安徽工业大学电气与信息工程学院毕业设计论文-反应釜的温度控制系统(编辑修改稿)

安徽工业大学电气与信息工程学院毕业设计论文-反应釜的温度控制系统(编辑修改稿)内容摘要：

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 177。 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。 全套系统基本上满足反应釜温度控制的要求，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。 9 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 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]。 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。 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。 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。 (4)计算机多机控制系统 它是三级控制系统：最低级为直接控制级，中间级为计算机监督控制级 (SCC)，最高级为管理级 MIS(Management Information System)。 直接控制级完成采集的数据、控制的执行，监督控制级如前所述，主 11 要是建立生产过程的数学模型、求解控制策略，并完成与 DDC 级以及 SCC 之间的通信， MIS 级可以分为几个层次，它主要是搜集 SCC 级相关数据，制作报表，接受上一级的命令，监督和 指挥 SCC 级的工作。 (5)分布型综合控制系统 TDCS(Total Distributed Control Systems)也被称为分布型微处理机控制系统 DMCS(Distributed Microprocessors Control Systems)或分布控制系统 DCS(Distributed Control Systems)，简称集散控制系统或分布系统。 它是计算机、控制器、通讯和显示技术相结合的产物，多台以微处理器为核心的控制器分散于整个生产过程各部分，整个系统采用单元模块组 合式结构。 各单元用通讯线路连接成一个整体，不同的系统可用不同的模块来组合以适应不同的要求。 但整个系统一般总是由实现 DCC 局部控制的基本控 器、实现监督控制的上级监督控制计算机及控制操作台等组成，它可使整条生产线或整个车间达到全自动控制的目的。 集散系统有组成灵活、操作方便、能实现集中控制和可靠性高等优点，它已经成为目前生产工厂控制和监控、车间综合操作的标准解决方案 [11]。 微机控制系统硬件 硬件是微机控制系统的基础，在软件的协调下实现生产的检测与控制，硬件包括：主机，人机交互台，传感 器，模拟量输入通道，执行机构，模拟量输出通道，接口电路和电源等。 微机控制系统软件 控制系统的软件，包括系统软件和应用软件。 系统软件是微机操作运行的基本条件之一，包括： (1)监控软件或操作系统 监控软件是一种低级计算机的管理软件。 它主要是完成键盘扫描，人机对话，接受用户程序，显示、调试、修改和运行用户程序，显示和修改存储器中的内容。 上电后立即进入监控程序，各种程序均在监控程序下运行。 操作系统是一种微机的大型管理软件，是在监控程序的基础上进一步 扩展许多控制程序 形成的。 其主要功能是实现人机对话，管理微机、存储器、操作台、外部设备 (CRT、打印机等等 )、文件和作业进程。 它控制各软件的运行。 (2)汇编程序、解释程序和编译程序 汇编程序用于把汇编语言程序变成计算机能够认识和执行的机器语言程序 (目标程序 )。 例如 MCS5 汇编程序。 解释程序能够把用于某种程序设计语言写的源程序 (如 BASIC)，翻译成机器语言程序 (目标程序 )。 编译程序能够把高级语言编写的源程序 (如 FORTRUN)，编译成某种中间语言 (如汇编语言 )或机器语言程序。 应用软件按照对系统功能要求 和完成任务的不同而不同，通常由用户来编写，可以分为两类： (1)通用软件 这类软件是在微机控制系统软件设计中经常用到的。 比如：数制变换程序、运算程序、查表程序等等。 (2)专用软件 针对某一具体控制系统和不同的控制规律编制的程序。 比如：数据采集程序、输出控制程序、各种控制算法程序等。 12 PID 及新型 PID 控制算法简介 PID 控制算法的理论基础 PID(Proportional Integral and Differential)控制 是工业过程控制领域应用最早使用最广泛的控制策略 [1213]，大部分工业过程控制仍然在使用“传统”的 PID 控制 [14]，至今仍有 90％左右的控制回路具有 PID 结构。 我们今天所熟知的 PID 控制器产生并发展于 19151940 年期间 [15]。 尽管自 1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但 PID 控制器以其结构简单、可靠性高、对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。 概括地讲， PID 控 制的优点主要体现在以下两个方面： (1)原理简单、实现方便，是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器。 (2)适用于多种截然不同的对象，算法在结构上具有较强的鲁棒性。 事实表明，对于 PID 这样简单的控制器，能够适用于如此广泛的工业与民用对象，并仍以很高的性能 /价格比在市场中占据着重要地位，充分的反应了 PID 控制器的良好品质。 在大多数微机控制系统中使用以模拟 PID 算法为基础的数字 PID 算法，数字式 PID 控制算法分为位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。 模 拟 PID 算 法 模拟 PID算法为：控制器的输入为 e (t )= r(t)−c(t） ， 其中 r(t)为温度设定值，c(t)为温度实际测定值， e(t)为温度偏差，控制器的输出 u(t)： 式中 Kp 为比例系数， Ti 为积分时间常数， dt 为微分时间常数 控制原理框图如图 21 所示。 简单说来， PID 控制器各个校正环节的作用如下： 图 21 模拟 PID 控制原理框图 (1)比例环节 及时成比例地反应控 制系统的偏差信号 e (t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 比例环节是 PID 控制算法中的决定因素，直接决定控制器的好坏。 13 (2)积分环节 主要用于消除静差，保证被控量在稳态时对设定值的无静差跟踪，提高系统的无差度。 积分作用的强弱取决于积分时间常数 IT ， IT 越大，积分作用越弱，反之则越强。 但同时积分环节也是引起系统超调的主要原因。 (3)微分环节 微分环节主要是改善整个闭环系统的稳定性和动态响应速度。 它能反映系统偏差信号的变化趋势，即变化速率，并能在偏差 信号值变得太大之前，在闭环系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小系统调节时间。 但在控制器中微分环节对随机脉冲干扰很敏感，有可能引入高频噪声，这是我们在设计控制器时应该注意 的。 数字 PID 算法 将模拟 PID 算法离散化得到数字 PID 位置式控制算法。 式 (22) (23)为数字 PID 位置式控制算法，式中积分系数 微分系数 ， Un 为第 n次采样时刻计算机输出值， en为第 n次采样时刻输入的偏差值， en−1为第 n1 次采样时 刻输入的偏差值。 这种算法的缺点是，由于是全量输出，每次输出均与过去状态有关，计算时要对 en进行累加，计算机运算工作量大。 而且因为计算机输出的 Un对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障， Un 的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而，在位置算法的基础上产生了数字 PID 增量式控制算法。 所谓数字 PID 增量式控制算法是指数字控制器的输出只是控制量的增量∆Un。 执行机构所需要的控制量增量为， 式中 ，式 (24)称为数字 PID 增量式控制算法。 采用增量式算法时，计算机输出的控制增量 ∆Un 对应的是本次执行机构位置 (例如阀门开度 )的增量。 虽然只是算法上的一点改进，却带来了不少的优点： (1)由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断方法去掉。 (2)手动 /自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。 此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值。 14 (3)算式中不需要累加，控制增量 ∆Un 的值仅与最近 n 次采样值有关， 所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。 但增量式控制也有其不足之处：积分截断效果大，有静态误差，溢出 的影响大。 因此，在选择时不可一概而论，一般认为以晶闸管作为执行器 或在控制精度要求高的系统中，可采用位置式算法，而在以步进电动机或 电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量式控制算法。 数字 PID 控制算法的改进 在计算机控制系统中，。