2017毕业论文-小型反应釜控制系统的仿真设计.doc

哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）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的方法，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的特点以及控制难点，在对反应釜夹套加热系统的传热原理系统分析的基础上，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方法建立了釜内温度的数学模型，并利用实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AbstractThe reaction kettle is a kind of common chemical reaction containers, its internal reaction mechanism is more complicated. Research through the control of its process parameters and the control of chemical reaction process, to improve the yield and quality products with the method of chemical production and biological pharmaceutical industry, etc have practical value.This paper analyzed the characteristics of the reaction kettle temperature change and control the difficulty, in the reaction kettle clip set of heating system of the heat transfer theory system on the basis of analysis, according to the quantity of heat balance principle and the reaction kettle of heat transfer of the relationship, using mechanism modeling and step response curve method to establish the mathematical model of temperature in the kettle, and the utilization of the data and the theoretical analysis verify the effectiveness of the model.Keywords: the reaction kettle；cascade control；MATLAB；the temperature control目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题的目的与意义1第2章 控制方案的确定32.1 反应釜的结构及工作原理32.2 反应釜釜底温度特点分析42.3 反应釜控制系统设计指标的确定52.4 方案比较62.4.1 单回路控制系统设计62.4.2 串级控制系统设计72.5 方案确定8本章小结9第3章 系统硬件设计103.1 主、副调节器的选择103.2 主、副调节器的作用方式113.3 温度变送器123.4 调节阀的作用方式12本章小结13第4章 MATLAB仿真设计及结果144.1 模拟PID算法及规律144.2 单回路控制系统仿真164.3 串级控制仿真19本章小结24结 论25致 谢26参考文献27附录1 译文28附录2 英文参考资料37-47-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。化工生产经常在高温、高压、易燃、易爆等环境下运行，生产的安全性至关重要。研究化工生产过程自动检测和控制技术，是适应当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。在我国由于大中城市科学技术和工业自动化的发展步伐较快，近年来一些生产规模不大，而具有一定危险性的化工生产项目转移到农村和小城市，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的呼声日益增高。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，并不断深化。在反应釜、培养皿等化工容器内完成的化学工业过程的特征参量一般为温度、压力、浓度等，这些参量是化工过程本身的属性的表现。它们不仅是化工生产过程质量好坏的表征，而且在很多时候也是化工生产过程安全性（例如是否爆炸、起火等）的表征。因此，通过测量并校正这些参数，以确保化工生产过程的质量和安全性是十分重要的。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，且操作不当，极易引发安全事故。近年来，随着电子技术和自动控制理论的发展，人们开始研究各种反应釜自动控制装置。在我国，目前也出现了一些反应釜智能控制器的研发与应用。早期的反应釜自动控制系统较为简单，大多是使用一些单元组合仪表组成位式控制装置，由于化学过程中存在较严重的非线性和时滞性，这种简单的控制方式难以达到预期的控制精度，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适用较复杂的过程控制，在通信和管理方面也存在很多缺点。近年来，以微控制器或工业微机为核心的各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主流。在控制理论的运用上，早期的反应釜控制系统多为两位式调节的单回路调节系统，对于重要的环节设计有串级调节系统。第2章 控制方案的确定2.1 反应釜的结构及工作原理反应釜有间歇式和连续式之分。间歇反应釜通常用于液相反应，如多品种、小批量的制药、燃料等反应。连续反应釜用于均相和非均相的液相反应，如聚合反应等，本文研究的对象为间歇式反应釜。反应釜的基本结构如图2-1所示,由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。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。釜体为一个钢制罐形容器，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，可将各种传感器放入其中。图2-1反应釜结构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的温度升高，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。当釜内温度达到预定的温度时，保持一定时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。恒温段是整个工艺的关键，如果温度偏高或偏低，会影响反应进行的深度和反应的转化率，从而影响了产品的质量。化学反应过程中一般伴有强烈的放热效应，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加，反应的速率就会增加，放热速率也会增加，会使反应温度进一步上升，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。按照工艺要求，这些反应一般要经过加热、恒温、冷却等过程，当原料配比、浓度确定以后，准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余热量。通过调节流入反应釜夹套中冷却介质的流量，来控制反应釜内物料的温度使之符合工艺要求。本课题使用的是间歇式反应釜。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，系统的主要控制的参数是温度，反应温度设定在80。液位的控制主要在加入原料、物料等阶段，在到达指定液位后，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结果可知，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：忽略了热交换中的能量损失、忽略了反应过程中许多复杂的化学现象和不确定因素、对方程进行了近似的处理等等。事实上作为被控对象的反应釜工作温度与一般的工业对象对比，主要有以下几个方面的特点：1.大时滞性反应釜一般在反应之初加热使反应釜内达到所需的温度。在反应过程中伴有很强的热效应，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余的热量，以使釜内温度降低。但由于反应釜内与外界热交换主要依靠反应釜的间壁进行热传导，内壁对整个釜内加热也需要一定的时间，所以导致系统表现出很大的时滞效应。2.时变性反应釜内的温控特性主要取决于釜内化学反应的激烈程度，而整个生产过程从起始升温、中间恒温到最后降温，对象具有明显的时变性。并且，就某一个具体的阶段而言，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相应的变化。3.非线性对于一个温度过程系统，都并存在传导、对流和辐射三种形式的传热，只是在不同的阶段各种传热形式所占的比例不同。事实上，只有一维导热可以看作是线性的，辐射热量是绝对问题的四次方函数，对流传热受多种因素的影响，一般也是非线性的。在整个温区内，被控对象的动态参数随着温度的变化而变化，在工作点附近的小温度范围内，其动态特性可以看成近似线性的。针对被控对象的上述特点，应综合考虑系统的鲁棒性和快速性的要求，提高温度测量的精度和测量稳定性。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的确定根据要求，本课题设计的反应釜控制系统要求对某化学反应实现过程控制。控制系统的主要控制功能为自动地实现釜温控制，釜温时间曲线由标准制式或由操作人员从人机接口设置。其中标准制式要求釜温达到如图2-2所示的变化规律。图2-2 反应釜温度曲线图图中升温部分用虚线描绘，表示对升温时间的要求不是很严格，只要保证超调量不是太大即可。达到反应温度后，要保持釜温在80约90分钟。降温阶段有一定时间要求，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时间标准制式。在加热和冷却工况下，要求釜温从实际温度变化到设定温度，然后使反应釜在设定时间内维持在设定温度。同时，系统具有定时功能。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时关机，关机状态可设置定时开机。本系统的测温范围要求为0100。自动工况下，升温阶段的控制精度要求不是很高，升温结束阶段向恒温阶段切换时的超调量要求不超过5。恒温阶段的控制精度要求较高，要求绝对误差不超过2。2.4 方案比较2.4.1 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，工艺要求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，釜底温度要求维持在给定值上下，所以直接选取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。调节这两个流量的大小都可以改变釜底温度，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。这两种方案具有相同的框图结构以及相同的系统特性。因而控制参数选择冷剂或热剂。图2-3 单回路控制系统方案示意图温度给定值副对象主调节器执行器主对象温度变送器+图2-4 单回路控制系统框图2.4.2 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，工艺要求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，选取冷剂流量或热剂流量为控制参数。影响釜底温度的因素有很多，主要有反应物的温度、搅拌器的搅拌速度、反应物的浓度等。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给定值温度流量副对象主调节器执行器主对象温度变送器+流量变送器副调节器图2-5 串级控制系统框图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，为了使其达到反应温度，往往在反应开始前需要给它提供一定的热量。一旦达到反应温度后，就会随着化学反应的进行不断释放出热量，这些热量如不及时移走，反应就会越来越激烈，以致会有爆炸的危险。因此，这种间歇式化学反应器既要考虑反应前的预热问题，又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结构和工作原理，选用温度作为控制参量。针对本课题提出的要求，以研究实现小型实用反应釜的控制系统为目标，主要将开展了以下几个方面的研究工作：1.分析反应釜的过程特性；根据反应釜的内部结构以及工作原理，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策略的研究；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个测量变送器与一个控制器，增加的投资并不多，但控制效果却有显著的提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对二次干扰有很强的克服能力；提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。综合以上因素，选择串级控制方案。本章小结本章主要分析了反应釜的工作原理，反应釜釜底温度的特性，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成的优劣，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、副调节器的选择控制器的选型主要根据被控过程的特性、工艺对控制品质的要求、系统的总体设计来综合考虑，根据课题的要求，本次设计选择DDZ-型调节器。DDZ-型调节器是型电动单元组合仪表中的一个重要单元。它接受变送器或转换器的DC15V或DC4mA测量信号为输入信号，与DC15V或DC420mA给定信号进行比较，并对其偏差进行PID运算，输出DC420mA标准统一信号。DDZ-型仪表由于采用了线性集成电路，所以进一步提高了仪表在长期运行中的可靠性和稳定性。从而扩大了调节器的功能，可组成各种变型调节器，满足生产过程自动化的需要。DDZ-型PID调节器主要由输入电路、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组成，如图3-1所示：图3-1 DDZ型调节器框图调节器接收变送器送来的测量信号（DC420mA或DC15V），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，最后由输出电路转换为420mA直流电流输出。3.2 主、副调节器的作用方式控制器有正作用和反作用两种方式，其确定原则是使整个单回路构成负反馈系统。因而，调节器正、反作用的选择同被控过程的特性即调节阀的开、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（通过调节阀的物料或能量）增加（或减少）时，其输出（被控参数）亦增加（或减少），此时称此被控过程为正作用；反之为反作用。组成过程控制系统各环节的极性是这样规定的：正作用调节器，即当系统的测量值增加时，调节器的输出亦增加，其静态放大系数KC取负；反作用调节器，即当系统的测量值增加时，调节器的输出减小，其静态放大系数KC取正。气开式调节阀，其静态放大系数KV取正，气关式调节阀，其静态放大系数KV取负。正作用被控过程，其静态放大系数K0取正，反作用被控过程，其静态放大系数K0取负。确定调节器正、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节阀的开、关形式、然后按被控过程的特性，确定其正、反作用，最后根据上述组成该系统的开环传递函数各环节的静态放大系数极性相乘必须为正的原则来确定调节器的正、反作用方式。串级控制系统中，必须分别根据各种不同情况，选择主、副控制器的作用方向，选择方法如下：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要求，选定执行器的气开、气关形式后，按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定的因此，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方法与简单控制系统中控制器正、反作用的选择串级调节方法相同，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方法进行：当主、副变量在增加（或减小）时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小（或增加），要求控制阀的动作方向是一致的时候，主控制器应选“反”作用；反之，则应取“正”方向。从上述方法可以看出，串级控制系统中主控制器作用方向的选择完全由工艺情况确定，与执行器的气开、气关型式及副控制器的作用方向完全无关，因此，串级控制系统中主、副控制器的选择可以按先副后主的顺序、即先确定执行器的开、关型式及副控制器的正、反作用，然后确定主控制器的作用方向。在单回路控制系统设计中，要使一个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、副调节器中正、反作用方式的选择原则是使整个控制系统构成负反馈系统。即使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同。反应釜串级控制系统主、副调节器中正、反作用方式的确定如下：故调节阀的KV为正。当调节阀开度增大，冷（热）剂流量增加，反应釜釜底温度温度升高，故副过程的K02为正。为了保证副回路为负反馈。则副调节器的放大系数K2应取正，即为反作用调节器。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K01为正。为了保证整个回路为负反馈，则主调节器的放大系数K1应为正，即为反作用调节器。3.3 温度变送器检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将检测信号转换成标准信号输出。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标准信号后，才能进入控制系统，与调节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个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构基本相同。检测信号传感原件输入电路放大电路反馈电路电量+-输出电流图3-2 温度变送器的原理框图3.4 调节阀的作用方式调节阀开、关形式的选择主要是考虑在不同工艺条件下安全生产的需要。在选用时，应考虑以下情况。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，调节阀所处的状态不致影响人身和工艺设备的安全。例如，锅炉供水调节阀一般采用气关式，一旦事故发生，可保证事故状态下调节阀处于全开位置，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。精馏塔是工业生产中的重要设备之一，其进料调节阀一般选用气开式，这样，在事故状态下调节阀关闭，停止进料，以减少原料损耗；而回流量调节阀一般选用气关式，在事故状态下使调节阀全开，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，蒸汽流量调节阀选用气关式。一旦事故发生，使其处于全开状态，以防止物料结晶、凝固和堵塞给重新开工带来麻烦，甚至损坏设备。综合考虑以上因素，间歇式化学反应釜冷（热）剂调节阀应选择气关式。本章小结本章主要进行了主、副调节器的选择，分析调节器的作用方式，确定温度变送器选型，根据反应釜工作特点确定了调节阀的气关工作方式。为文成课题打下硬件基础。第4章 MATLAB仿真设计及结果4.1 模拟PID算法及规律在模拟控制系统中，控制器最常见的控制规律是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控制器和被控对象组成。比例积分微分被控对象r（t）e(t)u(t)c(t)+-+图4-1 模拟PID控制系统原理框图在工业现场实际应用中，最为广泛的调节器控制规律是比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节PID控制器问世至今已有近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%，随着科学技术的发展，特别是计算机的发展，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.原理简单，易被人们熟悉和掌握。PID控制由比例、微分、积分三个典型环节组合而成，原理简单，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控制广泛适用于化工、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，可使控制系统达到较好的控制效果，且PID控制对被控对象特性的变化不太灵敏。PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的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，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的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（Steady-stateerror）。积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果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的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。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，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，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的调节过程中可能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，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。比例调节依据“偏差的大小”来动作，它的输出与输入偏差的大小成比例。比例调节及时，有力，但有余差。它用比例度来表示其作用的强弱，比例度越小，调节作用越强；相反，比例度越大，调节作用就越弱；比例作用太强时，会引起震荡。积分调节依据“偏差是否存在”来动作，它的输出与偏差对时间的积分成比例，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，延长了调节时间。它用积分时间T来表示其作用的强弱，T越小，积分作用越强，但积分作用太强时，也会引起震荡。微分调节依据“偏差变化的速度”来动作它的输出与输入偏差变化的速度成比例，其效果是阻止被调参数的一切变化，有超前调节的作用，对滞后大的对象（温度）有很好的效果.它使调节过程偏差减小，时间缩短，余差也减小（但不能消除）。它用微分时间TdL来表示其作用的强弱，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： 间歇式反应釜的单回路仿真图，如图4-2所示：图4-2 单回路系统仿真图利用MATLAB进行初步仿真即在PID作用在比例为1的情况下即没有调节起作用的情况下系统的阶跃曲线图，我们可以通过观察响应曲线看出系统的特征然后进行系统分析。经过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节器PID控制参数，将主调节器的比例度置于100%，用单回路控制系统的衰减（4:1）曲线法整定，逐步降低副回路的比例度&2s，直到得到副回路过渡过程衰减比为4:1的曲线，即得到如图4-4所示的阶跃响应曲线，此时&s=320，Ts=1.1，其中Ts为衰减振荡周期。图4-4 4:1衰减曲线仿真图按已求得的&s、Ts值，结合选定的衰减曲线法已给定单位调节规律，按衰减曲线法整定参数的经验公式，计算出主、副调节器的整定参数值。经计算以后，调节的参数设置如图4-5所示图4-5 PID最终调节参数经调节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根本无法满足间歇式反应釜的基本工艺要求。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： 间歇式反应釜的串级仿真图，如图4-7所示：图4-7 串级控制系统仿真图利用MATLAB进行初步仿真即在主副PID作用在比例为1的情况下即没有调节起作用的情况下系统的阶跃曲线图，我们可以通过观察响应曲线看出系统的特征然后进行系统分析。经过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节器PID控制参数，将主调节器比例度置于100%，用单回路控制系统的衰减（4:1）曲线法整定，逐步降低副回路的比例度&2s，直到得到副回路过渡过程衰减比为4:1的曲线，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。根据相关规定，副调节器一般只采用比例调节器，因此副调节器可以只采用P2=0.6的比例调节器。图4-9 副回路4:1反应曲线图将副调节器的比例度置于所求的数值&2s上，把副回路作为一个环节，用同样的方法整定主回路的参数，求的&1s=35，T1s=8.5。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的&2s、T2s和&1s、T1s值，结合选定的衰减曲线法已给定单位调节规律，按衰减曲线法整定参数的经验公式，算出主、副调节器的整定参数值。如图4-11、4-12主、副调节的参数设置所示：图4-11 副回路PID调节结果图4-12 主PID调节最后结果当副调节器参数整定结束之后，视其为主回路的一个环节，按单回路控制系统的方法整定主调节器参数，而不再考虑主调节器参数变化对副回路的影响。主、副调节器参数整定好以后系统输出图如图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、副调节器参数整定，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介绍了模拟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调节，完成了课题要求的功能指标与技术指标。结 论化工生产在我国的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。化工生产经常在高温、高压、易燃、易爆等环境下运行，生产的安全性至关重要。研究化工生产过程自动检测和控制技术，是适应当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。因此，针对需求利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，主要成果如下：1.根据反应釜的结构和工作原理，对反应釜的反应过程进行了分析，设计出合理的控制方案。2.利用串级控制系统实现达到功能指标，精度指标的课题设计。3.运用MATLAB仿真对控制系统设计完成实现。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因素。串级控制系统在结构上仅仅比简单控制系统多了一个控制回路，但对系统的影响特别大。在相同衰减比的条件下，串级系统的工作频率要高，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，因而对于反应釜釜底温度的控制质量获得的改善。其次，采用串级控制系统具有较强的抗干扰能力。串级控制的副回路对于进入其中的扰动具有较强的抑制能力。所以在工业应用中只要将变化剧烈、而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方法之一，在过程控制中得到了广泛的应用。 致 谢在临近毕业之际，我还要借此机会向在这四年中给予了我帮助和指导的所有老师表示由衷的谢意，感谢他们四年来的辛勤栽培。同时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，并在设计过程中所遇到的难题都给了非常重要的意见，让我在她的悉心帮助和支持下，能够很好的掌握和运用专业知识，理解毕业设计的要求并在设计中得以体现，顺利完成毕业设计。同时，在毕业过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关的作者表示谢意。我还要感谢同组的各位同学，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢。参考文献1 邵裕森，戴先中编过程控制机械工业出版社，20102 薛定宇编控制系统辅助设计清华大学出版社，20083 梅晓榕编自动控制原理科学出版社，20094 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，2009.5 周泽魁编控制仪表与计算机控制装置化学工业出版社，2009 6 王兆安，黄俊编. 电力电子技术. 机械工业出版社，2000.7 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，2006.10 鞠丽叶.自适应预测控制理论及其应用.青岛科技大学学报，2008.11李敏、郭涛、杨马英等.过称控制系统综合性实验设计.实验技术与管理.2011.12 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2011年第24卷第4期.2011.13 郭阳宽、王正林.过程控制工程及仿真.电子工业出版社.200914 王建辉、顾树生.自动控制原理.清华大学出版社.200715 赵跃.过程控制与仪表.机械工业出版社.200716 夏玮.Matlab控制系统仿真与实例详解.人民邮电出版社.200817 王正林.Matlab/Simulink与控制系统仿真.电子工业出版社.200818 薛定宇.基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用.200219 Maxim Integrated Products,Inc.Maxim Data Book,CDROM Version7.0.200320 Data-Acquisition Databook.Analog Devices Corp.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。不幸的是，大多数商业机器人模拟器不支持 Matlab。本文介绍的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，它提供了一个简单的用户界面。实验结果显示的可行性及建议模拟器的性能。关键字：移动机器人，导航，模拟器，MATLAB1.介绍导航是核心能力的移动机器人。在发展新导航算法的过程中，有必要在真正的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。这是因为(一)机器人价格膨胀；(二)未经测试的算法可能会损坏的机器人在实验 ；(三)困难的构建与交互系统模型下噪声背景下；(四)的瞬时状态很难跟踪准确 ；(五)和度量单位以外部的信标隐藏在实验中，但此信息通常有助于调试和更新的算法。软件模拟器可能是一个好的解决方案，这些问题。好的模拟器可以提供许多不同的环境，以帮助研究人员能够找出他们在不同种类的移动机器人的算法中存在的问题。为了解决上面列出的问题，该模拟器被应该能够密切监视系统状态。它还应具有各种算法的柔性和友好用户界面。到目前为止，已开发了许多商业的模拟器，具有良好的性能。例如，MOBOTSIM是2D模拟器的窗口，它提供了一个图形界面，以构建环境1。但它只支持有限的机器人模型（差驱动机器人的距离传感器只），并且不能处理基于视觉算法。Bugworks是非常简单的模拟器提供拖就地界面2；但是，它提供了非常原始的功能，更像是示范，而不是模拟器。一些其他机器人模拟器，如Ropsim 3、5，ThreeDimSim和RPG Kinematix 6，是特别针对发展的自主导航算法的移动机器人和有非常有限的功能。商业的模拟器，从Cyberbotics4 Webot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、 优秀的三维显示、 精确的性能模拟和编程语言的机器人控制。也许由于以强大的功能，他们很难使用新的用户。例如，这是相当无聊的工作，建立环境视觉的实用程序，其中涉及建筑的形状、材料选择、和照明设计。此外，一些机器人开发工具包具有内置的模拟器的几种特殊的机器人。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件，以配置的环境，但只支持有限的机器人模型。但是，大多数商业模拟器不目前支持另外一方面，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，矩阵的逆操作可能需要功能有数百行；但在MATLAB中有一个简单的命令。在这一阶段中使用MATLAB可以避免浪费时间再生存在算法反复与重点的新的理论和算法的发展。本文介绍了一种基于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，并方便地做实验，对他们的研究第一阶段的研究人员。算法开发基于MATLAB子例程，使用指定的参数变量，这些文件存储到文件中，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一些基本的分析。剩下的纸分为如下所示。第二节中介绍了拟议的模拟器软件结构。第三部分描述了拟议的模拟器的用户界面。第四节载一些实验的结果显示系统的性能。最后，第五节介绍了一个简短的结论和潜在的未来工作。2.软件体系结构若要使算法设计和调试更容易，我们基于MATLAB模拟器被为了有以下功能：轻松的环境建模-l；包括墙、障碍、灯塔和虚拟场景 ； 机器人模型构建，包括驱动和控制的系统和噪音水平。 观察模型设置 ；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。如果机器人触摸墙，模拟器可以停止机器人，即使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实验的仿真。 实时显示正在运行的处理和意见。这是用户跟踪导航过程，并找出错误。 整个运行过程中，包括瞬变和平均本地化错误的统计结果。这是详细的导航的离线分析的结果。这些模块中，已做了一些基本的简单的分析。如图1所示的建筑已经发展到实现以上功能。本节的其余部分将说明模拟器中的详细信息的模块。2.1.用户界面模拟器提供一个接口，营造环境、设置的噪声模型；和几个单独的子例程，可供用户进行观察和本地化的算法。某些参数和设置由用户定义的该接口模块和文件可以获取这些定义。如图1所示，以上虚线的模块是用户界面。使用客户配置文件，用户可以描述环境 (墙壁、走廊、门口、障碍和信标）、解释系统和控制模型、在不同步骤中定义的噪音和做一些模拟器设置。客户子例程应该是严重的源代码与所需的输入/输出参数。模拟器调用这些子例程，并使用结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件 （国家合作框架） 的系统中测试客户的子例程中的算法。在图 1 中的灰色块是在模拟器中集成的客户子例程。图 1 软件结构的模拟器环境的墙壁的角落由的笛卡儿的值对配置文件的说明。每一对环境中定义的点和程序配置模块连接点与直线的连续剧，视为在墙上的这些行。每个灯塔由四个元素的载体的x、y、，P T，凡(x，y) 起诉的灯塔的位置由笛卡尔坐标值、是方向，面临着的灯塔，P 是指向图像文件的指针意见场地信标的前面。非可视的灯塔，例如反光的极地的激光扫描仪，P计算元素，这是非法的 am 图像指针。一些参数的国家合作框架，如形状半径，驾驶方法、wheelbases、最大的平移和旋转速度、噪音、等）的机器人，观测的字符（最大值和最小观测范围，观察角度，观测噪声等) 和等等的数据计算。这些数据是内部模块用于构建系统和观察的模型。机器人和绘制的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一些设置相关的运行，如机器人运动和跟踪的方式显示，观察的交换机的模拟显示，战略的随机运动等。2.2.行为控制模块导航算法通常由等障碍避免路线导航和定位（如果没有手动映射） 的几个模块组成。尽管障碍避免模块安全模块是重要的它不是本文中讨论。模拟器为用户提供内置的OAM研究报告，以便他们能够专注于他们的算法。但该模拟器还允许用户关闭此功能，并建立自己的客户之一的OAM子例程。颠簸的反应功能还集成在此模块，始终打开的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一样，如果用户关闭OAM和机器人在程序中有一些错误。OAM了图2所示的流程图。机器人姿态表示如 X = x y 在x、y和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的基本理论计算隔离墙的线段的距离。用户导航算法是作为MATLAB功能测试，称为 OAM研究报告提出的。它应该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 障碍避免模块2.3.数据融合子例程数据融合是模拟器的另一个子程序，可供用户使用。模拟器还提供了所有所需的信息，并接收此子例程，作为定位结果和映射数据的输出。通常情况下，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，尽可能的靠近。观察模拟模块（OSM）被迄今。内部数据包括精确的姿态，加上设置的国家合作框架，这是容易获取的参数的噪音。真正的机器人姿态和信标的安排，很容易推断出可以检测机器人，以及距离和方向观察到的信号。将根据明晰选择非可视信标和将其传输到数据保险丝子例程，观察到的所有信息。基于视觉算法模拟，明晰的环境包含的图像文件的不同地点的场景。OSM 与国家合作框架、信标定位和距离和方向等的观测数据中定义的摄像机参数相结合，可以计算，并生成缩放的图像以模拟在某一个位置的意见。用户子例程，因此获得性的观察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的输出模块视频演示及数据结果。实时视频提供直接视图如何算法执行，而输出数据的模拟提供精确的记录。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。 3（a）整体视图3（b）扩大后的一部分图3模拟器的视图Routine Refresh: calculation the current drawing all parameters = 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); loop for every 40 ms control = call(users_Control); tpose = getTruePose(control); obv = getObservation(tpose, beacons); lpose,l_noise = call(users_Localization); map,m_noise = call(users_mapbuilding); DrawRobot(Rob,tpose,lpose); DrawImage(l_noise, obv, map, m_noise); end loop图4输出视频宽直线表示墙的环境；图3(b)在左边的轮是机器人的真实位置和右边是本地化的结果。在某一时刻的功能观察薄的直线，与椭圆交叉快递中心映射的不确定性。椭圆围绕中心的定位结果意味着本地化的不确定性。关于绘制的源代码基于贝利的开放源码7。需要注意的是输出数据包含估计的姿势，真正的姿势，协方差矩阵的每个步骤中，可以处理和计算精确实验后。视频实际上是由一系列的静态图像的快速更新执行的。每40毫秒为单位），在模拟器计算所有状态参数，如由于本地化的机器人、当前的观测和当前映射结果的真实姿态。模拟器将这些数据与当前框架的图像绘制，并刷新输出图像。由于每秒25次刷新图像，看上去像一个真实的视频。在图4中所示的方法被执行的计算和绘图的当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，真正的姿势和定位结果显示的形状和绘制具有不同的填充阴影或颜色的结果。在图 4 中的处理周期，记录中的所有数据和参数，例如 lpose、 t_pose、 地图、 等，由另一个线程在一个文件中。后导航，这些数据将输出，以及一些基本的统计结果。3.试验结果实验的目的是测试仿真系统的性能。因此，这个试验的目的是要单独测试模拟器的功能模块，然后运行测试的总体性能模拟器中的真正的满贯算法。首先，OAM 关掉，和用户的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。在实验中，当机器人撞墙在其面前，它停止，扭动着在的地方，因为驾驶噪音。颠簸的反应模块工作正常，并使机器人停止时撞到环境中的任何对象。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%。通过分析的数据和意见，实时视频流和噪声生成模块完美和提供不如我们预料的结果。第三，OAM接通，和用户的导航模块保持相同。即是说，机器人向前除非内置避免模块所需的控制，以避免附近的障碍。在实验中，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。它可靠地避免了一切障碍。图3(a)所示的路径也清楚地证实了障碍避免模块的性能。然后，观察仿真模块是离线处理的拍摄的影像，航行期间生成的测试。通过使用三角剖分方法 9，估计每个记录的图像的位置是推断与真实情况相比。该错误是可以接受的考虑的三角剖分的不明朗因素。这意味着图像缩放和此模块中的投影操作是可靠的。最后，一个简单的同时定位映射(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步骤中形成的。模拟器使所有正在