小型反应釜仿真设计

摘要

反应釜是一种常用的化学反应容器，其内部反应机理较为复杂。研究通

过控制其过程参数而控制化学反应过程，以提高产品的收率和质量H勺措施，

对化工生产和生物制药等工业很有实用价值。

本文全面的分析了反应釜温度变化H勺特点以及控制难点，在对反应釜夹

套加热系统的传热原理系统分析H勺基础上，根据热量平衡原理和反应釜的热

量传递关系，采用机理建模和阶跃响应曲线措施建立了釜内温度的数学模型，

并运用试验数据和理论分析验证了模型的有效性。

关键词：反应釜；串级控制；MATLAB仿真；温度控制

Abstract

Thereactionkettleisakindofcommonchemicalreactioncontainers,its

internalreactionmechanismismorecomplicated.Researchthroughthecontrol

ofitsprocessparametersandthecontrolofchemicalreactionprocess,toimprove

theyieldandqualityproductswiththemethodofchemicalproductionand

biologicalpharmaceuticalindustry,etchavepracticalvalue.

Thispaperanalyzedthecharacteristicsofthereactionkettletemperature

changeandcontrolthedifficulty,inthereactionkettleclipsetofheatingsystem

oftheheattransfertheorysystemonthebasisofanalysis,accordingtothe

quantityofheatbalanceprincipleandthereactionkettleofheattransferofthe

relationship,usingmechanismmodelingandstepresponsecurvemethodto

establishthemathematicalmodeloftemperatureinthekettle,andtheutilization

ofthedataandthetheoreticalanalysisverifytheeffectivenessofthemodel.

Keywords:thereactionkettle；cascadecontrol；MATLAB：thetemperature

control

目录

摘要.........................................

Abstract.....................................................................................

第1章绪论.......................................

1.1课题背景..................................

1.2课题H勺目的与意义.........................

第2章控制方案确实定............................

2.1反应釜的构造及工作原理...................

2.2反应釜釜底温度特点分析...................

2.3反应釜控制系统设计指标确实定............

2.4方案比较..................................

2.4.1单回路控制系统设计..................

2.4.2串级控制系统设计....................

2.5方案确定..................................

本章小结......................................

第3章系统硬件设计........................

3.1主、副调整器的选择........................

3.2主、副调整器的I作用方式...................

3.3温度变送器................................

3.4调整阀的作用方式..........................

本章小结......................................

第4章MATLAB仿真设计及成果...................

4.1模拟PID算法及规律........................

4.2单回路控制系统仿真.......................

4.3串级控制仿真..............................

本章小结......................................

结论.............................................

致谢.............................................

参照文献..........................................

附录1译文........................................

附录2英文参照资料...............................

第1章绪论

1.1课题背景

化工生产在我国的国民经济建设中占有很重要的地位。其生产过程往往

伴随有物化反应、生化反应、相变过程等，过程机理十分复杂。化工过程的

被控对象往往是高维、大时滞、严重不确定与非线性等，控制起来非常困难。

化工生产常常在高温、高压、易燃、易爆等环境下运行，生产H勺安全性至关

重要。

研究化工生产过程巨动检测和控制技术，是适应现代信息技术革命和信

息产业革命的需要，也是提高生产效率、改善劳动条件、保证安全生产的必

然措施。在我国由于大中都市科学技术和工业自动化的发展步伐较快，近年

来某些生产规模不大，而具有一定危险性的化工生产项目转移到农村和小都

市，并常有爆炸、起火等安全事故发生。因此对于智能化检测和控制装置口勺

呼声日益增高。由于许多化学工业、生物制药工业具有规模小、产品更新快

的特点，使得多数的、小规模的反应釜、培养皿生产方式将长期存在下去。

因此，针对这种化工生产特点所进行的智能检测和控制方面的研究及产品开

发将长期进行下去，并不停深化。

在反应釜、培养皿等化工容器内完毕的化学工业过程口勺特性参量一般为

温度、压力、浓度等，这些参量是化工过程自身的属性的体现。它们不仅是

化工生产过程质量好坏的表征，并且在诸多时候也是化工生产过程安全性（例

如与否爆炸、起火等）的表征。因此，通过测量并校正这些参数，以保证化

工生产过程的质量和安全性是十分重要日勺。

1.2课题的目的与意义

反应釜是化工生产中的一种十分常见的I反应容器。在十几年前，反应釜

的控制几乎完全是靠手工操作。手工操作不仅操作工的劳动强度大，控制精

度不高，且操作不妥，极易引起安全事故。近年来，伴随电子技术和自动控

制理论的发展，人们开始研究多种反应釜自动控制装置。

在我国，目前也出现了某些反应釜智能控制器的研发与应用。初期日勺反

应釜自动控制系统较为简朴，大多是使用某些单元组合仪表构成位式控制装

置，由于化学过程中存在较严重口勺非线性和时滞性，这种简朴口勺控制方式难

以到达预期的控制精度，且往往因出现超调而导致失误。后来有人使用PLC

作为控制器，较大地提高了控制精度，但这种控制方式难以合用较复杂的过

程控制，在通信和管理方面也存在诸多缺陷。

近年来，以微控制器或工业微机为关键H勺多种反应釜内化学过程控制系

统开发研究控制系统成为反应釜过程控制的J主流。在控制理论口勺运用上，初

期的反应釜控制系统多为两位式调整的单回路调整系统，对于重要的环节设

计有串级调整系统。

第2章控制方案确实定

2.1反应釜的构造及工作原理

反应釜有间歇式和持续式之分。间歇反应釜一般用于液相反应，如多品

种、小批量的制药、燃料等反应。持续反应釜用于均相和非均相的液相反应，

如聚合反应等，本文研究H勺对象为间歇式反应釜。反应釜H勺基本构造如图2-1

所示，由搅拌容器和搅拌机两大部分构成。搅拌容器包括筒体、换热元件及内

构件。搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。釜体为一

种钢制罐形容器，可以在罐内装入物料，使物料在其内部进行化学反应。为

了测量釜内的各项参数，在罐内装有钢制的套管，可将多种传感器放入其中。

图2-1反应釜构造示意图

在进行化学反应之前，先将反应物按照一定的比例进行混合，然后与催

化剂一同投入反应釜内，在反应釜的夹套内导入蒸汽加热使釜内物料口勺温度

升高♦，通过搅拌器的搅拌使物料均匀并提高导热速度，使其温度均匀。当釜

内温度到达预定的温度时，保持•定期间的恒温以使化学反应正常进行，反

应结束后进行冷却。有时在恒温后还要进行二次升温和恒温。恒温段是整个

工艺H勺关键，假如温度偏高或偏低，会影响反应进行内深度和反应口勺转化率，

从而影响了产品H勺质量。化学反应过程中一般伴有强烈H勺放热效应，并且反

应的放热速率与反应温度之间是一种正反馈自激的关系。也就是说，若某种

扰动使反应温度有所增长，反应口勺速率就会增长，放热速率也会增长，会使

反应温度深入上升，甚至会引起“聚爆”现象，使釜内的产品变成废品，并

且会影响安全生产。按照工艺规定，这些反应一般要通过加热、恒温、冷却

等过程，当原料配比、浓度确定后来，精确控制反应的温度是保证产品质量

和产量的关键。

为了使釜温稳定，在夹套中通以一定的冷却介质，来移走反应放出的多

出热量。通过调整流入反应釜夹套中冷却介质H勺流量，来控制反应釜内物料

H勺温度使之符合工艺规定。

本课题使用口勺是间歇式反应釜。在实际使用中需要检测釜内的温度、压

力和液位三种状态信号，系统的重要控制的参数是温度，反应温度设定在

80℃。液位的控制重要在加入原料、物料等阶段，在抵达指定液位后，系统

将自动关闭进料阀门。

2.2反应釜釜底温度特点分析

根据反应釜的工作特性分析成果可知，反应釜内的工作温度对化学反应

有极大的影响。在分析对象的特性时，为了便于分析作了许多的简化和假设,

如：忽视了热互换中H勺能量损失、忽视了反应过程中许多复杂H勺化学现象和

不确定原因、对方程进行了近似的处理等等。实际上作为被控对象的反应釜

工作温度与一般的工业交象对比，重要有如下几种方面时特点：

1.大时滞性

反应釜一般在反应之初加热使反应釜内到达所需的温度。在反应过程中

伴有很强口勺热效应，导致反应釜内温度急剧升高，此后在夹套中通以液态氮

带走多出H勺热量，以使釜内温度减少。但由于反应釜内与外界热互换重要依

托反应釜H勺间壁进行热传导，内壁对整个釜内加热也需要一定H勺时间，因此

导致系统体现出很大H勺时滞效应。

2.时变性

反应釜内H勺温控特性重要取决于釜内化学反应的剧烈程度，而整个生产

过程从起始升温、中间恒温到最终降温，对象具有明显的时变性。并且，就

某一种详细的阶段而言，由于化学反应的速度不稳定，导致过程的增益、惯

性时间和纯滞后也会发生对应的变化。

3.非线性

对于一种温度过程系统，都并存在传导、对流和辐射三种形式H勺传热，

只是在不一样R勺阶段多种传热形式所占的比例不一样。实际上，只有一维导

热可以看作是线性的J,辐射热量是绝对问题的四次方函数，对流传热受多种

原因H勺影响，一般也是非线性rJ。在整个温区内，被控对象的动态参数伴随

温度口勺变化而变化，在工作点附近的小温度范围内，其动态特性可以当作近

似线性的I。针对被控对象的上述特点，应综合考虑系统的鲁棒性和迅速性的

规定，提高温度测量口勺精度和测量稳定性。最终设计和开发出可靠性、稳定

性好，系统的性价比高的控制器。

2.3反应釜控制系统设计指标确实定

根据规定，本课题设计H勺反应釜控制系统规定对某化学反应实现过程控

制。控制系统的重要控制功能为自动地实现釜温控制，釜温一时间曲线由原

则制式或由操作人员从人机接口设置其中原则制式规定釜温到达如图2-2

所示H勺变化规律。

图中升温部分用虚线描绘，表达对升温时间的规定不是很严格，只要保

证超调量不是太大即可。到达反应温度后，要保持釜温在80℃约90分钟。

降温阶段有一定期间规定，在20分钟内冷却到30℃即可，此后使其自然冷

却。

自动工况即对应于反应釜过程温度一时间原则制式。在加热和冷却工况

下，规定釜温从实际温度变化到设定温度，然后使反应釜在设定期间内维持

在设定温度。同步，系统具有定期功能。除自动工况外，其他工况均可进行

时间设定，即开机状态可设置定期关机，关机状态可设置定期开机。

本系统的测温范围规定为0~100℃。自动工况下，升温阶段H勺控制精度

规定不是很高，升温结束阶段向恒温阶段切换时的超调量规定不超过5℃。

恒温阶段H勺控制精度规定较高，规定绝对误差不超过±2C。

2.4方案比较

单回路控制系统设计

在工业生产过程中，如图2-3所示的间歇式反应釜如进料管，出料管，

搅拌器，冷热剂出口，反应室，夹套等设备应用十分普遍，为了保证生产正

常进行，冷热剂进出需均衡，以保证过程的温度平衡。因此，工艺规定釜底

温度维持在给定值上下，或在某一小范围内变化。

1.被控参数的选择：根据工艺所知，釜底温度规定维持在给定值上下，

因此直接选用釜底温度为被控参数。

2.控制参数的选择：从间歇式反应釜的生产过程来看，影响釜底温度有

两个量，一是通入夹套内冷剂的）流量，二是通入夹套内热剂的流量。调整这

两个流量日勺大小都可以变化釜底温度，这样构成釜底温度控制系统就有两种,

系统框图如图2-4所示。这两种方案具有相似的框忤构造以及相似的系统特

性。因而控制参数选择冷剂或热剂。

冷（热）剂

图2-3单EI路控制系统方案示意图

图2-4单回路控制系统框图

串级控制系统设计

间歇式反应釜是工业生产中常用的设备之一，工艺规定反应物反应所需

要的温度为给定值。因此常取釜底温度为被控参数，选用冷剂流量或热剂流

量为控制参数。影响釜底温度的J原因有诸多，重要有反应物的温度、搅拌器

的J搅拌速度、反应物U勺浓度等。串级控制系统控制方案示意图，如图2-4所

示。串级控制系统框图如图2-5所示。

中间被控变量：冷剂或热剂管道；

操纵变量：冷剂流量或热剂流量。

图2-4串级控制系统方案示意图

2.5方案确定

在间歇式生产化学反应过程中，当反应物投入反应釜后，为了使其到达

反应温度，往往在反应开始前需要给它提供一定的热量。一旦到达反应温度

后，就会伴随化学反应的进行不停释放出热量，这些热量如不及时移走，反

应就会越来越剧烈，以致会有爆炸的J危险。因此，这种间歇式化学反应器既

要考虑反应前的预热问题，乂要考虑反应过程中及时移走反应热的问题。

化学反应釜作为被控对象有其特殊性。本论文通过研究反应釜的构造和

工作原理，选用温度作为控制参量。针对本课题提出的规定，以研究实现小

型实用反应釜的控制系统为目的，重要将开展了如下几种方面H勺研究工作：

1.分析反应釜H勺过程特性；根据反应釜的内部构造以及工作原理，对其

动态特性做出合理的定量分析。

2.总体控制方案与控制方略的）研究；根据对反应釜动态特性的分析，确

定以反应釜的温度为被控对象。PID控制具有稳态精度高的特点，使被控变

量具有良好的动态特性和静态特性。

3.与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一-种测量变送器与--种

控制器，增长的投资并不多，但控制效果却有明显的提高。其原因是在串级

控制系统中增长了一种包括二次扰动的副回路，使系统改善了被控过程的动

态特性，提高了系统H勺工作频率；对二次干扰有很强的克服能力；提高了对

一次扰动H勺克服能力和XV回路参数变化H勺自适应能力。

综合以上原因，选择串级控制方案。

本章小结

本章重要分析了反应釜口勺工作原理，反应釜釜底温度欧I特性，确定了课

题任务的功能指标与技术指标，比较单回路控制系统与串级控制系统对于课

题完毕的优劣，并确定了以串级控制系统为最终设计方案。

第3章系统硬件设计

3.1主、副调整器的选择

控制器的选型重要根据被控过程的特性、工艺对控制品质H勺规定、系统

口勺总体设计来综合考虑，根据课题的规定，本次设计选择DDZ-HI型调整器。

DD乙IH型调整器是in型电动单元组合仪表中的一种重要单元。它接受变

送器或转换器的DC1-5V或DC4~n】A测量信号为输入信号，与DC1~5V或

DC4〜20mA给定信号进行比较，并对其偏差进行PID运算，输出DC4〜20mA

原则统一信号。

DD乙III型仪表由于采用了线性集成电路，因此深入提高了仪表在长期运

行中的可靠性和稳定性。从而扩大了调整器的功能，可构成多种变型调整器,

满足生产过程自动化的需要。

DDZ-HI型PID调整器重要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动

与自动切换电路、输出电路和指示电路构成，如图3-1所示:

指示单元控制单元

测依。给定

指示〒指示

图3-1DDZHI型调整器框图

调整器接受变送器送来口勺测量信号（DC4〜20mA或DCl〜5V）,在输入

电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD与PI电路中进行PID

运算，最终由输出电路转换为4〜20mA直流电流输出。

3.2主、副调整器日勺作用方式

控制器有正作用和反作用两种方式，其确定原贝!是使整个单回路构成负

反馈系统。因而，调整器正、反作用H勺选择同被控过程H勺特性即调整阀H勺开、

关形式有关。被控过程的特性也分为正、反两种，即当被控过程的输入（通

过调整阀口勺物料或能量）增长（或减少）时，其输出（被控参数）亦增长（或

减少），此时称此被控过程为正作用：反之为反作用。构成过程控制系统各环

节的）极性是这样规定口勺：正作用调整器，即当系统的测量值增长时，调整器

的输出亦增长，其静态放大系数0取负；反作用调整器，即当系统的测量值

增长时，调整器H勺输出减小，其静态放大系数心取正。气开式调整阀，其静

态放大系数Ku取正，气关式调整阀，其静态放大系数Ku取负。正作用被控过

程，其静态放大系数凡取正，反作用被控过程，其静态放大系数凡取负。

确定调整器正、反作用次序一般为：首先根据生产工艺安全等原则确定

确定调整阀的开、关形式、然后按被控过程的特性，确定其正、反作用，最

终根据上述构成该系统的开环传递函数各环节H勺静态放大系数极性相乘必须

为正H勺原则来确定调整器的正、反作用方式。

串级控制系统中，必须分别根据多种不一样状况，选择主、副控制器的

作用方向，选择措施如下：

1.串级控制系统中的副控制器作用方向的选择是根据工艺安全等规定，

选定执行器的气开、气关形式后，按照使副控制回路成为一种负反馈系统H勺

原则来确定的因此，副控制器的作用方向与副对象特性、执行器的气开、气

关形式有关其选择措施与简朴控制系统中控制器正、反作用的选择串级调整

措施相似，这时，只是将主控制器的输出作为副控制器的给定就行了

2.串级控制系统中主控制器作用方向的选择可按下述措施进行：当主、

副变量在增长（或减小）时，假如由工艺分析得出，为使主、副变量减小（或

增长），规定控制阀的动作方向是一致口勺时候，主控制器应选“反”作用；反

之，则应取“正”方向。

从上述措施可以看出，串级控制系统中主控制器作用方向H勺选择完全由

工艺状况确定，与执行器的气开、气关型式及副控制器H勺作用方向完全无关,

因此，串级控制系统中主、副控制器的选择可以按先副后生的次序、即先确

定执行器H勺开、关型式及副控制器的正、反作用，然后确定主控制器H勺作用

方向。

在单回路控制系统设计中，要使一种过程控制系统能正常工作，系统必

须为负反馈。对于串级控制系统来说，主、副调整器中正、反作用方式口勺选

择原则是使整个控制系统构成负反馈系统。虽然主通道各个环节放大系数极

性乘积必须为正值。各环节放大系数极性的规定与单回路系统设计相似。

反应釜串级控制系统主、副调整器中正、反作用方式确实定如下：故调

整阀口勺也为正。当调整阀开度增大，冷（热）剂流量增长，反应釜釜底温度

温度升高，故副过程口勺1〈02为正。为了保证副回路为负反馈。则副调整器的放

大系数1<2应取正，即为反作用调整器。由于反应室温度升高，，则反应釜釜底

温度也升高，故主过程的Koi为正。为了保证整个回路为负反馈，则主调整器

H勺放大系数l应为正，即为反作用调整器。

3.3温度变送器

检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统H勺信号原则。变送器H勺任

务就是将检测信号转换成原则信号输出。因此，热电偶和热电阻的输出信号

必须经温度变送器转换成原则信号后，才能进入控制系统，与调整器等其他

仪表配合工作。

图3-2为温度变送器的原理框图，虽然温度变送器有多种品种、规格，

以配合不一样H勺传感元件和不一样的量程需要，但他们的构造基本相似。

检测信号输出电流

传感原件输入电路

图3-2温度变送器的原理框图

3.4调整阀的作用方式

调整阀开、关形式的选择重要是考虑在不一样工艺条件下安全生产的需

要。在选用时，应考虑如下状况。

1.考虑事故状态时人身、工艺设备的安全。当过程控制系统发生故障时,

调整阀所处的状态不致影响人身和工艺设备H勺安全。例如，锅炉供水调整阀

一般采用气关式，一旦事故发生，可保证事故状态下调整阀处在全开位置，

使锅炉不致因进水中断而烧干，甚至引起爆炸危险。

2.考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量。精饰塔是工业生产中

的重要设备之一，其进料调整阀一般选用气开式，这样，在事故状态下调整

阀关闭，停止进料，以减少原料损耗；而回流量调整阀一般选用气关式，在

事故状态下使调整阀全开，保证回流量，以防止不合格产品的蒸出。

3.考虑介质的性质。对装有易结晶、易凝固物料的装置.，蒸汽流量调整

阀选用气关式。一旦事故发生，使其处在全开状态，以防止物料结晶、凝固

和堵塞给重新动工带来麻烦，甚至损坏设备。

综合考虑以上原因，间歇式化学反应釜冷（热）剂调整阀应选择气关式。

本章小结

本章重要进行了主、副调整器的选择，分析调整器的作用方式，确定温

度变送器选型，根据反应釜工作特点确定了调整阀的气关工作方式。为文成

课题打下硬件基础。

第4章MATLAB仿真设计及成果

4.1模拟PID算法及规律

在模拟控制系统中，控制器最常见H勺控制规律是PID控制。常规PID控

制系统原理框图如图4-1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象构成。

图4-1模拟PID控制系统原理框图

在工业现场实际应用中，最为广泛口勺调整器控制规律是比例积分微分控

制，简称PID控制，又称PID调整PID控制器问世至今已经有近70年历史，

它是工业生产过程中最常用的控制算法，在工业生产过程中，PID控制占

85%〜95%,伴随科学技术H勺发展，尤其是计算机的发展，许多先进的PID

控制涌现出来得到了广泛的应用。PID控制具有如下特点：

1.原理简朴，易被人们熟悉和掌握。PID控制由比例、微分、积分三个

经典环节组合而成，原理简朴，易于理解和掌握，其参数的物理含义也比较

明确。

2.应用范围最广，适应性强。PID控制广泛合用于化工、冶金、石油、

热工等工业生产中。

3.控制效果好，鲁棒性强。恰当整定PID控制器参数，可使控制系统到

达很好的控制效果，且PID控制对被控对象特性的变化不太敏捷。

PID控制器以其构造简朴、稳定性好、工作可靠、调整以便而成为工业

控制H勺重要技术之一。当被控对象的构造和参数不能完全掌握，或得不到精

确的数学模型时，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器H勺构造和参

数必须依托经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为以便。即当

我们不完全理解一种系统和被控对象，或不能通过有效H勺测量手段来获得系

统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，运用比例、积分、微分计算出控制量进行

控制H勺。

比例（P）控制

比例控制是一种最简朴H勺控制方式。其控制器H勺输出与输入误差信号成

比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（S〔eady-stateerror）。

积分（1）控制

在积分控制中，控制器的I输出与输入误差信号的积提成正比关系。对一

种自动控制系统，假如在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有

稳态误差口勺或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）o为了消除稳态

误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，伴

随时间的增长，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会伴随时间

的增长而加大，它推进控制器H勺输出增大使稳态误差深入减小，直到等于零。

因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分（D）控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）

成正比关系。自动控制系统在克服误差口勺调整过程中也许会出现振荡甚至失

稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具

有克制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。处理H勺措施是使克制误

差的作用H勺变化“超前”，即在误差靠近零时，克制误差H勺作用就应当是零。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够欧J,比例项的作用仅是

放大误差H勺幅值，而目前需要增长R勺是“微分项”，它能预测误差变化H勺趋势，

这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使克制误差H勺控制作用等于零，

甚至为负值，从而防止了被控量日勺严重超调。因此对有较大惯性或滞后时被

控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调整过程中的动态特性。

比例调整根据“偏差的大小”来动作，它的输出与输入偏差口勺大小成比

例。比例调整及时，有力，但有余差。它用比例度来表达其作用的强弱，比

例度越小，调整作用越强；相反，比例度越大，调整作用就越弱；比例作用

太强时，会引起震荡。

积分调整根据“偏差与否存在”来动作，它的输出与偏差对时间H勺积提

成比例，只有当余差消失时，积分作用才会停止，其作用是消除余差。但积

分作用使最大动偏差增大，延长了调整时间。它用积分时间T来表达其作用

口勺强弱，T越小，积分作用越强，但积分作用太强时，也会引起震荡。

微分调整根据“偏差变化的速度”来动作它的输出与输入偏差变化H勺速

度成比例，其效果是制止被调参数的一切变化，有超前调整的作用，对滞后

大的对象（温度）有很好H勺效果.它使调整过程偏差减小，时间缩短，余差也

减小（但不能消除）。它用微分时间TdL来表达其作用的强弱，Td大，作用

强，但Td太大，也会引起振荡。

4.2单回路控制系统仿真

仿真传递函数为：&Ks）=---

1

@l(s)=

52+9S+19.25

间歇式反应釜的单回路仿真图，如图4-2所示:

图4-2单回路系统仿真图

运用MATLAB进行初步仿真即在PID作用在比例为1口勺状况下即没有

调整起作用的状况下系统的阶跃曲线图，我们可以通过观测响应曲线看出系

统的特性然后进行系统分析。通过MATLAB的初步仿真可得单位阶跃响应

原始曲线图如图4-3所示：

图4-3单回路控制原始曲线图

采用衰减曲线法整定调整器PID控制参数，将主调整器的比例度置于

100%,用单回路控制系统的I衰减（4:1）曲线法整定，逐渐减少副回路的比

例度&入，直到得到副回路过渡过程衰减比为4:1的曲线，即得到如图4-4所

示的阶跃响应曲线，此时&k320,Ts=l.l,其中T,为衰减振荡周期。

图4-44:1衰减曲线仿真图

按己求得的&s、Ts值，结合选定的衰减曲线法已给定单位调整规律，按

衰减曲线法整定参数H勺经验公式，计算出主、副调整器的整定参数值。经计

算后来，调整的参数设置如图4-5所示

图4-5P【D最终调整参数

经调整后得到单回路控制系统的阶跃响应曲线图，如图4-6所示，从图

中可以看出单回路控制系统主线无法满足间歇式反应釜的基本工艺规定。

图4-6单回路控制系统仿真图

4.3串级控制仿真

仿真传递函数为：和l(s)=

]

GpKs)=

52+9S+19.25

间歇式反应釜於J串级仿真图，如图4-7所示:

图4-7串级控制系统仿真图

运用MATLAB进行初步仿真即在主副PID作用在比例为1的状况下即

没有调整起作用的状况下系统的阶跃曲线图，我们可以通过观测响应曲线看

出系统的特性然后进行系统分析。通过MATLAB的初步仿真可得串级控制

原曲线图如图4-8所示:

图4-8串级控制原曲线图

采用衰减曲线法整定副调整器PID控制参数，符主调整湍比例度置于

100%,用单回路控制系统的）衰减（4:1）曲线法整定，逐渐减少副回路的比

例度&2S,直到得到副回路过渡过程衰减比为4:1的的线，即得到如图4-9所

示的阶跃响应曲线，此时&2s=0.6,T2s=4.2,其中T2s为衰减振荡周期。根据

有关规定，副调整器一般只采用比例调整器，因此副调整器可以只采用P2=0.6

的比例调整器。

将副调整器口勺比例度置于所求的数值&2s上，把副回路作为一种环节，

用同样的措施整定生回路的参数，求口勺&1S=35,Tis=8.5o此时主回路的仿真

曲线如图4-10所示:

图4-10主回路4:1反应曲线图

按已求得口勺&2s、T2s和&ls、TIS值，结合选定的衰减曲线法已给定单位调

整规律，按衰减曲线法整定参数的经验公式，算出主、副调整器的整定参数

值。如图4-11、4-12主、副调整的参数设置所示:

图4-11副回路PID调整成果

图4-12主PID调整最终成果

当副调整器参数整定结束之后，视其为主回路H勺一种环节，按单回路控

制系统的措施整定主调整器参数，而不再考虑主调整器参数变化对副回路H勺

影响。主、副调整器参数整定好后来系统输出图如图4-13所示:

图4-13升温和恒温阶段阶跃响应曲线图

结合以上阶跃曲线以及主、副调整器参数整定，得出反应全过程曲线图,

如图4-14所示:

图4-14反应全过程曲线图

本章小结

本章简介了模拟PID算法与规律，进行了基于MATLAB的反应釜串级

温度控制系统仿真与PID调整，完毕了课题规定的功能指标与技术指标。

名吉论

化工生产在我国口勺国民经济建设中占有很重要的地位。其些生产过程往

往伴随物化反应、生化反应、相变过程等，过程机理十分复杂。化工过程的

被控对象往往是高维、大时滞、严重不确定与非线性等，控制起来非常困难。

化工生产常常在高温、高压、易燃、易爆等环境下运行，生产H勺安全性至关

重要。研窕化工生产过程自动检测和控制技术，是适应现代信息技术革命和

信息产业革命H勺需要，也是提高生产效率、改善劳动条件、保证安全生产的

必然措施。因此，针对需求运用串级控制系统设计化学反应釜很有必要。

本文使用模拟PID控制方案对间歇式反应釜进行控制，重要成果如下：

1.根据反应釜H勺构造和工作原理，对反应釜的反应过程进行了分析，设

计出合理日勺控制方案。

2.运用串级控制系统实现到达功能指标，精度指标矽J课题设计。

3.运用MATLAB仿真对控制系统设计完毕实现。

在本次设计中，应用的串级控制系统对于扰动的处理非常合理，可以更

好的处理系统的扰动原因。串级控制系统在构造上仅仅比简朴控制系统多了

一种控制回路，但对系统的影响尤其大。在相似衰减比的条件下，串级系统

H勺工作频率要高，系统工作频率提高，操作周期就可以缩短，过度过程的时

间相对也将缩短，因而这于反应釜釜底温度口勺控制质量获得的改善。另一方

面，采用串级控制系统具有较强H勺抗干扰能力。串级控制的副回路对于进入

其中H勺扰动具有较强H勺克制能力。因此在工业应用中只要将变化剧烈、并且

幅度大的扰动包括在串级系统副回路中，就可以大大减少其对主回路的影响。

总体而言，串级控制系统是改善控制质量的有效措施之一，在过程控制

中得到了广泛R勺应用。

致谢

在临近毕业之际，我还要借此机会向在这四年中予以了我协助和指导的

所有老师表达由衷的谢意，感谢他们四年来H勺辛勤栽培。同步感谢张玉萍老

师对我的设计做了细心的检查，指出错误，并予以改正，并在设计过程中所

碰到口勺难题都给了非常重要口勺意见，让我在她的悉心协助和支持下，可以很

好的掌握和运用专业知识，理解毕业设计的I规定并在设计中得以体现，顺利

完毕毕业设计。

同步，在毕业过程中，我还参照了有关的书籍和论文，在这里一并向有

关的作者表达谢意。

我还要感谢同组的各位同学，在毕业设计的这段时间里，你们给了我诸

多的启发，提出了诸多宝贵的意见，对于你们协助和支持，在此我表达深深

地感谢。

参照文献

1邵裕森，戴先中编.过程控制.机械工业出版社，2023.

2薛定宇编.控制系统辅助设计.清华大学出版社，2023.

3梅晓榕编.自动控制原理.科学出版社，2023.

4张毅，张宝芬编.自动检测技术及仪表控制技术.化学工业出版社，2023.

5周泽魁编.控制仪表与计算机控制装置.化学工业出版社，2023.

6王兆安，黄俊编.电力电子技术.机械工业出版社，2023.

7刘迎春.传感器原理设计与应用.国防科技大学出版社，1997.

8周庆海，翁维勤编.过程控制系统工程设计.化学工业出版社，1992.

9朱瑞、张鹏等.自动温度控制系统.济南山东大学，2023.

10鞠丽叶.自适应预测控制理论及其应用.青岛科技大学学报，2023.

II李敏、郭涛、杨马英等.过称控制系统综合性试验设计.试验技术与管

理.2023.

12庄伟杰.化学反应釜最优温度控制系统的设计与实现.工业控制计算机

2023年第24卷第4期.2023.

13郭阳宽、王正林.过程控制工程及仿真.电子工业出版社.2023

14王建辉、顾树生.自动控制原理.清华大学出版社.2023

15赵跃.过程控制与仪表.机械工业出版社.2023

16夏玮.Matlab控制系统仿真与实例详解.人民邮电出版社.2023

17王正林.Matlab/Simulink与控制系统仿真.电子工业出版社.2023

18薛定宇.基于Matlab/SimulinkH勺系统仿真技术与应用.2023

19

20Data-AcquisitionDatabook.AnalogDevicesCorp.1991

附录1译文

MATLAB是一种功能强大的软件开发工具，可以大大减少编程工作量的

理论研究与算法开发期间。不幸H勺是，大多数商业机器人模拟器不支持

Matlabo本文简介的2D室内机器人导航算法开发基于MATLAB的模拟器。

构建机器人模型和室内环境模型，包括进行测试算法的目视观测，它提供了

一种简朴口勺顾客界面。试验成果显示的可行性及提议模拟器的性能。

关键字：移动机器人，导航，模拟器，MATLAB

1.简介

导航是关键能力H勺移动机器人。在发展新导航算法的过程中，有必要在

真正H勺机器人和现实世界的测试前模拟的机器人和环境中进行测试。这是由

丁（一）机器人价格膨胀；（二）未经测试的算法也许会损坏的机器人在试验；

（三）困难H勺构建与交互系统模型下噪声背景下；（四升勺瞬时状态很难跟踪精

确；（五）和度量单位以外部的信标隐藏在试验中，但此信息一般有助于调试

和更新的算法。

软件模拟器也许是一种好的I处理方案，这些问题。好口勺模拟器可以提供

许多不一样的环境，以协助研究人员可以找出他们在不一样种类的J移动机器

人的算法中存在的问题。为了处理上面列出H勺问题，该模拟器被应当可以亲

密监视系统状态。它还应具有多种算法口勺柔性和友好顾客界面。

到目前为止，己开发了许多商业的模拟器，具有良好H勺性能。例如，

MOBOTSIM是2D模拟器的窗口，它提供了一种图形界面，以构建环境［1］。

但它只支持有限H勺机器人模型（差驱动机器人H勺距离传感器只），并且不能处

理基于视觉算法。Bugworks是非常简朴的模拟器提供拖就地界面［2］；不过，

它提供了非常原始的功能，更像是示范，而不是模拟器。某些其他机器人模

拟器,如Ropsim［3］、［5］,ThreeDimSim和RPGKinematix⑹,是尤其针对

发展H勺自主导航算法H勺移动机器人和有非常有限的功能。

商业H勺模拟器，从Cyberbotics［4］Webol和太太从Microsoft功能非常强

大,更好地执行移动机器人的导航的模拟器。这两个模拟器，即Webots和

太太，提供了功能强大的接口，以建立移动机器人和环境、优秀H勺三维显示、

精确时性能模拟和编程语言日勺机器人控制。也许由于以强大时功能，他们很

难使用新口勺顾客。例如，这是相称无聊日勺工作，建立环境视觉口勺实用程序，

其中波及建筑的形状、材料选择、和照明设计。此外，某些机器人开发工具

包具有内置的J模拟器口勺几种特殊口勺机器人。从Activmedia咏叹调有2D室内

模拟器的先锋移动机器人［8］。模拟器采用可行的文本文献，以配置的环境，

但只支持有限的机器人模型。

不过，大多数商业模拟器不目前支持此外首先，提供良好的编程支持矩

阵计算、图像处理、模糊逻辑、神经网络、等等，可以大大减少新导航算法

研究阶段的编码时间。例如，矩阵的逆操作也许需要功能有数百行；但在

MATLAB中有一种简朴的命令。在这一阶段中使用MATLAB可以防止挥霍

时间再生存在算法反复与重点的新的理论和算法的发展。

本文简介了一•种基于MATLAB的模拟器与MATLAB代码，完全兼容，

使机器人进行调试他们的代码，并以便地做试验，对他们的研究第一阶段H勺

研究人员。算法开发基于MATLAB子例程，使用指定的参数变量，这些文

献存储到文献中，由模拟器访问。使用此模拟器，我们可以营造环境、选择

参数、建立子例程和在屏幕上显示输出。在整个过程中；记录数据此外进行

了某些基本的分析。

剩余的纸分为如下所示。第二节中简介了拟议的模拟器软件构造。第三

部分描述了拟议口勺模拟器的顾客界面。第四节载某些试验的成果显示系统口勺

性能。最终，第五节简介了一种简短的结论和潜在的未来工作。

2.软件体系构造

若要使算法设计和调试更轻易，我们基于MATLAB模拟器被为了有如

下功能：

轻松的环境建模-Q包括墙、障碍、灯塔和虚拟场景；

•机器人模型构建，包括驱动和控制H勺系统和噪音水平。

•观测模型设置；模拟计算的机器人可以看到的可以依法精确的机器人

姿态、摄像机，参数和环境的图像帧。

•凸块反应模拟。假如机器人触摸“墙”，模拟器可以停止机器人，虽然

它由其他模块向前移动所吩咐。此功能可防止通过”像个幽灵，墙的机器人，

并使上真正的机器人运行像试验H勺仿真。

•实时显示正在运咛H勺处理和意见。这是顾客跟踪导航过程，并找出错

误。

•整个运行过程中，包括瞬变和平均当地化错误的记录成果。这是详细

的导航的离线分析的成果。这些模块中，已做了某些基本的J简朴的I分析。

如图1所示口勺建筑已经发展到实现以上功能。本节的）其他部分将阐明模

拟器中的详细信息的模块。

2.1.顾客界面

模拟器提供一种接口，营造环境、设置的噪声模型；和几种单独的子例

程，可供顾客进行观测和当地化H勺算法。某些参数和设置由顾客定义H勺该接

口模块和文献可以获取这些定义。如图1所示，以上虚线H勺模块是顾客界面。

使用客户配置文献，顾客可以描述环境（墙壁、走廊、门口、障碍和信标）、

解释系统和控制模型、在不一样环节中定义的噪音和做某些模拟器设置.。

客户子例程应当是严重H勺源代码与所需H勺输入/输出参数。模拟器调用这

些子例程，并使用成果来控制的移动机器人。因此在模拟器中定义的客户配

置文献(国家合作框架)H勺系统中测试客户H勺子例程中H勺算法。在图1中

的灰色块是在模拟器中集成H勺客户子例程。

图1软件构造的模拟器

环境H勺墙壁的角落由的笛卡儿的值时配置文献H勺阐明。每一对环境中定

义的点和程序配置模块连接点与直线的持续剧，视为在墙上的这些行。每个

灯塔由四个元素序J载体的[X、y、8,P]T,凡(x,y)起诉啊灯塔Mj位置由笛

卡尔坐标值、是方向，面临着口勺灯塔，P是指向图像文献的指针意见场地

信标H勺前面。非可视H勺灯塔，例如反光H勺极地H勺激光扫描仪，P计算元素，

这是非法H勺am图像指针。

某些参数的国家合作框架，如形状半径，驾驶措施、wheelbases最大

的平移和旋转速度、噪音、等）H勺机器人，观测的字符（最大值和最小观测

范围，观测角度，观测噪声等）和等等H勺数据计算。这些数据是内部模块用

于构建系统和观测的模型。机器人和绘制於J实时视频流的环境也依赖于这些

参数。

国家合作框架还定义了某些设置有关的I运行，如机器人运动和跟踪的方

式显示，观测的互换机的模拟显示，战略的随机运动等。

2.2.行为控制模块

导航算法一般由等障碍防止路线导航和定位（假如没有手动映射）的几

种模块构成。尽管障碍防止模块安全模块是重要的它不是本文中讨论。模拟

器为顾客提供内置的OAM研究汇报，以便他们可以专注于他们的算法。但

该模拟器还容许顾客关闭此功能，并建立自己H勺客户之一H勺OAM子例程。

颠簸H勺反应功能还集成在此模块，一直打开H勺OAM甚至已经关闭。没有此

功能，机器人可以去穿墙而过像幽灵同样，假如顾客关闭OAM和机器人在

程序中有某些错误。

OAM了图2所示的流程图。机器人姿态表达如*=口丫9］在*、y和0

分别指示笛卡尔坐标和方向。（X,y）对因此通过使用解析几何H勺基本理论计

算”隔离墙用勺线段的距离。顾客导航算法是作为MATLAB功能测试，称为

OAM研究汇报提出的。它应当输出驱动的信息定义由机器人模型，例如，

左和右轮速度差异驱动的机器人。

图2障碍防止模块

2.3.数据融合子例程

数据融合是模拟器的另一种子程序，可供顾客使用。模拟器还提供了所

有所需的信息，并接受此子例程，作为定位成果和映射数据的输出。

一般状况下，机器人获得使用其板载的传感器，内部的里程、外部声纳、

CCD相机等数据。在模拟器，这些传感器数据应转入作为子例程，真正的机

器人，尽量H勺靠近。观测模拟模块(OSM)被迄今。内部数据包括精确的姿

态，加上设置H勺国家合作框架，这是轻易获取的参数的噪音。

真正H勺机器人姿态和信标的J安排，很轻易推断出可以检测机器人，以及

距离和方向观测到的信号。将根据明晰选择非可视信标和将其传播到数据保

险丝子例程，观测到日勺所有信息。基于视觉算法模拟，明晰的环境包括时图

像文献的不一样地点口勺场景。OSM与国家合作框架、信标定位co和距离和

方向等时观测数据中定义的摄像机参数相结合，可以计算，并生成缩放的I图

像以模拟在某一种位置的意见。

顾客门列程，因此获得性的观测图像只是这样从板载的相机，在现实世

界中。

2.4.模拟输出模块

模拟器H勺输出模块”视频演示及数据成果实时视频提供直接视图怎样

算法执行，而输出数据的模拟提供精确R勺记录。图3(a)显示帧的实时视频,

即整个视图，而图3(b)是图3(a)的中间部分的放大的视图。

8

6

S

64

J

J

8

E2

3(a)整体视图

6.5

6

5.5

5

4.5

4

35

3

3(b)扩大后的一部分

图3模拟器的视图

{RoutineRefresh:calculationthecurrentdrawing}

{allparameters)=getParameter(configure_file);

Rob=BuildRobot(robot_Para);

Wall=BuildWall(wall_Para);

Beacon=getBeacons(beacon_Para);

DrawRobot(Rob,[0,0,0],|0,0,0]);

DrawImage(Wall,Beacon);

图4输出视频

宽直线表达墙的环境；图3(b)在左边口勺轮是机器人的真实位置和右边是

当地化的成果。在某一时刻口勺功能观测薄的直线，与椭圆交叉快递中心映射

的不确定性。椭圆围绕中心H勺定位成果意味着当地化的不确定性。有关绘制

H勺源代码基于贝利的I开放源码需要注意的是输出数据包括估计的姿势，

真正的姿势，协方差矩阵的每个环节中，可以处理和计算精确试验后。

视频实际上是由一系列H勺静态图像H勺迅速更新执行的。每40亳秒为单

位)，在模拟器计算所有状态参数，如由于当地化的机器人、目前H勺观测和目

前映射成果的真实姿态。模拟器将这些数据与目前框架的图像绘制，并刷新

输出图像。由于每秒25次刷新图像，看上去像一种真实的视频。在图4中所

示的措施被执行的计算和绘图的目前帧

在每个循环周期，DrawRobot函数转换和旋转分别存储在矢量Rob,真

正H勺姿势和定位成果显示的形状和绘制具有不一样的填充阴影或颜色H勺成

果。在图4中的处理周期，记录中的所有数据和参数，例如Ipose.t.pose,

地图、等，由另一种线程在一种文献中。后导航，这些数据将输出，以及某

些基本时记录成果。

3.试验成果

试验的目的是测试仿真系统的性能。因此，这个试验口勺目口勺是要单独测

试模拟器口勺功能模块，然后运行测试口勺总体性能模拟器中的真正的满贯算法。

首先，OAM关掉，和顾客H勺导航模块只能提供恒速在这两个轮子上。

换句话说，只能向前移动机器人。在试验中，当机器人撞墙在其面前，它停

止，扭动着在的地方，由于驾驶噪音。颠簸H勺反应模块工作正常，并使机器

人停止时撞到环境中H勺任何对象。

第二，我们在环境中删除所有信标和机器人内部的传感器上运行100%。

通过度析口勺数据和意见，实时视频流和噪声生成模块完美和提供不如我们预

料的成果。

第三，OAM接通，和顾客H勺导航模块保持相似。即是说，机器人向前

除非内置防止模块所需的控制，以防止附近H勺障碍。在试验中，超过10分钟,

保持移动机器人和路线涵盖环境中的每个角落。它可靠地防止了一切障碍。

图3(a)所示的途径也清晰地证明了障碍防止模块的性能。然后，观测仿真模

块是离线处理的拍摄的影像，航行期间生成H勺测试。通过使用三角剖分措施

19］,估计每个记录的图像的位置是推断与真实状况相比。该错误是可以接受

时考虑的三角剖分的不明朗原因。这意味着图像缩放和此模块中的I投影操作

是可靠的。

最终，一种简朴的同步定位映射(SLAM)算法［10］中提出了在运行和发达

的模拟器。所有的功能模块是在此环节中形成的。模拟器使所有正在运行的

成果，所设计和这些成果也适合真正的机器人，引用所予以的成果。模拟器

H勺瞬态当地化错误成果如图5所示。

图5临时性错误输出

4.结论和此后H勺工作

本文简介了一种新型的模拟器，基于MATLAB代码，并容许顾客调试

MATLAB他们导航算法、室内环境、集噪声，观测模型、建设与不一样的驱

动机制、传感器内部和外部传感器的机器人模型。也某些计算口勺视觉观测投

影和缩放计算基于建筑的环境的视图。此函数是重要内视觉基于算法的试验。

为了节省时间，模拟器还提供了某些功能模块，可以实现某些导航任务如避

障和碰撞反应。所有上述职能的模拟器了已经通过设计的试验是显示模拟器

是可行的、有用口勺和精