山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 I 目 錄 摘 要 . 1 . 2 第 1 章 緒論 . 1 題來(lái)源和研究的背景、意義 . 1 內(nèi)外反應(yīng)釜溫度控制技術(shù)的現(xiàn)狀 . 2 應(yīng)釜溫度過(guò)程分析 . 3 應(yīng)釜組成及工作原理 . 3 應(yīng)釜溫度過(guò)程分析 . 5 題主要研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵問(wèn)題 . 7 要內(nèi)容 . 7 鍵問(wèn)題 . 8 制指標(biāo) . 9 第 2 章 控制方案分析 . 10 統(tǒng) 制算法 . 10 制算法原理及特點(diǎn) . 10 字 制算法及其特點(diǎn) . 11 和作用及其 抑制 . 13 數(shù)的選擇 . 13 型 制算法 . 15 能 制種類及應(yīng)用 . 15 家 制 . 16 估器的 制算法 . 17 饋控制 . 19 制方案確定 . 20 第 3 章 模型參數(shù)辨識(shí)與算法仿真 . 21 應(yīng)釜模型參數(shù)辨識(shí) . 21 于反應(yīng)釜模型的算法仿真 . 22 第 4 章 反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 26 片介紹 . 26 心芯片 特點(diǎn) . 26 他主要芯片介紹 . 27 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 件電路分析 . 28 溫電路 . 28 壓模塊電路 . 30 晶接口電路 . 30 位機(jī)軟件設(shè)計(jì) . 31 程序 . 32 制算法子程序 . 33 非線性處理 . 35 位機(jī)軟件設(shè)計(jì) . 37 位機(jī)功能模塊組成 . 37 口通訊實(shí)現(xiàn) . 39 據(jù)庫(kù)管理 . 41 第 5 章 實(shí)驗(yàn)與總結(jié) . 43 饋補(bǔ)償電壓測(cè)量 . 43 驗(yàn) . 44 驗(yàn)一 . 44 驗(yàn)二 . 46 驗(yàn)三 . 47 結(jié) . 48 第 6 章 結(jié)束語(yǔ) . 49 附錄一 反應(yīng)釜溫度控制實(shí)驗(yàn)的部分?jǐn)?shù)據(jù) . 50 附錄二 主程序和部分子程序 . 51 參考文獻(xiàn) . 59 致 謝 . 61 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 . 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 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 . 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 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 摘 要 反應(yīng)釜是化工生產(chǎn)過(guò)程中一種重要的反應(yīng)容器，其內(nèi)部機(jī)理復(fù)雜， 因反應(yīng)物 種類、濃度等因素 不同伴有不同的吸、放熱過(guò)程，對(duì)溫度過(guò)程的控制 影響較大，是典型的大慣性、大滯后、非線性系統(tǒng)，控制起來(lái)非 常困難，傳統(tǒng)控制算法很難 在反應(yīng)釜的 溫度控制上得到滿意的效果，從控制的角度來(lái)看，反應(yīng)釜屬于最 難控制的過(guò)程之一。 以反應(yīng)釜的溫度作為被控對(duì)象，在分析了反應(yīng)釜工作過(guò)程的能量轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)上，給出了反應(yīng)釜溫度過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)階躍響應(yīng)建模法，對(duì)反應(yīng)釜溫度過(guò)程模型進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí)，得出反應(yīng)釜溫度過(guò)程的傳遞函數(shù)。針對(duì)傳統(tǒng)控制方法無(wú)法滿足具有大慣性、大滯后的反應(yīng)釜溫度的高精度控制，提出了專家 前饋 制相結(jié)合的控制算法，并在 對(duì)算法進(jìn)行了建模、仿真 ，仿真圖形 以及下面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都驗(yàn)證了該算法對(duì)大慣性、大滯后系統(tǒng)控制的有效性。 在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以 片 機(jī)為核心的上、下位機(jī)相結(jié)合的反應(yīng)釜控制系統(tǒng)，通過(guò) 行上、下位機(jī)的串行通信。 下位機(jī)控制器 是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它具體地實(shí)現(xiàn)控制算法對(duì)反應(yīng)釜溫度的控制，還 包括按鍵、 示、擴(kuò)展存儲(chǔ)器存儲(chǔ)、溫度數(shù)據(jù)測(cè)量、算法運(yùn)算、調(diào)溫電壓輸出以及和上位機(jī)串行通訊等功能；上位機(jī)采用 行軟件編程，包括對(duì)下位機(jī)發(fā)送控制命令、接收數(shù)據(jù)并顯示存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能 ，有了上位機(jī)就可以存儲(chǔ)大量的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)歷史溫度數(shù)據(jù)的變化分析、總結(jié)控制算法的控制效果 。 上、下位機(jī)的結(jié)合提高了人機(jī)交互的智能 性。在該反應(yīng)釜控制系統(tǒng) 上，分別采用傳統(tǒng) 制算法和 專家 前饋 制相結(jié)合的控制算法 進(jìn)行反應(yīng)釜溫度控制實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)上位機(jī)提取歷史數(shù)據(jù)繪制溫度響應(yīng)曲線圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 專家 前饋 制相結(jié)合的控制算法可以克服大慣性、大滯后的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)釜溫度過(guò)程的快速、精確控制。 關(guān)鍵詞 ：反應(yīng)釜； 專家 制； 前饋 制； 片機(jī)；串行通信 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 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 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 東大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 第 1 章 緒論 題來(lái)源和研究的背景、意義 本課題為威海市與山東大學(xué)威海分校共建科研攻關(guān)項(xiàng)目，我校與威?；C(jī)械廠共同承擔(dān)，化工機(jī)械廠提出技術(shù)要求和相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，我校承擔(dān)研制，化工機(jī)械廠提供實(shí)驗(yàn)條件，共同實(shí)驗(yàn)并完善產(chǎn)品，共同推向市場(chǎng)。溫度是化 學(xué)反應(yīng) 過(guò)程中 的 重要條件，溫度控制的精度直接決定了化工產(chǎn)品的品質(zhì)和質(zhì)量，過(guò)大的超調(diào)溫度不但影響產(chǎn)品的質(zhì)量，而且可能引發(fā)生產(chǎn)事故，特別是 科研用的反應(yīng)釜的溫度控制要求精度更高。而反應(yīng)釜的溫度對(duì)象具有大滯后、大延時(shí)、非線性等特點(diǎn)，針對(duì)這種對(duì)象如何精確控制反應(yīng)釜的溫度是當(dāng)今控制理論的一大難點(diǎn)，同時(shí)又是現(xiàn)代化工過(guò)程急需解決的問(wèn)題，為此，提出了專門針對(duì)反應(yīng)釜溫度控制算法的研究課題。 反應(yīng)器是化工生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的主要設(shè)備 之一 。按照 反應(yīng)器內(nèi)部反應(yīng)物狀態(tài)不同，反應(yīng)條件不同，反應(yīng)過(guò)程的熱效應(yīng)不同 ，可以 將 反應(yīng)器 分為 很多結(jié)構(gòu)和種類，如 冶金工業(yè)中的高爐和轉(zhuǎn)爐，生物工程中的發(fā)酵罐以及各種燃燒器，都是不同形式的反應(yīng)器， 而反應(yīng)釜就是其中一類非常重要的反應(yīng)容器。它在反 應(yīng)過(guò)程中的參數(shù)較多 ，如原料純度、催 化劑的類型、原料添加數(shù)量的變化、循環(huán)水、加熱 溫度、流量的變化等，對(duì)系統(tǒng)的影響較大，使 得反應(yīng)釜系統(tǒng) 具有較大的時(shí)變性 和滯后性，控制起來(lái)非常困難 1。 反應(yīng)釜作為溫度控制的典型代表，其化學(xué)反應(yīng)常常伴有大量的吸熱、放熱過(guò)程，加之反應(yīng)釜本身具有的 大 滯后性和大慣性等特點(diǎn)， 難于進(jìn)行精確的溫度控制 ，然而生產(chǎn)過(guò)程經(jīng)常在高溫、高壓、易燃、易爆等環(huán)境下進(jìn)行，生產(chǎn)的安全性至關(guān)重要 12，所以反應(yīng)釜反應(yīng)過(guò)程溫度 的 精確控制 不僅是生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量的表征，更多時(shí)候是化工生產(chǎn)過(guò)程安全性的標(biāo)準(zhǔn)，因此高性 能、高精度、高可靠的反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)的研制是提高生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)條件、保證生產(chǎn)安全的必然措施 2。 因此，基于反應(yīng)釜的先進(jìn)控制策略的研究是一種具有實(shí)際意義的工作 。 并在基于片機(jī)控制器上實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜溫度的全過(guò)程自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)，包括升溫、穩(wěn)定溫度等流程，以期達(dá)到先進(jìn)控制算法在實(shí)際控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，從而更深入地理解復(fù)雜系統(tǒng)過(guò)程控制的特點(diǎn)。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 內(nèi)外反應(yīng)釜溫度控制技術(shù)的現(xiàn)狀 早期的反應(yīng)釜自動(dòng)控制裝置主要采用單元組合儀表組成，但是由于反應(yīng)過(guò)程存在嚴(yán)重的非線性和時(shí)滯特性，早期的反應(yīng)釜控制無(wú)法 達(dá)到較理想的控制 精度， 且很容易產(chǎn)生較大的超調(diào)， 后來(lái)有人使用 為控制器，控制精度有了的提高，但難于進(jìn)行復(fù)雜的過(guò)程控制 ，快速性和穩(wěn)定性不能滿足要求 1?？刂评碚撛诜磻?yīng)釜溫度控制 的應(yīng)用上，早期的反應(yīng)釜控制系統(tǒng)多為兩點(diǎn) 式調(diào)節(jié)的單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，后來(lái)人們?cè)絹?lái)越多地使用 統(tǒng)的 制是一種基于過(guò)程參數(shù)的控制方法 ,具有控制原理簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高、參數(shù)易調(diào)整等優(yōu)點(diǎn) 13,但其設(shè)計(jì)依賴于被控對(duì)象的 精確數(shù)學(xué)模型 ,在線整定參數(shù)的能力差 ,而反應(yīng)釜很難 建立精確的數(shù)學(xué)模型 ,不能滿足系統(tǒng)在不同條 件下對(duì)參數(shù) 自整定的要求 ,故傳統(tǒng) 制難以滿足高精度反應(yīng)釜的過(guò)程控制。隨著控制理論的發(fā)展，尤其是智能控制理論的發(fā)展，人們開始研究智能化的反應(yīng)釜溫度控制器。 自上世紀(jì) 70 年代以來(lái)，由于 工業(yè)過(guò)程控制的需要，特別是 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在工程中的應(yīng)用以及 經(jīng)典、 現(xiàn)代控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)外溫度控制技術(shù)得到迅速發(fā)展，并在智能化、參數(shù)自整定等方面取得一定成果，在這一方面，以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)家技術(shù)領(lǐng)先，他們都生產(chǎn)出了 參數(shù)自整定、高性能 的溫度控制器及 應(yīng)用于各行各業(yè)的 儀器儀表，它們的特點(diǎn) 主要有以 下這些方面 45: （ 1）適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制。 （ 2）能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制。 （ 3）能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)過(guò)程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制。 （ 4）這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等先進(jìn)控制理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)，先進(jìn)的算法適應(yīng)的范圍廣泛。 （ 5）普遍溫控器具有參數(shù)自整定功能。借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器具有對(duì)控制對(duì)象控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)整定的功能。有的還具有自學(xué)習(xí)功能，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對(duì)象的變化情況，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以 保證控制效果的最優(yōu)化。 （ 6）溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)。 目前，我國(guó)在溫度控制系統(tǒng)方面總體技術(shù)水平相對(duì) 歐美和日本 落后，成熟產(chǎn)品主要以 “ 點(diǎn)位 ” 控制及常規(guī)的 制器為主，它只能適應(yīng)一般線性溫度系統(tǒng)控制，難于控制 具有大 滯后、 大 慣性、時(shí)變溫度系統(tǒng) 。我國(guó)在溫度控制儀表業(yè)與國(guó)外的差距主要表現(xiàn)在這 幾個(gè)方面 6：行業(yè)內(nèi)企業(yè)規(guī)模小，且較為分散，造成技術(shù)力量不集中，制約技術(shù)發(fā)山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 展 ； 商品化產(chǎn)品以 制器為主，智能化儀表少，國(guó)內(nèi)企業(yè) 對(duì)復(fù)雜 及精度要求高的溫度控制系統(tǒng)大多采用進(jìn)口溫度控制儀表 ； 在儀 表控制參數(shù)的自整定方面，國(guó)外已有較多的成熟產(chǎn)品， 但國(guó)內(nèi)還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件， 控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定 。 結(jié)合溫度控制技術(shù) 的發(fā)展，多年來(lái)，許多學(xué)者在反應(yīng)釜 溫度控制 問(wèn)題上做了大量的探索并提出一些有效的解決方案 ,它們包括 78: （ 1） 出的雙?？刂疲?采用 制，其大體步驟為：控制過(guò)程開始時(shí)，全速加熱，直至反應(yīng)釜溫度距其設(shè)定值 ，返回全力冷卻，持續(xù) 鐘，此后將夾套水溫設(shè)定值設(shè)在某個(gè)合適的中間 溫度，持續(xù) 鐘，最后用串級(jí) 制器控制夾套水溫。如果參數(shù)選取得當(dāng)，雙模控制 還是 有效的 9。 （ 2） 出將反應(yīng)熱作為一種擾動(dòng)，采用適當(dāng)?shù)姆椒ü烙?jì)出來(lái)，用前饋抵消， 余下的部分近似為線性系統(tǒng)，可以用 制。 （ 3） 用 般模型控制 )方法控制