优 PID 参 数 的 模 型 参 考 自适 应 控 制 方 法 等 。随 着 控 制 理 论 的 不 断 深 入 和 发 展 ， 对 连 续 反 应 搅 拌 釜 的 控 制 技 术 也 会 不 断 地改 进 和 提 高 。1.5 仿真技术1.5.1 数 字 仿 真 概 述仿 真 技 术 作 为 一 门 独 立 的 科 学 已 经 有 50 多 年 的 发 展 历 史 了 ， 他 不 仅 用 于 航 天 、航 空 、 各 种 系 统 的 研 制 部 门 ， 而 且 已 经 广 泛 应 用 于 电 力 、 交 通 运 输 、 通 信 、 化 工 、核 能 等 各 个 领 域 。 特 别 是 近 20 年 来 ， 随 着 系 统 工 程 与 科 学 的 迅 速 发 展 ， 仿 真 技 术连 续 搅 拌 反 应 釜 系 统 的 控 制 器 设 计 与 仿 真6已 从 传 统 的 工 程 领 域 扩 充 到 非 工 程 领 域 ， 因 而 在 社 会 经 济 系 统 、 环 境 生 态 系 统 、 能源 系 统 、 生 物 医 学 系 统 和 教 育 系 统 也 得 到 了 广 泛 的 应 用 。在 系 统 的 规 划 、 设 计 、 运 行 、 分 析 及 改 造 的 各 个 阶 段 ， 仿 真 技 术 都 可 以 发 挥重 要 作 用 。 随 着 研 究 对 象 的 规 模 日 益 庞 大 ， 结 构 日 益 复 杂 ， 仅 仅 依 靠 人 的 经 验 及传 统 技 术 难 以 满 足 愈 来 愈 高 的 要 求 。 基 于 现 代 计 算 机 及 其 网 络 的 仿 真 技 术 ， 不 但能 提 高 效 率 ， 缩 短 研 究 开 发 周 期 ， 减 少 训 练 时 间 ， 不 受 环 境 及 气 候 限 制 ， 而 且 对保 证 安 全 、 节 约 开 支 和 提 高 质 量 尤 其 具 有 突 出 的 功 效 。现 在 ， 仿 真 技 术 成 已 为 各 个 国 家 重 点 发 展 的 一 门 高 新 技 术 ， 从 某 种 角 度 上 ，它 代 表 着 一 个 国 家 的 科 技 实 力 的 强 弱 ， 同 时 在 某 些 方 面 也 制 约 着 一 些 国 家 的 现 代化 建 设 和 发 展 。从 理 论 上 讲 ， 我 们 日 常 生 活 中 以 及 自 然 界 中 碰 到 的 一 切 问 题 ， 都 可 以 利 用 计算 机 进 行 模 拟 。 因 此 ， 要 跟 上 时 代 的 发 展 要 求 ， 学 习