1、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 邹贵章学 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2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
2、釜的精确控制。模糊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。
3、本文比较全面的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
4、，控制效果较好。关键词:反应釜，预铡控制，模糊控制，PID 控制3AbstractReactor 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
5、 mechanism.Traditional 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 parame
6、ter online. The 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 contr
7、ol of reactor.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. Howeve
8、r , the fuzzy 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 algorith
9、m, which determines 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 syste
10、m stability 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 tem
11、perature change 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 o
12、f system model, 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,
13、with a better solution to the reactor temperature control problem.4This 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 predi
14、ction, compared 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.5目录摘要 .2Abs
15、tract.3第 1 章 绪论 .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
16、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
17、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 控制算法的整定 .335.1.3 算法软件调试 .3465.2 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 .397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
18、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
19、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
20、 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
21、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8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
22、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
23、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
24、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控对象的精确数学模型，有较强的鲁棒性，对噪声干扰有较强的抑制能力，非常适合这种模型未知或多变的聚合反应温度控制系统，具有很高的工业实用价值。 本课题首先完成了单片机硬件控制电路的设计与制作，其中包括数据采集，人机交互以及加热控制三部分的设计、制作、安装，然后进行了软件的设计、编写和调试，最后在实验室分别进行反应釜空箱和加料反应联调。全套系统基9本上满足反应釜温度
25、控制的要求，明显优于原控制方案，而且对于 MMA 聚合具有很好的控制性能。 1.4 本论文结构安排本文依据课题的内容做了如下结构安排： (1)化工控制在国内外的发展和应用状况，本课题来源及内容，论文的结构安排(第 1 章) 。 (2)温度控制系统方案总述(第 2 章) 。 (3)温度控制系统硬件设计(第 3 章) 。 (4)温度控制系统软件设计(第 4 章) 。 (5)系统调试 (第 5 章) 。10第 2 章 温度控制系统方案2.1 微机控制系统简介 随着系统硬件费用急剧下降、体积缩小、可靠性提高、运算速度加快以及较容易实现更先进和更复杂的控制算法，计算机用于控制系统的技术日趋成熟广泛 10
26、。同时它又促进了自动控制理论在深度和广度更进一步的发展，使计算机控制技术更趋于完善与深化。从单一过程、单一对象的局部控制发展到对整个生产流程、整个车间甚至整个工厂的大规模复杂控制，并逐步向智能化方向发展。 微机控制系统是由微型机与其他器件和装置适当连接起来组成硬件，并在软件的操作下协调运行，执行预定的测量或控制任务。2.1.1 微机控制系统分类按微机在控制系统之中控制方式，微机控制系统可以分为如下几类： (1)数据采集和数据处理系统、数据采集和数据处理系统从功能上说，主要是对生产现场随时产生的大量数据(如湿度、压力、流量、成份、速度、位移量等)进行巡回检测、收集、记录、统计、运算、分析、判断等
27、处理。 硬件系统中主机与生产过程只通过模拟量输入通道和开关量输入通道来联系，一般不需要输出过程通道。在软件系统方面，它除了有控制数据输入的程序外，还要有与功能要求相适应的数据处理程序。一般这种控制系统作为控制系统的下位机，完成数据的采集。 (2)直接数字控制 DDC(Direct Digital Control)系统 DDC 系统是工业生产计算机控制系统中应用最广泛的一种系统应用形式。这类系统中的计算机除了经过输入通道对多个工业过程参数进行巡回检测采集外，它还代替模拟调节系统中的模拟调节器，按预定的调节规则进行调节运算，然后将运算结果通过过程输出通道输出并作用于执行机构，以实现多回路调节的目的
28、。直接数字控制系统可实现常规的 PID(比例、积分、微分)调节，也可实现其它复杂或先进的调节规律，调节规律的改变只需改变控制软件。不同的是硬件部分除按需适当增减通道的数量外，一般不需作大的变动，所以使用比较灵活。显然 DDC 系统是一个“在线”的实时闭环控制系统。 (3)计算机监督控制 SCC(Supervisory Computer Control)系统为两级控制，上位机完成生产过程的数学模型和求解控制策略，其输出作为模拟调节器或 DDC 系统的设定值，这一设定值将根据采集到的生产过程工艺信息，按照预定的数学模型或用其它方法所确定的规律进行自动修改；模拟调节器或 DDC 微机作为下位机直接面向生产过程，完成生产过程的直接执行控制与数据采集。SCC 系统至少是一个两级控制系统。一台上位 SCC 微机可监督控制多台 DDC 或模拟调节器，这种系统具有较高的运行性能和可靠性。
