（检测技术与自动化装置专业论文）模糊控制在间歇式反应釜上的应用研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 间歇式反应釜是化工生产中一类非常重要的反应容器，其内部化学反应机理复杂， 且其本身又具有较大的时变性、非线性和时滞性。目前在不少间歇工业生产过程中，仍 大多采用手动或半自动控制，整体自动化水平较低。 本文以大连理工大学工业装备先进控制系统辽宁省重点实验室的间歇式反应釜实 验装置为背景，针对该装置的特点，设计了一套计算机实时监控系统。该监控系统分为 三层：现场仪表层、下位机控制站和上位机操作站。现场仪表层和下位机控制站通过西 门子s 7 3 0 0p l c 、现场控制阀门和现场仪表共同完成对现场数据的采集与现场的控制。 上位机操作站由工控机、r s v i e w 3 2 组态软件和后台数据库组成，完成整个生产系统的 信息监控。该监控系统具有良好的人机界面、操作简单方便，同时它也具有较好的可靠 性、稳定性和易扩展性，不仅能够直观、形象地反映现场的实际工况，而且为不同控制 方案、不同控制算法的研究提供了软件开发平台。监控系统通过工业以太网进行信息共 享。 在控割算法方面，主要研究了间歇过程的温度控制策略，全面分析了问歇式反应釜 温度变化的特点及控制难点。本文在参阅了大量的中外文献并结合实际控制要求的基础 上，对基于模糊控制的间歇反应釜温度计算机控制系统进行了理论研究和工程设计，将 位式控制、p i d 控制和模糊控制结台起来，提出一种智能复合控制方案，并给出了详细 的分析步骤和控制算法。同时对常规p l d 控制和模糊一p i d 复合控制策略进行比较论证、 仿真分析和实验研究，并将该模糊一p i d 复合控制器应用于间歇式反应釜的温度控制回 路，取得了理想的控制效果。 实验证明，本文所提出的模糊一p i d 复合控制策略，不需要被控对象的精确数学模 型，在大滞后、参数不确定和惯性大的间歇反应釜控制系统中工作稳定、可靠性高、适 应性好、鲁棒性强。同时这种方法对其它的大滞后，特性参数不确定等控制对象的控制 问题都有很好的参考价值。 关键词：间歇式反应釜；8 7 - 3 0 0p l c ；r s v i e w 3 2 ：模糊- p i d 大连理工大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o ns t u d y o ff u z z yc o n t r o li nt h eb a t c hr e a c t o r a b s t r a c t b a t c hr e a c t o ri sav e r yi m p o r t a n tv e s s e li nc h e m i s t r yi n d u s t r yp r o d u c e ，t h er e a c t i o n m e c h a n i s mi ni ti sc o m p l i c a t e d b e c a u s eo fm u l t i p l ec o n t r o l l e do b j e c t sa n db i gt i m e v a r i a n t ， n o n 一1 m e a r , t i m e d e l a y a tp r e s e n t 1 0 r so fb a t c hp r o d u c t i o na l s ou s em a n u so rh a l fa u t o m a t i o n o p e r a t i o n t h e1 e v e lo f t l l ea u t o m a t i o ni sv e r y1 0 w e r t h ep a d e ri sb a s e do nt h eb a t c hr e a c t o ro ft h ei n d u s t r ye q u i ) m e r i ta d v a n c e dc e n t r e l s y s t e me m p h a s e sl a bo fd a l i a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yo fl i a o n i n gp r o v i n c e ，a n dd e s i g na c o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m m o n i t o r i n gs y s t e mh a st h r e el a y e r s ：f i e l di n s t r u m e n tl a y e r ， h y p o g y n o u s - m a c h i n ec o n t r o ls t a t i o na n dh o s to p e r a t i o ns t a t i o n t h el o c a l ei n s t r u m e n tl a y e r a n dh y p o g y n o u s m a c h i n ec o n t r o ls t a t i o n w h i c hi n c l u d es i e m e n ss 7 3 0 0p l ca n df i e l d c o n t r o li n s t r u m e n t i st oa c c o m p l i s hd a t ac o l l e c t i o na n df i e l dc o n t r 0 1 t h eh o s to p e r a t i o n s t a t i o n ，w h i c hi sm a d eu po fi p c ，r s v i e w 3 2c o n f i g u r es o f t w a r ea n dd a t ab a s e ，i su s e dt o m o n i t o ri n f o m m t i o no ft h ew h o l ep r o d u c i n gs y s t e m t h i sm o n i t o r i n gs y s t e mh a sg o o dh m i ， s i m p l ea n dc o n v e n i a n to p e r a t i o n ，a n de a s yt ob ee x t e n d e d ，i ta l s oh a sb e a e rs t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t y i tn o to n l yr e f l e c t si n d u s t r yc o n t r o lp a r a m e t e r b u ta l s op r o v i d e sr e a l i z a t i o n p l a t f o h nf o rd i f f e m n tc o n t r 0 1a r i t h m e t i c t h ew h o l em o n i t o r i n gs y s t e mc o m m u n i c a t e sw i t h i n d u s t r ye t h e m e tt os h a r ei n f o r m a t i o n 0 nt h ec e n t r e la r i t h m e t i c m a i n l yd i s c u s s e db a t c hr e a c t o rt e m p e r a t u r ec o n t r o lp o l i c y ， g e n e r a la n a l y s i sb a t c hr e a c t o rt e m p e r a t u r e sc h a r a c t e r i s t i ca n dc o n t r o ld i f f i c u l t y 1 1 1 ep a p e r r e f e r e n c e st oal o to f1 i t e r a t u r e a n du s ef u z z yc e n t r e lt ob a t c hr e a c t o rt e m p e r a t u r ec e n t r e l t h e o r ys t u d ym a dp r o j e c td e s i g n c o m b i n ep r o p o r t i o nc o n t r o l ，p i dc o n t r o la n df u z z yc o n t r o l ， b r i n gf o r w a r dai n t e l l i g e n tc o m p l e xc o n t r o ls c h e m e ，a n dg i v et h ed e t a i l e dd e s i g n s i m u l a t et h e c o m b i n ec e n t r e la n dp i dc o n t r o lw i t hm a t l a b a n dt h e na p p l yt h i sc o n t r o l l e rt ot h eb a t c h r e a c t o rt e m p e r a t u r ec o n t r o l ，a n dg e tt h ep e r f e c tc o n t r 0 1e f f e c t t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ec o n t r 0 1s y s t e mo p e r a t e ss t e a d i l ya n dh a v eh i g hf u n c t i o n a l r e l i a b i l i t y a n dt h a tt h ea l g o r i t h md o e s n tn e e dt h ea c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eo b j e c t a n dh a v eg o o df l e x i b i l i t y ，o p e r a t i o n a lc a p a b i l i t ya n dh i g hr o b u s t n e s s a tt h es a m et i m e ，t h i s c o n t r o lm e t h o dh a st h eg o o dr e f e r e n c ev a l u et oo t h e ro b j e c to f b i gd e l a y ，v a r i a b l ep a r a m e t e r k e yw o r d s ：b a t c hr e a c t o r ；s 7 3 0 0p l c ：r s v i e w3 2 ；f u z z y 呻i d 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表朱l 了谢意。 作者签名：拉奁日期：塑：篮：皇2 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位沦文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 1 0 0 时，令 h 一1 0 0 。同样，当h 0 时，令u t 0 。 p i d 控制模块同样也存在这个问题，当输出值u ，1 0 0 时，令u 一1 0 0 。当“t 0 时， 令“。0 。 大连理工大学硕士学位论文 6 模糊一p id 复合控制器仿真研究 间歇式反应釜的模糊- p i d 复合控制系统的设计完成以后，需要进行计算机仿真校核 系统的性能，如果系统不满足规定的性能，需要重新设计和修改模糊一p i d 复合控制系统 的控制规则、控制参数。虽然仿真环境不可能与实际情况完全相同，由于仿真可以方便、 快速、多次地进行，它的结果还是有相当的指导意义。当然，仿真结果的有效性最终还 是要由实际运行情况来确定。 为验证所设计的模糊- p i d 控制器的性能，采用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 工 具箱和模糊逻辑工具箱，设计该控制器。s i m u l i n k 是m a t l a b 提供的最重要的组件 之一，它提供实现动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，在该环境中，无需编写 大量的程序，采用鼠标驱动的方式，就能构件出复杂的仿真模型。s i m u l i n k 的每个模 块对用户而言都是透明的，用户只需知道模块的输入输出以及模块的功能，而不必管模 块的内部是怎样实现的1 3 0 】。 就模糊控制的本身而言，不需要知道反应釜本身的数学模型，根据参考文献e 3 t 对 反应釜模型的阐述，这里选择其参考模型的传递函数为【3 l 】： g o ) ：善： ( 6 1 ) 卜而 嫡j ) 由于反应釜在反应过程中，受到各种随机因素韵干扰，为了更加真实的模拟实际工 况，本文在仿真系统上增加了白噪声干扰。并选择了模糊一p i d 复合控制和p i d 控制两种 控制方式作了仿真比较、分析，以验证其控制效果。 6 。1 模糊- p i d 复合控制仿真 为了模拟实际情况，仿真模型的状态分为三段给出，初始阶段、升温阶段和恒温反 应阶段首先设初始状态为3 0 。c ，即为实际的间歇过程的初始阶段，在此基础上，我 们将控制器的给定值以给定斜率上升，即模拟实际的升温升压阶段，然后给定值增量设 为0 ，模拟系统进入恒温反应阶段。模糊控制器的控制规则采用5 2 节所示的控制规则， 应用模糊逻辑工具箱设计模糊控制器，控制算法的切换使用阀值开关来实现，阀值设定 为系统进行算法切换的偏差值，当偏差大于等于阀值时，开关的输出与模糊控制器相连， 当偏差小于阀值时，开关的输出与p i d 控制器相连，这样就实现了控制算法的自动切换。 白噪声最大值为0 2 然后仔细调节系统的各种参数，我们可以得到比较理想的控制曲 线如下图6 2 所示 模糊控制在间歇式反应釜上的应用研究 三官一 遽一： 图6 1 模糊一p i d 仿真方框图 f i g 6 is c h e m eo f t h ef u z z y - p i ds i m u l a t i o n f u z z y p i oc o n t r o ! 一瑟誊署l 1t 一 j 一 l f v 、 i 圈6 2 模糊- p i d 仿真结果 f i 舀6 2r e s u l to f t h ef u z z y - p l ds i m u l a t i o n 6 2p i d 控制仿真 p i d 控制的仿真模型如图6 3 所示，该仿真模型中，屯模块中写入的为比例项系数， l 模块中写入的为积分项系数，屯：模块中写入的为微分项系数，。d e r i v a t i v e ”为微分 器，“i n t e g r a t o r 一为积分器。这五个模块即构成p i d 控制器。系统的给定值与模糊- p i d 控制器的给定值相同，干扰信号由白噪声给出。比例项系数0 2 5 ，积分项系数0 0 0 0 3 ， 微分项系数0 1 ，白噪声最大值0 2 ，仿真结果如图6 4 所示。 阳 幻 竹 。 等辑 大连理工大学硕士学位论文 图6 3p i d 仿真方框图 f i g 6 。3s c h e m eo f t h ep i ds i m u l a t i o n 户i dc o n t r o l i 一篡掌罂i - 。，r 、 l ，f 4 ，一一 ，_ 日彳i 。可l t i 】 图6 4p i d 仿真结果 f i g 6 ar e s u l to f t h eii ds i m u l a t i o n 6 3 仿真结果分析 为了检验模糊p i d 复合控制算法在间歇式反应釜控制系统中的控制性能，本文分别 采用常规p i d 控制器和模糊p i d 复合控制器进行了仿真比较。由仿真结果可知，模糊 - p m 复合控制系统的抗干扰性相当好，具有优良的鲁棒性、快速性强、上升时间短、 超调量小，适合于间歇式生产过程这样具有强干扰的系统的控制。而p i d 控制系统抗干 扰性较差模糊- p d 复合控制系统兼有了模糊控制鲁棒性强以及p i d 控制在小信号变 化时调节细腻的优点，因而得到的输出曲线波动小，且平缓对要实现的温控系统来说， 在升温的快速性、稳态误差以及抑制和消除干扰等方面，模糊- p i d 复合控制策略都有 很好的控制性能因此，我选择模糊呷d 复合控制器作为我的间歇式反应釜温控方案。 当然，它的最终有效性还待实验验证，接下来的工作就是将该控制算法，在间歇式反应 釜温度控制系统上的实际应用 加 伸o 8 蠡 模糊控制在间歇式反应釜上的应用研究 7 模糊一pid 复合控制器的工程应用 本文在第二章的介绍中，已经给出了大连理工大学工业装备先进控制系统辽宁省重 点实验室的间歇式反应釜装置的温度控制系统的主要特点，由于实验室环境限制，该反 应釜温度控制系统为模拟化学反应过程，即令夹套油浴温度迅速达到给定值，为反应釜 提供恒定的热源，模拟实际化学反应过程的反应热。反应釜内以水取代物料，釜内盘有 蛇形管，通过调节管内循环冷却水的流量，实现反应釜内的温度控制，从而实现釜内的 热量平衡。下面分别给出夹套和反应釜内两套温度控制回路的控制策略。 7 1 夹套温度控制策略 反应釜夹套内装有导热油，1 2 支电加热棒均匀分布在油浴内，通过调节晶闸管的导 通角控制加热棒的加热功率来调节夹套温度，为反应釜内层提供恒定的热源，模拟化学 放熟反应。 由于夹套温度具有较大的滞后，若采用常规p i d 控制，温度响应速度慢、超调量大、 过渡时间长，而夹套的温度控制效果直接影响到釜温的控制效果。为了使夹套温度从室 温迅速的达到给定值，本系统采用了基于经验的快速响应过程，夹套温度程序设计思想 为： 根据温度设定值s p ( 这里以1 4 0 为例) ，以及初始室温，由于设定值和被控参数的 偏差很大，设置一个温度参数互，当夹套温度t 由初始温度升至正过程中，使可控 硅完全导通，加热棒全功率加热，当温度到达正时，可控硅完全切断，停止对夹套 加热，利用余热升温，温度继续上升，待温度上升速率明显下降时，设此时夹套温度为 巧口c ，程序自动切换到p i d 控制。这样切换到p i d 控制后，温度的响应曲线将会呈现 出较好的性能指标夹套温度程序控制流程如图7 1 所示 正和露的取值是通过反复实验获得，其思想是在对夹套全功率加热后利用余热能 够使温度上升至最接近艘系统的采样时间设为5 s ，输出的控制量( 0 - - , 1 0 0 ) , 经p l c 输出 量程转换模块f f c l 0 6 ) 转换为( 4 2 0 m a ) 的电流信号，调节晶闸管的导通角p i d 控制算 法可以由两种方法实现，其一是利用p l c 白带的模块f b 4 1 ( 使用说明见附注c ) ，另外 也可以使用5 1 节所介绍的增量型p i d 控制算法。本处选择f b 4 1 模块，p i d 参数分别 为：比例增益k 。= 1 5 ，积分时间r , = 3 0 0 s ，微分时间瓦- - 1 0 s ，控制效果如图7 2 所示从 实际控制效果看，快速响应过程与常规p i d 相比，过渡时间短，且超调量小，完全满足 釜内温控制的需求。 大迎理t 大学硕十学位论文 圈7 1 夹套温度控制流程图 f i g 7 1p r o g r a mf l o w c h a r tf o r j a c k e tt e m p e r a t u r e 图7 2 夹套温度控制曲线 f i g 7 2j a c k e tt e m p e r a t u r ec o n t r o lc u r v e 卜夹套温度给定值2 一夹套温度实际值3 一晶闸管导通角( 量程0 1 0 0 ) 7 2 釜温模糊一p 1 0 复合控制应用 根掘间歇式反应釜工艺流程，升温段和恒温恒压段为整个控制工艺的难点。本系统 模拟了这两段控制过程，首先令釜温给定值按0 1 5 。c 2 0 s 的给定速率上升( 采样周期丁 为2 0 s ) ，当达到期望稳定值后( 这里设为7 0 。c ) ，给定值增益自动调整为零。该系统的主 模糊控制在间歇式反应釜上的戊_ l f j 研究 要扰动为冷却水的温度五，和釜内压力a 。参照第5 章设计的模糊一p i d 复合控制器， 此时的模糊控制系统如图7 3 所示。 图7 3 釜温控制框图 f i g 7 3t h er e a c t o rt e m p e r a t u r ec o n t r o lf i g u r e 图中，反应釜的温度不为0 1 ( 3 0 9 c ，经温度变送器( 热电阻p t l 0 0 ) 转换成4 - 2 0 m a 的 标准信号送入p l c ，p l c 的模拟量输入模块直接将4 - 2 0 m a 信号转化为0 - 2 7 6 4 8 的数字 量，在本文第3 章介绍的p l c 程序设计中，调用f c l 0 5 功能块，再将0 2 7 6 4 8 的数字 量转化为o 1 0 0 实际的工程量，送给上位机作为温度测量反馈值p v 。误差 e ( t ) m s p p v ，其采样序列值为p ( 七) ；误差变化率e ( f ) d e ( t ) d t ，其采样序列为 p ) = i e ( k ) 一e ( k 一1 ) i t ，其中r 为采样周期。模糊控制器输出为0 1 0 0 的数字量从 上位机传回给p l c ，p l c 调用f c l 0 6 功能块将o - z o o ( o 表示阀门全关，l o o 表示阀门全 开) 的数字量转成冷却水电动阀能够接受的4 - 2 0 m a 的电流信号，实现冷却水阀门开度调 节，从而实现釜内温度控制。 结合现场升温快、降温慢的特性，本系统采用位式模糊p i d 复合控制策略1 3 2 - 3 5 i ， 其算法软件设计流程见图7 5 所示。 当i e ( k ) | 3 。c 时， 位式控制， 当l 。cti e ( k ) is3 。c 时，模糊控制， 当l e ( k ) i 蔓1 。c 时，p i d 控制 当i e ( k ) 卜3 。c 时，即大偏差时采用位式控制有利于加快调节速度，系统响应快； 接着是1 9 c ( i e ( k ) ls3 。c 状态，这时采用模糊控制，响应速度快，有利于抑制系统产 大连理工大学硕士学位论文 生超调；最后是l e ( k ) isl 。c 状态，利用p i d 调节有利于消除系统静差和抑制干扰。整 个控制策略中两个阀值的设置很重要，如果位式控制和模糊控制间切换的阀值过大，则 系统响应速度慢，过小则系统超调过大，达到稳态所用的时间长。模糊控制和p i d 控制 间转换的阀值过小会出现小幅振荡，导致稳态误差加大。两个阀值是通过多次的实验确 定的。 图7 4f u z z y p i d 算法流程图 f i g 7 4t h ef l o wo ff u z z y p i da r i t h m e t i c 由表5 4 给出的输出值u 模糊论域转换成“。基本论域的值。两者之间存在线性关 系，即 一d u + ， ( 7 1 ) 考虑到经过p l c 量程变换后，在组态软件里的阀门开度变化范围为0 。1 0 0 。这样， u 一- 6 时，u 。一0 ：u - 6 时，u 。- 1 0 0 。代入式( 7 2 ) 线性方程组并解出d 和，从而 得出线性关系 “d - 8 3 3 u + 5 0 ( 7 2 ) 将表5 4 中u 代入式( 7 2 ) ，求出，把它存放到计算机内存中，并在上位机中编 制一个相应的查询的子程序。 在实际控制过程中，模糊控制器只需进行以下几步工作： ( 1 ) 每一控制周期中采样系统的输出p v ，并求取实际的即时偏差e 似) 和偏差变化率 巳 ) 模糊控制在间歇式反府釜上的f 赶朋研究 e ( k ) s p p v ( 7 3 ) 巳 ) 一e ( k ) - e - 1 )( 七，0 ，1 2 n ) ( 7 4 ) ( 2 ) 判e ( k ) 是否在模糊控制的范围内，若在将实际的e ( t ) 和巳 ) 分别乘以量化因 子k l 和k ，取得离散分档值e 和e c 。 ( 3 ) 以e 和e c 离散分档值查找表5 4 相应的行列，经过式( 7 2 ) 的变换后即可得输 出量，加到被控对象。 p i d 部分算法采用5 1 节所介绍的增量式控制算法，其主体程序段为： c o = ( 1 0 0 p 1 d b ) + ( 14 - b a l _ t i m e t i + t d b a tt i m e ) e l = ( 1 0 0 p i dp b ) + ( 14 - 2 t d b a t _ t i m e ) ( 一1 ) c 2 = ( 1 0 0 | p i d _ p b ) t d | b d j i m e u k = u k 4 - u r u u = - ( c o e k 0 4 - c l e k l + c 2 + e k 2 ) p i d _ u u v a l u e = u u p i d _ o u t v a l u e = u k e k 0 = p i d _ p v v a l u e p i d _ s p v a l u e e k 2 = e k l e k l = e k o 其中，采样时间b a l t i m e = 2 0 s ，比例增益k p = 8 0 ，积分时间王- - 4 8 0 s ，微分时间 瓦= 3 0 s 。间歇式反应釜温度控制效果如图7 5 所示。 幽7 5 模糊一p i d 控制釜温跟踪控制效果幽 f i g 7 5f a z z y - p dc o n t r o lt e m p e r a t u r et r a c k i a gr e s u l to fb a t c hr e a c l o r 大连理 大学硕十学位论文 卜釜温给定值2 一釜温实际值3 一夹套温度给定值4 夹套温度实际值 7 3 控制效果分析 间歇式反应釜的化工生产过程，一般分为四个阶段：( 1 ) 对反应釜加热升温；( 2 ) 达 到一定温度后釜内反应开始，放出热量；( 3 ) 恒温反应阶段；( 4 ) 反应完成，降温回收成 品。而升温阶段和恒温阶段及两者之间的转折为控制的难点，本套装置模拟了这两个过 程。升温段控制首先给定釜温的初始温度和增长速率，待达到期望稳定值后，增长速率 自动改为0 ，给定值恒定，进入恒温段控制。控制效果如图7 5 所示，纵坐标为温度值 ( 0 。1 7 0 。c ) ，横坐标为时间，其中曲线1 为釜温的给定值，曲线2 为釜温的实际值，曲 线3 为夹套温度的实际值，曲线4 为夹套温度给定值。 间歇反应釜本身是一个复杂的被控对象，虽然可以用以下数学模型来描述： g 。) - 瓦i c e - 面。j ( 7 5 ) 但是在实际控制过程中，由于外界的随机干扰，釜内物料装入量以及循环冷却水温 度变化等因素的不同，直接影响着k ，f ，等参数的变化，因此，反应釜本身有很大 的不确定性。从图中我们也可以看出，釜温具有大滞后，特性参数不确定等特点。采用 模糊- p i d 复合控制整个控制过程釜温都以较高精度跟随给定值，控制效果令人满意。 实验证明本文所述的模糊一p i d 复合控制在大滞后、参数不确定和惯性大的间歇反应釜 控制系统中起到了很好的控制效果，同时这种方法对其它的大滞后，特性参数不确定等 控制对象都有很好的参考价值。 7 4 釜温p i d 控制应用分析 为了验证模糊- p i d 复合控制的控制性能，本文又在相同条件下，对釜温p i d 控制 作了控制试验。由于p i d 算法只是在系统模型参数为非时变的情况下，才能获得理想的 控制效果。当一个调整好参数的p i d 控制器被应用到模型参数时变系统时，系统的性能 会变差，甚至不稳定，采用常规p i d 调节器对反应釜进行控制很难收到良好的控制效果， 图7 6 为p i d 控制器对釜温控制的效果图，由图我们可以看出，面对反应釜这样的具有 较强不定性的受控系统，当对受控对象的特性尚未完全掌握，系统本身又存在不可忽视 的不定性时，一般的p i d 无法实现精确控制，很难使被控制对象达到平衡状态，经常出 现震荡的现象。并且p i d 控制温度的主要缺点在于系统响应时间与超调之间存在着不易 解决的矛盾，尤其是在升温段与恒温段切换时釜温具有较大的超调量，采用智能型控制 策略是最佳的选择。 模糊控制在间歇式反应釜上的戍埘研究 图7 6p i d 控制釜温控制效果图 f 追7 6r e a c t o rt e m p e r a t u r eo fp i dc o n t r o l 卜釜温给定值2 一釜温实际值3 一夹套温度给定值4 一夹套温度实际值 7 5 小结 ( 1 ) 模糊控制可以实现快速升温，且超调小。 ( 2 ) p i d 控制可以消除稳态误差，但在控制有滞后的对象时要有相应的措施。 ( 3 ) 模糊一p i d 的复合控制策略控制反应釜温度，既可以获得快速、超调小的模糊 控制的优点，又可以在获得p i d 控制可以消除稳态误差的优点。 ( 4 ) 在抑制和消除干扰方面，模糊控制和p i d 控制在各自的控制区域内都能充分发 挥各自的优势，避开各自的弱点。 ( 5 ) 实际控制结果和仿真结果相一致，这也说明了仿真分析对系统设计的指导作 用。 所以，模糊- p i d 复合控制的控制策略在i 日j 歇式反应釜温度控制应用中是成功的。 大连理工大学硕士学位论文 结论 本文对间歇式反应釜工艺流程、控制的难点及其常用的控制策略，在参阅了大量文 献基础上，傲了全面的阐述。针对大连理工大学工业装备先进控制系统辽宁省重点实验 室的间歇式反应釜系统硬件构成的特点，搭建了基于现场仪表层、下位机控制站和上位 机操作站的三层监控系统，并在此基础上实现了反应釜的常规p i d 控制算法和模糊一p i d 复合控制算法。在系统开发的各个过程中，本文的主要工作体现在如下几个方面的工作： ( 1 ) 本文先分析了间歇生产过程控制存在的难点，间歇生产过程控制系统中常用的 控制策略，简单介绍了整个系统的工艺流程。根据控制系统所需的模拟量及开关量输入 输出点数，进行了p l c 的选型和设备的安装调试，搭建了一个可以进行先进控制算法 研究的监控系统平台。 ( 2 ) 本间歇反应装置是一个大滞后系统，响应速度缓慢，参数变化不稳定，如果采 用常规的p i d 控制方法，难以达到控制要求，因此提出了模糊- p i d 的复合控制策略。 首先，应用m a t l a b 仿真软件进行了模糊一p i d 复合控制算法和常规p i d 算法进行仿真研 究比较，从而得出结论：常规的p i d 控制器存在稳定性与准确性的矛盾；而模糊一p i d 复合控制器能够克服模糊控制和p i d 控制的缺点，具有超调量小，过渡时间短，控制稳 定且控制精度高，稳态偏差小的特点。并将上述两种算法应用于间歇反应釜的实际控制， 实验证明，本文所提出的模糊一p d 复合控制策略，不需要被控对象的精确数学模型， 在大滞后、参数不确定和惯性大的间歇反应釜控制系统中工作稳定、可靠性高、适应性 好、鲁棒性强。同时这种方法对其它的大滞后，特性参数不确定等控制对象都有很好的 参考价值。 虽然本文对于间歇式反应釜温度控制的研究取得了一些成果，但是对于实际的批量 生产过程控制，仍然存在大量理论和实际的问题还有待于进一步研究： ( 1 ) 该监控系统暂时未考虑下位机p l c 和上位机的冗余问题；随着i n t e m c t 应用的 普及，监控系统的网络化已经成为不可逆转的趋势，上位机软件也可作进一步的开发， 形成基于w e b 的监控软件，本文提出的监控系统还不能支持网络监控功能，但已经在 硬件和软件上作了很多准备工作，今后可以在已有的监控系统基础上进行二次开发，使 现场情况能够通过以太网进行远程监控。 ( 2 ) 模糊控制的核心思想在于它用具有模糊性的语言条件语句作为控制规则去执 行控制。控制规则往往是由对被控过程十分熟悉的专门人员给出的，所以模糊控制在本 质上来说是一种专家控制。这种控制的控制规则充分反映了人的智能活动，但它的缺点 在于其主观性比较大，不能按给定的控制性能指标进行优化设计本文设计的模糊- p i d 一5 1 模糊控制在间歇式反应釜上的应用研究 复合控制器虽然具有较好的控制品质，但是由于控制规则不能进行自整定，所以并不能 更充分地发挥该智能控制器的优点。所以今后可以考虑利用在线自调整模糊控规则的模 糊- p i d 控制器来进行间歇反应过程控制系统的研究。 一眈一 大连理工大学硕士学位论文 参考文献 1 邵惠鹤工业过程高级控制上海：上海交通大学出版社，1 9 9 6 2 李平。王子威间歇聚合反应过程的计算机控制及先进控制技术应用进展化工进 展，2 0 0 4 ，2 3 ( 8 ) ：8 4 1 - 8 4 6 3 j i ez m o d e l i n ga n d0 p t i m a lc o n t r o lo fb a t c hp r o c e s s e su s i n gr e c u r r e n tn e u r o f u z z y n e t w o r k s i e 髓t r a n s a c t i o n so nf u z z ys y s t e m s ，2 0 0 5 ，1 3 ( 4 ) ：4 1 7 4 2 7 4 张泉灵，王树青间歇化学反应温度先进控制系统高校化学工程学报，2 0 0 1 ，1 5 ( 2 ) ：1 9 5 1 9 9 【5 o z k a ng ，h a p o g l uh ，a l p b a zm c h e m i c a le n g i n e e r i n ga n dp r o c e s s i n g ，1 9 9 8 ，3 7 ：1 2 5 1 3 9 6 孙小方，蔡亦军，潘海天间歇化学反应器的先进控制技术化工时刊，2 0 0 2 ，1 5 ( 1 1 ) ：卜5 7 s c h e n k e rb a g a r w a li lp r e d i c t i v ec o n t r o lo fab e n c h - s c a l ec h e m i c a lr e a c t o rb a s e do n n e u r a l n e t w o r km o d e l s i e e et r a n sc o n t r o ls y s tt e c h ，1 9 9 8 ，6 ( 3 ) ：3 8 8 4 0 0 8 t s e na yd ，j a n gss ，w o n gd ，j o s e p hb r u l e - b a s es t r u c t u r ei d e n t i f i c a t i o ni na n a d a p t i v e - n e t w o r k - b a s e df u z z yi n f e r e n c es y s t e m i e e et r a n s o nf u z z ys y s t e m ，1 9 9 6 ，4 2 ( 2 ) ： 4 5 5 - 4 6 5 9 李勇彪，孙正贵，赵清杰间歇聚丙烯生产的智能控制方案工业仪表与自动化装置，2 0 0 2 ，5 ：1 5 - 1 8 1 0 d o n gd ，m c a v o ytj m u i t i - s t a g eb a t c hp r o c e s sm o n i t o r i n g a m e r i c a nc o n t r o lc o n f e r e n c e s e a t t l e 眠1 9 9 5 ：2 1 2 3 1 1 朴春俊，陈彩莲模糊控制在聚合反应釜中的应用及仿真研究系统仿真学报，2 0 0 1 ，1 3 ( 5 ) ： 5 5 8 5 6 0 n 2 诸静模糊控制原理与应用北京：机械工业出版社，2 0 0 5 1 3 】汤兵勇，路林吉模糊控制理论与应用技术北京：清华大学出版社，2 0 0 2 1 4 】李士勇模糊控制和智能控制理论与应用哈尔滨：哈尔滨工业大学出版杜，1 9 9 0 1 5 】n g u y e nht ，k r e i n o v c hv f u z z yc o n t r o l 船au n i v e r s a lc o n t r o lt o o l ，f u z z ys e t s s y s t 。1 9 9 6 ，8 0 3 ：7 1 - 8 6 1 6 】周小燕反应釜智能控制器研究与开发( 硕士学位论文) 南京：南京理工大学，2 0 0 5 1 7 】邹益仁，马增良，蒲维编现场总线控制系统的设计和开发北京：国防工业出版社，2 0 0 3 n 8 】西门子有限公司自动化与驱动集团深入浅出西门子$ 7 - 3 0 0p l c 北京：北京航空航天大学出版 社，2 0 0 5 1 9 】廖常初s 7 3 0 0 4 0 0p l c 应用技术北京：机械工业出版社，2 0 0 5 2 0 r o c l w e l ia u t o m a t i o nc o r p o r a t i o n r s v i e w 3 2u s e r sg u i d e s u s a ：r o c k w e l la u t o m a t i o n ， 2 0 0 2 2 1 万加富，张文斐，张古松网络监控系统原理与应用北京：机械工业出版社，2 0 0 3 2 2 陶永华新型p i d 控制及其应用北京：机械工业出版社，加0 0 2 3 王伟，张晶涛，柴天佑p i d 参数先进整定方法综述自动化学报，2 0 0 0 ，2 6 ( 3 ) ：3 4 7 3 5 5 一5 3 摸糊控制在间歇式反应釜上的应用研究 2 4 l izx ，l i uj ，s u nd c o m p l e xc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ef u z z yp i dc o n t r o la n ds t a t e p r e d i c t o rf e e d b a c kc o n t r 0 1 t r a n s a c t i o n so ns y s t e m sm a na n dc y b e r n e t i c s ，2 0 0 4 ，1 1 ( 1 ) ：9 0 9 4 2 5 p e t r o vm ，c o n c h e vi ，t a n e v a 九f u z z yp i dc o n t r o lo fn o n l i n e a rp l a n t s i n t e l l i g e n ts y s t e m s 2 0 0 2p r o c e e d i n g so f2 0 0 2f i r s ti n t e r n a t i o n a li e e es y m p o s i u m ，p i s c a t w a y ，2 0 0 2 ：3 0 3 5 2 6 张永辉，邵诚，崔波铝粉雾化炉铝液温度模糊- p i d 复合控制大连理工大学学报，2 0 0 5 ， 4 6 ( 0 4 ) ：5 7 3 - 5 7 5 【2 7 】顾慧萍，黄文俊模糊p i d 控制在温控仪中的应用工业控制与应用，2 0 0 5 ，2 4 ( 8 ) ：2 8 3 0 2 8 s p y r o st n i k o l a o spp i n c r e m e n t a lf u z z ye x p e r tp i dc o n t r 0 1 i e e et r a n s a c t i o n so n i n d u s t r i a le l e c t r o n i c s ，1 9 9 6 ，3 7 ( 5 ) ：3 6 5 - 3 7 1 2 9 m i c h a i lp f u z z yp i dc o n t r o lo fn o n l i n e a rp l a n t s 2 0 0 2f i r s ti n t e r n a t i o n a l i e e e s y m p o s i u