【毕业学位论文】(Word原稿)反应釜温度控制技术专家PID与前馈-Smith控制相结合的控制算法-控制理论与控制工程

山东大学硕士学位论文 I 目 录 摘 要 . 1 . 2 第 1 章 绪论 . 1 题来源和研究的背景、意义 . 1 内外反应釜温度控制技术的现状 . 2 应釜温度过程分析 . 3 应釜组成及工作原理 . 3 应釜温度过程分析 . 5 题主要研究内容和关键问题 . 7 要内容 . 7 键问题 . 8 制指标 . 9 第 2 章 控制方案分析 . 10 统 制算法 . 10 制算法原理及特点 . 10 字 制算法及其特点 . 11 和作用及其 抑制 . 13 数的选择 . 13 型 制算法 . 15 能 制种类及应用 . 15 家 制 . 16 估器的 制算法 . 17 馈控制 . 19 制方案确定 . 20 第 3 章 模型参数辨识与算法仿真 . 21 应釜模型参数辨识 . 21 于反应釜模型的算法仿真 . 22 第 4 章 反应釜温度控制系统设计 . 26 片介绍 . 26 心芯片 特点 . 26 他主要芯片介绍 . 27 山东大学硕士学位论文 件电路分析 . 28 温电路 . 28 压模块电路 . 30 晶接口电路 . 30 位机软件设计 . 31 程序 . 32 制算法子程序 . 33 非线性处理 . 35 位机软件设计 . 37 位机功能模块组成 . 37 口通讯实现 . 39 据库管理 . 41 第 5 章 实验与总结 . 43 馈补偿电压测量 . 43 验 . 44 验一 . 44 验二 . 46 验三 . 47 结 . 48 第 6 章 结束语 . 49 附录一 反应釜温度控制实验的部分数据 . 50 附录二 主程序和部分子程序 . 51 参考文献 . 59 致 谢 . 61 山东大学硕士学位论文 . 1 . 2 . 1 . 1 . 2 . 3 . 3 . 5 of . 7 . 7 . 8 . 9 . 10 . 10 . 10 . 11 . 13 . 13 . 15 . 15 . 17 . 19 . 20 . 21 . 21 . 22 . 26 . 26 of 8051. 26 of . 27 山东大学硕士学位论文 . 28 . 28 . 30 . 30 of . 31 . 32 . 33 . 35 of . 37 of . 37 . 39 . 41 . 43 . 43 . 44 . 44 . 46 . 47 . 48 . 49 . . . 59 . 61 山东大学硕士学位论文 1 摘 要 反应釜是化工生产过程中一种重要的反应容器，其内部机理复杂， 因反应物 种类、浓度等因素 不同伴有不同的吸、放热过程，对温度过程的控制 影响较大，是典型的大惯性、大滞后、非线性系统，控制起来非 常困难，传统控制算法很难 在反应釜的 温度控制上得到满意的效果，从控制的角度来看，反应釜属于最 难控制的过程之一。 以反应釜的温度作为被控对象，在分析了反应釜工作过程的能量转移的基础上，给出了反应釜温度过程的数学模型，并通过阶跃响应建模法，对反应釜温度过程模型进行了参数辨识，得出反应釜温度过程的传递函数。针对传统控制方法无法满足具有大惯性、大滞后的反应釜温度的高精度控制，提出了专家 前馈 制相结合的控制算法，并在 对算法进行了建模、仿真 ，仿真图形 以及下面的实验结果都验证了该算法对大惯性、大滞后系统控制的有效性。 在此基础上，设计了以 片 机为核心的上、下位机相结合的反应釜控制系统，通过 行上、下位机的串行通信。 下位机控制器 是整个控制系统的核心，它具体地实现控制算法对反应釜温度的控制，还 包括按键、 示、扩展存储器存储、温度数据测量、算法运算、调温电压输出以及和上位机串行通讯等功能；上位机采用 行软件编程，包括对下位机发送控制命令、接收数据并显示存储、数据库管理等功能 ，有了上位机就可以存储大量的温度测量数据，并对历史温度数据的变化分析、总结控制算法的控制效果 。 上、下位机的结合提高了人机交互的智能 性。在该反应釜控制系统 上，分别采用传统 制算法和 专家 前馈 制相结合的控制算法 进行反应釜温度控制实验，并通过上位机提取历史数据绘制温度响应曲线图，实验结果表明 专家 前馈 制相结合的控制算法可以克服大惯性、大滞后的影响，实现对反应釜温度过程的快速、精确控制。 关键词 ：反应釜； 专家 制； 前馈 制； 片机；串行通信 山东大学硕士学位论文 2 is a of in is to is by of is of as on of of of is By of of is is of ID is to is to 8051is is of to is of in of is of to to so a of be by of of ID ID in to in of ID is to 山东大学硕士学位论文 3 东大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 题来源和研究的背景、意义 本课题为威海市与山东大学威海分校共建科研攻关项目，我校与威海化工机械厂共同承担，化工机械厂提出技术要求和相应技术指标，我校承担研制，化工机械厂提供实验条件，共同实验并完善产品，共同推向市场。温度是化 学反应 过程中 的 重要条件，温度控制的精度直接决定了化工产品的品质和质量，过大的超调温度不但影响产品的质量，而且可能引发生产事故，特别是 科研用的反应釜的温度控制要求精度更高。而反应釜的温度对象具有大滞后、大延时、非线性等特点，针对这种对象如何精确控制反应釜的温度是当今控制理论的一大难点，同时又是现代化工过程急需解决的问题，为此，提出了专门针对反应釜温度控制算法的研究课题。 反应器是化工生产中实现化学反应的主要设备 之一 。按照 反应器内部反应物状态不同，反应条件不同，反应过程的热效应不同 ，可以 将 反应器 分为 很多结构和种类，如 冶金工业中的高炉和转炉，生物工程中的发酵罐以及各种燃烧器，都是不同形式的反应器， 而反应釜就是其中一类非常重要的反应容器。它在反 应过程中的参数较多 ，如原料纯度、催 化剂的类型、原料添加数量的变化、循环水、加热 温度、流量的变化等，对系统的影响较大，使 得反应釜系统 具有较大的时变性 和滞后性，控制起来非常困难 1。 反应釜作为温度控制的典型代表，其化学反应常常伴有大量的吸热、放热过程，加之反应釜本身具有的 大 滞后性和大惯性等特点， 难于进行精确的温度控制 ，然而生产过程经常在高温、高压、易燃、易爆等环境下进行，生产的安全性至关重要 12，所以反应釜反应过程温度 的 精确控制 不仅是生产过程质量的表征，更多时候是化工生产过程安全性的标准，因此高性 能、高精度、高可靠的反应釜温度控制系统的研制是提高生产效率、改善劳动条件、保证生产安全的必然措施 2。 因此，基于反应釜的先进控制策略的研究是一种具有实际意义的工作 。 并在基于片机控制器上实现反应釜温度的全过程自动控制和监测，包括升温、稳定温度等流程，以期达到先进控制算法在实际控制系统中的应用，从而更深入地理解复杂系统过程控制的特点。 山东大学硕士学位论文 2 内外反应釜温度控制技术的现状 早期的反应釜自动控制装置主要采用单元组合仪表组成，但是由于反应过程存在严重的非线性和时滞特性，早期的反应釜控制无法 达到较理想的控制 精度， 且很容易产生较大的超调， 后来有人使用 为控制器，控制精度有了的提高，但难于进行复杂的过程控制 ，快速性和稳定性不能满足要求 1。控制理论在反应釜温度控制 的应用上，早期的反应釜控制系统多为两点 式调节的单回路调节系统，后来人们越来越多地使用 统的 制是一种基于过程参数的控制方法 ,具有控制原理简单、稳定性好、可靠性高、参数易调整等优点 13,但其设计依赖于被控对象的 精确数学模型 ,在线整定参数的能力差 ,而反应釜很难 建立精确的数学模型 ,不能满足系统在不同条 件下对参数 自整定的要求 ,故传统 制难以满足高精度反应釜的过程控制。随着控制理论的发展，尤其是智能控制理论的发展，人们开始研究智能化的反应釜温度控制器。 自上世纪 70 年代以来，由于 工业过程控制的需要，特别是 计算机控制技术在工程中的应用以及 经典、 现代控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制技术得到迅速发展，并在智能化、参数自整定等方面取得一定成果，在这一方面，以日本、美国、德国、瑞典等国家技术领先，他们都生产出了 参数自整定、高性能 的温度控制器及 应用于各行各业的 仪器仪表，它们的特点 主要有以 下这些方面 45: （ 1）适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。 （ 2）能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。 （ 3）能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。 （ 4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等先进控制理论及计算机技术，先进的算法适应的范围广泛。 （ 5）普遍温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以 保证控制效果的最优化。 （ 6）温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。 目前，我国在温度控制系统方面总体技术水平相对 欧美和日本 落后，成熟产品主要以 “ 点位 ” 控制及常规的 制器为主，它只能适应一般线性温度系统控制，难于控制 具有大 滞后、 大 惯性、时变温度系统 。我国在温度控制仪表业与国外的差距主要表现在这 几个方面 6：行业内企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，制约技术发山东大学硕士学位论文 3 展 ； 商品化产品以 制器为主，智能化仪表少，国内企业 对复杂 及精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪表 ； 在仪 表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品， 但国内还没有开发出性能可靠的自整定软件， 控制参数大多靠人工经验及现场调试来确定 。 结合温度控制技术 的发展，多年来，许多学者在反应釜 温度控制 问题上做了大量的探索并提出一些有效的解决方案 ,它们包括 78: （ 1） 出的双模控制（ 采用 制，其大体步骤为：控制过程开始时，全速加热，直至反应釜温度距其设定值 ，返回全力冷却，持续 钟，此后将夹套水温设定值设在某个合适的中间 温度，持续 钟，最后用串级 制器控制夹套水温。如果参数选取得当，双模控制 还是 有效的 9。 （ 2） 出将反应热作为一种扰动，采用适当的方法估计出来，用前馈抵消， 余下的部分近似为线性系统，可以用 制。 （ 3） 用 般模型控制 )方法控制