反应釜的温度控制系统--本科学位论文.doc
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1、安徽工业大学毕业设计(论文)任务书课题名称 反应釜的温度控制系统学 院 电气信息学院专业班级仪表093姓 名 学 号099064035摘要 反应釜是化工生产过程中的重要设备,反应过程中伴随有大量的吸、放热现象,具有大滞后、时变、非线性、反应机理复杂等特点. 传统的PID控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,但其设计依赖于被控对象的精确数学模型,在线橄定参数的能力差,而反应釜因为机理复杂、各个参数在系统反应过程中时变,不能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,因而采用一般的PID控制器无法实现对反应釜的精确控制。 模糊
2、控制是一种基于规则的语言控制,在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型,鲁棒性强,干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱,控制效果好。但模糊控制器是以误差和误差变化作为输入变量,这种控制器具有模糊比例一微分控制作用,精度不太高、稳态误差较大、自适应能力有限和易产生振荡现象。 预测控制是一种优化控制算法,它是通过对某一性能指标的最优来确定未来的控制作用的,具有对模型要求低、鲁棒性好、适用于数字计算机控制的优点。由于计算机模型预测控制具有良好的跟踪性能,能有效地提高系统的稳定性和消除误差,对滞后过程有明显控制效果,更加符合工业温度控制的实际要求,从而大大提高了温度控制系统的性能。 本文比较全面的
3、分析了反应釜温度变化的特点以及控制难点,总结当前温度控制系统精度差的根本原因,在此基础上采用基于预侧的模糊自整定PID集成控制技术实现反应釜温度控制,其主要思想是利用系统模型的预测输出,结合常规PID的控制经验,采用模糊推理方法,对控制器算法进行改进。实验结果表明,与通常的PID控制方案相比,该方案提高了系统的鲁棒性和适应性,较好的解决了反应釜温度控制的难题。 课题完成了反应釜温度控制系统的硬件电路的设计、系统软件的编译与调试,对基于预测的模糊自整定温度控制系统进行了仿真与实验研究,与PID控制方法相比,控制性能更加稳定,可靠性更高,实时性、适应性、鲁棒性都显著增强,控制效果较好。关键词:反应
4、釜,预铡控制,模糊控制,PID控制 Abstract Reactor is the important equipment in the process of chemical production, the chemical reaction accompanied by phenomenon whereby heat is liberated or absorbed, having characteristics of large time delay, time-varying, nonlinear, and the complicate d reaction mechanism. Tr
5、aditional PID control is a control method based on process parameter, having many advantages of a simple control principle, good stability, high reliability and easy adjustment of parameters. But the design of the abject depends on the precise mathematical model and bad at tuning parameter online. T
6、he mechanism of reactor is complex and every parameter changes in the reaction process, unable to establish a precise mathematical model and it can not meet the requirements of self-tuning under different conditions. So the general PID controller can not be achieved on the precise control of reactor
7、. Fuzzy control is a rule-based language control, the precise mathematical model does not need to be established in the design and with good robustness, the effect that interference and the changes of parameters have on the control result is greatly reduce ,with effective Control. However , the fuzz
8、y controller takes error or error change for input variables and this controller has fuzzy proportion-differential control talc. The accuracy is net too high, with a larger steady-state error, limited adaptive ability and easy oscillation. Predictive control is an optimal control algorithm, which de
9、termines the future control role by optimization of a performance index; having advantages of low model, good robustness, applicability to the merits of digital computer control. The predictive control of computer model has a good tracking performance, and it can effectively improve system stability
10、 and eliminate the error, has significant control result for lag process, more in line with the actual industrial temperature control requirements, so it greatly improves the performance of temperature control system. In this paper, the characteristics and control difficulty of reactor temperature c
11、hange are analyzed, and the root causes of poor accuracy for the current temperature control system is summarized, on the basis ,a technology of fuzzy self-tuning PID control based on prediction is used to achieve reactor temperature control. The main idea is to use the prediction output of system m
12、odel, combined with the experience of conventional PID control, using fuzzy reasoning algorithm to improve the algorithm of controller. The experimental results show that the PID control scheme, compared to the common PID control scheme, can improve the system robustness and adaptability, with a bet
13、ter solution to the reactor temperature control problem. This subject completes the hardware circuit design of the reactor temperature control system, the compilers and debugging of system software. Simulation and experimental study are done for fuzzy self-tuning PID control based on prediction, com
14、pared to the PID control method, the method has more stable control performance, higher reliability and the teal-time performance,adaptability, robustness are significantly increased. The control result is better.Keywords: Reactor, predictive control, fuzzy control, PID control.目录摘要2Abstract3第 1 章 绪
15、论71.1 国内外化工控制发展现状71.2 控制方案的设计及不足81.3 本课题采用的方案及内容81.4 本论文结构安排9第 2 章 温度控制系统方案102.1 微机控制系统简介102.1.1 微机控制系统分类102.1.2 微机控制系统硬件112.1.3 微机控制系统软件112.2 PID 及新型 PID 控制算法简介122.2.1 PID 控制算法的理论基础122.2.2 数字 PID 控制算法的改进142.2.3 新型 PID 控制算法142.3 反应釜温度控制系统162.4 小结17第 3 章 温度控制系统硬件设计183.1 中央控制单元183.1.1 中央控制单片机183.1.2 看
16、门狗193.2 A/D 转换采样输入单元203.3 D/A 转换输出控制单元223.3.1 控制原理223.3.2 芯片及参数的选取233.4 键盘显示报警单元263.4.1 键盘显示部分263.4.2 报警部分273.5 电源单元273.6 小结28第 4 章 温度控制系统软件设计294.1 系统软件设计基本原理294.2 系统软件设计基本结构294.2.1 主程序结构294.2.2 参数调节中断服务程序304.2.3 采样中断程序314.3 Smith-PID 算法软件设计32第 5 章 系统调试335.1 控制算法参数整定与软件调试335.1.1 PID 整定简介335.1.2 PID
17、控制算法的整定335.1.3 算法软件调试345.2 实验结果345.3 抗干扰措施365.4 小结36结 论37参考文献38致谢39第 1 章 绪论1.1 国内外化工控制发展现状 进入现代社会,材料工业和人们的生活密不可分,如化工工业、医药、农药、染料、高新产业、信息产业等无不与材料工业密切相关,材料工业已经与能源,信息产业成为当代科学技术的三大支柱产业。 高分子聚合物作为材料领域之中的后起之秀,已经广泛应用到尖端技术、国防建设、建筑业、电子行业等国民经济的各个领域之中1,高分子聚合物的生产在经济建设中占有非常重要的地位2。随着石化工业的蓬勃发展和新工艺、新技术的不断进步,对高分子聚合物的产
18、品质量和生产过程自动化提出了更高的要求。 高分子聚合物生产中的聚合反应主要是在间歇式反应釜中进行,约占总聚合装置的 90%。为了高效的进行生产,必须对聚合反应生产工艺过程中的主要参数,如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制。其中最重要的环节就是反应器的温度控制3,其调节品质的好坏将直接影响产品质量和产量。但是由于加料数量和品种的影响,聚合反应中存在的一系列复杂化学变化,以及聚合反应本身强烈的放热效应,使得聚合反应釜聚合反应温度的动态特性具有时变、强烈非线性、大纯时滞的特点4,这使得建立精确的聚合反应数学模型非常困难,很难实现反应温度的精确控制,这可能严重影响最终的产品质量,还会危及生产的安全
19、性。因此聚合反应温度对于保证产品质量和安全性起着关键作用。本论文以进行 MMA(methyl methacrylate ,甲基丙烯酸甲酯)聚合反应的反应釜温度控制为研究对象,采用 先进的控制算法实现反应釜温度的精确控制,全面提高PMMA(polymethyl methacrylate, 聚甲基丙烯酸甲酯)的产品产量和质量。目前,化工自动化的底层控制仍然以PID 为主流5。PID 算法控制具有原理简单、实现方便、无静态误差等特点,能满足多数工业过程的需要。经过多年的发展和应用,从模拟控制器发展到数字控制器,性能不断提高。但是对于象聚合反应温度这样的,大纯时滞、非线性、无精确数学模型、时变的控制对
20、象,PID 往往很难取得满意的控制效果6,通常需要采取一些特殊的控制手段,在 PID 基本算法的基础上进行改进,如抑制积分饱和的积分分离 PID 算法和变速 PID 算法,防止微分饱和的不完全微分 PID 算法和前置滤波 PID 算法,抑制振荡的带死区 PID 算法等等。但至今仍无一种通用的行之有效的方法。 同时随着计算机技术的快速发展,一些新的现代控制理论在工业控制中得到较好的应用,比如模糊控制算法、自适应控制算法、神经网络控制算法、Smith 预估控制算法7。它们和 PID 算法相结合,互相取长补短,形成模糊 PID 算法、自适应 PID 算法、神经网络 PID 算法等,在复杂工业控制中得
21、到广泛的应用,取得较好的控制效果。但到目前为止,Smith 预估控制算法仍然是大纯滞后温度控制最成功的算法,可以消除大纯滞后对系统的影响,但是 Smith 预估控制算法对预估模型的精度要求高,需要精确的数学模型8,9,且对系统扰动的抑制能力较差,因而很难在工程上实用。1.2 控制方案的设计及不足在反应釜温度控制这个环节中,原厂配置的控制器采用的是如下方案:由铂电阻采样温度信号,采用一个 NE-6402 型温度控制器,实现对温度的控制。我们对 NE-6402 型温度控制器做了简单的分析,该控制器以微处理器为基础,采用的控制算法是增量式 PID 调节,如图 1-1 所示。按下式计算本次控制调节增量
22、输出。图 1-1 控制器算法原理框图 可见该控制器采用传统的 PID 调节方案。从控制对象的特征来看,反应釜温度具有非线性、大滞后、时变以及多干扰等特点,使用常规的 PID控制方法,很难获得满意的动态静态控制效果。实验室实际运转时,MMA聚合反应温度控制非常不稳定,静态效果差,同时产生很大的超调,甚至超调达 50 ,静态控制效果也不是很理想,在控制温度附近波动达 30 ,严重影响聚合反应。 因此必须寻找一种合适的温度控制方案,以达到满意的控制效果。1.3 本课题采用的方案及内容 本文较为深入的研究和分析了 PID 控制算法和 Smith 预估控制的控制原理,将二者的优点结合起来设计了一种温度控
23、制系统。 课题要求反应釜温度控制(反应釜最大反应容积为 5 升,最高温度为300 ),超调量尽量小,温度静态控制精度 10左右,为此我们采用一种改进 Smith 预估算法积分分离分段式抗饱和 PID 位置控制算法。 本算法分 Smith 预估算法和 PID 算法两部分,其中的 Smith 预估算法采用一种经过改进的、工程实用的预估方法,实现温控的滞后补偿,避免了写出被控对象的精确模型,因而易于实现,预估补偿效果好;PID 算法采用积分分离分段式 PID 位置算法,其不仅具有常规 PID 工作稳定、可靠性高的特性,同时又保证了控制超调小,稳态控制精度高,工程可操作性强。 本算法优点是不需要掌握受
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