毕业论文-基于hdu4000过程控制系统的反应釜温度控制系统的设计(编辑修改稿)

毕业论文-基于hdu4000过程控制系统的反应釜温度控制系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

..................................................................................................................................... 68 附 录 ..................................................................................................................................... 69 安徽工业大学 反应釜的温度控制 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 8 第 8 页 共 71 页 第一章 绪论 选题的背景 石油化工工业是国家经济发展的支柱性产业，反应釜作为化工生产中实现化学反应的主要设备，其自动控制方法的研究具有非常重要的意义。 在实际的生产过程中，反应釜的温度决定了产品的产量、质量，有时甚至影响到生产过程中的安全性。 因此如何对反应釜内化学反应温度进行精确、有效的控制，显得至关重要。 然而，由于温度对象具有非线性、时变不确定、大滞后、受环境温度影响大等特点，目前反应釜内的全过程温度自动控制是重 点也是难点。 本文的指导思想是 PID 控制理论，该理论成熟、应用范围广，但相较国外先进的控制思想来说，又过于简单，控制精度有限。 不过对于本文中简化的系统，还是可以达到最低工艺要求的。 采用改进的 PID 算法或者将其他算法结合也可以进一步提高控制质量。 为了克服聚合釜温度的时间滞后问题，常采用串级 PID 控制，选取反应釜温度为主要调节对象，夹套内冷却液为副调节对象，构成 一个闭环负反馈控制系统。 提高控制精度，改善工艺，是工程技术人员一直追求的目标，同时也是整个工业行业的发展趋势、工程学术领域的研究方向。 国内 外研究现状 自上世纪 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。 它们主要具有如下的特点： (1)适应十大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。 (2)能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。 (3)能够适应于受控系统过程复杂、参数时 变的温度控制系统的控制。 (4)这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。 (5)普遍温控器具有参数自整定功能。 借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。 有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。 (6)温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。 结合温度控制器的发展，多年来，许多学者在反应釜的度控制问题上做了大量的探索 并提出一些有效的解决方案。 比如 : Shinskey 与 Weinstein 提出的双模控制 (dualmode)，采用 bangbang+PID 控制，其大致步骤为：过程开始时，全力加热，直至反应釜温度距其设定值为 t1 度，然后全 力 安徽工业大学 反应釜的温度控制 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 9 第 9 页 共 71 页 冷却，持续 TD1 分钟，此后，将夹套水温设定值定在某个合适的中间温度，持续 TD2 分钟，最后，用串级 PID 控制器控制夹套水温度。 如果参数选择得当，双模控制是有效的。 Arthur Jutan 与 Ashok Uppal 提出将反应热作为一种扰动，采用适当的方法估计出来，用前馈控制抵消；余下的部分近 似为线性系统，可以用 PID 控制。 Barry 与 Sandro 采用 GMC 方法控制反应釜温度，得到了很好的仿真结果，并且进一步考察了操作条件与过程参数变动时被控过程的鲁棒性，发现 GMC 的鲁棒性明显强于双模控制。 与 采用模糊控制与 PID 混合的策略控制间歇放热聚合反应釜的温度，在他们的方法中，模糊控制器的输出用来调整 PID 控制器的设定值，以补偿反应放热对过程温度造成的扰动；将此方案应用与乳液聚合的试验设备上，发现能明显提高控制性能。 此外还有一些研究者采用预测控制解决这一难 题，如 Nagy 与 Agachi 采用非线性预测控制算法控制间歇 PVC 聚合釜的温度； Xia 等采用基于小波神经 网络的预测控制算法控制间歇聚丙烯反应器温度；栗志业等采用基于模型分解的预测控制算法也取得了较好的效果。 发展现状 几十年来，化工行业工业自动化技术随着工艺和装备技术的不断发展而发展，从初期简单的手工操作到连续工艺及负荷不断加大，对生产稳定性要求越来越高，对控制及自动化水平的要求也越来越高，仪表使用越来越普遍，从简单回路的闭环控制到单元装置的全面自动化，使用的控制工具也从气动单元组合仪表、电动单元组 合仪表到 DCS 的广泛应用；控制水平也从单参数简单控制回路到多变量复杂控制回路，先进控制系统、优化控制系统在各种场合都有成功应用的典范。 随着工业规模的进一步推广，快速反应、临界稳定工艺、能量综合平衡等工艺的开发成功，对自动化提出了更高的要求。 另外，激烈的市场竞争也对自动化提出了新的目标与要求。 同时，信息技术对化工行业自动化技术的发展也注入了新的活力。 为适应化工生产的新特点，一些过程控制领域中的新技术正在由理论研究转向生产实践，如信息综合处理技术、现场总线控制系统、各种智能控制技术、软计算技术和快速仿真技术、 多媒体技术等。 过程控制采用的技术工具，由基地式仪表、气动单元式组合式仪表、电动单元组合式仪表Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型，发展到现在的可编程单回路、双回路、三回路调节器和分散综合控制系统 (DCS)。 当前，传统的 DCS 正借助于微处理器硬软件和通信网络技术，朝着标准化、开放化和尽量采用市场通用的优良硬、软件的方向，逐渐地、相互融合地向开放的 DCS 发展。 如 Honeywell 的 TPS，它采用通用的软件将企业的 inter 网与局部控制网、通用控制网和系统总线连接在一起，配备各种平台、操作站以满足不同层次使用人员的要求。 另外 ，最近发展起来的现场总线网络控制系统 (FCS)也是一种新的开放式的分布式控制系统。 它把专用封闭协议变成标准开放协议，使系统共有完全数字计算和数字通信能力：在结构上，采用了全分布式方案，把控制功能彻底下放到现场，提高了系统灵活性和可靠性：它突破了集散型控制系统 DCS 中采用专 用网络的缺陷。 因此对于现 安徽工业大学 反应釜的温度控制 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 10 第 10 页 共 71 页 场总线的工业控制系统研究具有重大的意义。 据报道，美国犹他州盐湖城 Flying 炼油厂、孟山都化工厂、我国安庆安菱化工厂、吉林油田甲醇厂已采用 FCS，取得了明显的经济效益。 专家估计， FCS 将在石化行业得到广泛的应用。 过 程检测控制仪表是在工业生产过程中，对工艺参数进行检测、显示、记录或控制的仪表随着化工工业的发展，对仪表控制系统提出了更高的要求。 在仪表调节，除一般的比例、积分、微分调节规律外，人们正在研究前馈、大滞后、非线性、相关和计算值调节等技术，以适应多回路自动化系统的需要。 传统的现场仪表和控制器也将由现场总线以及由此产生的现场总线智能仪表和控制系统所代替。 新一代的检测仪表主要特点是智能化和数字化。 这些检测仪表均是以微型计算机为核心，可以实现自动校零、线性化补偿环境因素变化等功能甚至包括模型运算和人工智能的应用。 一次 检测技术采用超声波、微波、激光等新技术，使自动控制的精度得到进一步提高。 研制新型的传感器，广泛应用新技术，如核磁共振、激光和相关技术等，使传感器集成化。 专用集成电路 (ASIC)的广泛应用将促进传感器和执行器沿着多功能化和智能化的方向发展，便于形成现场控制回路子系统，还将极大地方便仪表的安装调试和维护工作。 在硬件条件得到改善后，将目前分散研究的软测量技术、先进控制技术开发成通用的商品化软件包，也是发展方向之一。 现有的工业控制软件包大部分是以多变量预测控制技术为 主，在此基础上进一步采用了神经网络、模糊技术及遗传 算法等软计算技术，开发包括初级数据预处理、数据挖掘、软测量技术的先进控制软件，国内的高校和科研机构先后在一些石化企业的典型装置上通过各种方法实现了软测量和先进控制技术。 但是我们也应该看到，国产开发的软件在设备无关性、软件通用性、运行可靠性及界面友好性等几个方面与国外的一些成熟的商业软件包相比还有一定的差距。 如何将理论研究的最新成果发展成工程化、标准化和商品化的软件包，是我国过程工业自动化的研究重点之一。 在控制理论上，自从美国数学家维纳在 20 世纪 40 年代创立控制论以来，自动控制理论由经典控制理论发展到现代控 制理论，再到 20 世纪 70 年代中期以后出现的大系统理论和智能控制理论，为石化工业的发展与控制要求的提高，提供了理论基础。 智能控制理论的研究应运而生，也成为当前控制理论的研究热点之一。 因此，石化工业的过程控制也由串级、比值、前馈、选择性、均匀控制等简单控制系统发展到解祸、时滞补偿、推断预估、预测、非线性、状态反馈、双重、自适应、人工神经元网络、模糊、智能等高级控制系统。 据 Setpoint 公司统计，在生产过程中采用先进过程控制己取得良好的效果。 例如 :1994 年 Gensym 公司和 Neuralware 公司联合将神经网 络和优化软件与专家系统结合，用于 Star 炼油厂的非线性工艺过程，一年内就收回投资；英国帝国化工研究院 (ICI)实时操作优化专家系统在威尔顿石油联合企业应用，并取得实效；日本三菱化学合成公司开发成功了乙烯工程模糊控制系统；美国杜邦公司研制出用于化工聚合中间物生产强度的 Pace 专家系统。 展望 反应釜是化工生产过程中的重要设备，反应过程中伴随有人量的吸、放热现象，具有大滞后、时变、非线性、反应机理复杂等特点。 安徽工业大学 反应釜的温度控制 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 11 第 11 页 共 71 页 传统的 PID 控制是一种基于过程参数的控制法，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，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，参数调整往往比较困难，难以解决系统的相对稳定性和快速性的矛盾，因而采用一般的 PID 控制器无法实现对反应釜的精确控制。 模糊控制是一种基于规则的控制，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。 针对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。