（机械电子工程专业论文）反应釜内化学过程控制系统开发研究.pdf

硕士论文反应釜内化学过程控制系统开发研究 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。本文通过对反应釜传热特性的分析，总结出被控对 象的特殊性，设计了一套按偏差分档控制的智能测控系统。讨论了控制策略的可行 性，研究了模糊p i d 复合控制理论在反应釜过程控制系统中的具体运用，给出了具 体的控制算法。 在此基础上，设计了以m c s 5 1 单片机为核心的反应釜智能控制器。应用了两 种目前比较流行的串行总线接口技7 i 己一单线总线和i 2 c 总线，构成了多点温度测 量系统，通过对执行器件的动作控制和参数调节，实现了对反应釜内温度及其梯度 的控制。 关键词：反应釜过程控制模糊- p i d 控制单片机温度测量 硕士论文反应釜内化学过程控制系统开发研究 a b s t r a c t t h ec h e m i c a lr e a c t o ri sak i n do f w i d e l yu s e dv e s s e li nc h e m i c a lr e a c t i o n a n dt h e r e a c t i o nm e c h a n i s mi nw h i c hi s c o m p l i c a t e d s t u d y i n gt h em e t h o do fc o n t r o l l i n gt h e c h e m i s t r yp r o c e s s t oi n c r e a s et h e p e r c e n t c o n v e r s i o na n d q u a l i t y o fp r o d u c t s b y c o n t r o l l i n g i t s p r o c e d u r ep a r a m e t e r s i s n e c e s s a r y f o rc h e m i c a l p r o c e s s a n d b i o l o g i c p h a r m a c yi n d u s t r y i n t h e p a p e r , t h ec o n t r o l l e d - o b j e c t s p a r t i c u l a r i t i e s a r e c o n c l u d e df r o ma n a l y s i n gc h e m i c a lr e a c t o r sh e a t - c o n d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n d 趾 i n t e l l i 【g e n tm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h r e e - p a r tc o m b i n e dc o n t r o lt h e o r y , w h i c hu s e sd i f f e r e n tw a yo fc o n t r o li nd i f f e r e n te i r o r r a n g ，i sd e s i g n e d f u r t h e rm o r e ，t h e p a p e r d i s c u s s e st h e f e a s i b i l i t y o ft h i sc o n t r o l s t r a t e g i e s a n dt h e a p p l i c a t i o n o ft h e f u z z y - p i d c o n t r o la l g o r i t h mi nc h e m i c a lr e a c t o r p r o c e s sc o n t r 0 1 t h i si n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mt a k e st h em c s - 5 1s i n g l e - c h i pc o m p u t e ra st h ec o r e t w ok i n d so fp o p u l a rs e r i a li n t e r f a c e ， - w i r eb u sa n dr cb u s , a r eu s e dt o c o m p o s ea m u l t i p o i n tt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e m t h es y s t e mc o n t r o l l sc h e m i c a lr e a c t o r s t e m p e r a t u r ea n di t sg r a d sb yc o n t r o l l i n ge x e c u t i v ec o m p o n e n t s a c t i o na n da d j u s t i n g p r o c e d u r ep a r a m e t e r s k e y w o l r d s lc h e m i c a lr e a c t o r p r o c e s s c o n t r o l f u z z y - p i dc o n t r o l s i n g l e - c h i pc o m p u t e rt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t 玎 y5 7 1 3 8 l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的都分外，不包含其他入已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 姆牛 a o 眸年6 月3 。日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：j 驾生牡 a 6 6 年年6 月1 口日 堡主笙塞 星座叁由些兰塾堡塑型墨竺墅蕉堕壅 一 1 绪论 1 1 本论文的背景和意义 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、耦合、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 反应釜控制技术的现状 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p l c 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f 3 ”。近年来，以微控制器或工业微机为核心的各种智 硕士论文反应釜内化学过程控制系统开发研究 能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。后来人们越来越多地使用p i d 控制，它 的算法简单，易于用各种廉价的微控制器实现，控制效果较以前也有很大提高。但 是，由于p i d 控制主要是具有确切模型的线性过程，而反应釜对象具有非线性和时 滞性等特点，难以建立精确的数学模型，故p i d 控制难以满足复杂的过程控制。 随着智能控制理论研究的深入，人们开始研究智能化的反应釜过程控制装置。 各种智能控制方法，如专家系统、模糊控制、神经网络、遗传算法等，都已在反应 釜控制中有所运用。事实上，对于一个复杂的，不仅具有严重非线性和时滞特性， 而且还在变化的过程，采用任何一种单一的控制策略都难以取得理想的控制效剿2 4 1 。 目前最先进的反应釜智能控制系统多采用将先进的智能控制理论与传统的控制 策略相结合的方法。如文献【2 6 】介绍了一种基于专家系统的反应釜控制系统。文献f 2 2 】 和文献【3 4 】介绍了直接使用模糊控制的反应釜温度控制方法。文献 2 9 】和文献 3 6 】介 绍了p i d 参数自适应的模糊控制方法。文献【3 0 】介绍了一种s m i t h - 模糊控制方法。文 献 2 3 】设计了一种基于神经元网络的直接自适应控制器，特别适合缓慢时变的间歇反 应釜温度控制。文献【2 5 】利用遗传算法的寻优特性，提出了一种以遗传算法寻最优 p i d 参数来控制连续搅拌反应釜的模型参考自适应控制方法。 这些反应釜智能控制器大多需配备工业微机作为主控制器，以满足复杂的控制 算法的需要，硬件成本较高。且由于反应釜中的生产对象不同，各种化学反应过程 差异大、生产规模差异大，故难以形成成熟、适用、制式化的智能控制设备。特别 是对生产规模小的反应釜和培养皿而言，这种复杂的控制系统难以推广。故必须研 制适用于小型生产设备的成本低、操作简便的智能控制装置。 1 3 本论文的内容 1 3 1 被控对象的特性分析 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。论文中主要分析了反应釜内化学反应过程中的传热特 性，研究了温度等参量对反应过程的影响，推导了相关通道的动态方程和传递函数， 并进一步总结出该系统的特点：大时滞性、时变性、非线性。 1 3 2 控制方案的确定 2 堡主堡壅垦生叁堕些兰塾堡塑型墨竺茎垄婴塞 一 根据控制对象的特殊性和具体要求，确定了反应釜过程控制的具体方案。控制 系统以温差为输入量，以加热或冷却阀门的开度为输出量。在分析了各传统控制算 法的可行性和优缺点的基础上，本论文对温度控制采用y - - 段分档控制策略。即当 偏差很大时，直接采用最优控制；当误差较小时，采用模糊控制；当误差很小时， 采用p i d 控制。这种复合的控制策略可以提高系统的准确性和稳定性，并获得良好 的鲁棒性。 为了克服反应釜内温度不均匀，根据温度不均匀的程度对搅拌器实行调速。搅 拌速度采用较为粗糙的模糊控制，可以达到控制要求。 论文中详细论述了用模糊控制实现反应釜过程控制的具体方法，还应用了一种 改进的数字p 1 d 算法。 1 3 3 系统的硬件设计 系统的硬件设计从各个方面充分考虑了技术要求和工厂的实际使用情况。硬件 电路主要由m c s 5 1 单片机和其它外围器件构成，按功能结构分为以下凡部分：电 源电路、温度采集电路、输出控制电路、人机接口电路和微处理器监测电路。在数 据采集电路和d a 转换电路中，利用了两种目前比较流行的串行总线接口技术 单线总线和1 2 c 总线。温度测量电路利用单总线技术实现了多点温度采集，提高了 测量精度。利用1 2 c 总线技术的串行d a 转换器节省了单片机的i o 口线。人机接 口电路由键盘和l e d 显示屏构成，操作简便、显示直观，具有良好的人机界面。考 虑到系统在实际使用中会受到工业现场较严重的电磁干扰，系统还配备了微处理器 监控器以提高系统的抗干扰能力。 1 3 4 系统的软件设计 系统的软件采用结构化的设计方法，主要有：主程序模块、温度采集模块、键 盘中断处理模块、定时器中断处理模块、输出控制模块和控制算法模块。由于使用 了两种串行通信技术，故在软件设计中，充分考虑了系统时序的要求。此外，还运 用了一些软件抗干扰措施。 1 3 5 实验与结果 本系统设计完成后，制作了多套控制器进行安装调试。并利用现场实验法对p i d 算法各参数进行了整定，取得了良好的结果。 硕士论文反应釜内化学过程控制系统开发研究 2 反应釜过程系统的特性分析 2 1 过程控制系统【u 所谓过程系统是指研究一类以物质和能量转变为基础的生产过程，研究这类过 程的描述、模拟、仿真、设计、控制和管理，旨在进一步改善工艺操作，飞是高自动 化水平，优化生产过程，加强生产管理，最终显著地增加经济效益。 参照美国仪器学会的分类方法，从控制的角度出发，把工业分为三类：连续型、 混合型和离散型。连续型工业在习惯上称为过程工业，有时为突出其流动的性质而称 之为流程工业。从操作性质来看，它们包括了连续、不连续和间歇三种操作方式。 其生产特征是：呈流体状的各种原材料在连续流动过程中，经过传热、传质、生化 物理反应等加工，发生了相变或分子结构等的变化，失去了原有性质而形成一种新 的产品。 在连续型工业中，主要对系统的温度、压力、流量、液位、成分和物性等六大 参数进行控制，它的生产特征决定了它在控制方面的特点。 第一，连续型工业加工过程包括了信息流、物质流和能量流，同时还伴随着物 理化学反应、生化反应、还有物质和能量的转换和传递，因此，生产过程的复杂性 决定了对它进行控制的艰难程度，例如，过程工业的建模就是一个十分棘手的问题。 第二，过程工业往往处于十分苛刻的生产环境，例如高温、高压、真空，有时 甚至是易燃易爆或受有毒气体严重污染的环境，因而生产中的人身安全和设备安全 被放在最重要的位置，相应的故障预报和安全监控系统受到特别重视。 第三，过程工业的生产过程是连续的，因而强调生产控制和管理的整体性，应 把各种装置和生产车间连接在一起成为一个整体来考虑，实现了个别设备或装置的 优化不一定就是最优的，应求取全厂的最优化。 早期多采用比例积分微分( p i d ) 定值控制系统，一般采用商品化的传感器、调 节器、记录仪和气动或电动调节阀来加以实施。近年来，随着计算机技术和电子技 术的发展，数字调节器和分布式系统( 又称集散系统) 已经越来越多地用来代替模 拟调节器。 过程控制的任务是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础 上，根据生产对控制提出的要求，应用控制理论，设计出包括被控对象、调节器、 检测装置和执行器在内的过程控制系统，并对它进行分析和综合，最后采用合适的 技术手段加以实现。也就是说，过程控制的任务是由控制系统的设计和实现来完成 的。 4 硕士论文反应釜内化学过程控制系统开发碜堕 2 2 反应釜的过程分析 2 2 1 反应釜的结构简介 化学反应釜的基本结构如图2 1 所示。其主体是一个钢制罐形容器，可以在罐 内装入物料，使物料在其内部进行化学反应。 热剂 出料 图2 1 反应釜结构示意图 罐体上装焊了许多附件，主要有传热装置、搅拌装置、工艺接管和观测部件等。 最常见的传热装置是夹套，它是焊接在罐体外的各种形状的钢结构，与罐体的外表 面形成密闭的空间，可在此空间内通入载热流体，通过夹套内壁传热，以加热或冷 却物料，维持物料在规定的温度范围内。载热流体的每秒流量受电动阀门的控制。 搅拌装置安装在罐体内部，由外部的电机驱动搅拌轴带动叶轮旋转，为物料的循环 流动提供动力。罐顶和罐底分别装有加料管和出料管，分别用来在往罐体中加入物 料或从罐体中取出物料。为了测量釜内的温度，在罐内装有钢制的温度计套管，这 是一种一端封闭的管子，可将温度计或传感器放入其中。为了满足一定的工艺要求， 罐体上往往还可安装其它附件。 2 2 2 反应釜的工作原理 现以本论文所涉及的间歇式反应釜为例说明其工作原理。 反应前先将按一定比例配置的反应物、催化剂等原料加入反应釜内，然后在夹 硕士论文反应釜内化学过程控制系统开发研究 套中通以高压蒸汽，待釜内达到预定的反应温度时，停止加热，然后保持一段时间 的恒温以使化学反应正常进行，反应结束后对其进行冷却。有时在恒温后还需要二 次升温和恒温。恒温段是整个工艺的关键。如果反应温度偏高或者偏低，都会影响 反应深度，从而降低产品的质量。有的反应过程，若温度升高过多，会导致爆炸、 起火等事故发生。造成温度偏高的原因是反应过程中放出的大量反应热。为了使釜 内温度恒定，通常在夹套中通以适量的冷剂，以移走反应放出的多余热量。 2 2 3 反应釜的控制方案 2 2 3 1 输入输出参量 由于反应机理的复杂性，导致了反应釜控制系统的复杂性。特别是对于反应速 度快，放热量大的化学反应，由于反应釜稳定操作的区间狭小，控制难度很大。一 般在设计反应釜控制方案时，首先要满足质量指标、物料和能量平衡以及一定的约 束条件。在被控变量的选择上，有以出料成分为被控变量和以反应过程中的工艺参 数为被控变量两种方案。 反应釜的控制指标主要是反应的转化率、产量、收率、主要产品的含量和产物 分布等。如果把这些指标直接作为被控对象，反应要求就直接得到了保证。但是， 由于化学反应的机理十分复杂，这些综合性参数的测量十分复杂。由于在反应过程 中，温度和上述指标的密切相关，又便于测量，所以本论文中将温度作为被控变量。 由于在恒温过程中，釜内温度是由夹套中冷剂吸收反应放热量的多少来保证，故可 以通过冷剂的流量变化来稳定反应温度。冷剂的流量通过调节冷剂阀门的开度来控 制。这种方案如图2 1 所示。 此外，由于冷荆的流量相对较小，当釜温与冷剂温差较大，釜内温度不均匀时， 容易造成局部过热或过冷。为了解决这一问题，本论文在釜内不同位置设置了多个 传感器来测量温度，通过釜内各点温差来调节搅拌速度，在局部温差较大时，通过 提高搅拌速度来加快传热，以确保各点温度均一。 综上所述，本论文共设计了两个相对独立的控制回路。主回路温度为输入量， 以冷剂阀门的开度为输出薰。副回路以釜内温差为输入量，以搅拌速度为输出量。 因为作为被控变量的温度和温差均为反应过程中的工艺参数，故本论文的控制 方案属于两种方案的后者。 2 2 3 2 温度对反应速度的影响 6 堡主堡皇垦壅釜堕垡兰垫堡塑型墨竺堑垄婴塑 实践表明，随着温度的上升，反应速度往往是迅速上升的，经过数据归纳和热 学分析，得出阿累尼乌斯公式【2 】 扣k o e x p ( 一南) ( 2 _ 1 ) 式中_ j 反应速度常数，l s ； 震气体常数，1 9 8 7 k c a l k m 0 1 k ； e 活化能，表示使反应物分子成为能进行反应的活化分子所需的平均能 量，其值在1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 k c a l k m o l 口绝对温度，k ； k 频率因子，单位同七。 由式( 2 1 ) 可看出，随着温度的升高，七值也升高，所以对于不可逆反应，提高温 度总使反应速度加快。 2 2 3 3 搅拌速度对传热的影响 反应釜内装有搅拌装置，其主要作用是：促进釜内物料流动，使反应器内物料 均匀分布，增大传热和传热系数。在反应过程中，随着转化率的增加，物料的黏度 往往也增加。如果不能适时地搅拌均匀，就会导致传热系数下降或局部过热，物料 和催化荆分散不均匀，影响产品的质量。再者，当釜内温度和夹套温度相差较大时， 釜内靠近罐壁处的物料温度要比釜中间处的高很多，若不及时将物料搅均，则容易 导致反应物粘壁，使反应不能正常进行下去。 对于本论文所针对的反应釜所采用的涡轮式叶轮搅拌器，液体对罐壁的表面传 热系数与罐内液体单位质量搅拌功率有以下关系【5 】 半= 0 5 1 2 斛2 ”以矿( 矿 眨z ， 式中，矗i - 一被搅液对夹套的表面传热系数，w ( m 2 k ) ； - d 、d 、6 一罐径、浆径、叶宽； 卜流体的热导率； 占单位质量被搅液消耗的搅拌功率； p i 普朗特数； v 一被搅液的运动黏度。 对于搅拌功率p ，又有【5 】 p = n 。d 5( 2 3 ) 硕士论文反应釜内化学过程控制系统开发研塞 式中，m 一功率准数； p 液体密度； 胪揽拌转速。 若被搅液体的总质量为m ，则 占；p( 2 4 )占= l z q ， m 结合式( 2 z ) 、式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 可以看出，被搅液体对夹套的表面传热系数抚 随着搅拌速度的增大而增大，即增大搅拌速度有利于传热。 2 3 反应釜的动态特性 2 3 1 基本方程 对间歇式反应釜，根据化学反应中的热量平衡关系，可知：反应系统内热量的 储蓄量变化率= 单位时间内化学反应的热效应( 吸热反应取一，放热反应取+ ) 单 位时间内与外界熟交换量( 向外散热取一，从外界吸收热量取+ ) 。假设反应釜夹套内 容积和密度都保持不变，忽略热交换过程中的热量损失，可得以下方程： 反应釜内的热量衡算式 d ( v p = c j , 8 ) ：l w ( 只一力+ ( 一a h ) v c a k ( 2 5 ) 式中 矿、儿c p 反应釜内物料的容积、平均密度、平均比热。 口反应釜内温度： 4 、u 反应釜间壁的传热面积和总传热系数； o c o 冷剂的出i = 1 温度； 摩尔反应热( 吸热为正，放热为负) ； c 。反应釜内物料的浓度。 夹套内冷剂的热量衡算式 鲻掣；b 戊嘣一+ u a ( o 一) ( 2 6 ) 式中 、戌、c 。夹套内冷剂的容积、密度、平均比热 量冷剂的流量： 冷剂的入口温度； 化学反应速度，为 硕士论文反应釜内化学过程控制系统开发研究 r ( c 。，口) = c 。七= c e x p ( - 台 将式( 2 7 ) 代入式( 2 5 ) 可得 塑=嚣(埘)+(-矽all，_)c，exp,it ( 一旦r o ) = 一l 。一f i + 岛、卜)啊p “印p ”、 由式( 2 6 ) 可得 百d e c o = 毒( 一) + 丽u a ( 口一)西诈7 ”，球c 。、“” 2 3 2 基本方程的线性化 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 是表示反应釜温度动态特性的基本方程，均为非线性方程。 为了便于应用线性控制理论来分析小扰动下的动特性，对式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 进行线 性化( 在写增量方程时，为简化写法，a 一律从简，各变量上方的“”表示稳态值) ， 可得以下矩阵形式的线性方程 工= 血+ 曰“ ( 2 1 0 ) 式中 z = 匕 而 四= o o 1 1 6 2 l6 2 2 j “= 嘲 一u a ( - a h ) c j k e i q 2 弋瓦一矿j 口2 1 2 v p c e 硕士论文反应釜内化学过程控制系统开发研究 删 日2 。p c c x 0 毒+ 最 = 瓦f c 铲学 2 3 3 有关通道的传递函数 即 将式( 2 i o ) 进行拉氏变换，经整理得 x ( s ) = ( s l 一一) 。1 b u ( s ) ( 2 1 1 ) 由式( 2 1 1 ) 可求取各通道的传递函数。冷剂流量b 对釜温0 的传递函数为 g ( s ) ：旦婴：。j 里垒一 ( 2 1 2 ) 、。 ( j )j 2 一( a l l + 口2 2 ) s + ( a l i 口2 2 一a 1 2 a 2 1 ) 。 以上得到的是开环系统的传递函数，可以证明，当反应放热小于冷剂吸热时， 开环是稳定的，故可根据式( 2 1 2 ) 设计开环调节的控制器。 方程推导过程中做了很多假设，如认为冷剂阀门的流量在开度一定的情况下是 稳定的，但实际中由于工厂设备等原因，往往不容易做到这一点。故在实际使用时， 我们是以给定温度与实际温度的差值作为输入量，构成闭环系统。这样做的好处是， 即使由于外界因素，使系统开环不稳定，我们也可以通过不断的调节控制量，使闭 环系统达到动态稳定。 翻丽 o b i一 。旦“ 口兰加一 l 一 一 口一q 一旧 一 6 x 6 x 2 x p 伽一1 ) 即实际温度低于设定温度，且趋于更低。此时，要尽快消除偏差，应该减小冷剂的 流量。即减小控制量。 2 )i f e = p o s i t i v e a n d e c = n e g a t i v e t h e n r y a n d e ( n ) e ( n - 1 ) 即实际温度低于设定温度，但差值趋于减小。此时，即使执行机构的控制量不变， 最终误差也可以消除。但为了缩短误差消除的时间，也可以适当减小冷剂的流量， 即适当减小控制量。 3 )i f e = n e g a i t i v e a n d e c = n e g a t i v e r t h e n r y a n d e 0 ) 勺( 玎一1 ) 即实际温度高于设定温度，且趋于更高。此时，要尽快消除偏差，应该增大冷剂的 流量，即增大控制量。 硕士论文 反应釜内化学过程控制系统开发研究 4 )i f e - - n e g a i t i v e a n d e c = p o s i t i v e t h e n r e ( n - 1 ) 即实际温度高于设定温度，但差值趋于减小。此时，即使执行机构的控制量不变， 最终误差也可以消除。但为了缩短误差消除的时间，也可以适当增大冷剂的流量， 即适当增大控制量。 根据以上四种情况，结合实践中得出的控制经验，可以得到模糊控制规则表3 3 。 表3 3 模糊控制规则表 惑 n bn mn sp sp mp b n bn bn bn mn szz n mn b n bn mn szz n sn bn bn mzp m p m zn bn mn sp sp mp b p 8n mn mzp mp bp b p mzzp sp mp bp b p bzzp sp mp b j p b 表3 3 共由4 2 条语句组成，由极大一极小模糊条件推理法则，可以推导出它们 的三元模糊关系。设第f 条语句对应的模糊关系为马( 扣1 ，2 ，4 2 ) ，可把描述整个 系统控制规则的总的模糊关系写为震 r = 马u r 2 u u r 4 2 ( 3 1 7 ) 其中r 为一个1 0 x 1 3 x 1 3 的矩阵。 3 2 2 4 输出量的模糊判决 模糊推理后得到的输出量u 是个模糊子集，它反映了控制语言规则的不同取值 的一种集合。而被控对象只能接受一个确切的控制信号，因此把决策值转换成相应 的精确量，称为模糊判决或解模糊。 常用的模糊判决方法有最大隶属度法、加权平均法、取中位法和重心法等。本 论文采用最大隶属度法，它的特点是计算简单。具体做法是把待判决的模糊子集中 硕士论文反应釜内化学过程控制系统开发研究 _ _ - _ _ _ _ _ _ - - l _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ 一 一 隶属度最大的那个元素作为判决结果。由于隶属度采用了方差较小的正态分布型， 这种方法判决的结果可以满足控制精度的要求。 由前所述，模糊关系矩阵皿是一个庞大的矩阵，而单片机控制系统难以完成这 么大量的实时矩阵运算。但是，我们可以事先把模糊关系矩阵胄离线计算好，写成 模糊控制表3 4 。在实际使用时，只要根据输入量查表就可得精确的输出控制量。这 种方法简单易行。 表3 4 模糊控制表 惑 一65- 4- 32- 1o123456 - 66666666444oo0 - 56666665443ooo - 46666654442000 3666655532o- 1- 11 - 24444332l0o- 1- 1- 2 22llool- 2- 3- 34- 44- 4 3l11o- 2- 3- 5- 5- 56- 66 6 4oo02- 4- 4- 4- 5- 666- 66 50oo一34- 4- 56- 6 6666 6ooo- 4- 4- 46- 6- 66- 66- 6 模糊控制器根据采样得到的输入量进行模糊判决，得到的控制量属于模糊集合 论域。这个结果还不能直接作用于被控对象，还必须乘上一个适当的系数，才能把 它转换到控制对象所能接受的基本论域中去，这个系数称为比例因子。比例因子只 起比例作用，与量化因子疋、匠的量化效应不同。 设控制量的模糊集合论域为印，p “，0 ，p - 1 ，p 】，其基本论域为b k ，儿】，则 比例因子凰为 e ：丝 ( 3 1 8 ) p 本论文中使用一个字节单元存放阀门的开度值，即输出控制量 0 ，2 5 5 对应着 冷剂阀门从关闭到开度最大的各状态。阀门开度的变化设定为 2 4 ，2 4 ，即儿= 2 4 ； 又因为取p = 6 ，故由式( 3 1 8 ) 可得凰= 4 。若某一时刻模糊决策所得的清晰值为x 。( 曲， 硕士论文反应釜内化学过程控制系统珏蕉! ! 窒 则对应的控制量变化a 1 ) 为 a “( n 户h ( n ) 凰 因此，采样时刻”的输出控制量“曲为 村( m 2 “一1 ) + au ( n ) 式( 3 2 0 ) 为增量式输出，在实际使用时，需对“n ) 作必要的限幅 糊控制器最终的输出值甜为 fu ( n - 1 卜aq 力o 以功 2 5 5 【o硝 o 3 3p i d 控制器方案 ( 3 1 9 ) f 3 2 0 ) 本论文中模 f 3 2 1 ) 模糊控制器把误差和误差变化率作为两个输入量，因此它具有一般p i d 控制器 的比例和微分作用，但缺少积分作用，因而它的动态性能较好但稳态性能欠佳。 积分作用能消除稳态误差，但动态响应较慢；比例作用动态响应较快。比例积分 作用既能获得较高的稳态指标。又能具有较快的动态响应。因此，采用模糊控制与 p i d 控制相结合的方法，可以大大改善控制器的性能。当温度偏差值在【2 ，2 】之问 时，采取p i d 控制。 3 3 1 常规数字p i d 控制及其缺点 数字p i d 控制器是将模拟p i d 控制器的控制规律进行离散化得到相应的脉冲传 递函数，再由脉冲传递函数得到计算机能实现的控制算式。然后用软件实现之。 一个常规的模拟p i d 控制器的控制规律为 砸) ，卜) + 专f e ( r ) d r + 乃百a e ( t ) i ( 3 2 2 ) 式中e ( o 给定值与测量值的偏差； u ( o 调节器的输出量； 比例系数； 正积分时间常数； 乃一微分时间常数。 将式( 3 2 2 ) 连续形式的微分方程离散化，用后向差分代替微分，得 硕士论文反应釜内化学过程控制系统理堡! ! 窒 m m _ i e ( k ) + l 圭：。e ( i ) + t a 监掣 吼2 3 ) 式中“采样时刻k 时的输出值。 g ( 玲一采样时刻k 时的偏差值； e ( k - 1 卜采样时刻k - 1 时的偏差值。 丁采样周期。 为了减小计算机的计算量，可将式( 3 2 3 ) 化为递推形式。且对于一个实际的p i d 控制系统，、乃、t a 和r 一般均为常数，故有 u ( k ) = u ( k 1 ) + a o e ( k ) + a l e ( k 一1 ) + 口2 p ( 七一2 ) ( 3 2 4 ) 其中 口。= 置，( t + 号+ 等j 铲巧( - + 引 口2 = k p 等 g o 、口1 、a 2 可离线预先计算。式( 3 2 4 ) 计算量少，编程方便，可完全满足单片机 程序的要求。 微分环节的引入，改善了系统的动态性能，但对于干扰特别敏感。式( 3 2 4 ) 中 的微分项如下 ， ”。( 膏) = k p ； k ( _ | ) 一p ( 七一1 ) 】= k 。k ( 七) 一e ( k 一1 ) 】 ( 3 2 5 ) 式( 3 2 5 ) 中，当e ( 七) 为阶跃函数时，“仅在k = 0 时输出等于粒，而在k = l 、2 、 3 - - 时均为零。这说明，微分项的输出仅在第一个周期起激励作用，对于时间常数较 大的系统，其调节作用很小，不能达到超前控制误差的目的。此外，蜥的幅值肠一 般比较大，容易造成计算机中数据溢出，且凇变化过大、过快，对执行机构也会造 成不利影响。由此可见，标准p i d 数字控制器的微分作用有一定的缺点。 3 3 2 改进的p i d 算法 工程上有多种改进的p i d 算法。本论文采用一种不完全微分的p i d 算法。这种 方法是在标准p i d 算法的微分环节上加上一个一阶惯性环节，它以克服完全微分的 缺点。改进后的传递函数为 硕士论文反应釜内化学过程控制系统开发研究 g 瑙，c 去+ 南j 使用后向差分近似方法，将s = 1 z - f 1 代入式( 3 2 6 ) ，整理后得 g 喝t z 面+ 高盎 令口：了笔i ，髟= 等，显然有口 1 ，式( 3 2 7 ) 可化为 研加豢“，1 1 + 志+ e ( z )。j正0 1 ) 足d ( 1 一口) 0 一1 ) z 一口 ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) ：竺垂：至：竺! ：二： ：兰：生：至：竺 ：卫：! ：竺! ：兰二1 1 - - ( 1 + 口) z 1 + 。2 j “c 七，= c + 口，c 七一，一a u ( k - 2 ) + k r ，+ 另+ k 。c ，一口， e c 七， 一k ，l + 2 k a + ，+ 号一：足。卜 。c 七一j + 置，b + 足。一a ，k c 七一2 ，3 - 2 9 可得 a = 一a 口：= k ， + 寺+ 世。c t 一口， 口，= 一世，1 + 2 k a + ( + 号一2 k 。卜 口。= k ，k + k 。( 1 一口) 】 “( 七) 2 a o u ( k 一1 ) + l u ( k 一2 ) + 口2 p ( 七) 一a 3 e ( k - 1 ) + a 4 e ( k 一2 )( 3 3 0 ) 硕士论文反应釜内化学过程控制系统开发研究 按式( 3 3 0 ) 编写程序，可完成不完全微分p i d 控制的计算。 下面分析一下这种算法的优点。把式( 3 2 6 ) 中的微分项提取出来， 传递函数 丝盟：k p t a s e ( s ) 1 + t ：s 将式( 3 3 1 ) 离散化，并整理，可得 “d ( 七) = 量d ( 1 一口) k ( 七) 一e ( 七一1 ) 】+ c 聪o ( 七一1 ) 当8 ( 妨为阶跃输入时，的求得蹦矧昀响应为 “d ( o ) = k d ( 1 一口) 【e ( o ) 一p ( 一1 ) 】+ c 跚d ( 一1 ) = k d ( 1 一口) u d ( 1 ) = k a ( 1 一口) k ( 1 ) 一p ( o ) 】+ c h 嵋( o ) = 鲫d ( o ) ( 2 ) = 侧d ( 1 ) = 口2 ( 0 ) “d ( 七) = n 豁d ( 七一1 ) = 口甜d ( o ) 得微分项的 ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) 由以上各式可以看出，引入不完全微分后，与标准p i d 算法相比，微分输出在 第一个采样周期内的脉冲高度下降，此后又按口( o ) 的规律逐渐衰减。所以不完全 微分能有效地克服完全微分的缺点，具有较理想的控制特性。图3 5 为两种微分作 用的比较，从图中可以清楚地看到这种算法的优点。 “的 0t2 t 3 t4 t5 f 舢 哟 图3 5 两种微分作用的比较 a ) 标准p i db ) 不完全微分p 1 d 硕士论文反应釜内化学过程控制系统开发研究 3 3 3p i d 参数的整定嘲 过程控制系统要求调节过程超调量小、调整时间短、没有静差，这些都应该通 过合理选择p i d 控制器的参数来实现。工程上有多种模拟p i d 参数参数整定方法。 由于我们设计的数字p i d 控制器的采样周期远远小于对象的时间常数，是一种准连 续控制，故仍可用连续p i d 控制器的参数整定方法。 本论文采用现场实验法整定参数。具体方法是：首先根据经验参数值设定p i d 的各参数，然后投入闭环运行。然后根据各参数对系统响应的影响，反复凑试各参 数，观察曲线的变化规律，最终得到满意的响应曲线，从而得到最终的各个参数。 对于温度控制，p i d 各参数的经验值范围为岛：1 6 5 ，乃：3 1 0 m i n ，t d ：0 5 3 m i n 。 具体凑试步骤如下： ( 1 ) 先调比例：将蜀值从小变大，并观察相应的响应曲线，直至得到响应快、 超调量小的曲线。 ( 2 ) 再调积分：先取较大的乃值，并将上步所得到蜀值略微减小，然后逐步减 小乃，使系统在保持良好的动态特性的情况下，消除静差。根据响应曲线，反复修 改昂和乃。 ( 3 ) 最后调微分：先取t d = 0 ，然后逐步调大乃值，同时适当地改变妫和正值， 逐步调试，最终得到满意的响应曲线，即可得整定后的各参数。 3 4 搅拌速度的控制方案 如前所述，本论文根据釜内温差对搅拌实行调速。搅拌采用三速电机，转速有 高、中、低三档。采用三档模糊控制对搅拌电机调速。以釜内温差的最大值作为模 糊控制器的输入量，输出量即为电机的三种转速。 输入量与输出量的模糊语言子集均取3 级 高( b ) 、中( m ) 、低( s ) ) ，输入 量的隶属度函数取图3 6 所示的形式。 012 34r 图3 6 输入量的隶属度函数 硕士论文反应釜内化学过程控制系统开发研究 搅拌速度的控制规则为 i fe = bt h e nu = b i fe = mt h e nu = m i fe = st h e nu = s 根据以上规则和图3 6 所示的隶属度函数，可得搅拌速度的模糊控制表3 5 。 表3 5 搅拌速度的模糊控制表 l 釜内温差( )0 e 1 51 5 2 5 i l转速低( s )中( m )高( b ) i 堡主堕壅 垦堕叁堕些堂塾型丝鱼! 墨竺墅垄婴塑一 4 硬件电路设计 4 1 硬件系统构成 本论文设计的控制系统硬件电路由主机、温度传感器、输出控制电路、键盘、 l e d 显示屏、电源及抗干扰电路等组成。系统的硬件组成如图4 1 所示。 温度传感器 键盘及接口 电源电路 盥 片 机 d 融 转换0 v 压i 麓h 焉器h 堕及变换if 动执行器ll ：二 可控硅驱动 叫双向可控硅卜叫搅拌电机 叫! ! ! 竺翌r 叫竺呈至里 磊瓣 一 图4 1 硬件结构框图 主控制器采用a t 9 9 c 5 1 单片机，它是a t m e l 公司生产的与m c s 5 1 系列完全 兼容的c m o s 型8 位单片机。它有4 k 字节的程序存储器和1 2 8 字节的数据存储器， 完全可以满足本论文中的系统要求，故不需要再扩展存储器。另有4 个并行口共3 2 条输入输出线、2 个1 6 位的定时计数器、5 个可设定为两级优先级的中断源和1 个全双工串行口。c m o s 型单片机比一般单片机功耗更低，特别适合需要节能的工 业测控领域。 温度采集采用d s l 8 8 2 0 单线集成温度传感器，在一条总线上同时挂接4 片 d s l 8 8 2 0 以完成多点温度采集，极大的节省了单片机的i o 口线。且因为d s l 8 8 2 0 采用了串行通信方式，可以实现长距离传输而不易发生错误，很适合用于远距离的 温度采集。 模拟量的输出通道采用串行输入的d a 转换器将控制信号送往电动执行器，分 别控制加热阀门和冷却阀门的开度。使用一片8 位串行输入d a 转换器m a x 5 1 8 可完成2 路d a 转换，且只占用两条i o 口线。d a 转换后的电压信号经v i 器变 换为电流信号，可实现远距离传输。 开关量输出通道采用双向可控硅控制交流电机。使用3 路双向可控硅分别控制 电机线圈的三个抽头，以实现调速。 系统还设置了9 个矩阵式键盘和4 个l e d 显示器以设定和显示工作状况。 堡主堡塞医生笙堕些堂垫墼丝型墨竺茎垄堕塑 4 2 基于d s l 8 8 2 0 的多传感器测温电路【7 1 1 4 5 1 4 2 1d s l 8 8 2 0 的内部结构简介 d s l8 8 2 0 是美国d a l l a s 公司生产的新一代适配微处理器的单线智能温度传感 器，能以数字形式直接输出被测温度值。每片d s l