小型反应釜控制系统的仿真设计

哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-I-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；温度控制哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-II-AbstractThereactionkettleisakindofcommonchemicalreactioncontainers,itsinternalreactionmechanismismorecomplicated.Researchthroughthecontrolofitsprocessparametersandthecontrolofchemicalreactionprocess,toimprovetheyieldandqualityproductswiththemethodofchemicalproductionandbiologicalpharmaceuticalindustry,etchavepracticalvalue.Thispaperanalyzedthecharacteristicsofthereactionkettletemperaturechangeandcontrolthedifficulty,inthereactionkettleclipsetofheatingsystemoftheheattransfertheorysystemonthebasisofanalysis,accordingtothequantityofheatbalanceprincipleandthereactionkettleofheattransferoftherelationship,usingmechanismmodelingandstepresponsecurvemethodtoestablishthemathematicalmodeloftemperatureinthekettle,andtheutilizationofthedataandthetheoreticalanalysisverifytheeffectivenessofthemodel.Keywords:thereactionkettle；cascadecontrol；MATLAB；thetemperaturecontrol哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-III-目录摘要.....................................................................................................................IAbstract.................................................................................................................II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.........................................................................................................8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.......................................................................................................23结论...................................................................................................................24致谢...................................................................................................................25参考文献...............................................................................................................26附录1译文..........................................................................................................27附录2英文参考资料..........................................................................................36哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-1-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