面向成球过程的反应釜温度控制系统的设计与实现

摘要

反应釜广泛应用于化工、医药、食品等行业，作为压力容器可用来完成硝化、硫化、缩合、聚合等工艺过程，国内外反应釜控制的自动化程度偏低，如何对反应釜温度实现精确控制成为了流程工业的制造瓶颈，对反应釜在线控制技术的研究也越来越受到关注。本文在充分调研与分析国内外反应釜温度控制系统的基础上，考虑球形药丸成球工艺升温、成球、预蒸、蒸溶等工序温度变化情况，针对现有夹套式反应釜温度动态特性具有时变性、非线性、大时滞等特点，采取理论分析和仿真验证相结合的研究方法，综合运用系统辨识、预测控制等理论工具与计算机仿真工具，对反应釜温控方案、模型辨识、温度在线控制和温控软件开发等关键问题进行深入的研究，本文的主要研究内容如下：　　①设计了一套反应釜成球工艺分段温控方案。以蒸汽阀门开度为控制（输入）量，以反应釜釜内溶液温度为被控（输出）量，确定了成球工艺控制系统的单入单出（Single-Input Single-Output，SISO）模型。基于成球工艺具体生产流程总结并分析了成球工艺的温度控制要求。根据输入输出历史数据确认了温控系统的分段建模及分段控制方式，同时选取三个阶段的时滞系数，并选定了基于子空间辨识获取温度模型的DMC控制方案。　　②完成了成球工艺各阶段反应釜温度模型的辨识。构建了确定性系统的子空间辨识框架，基于历史数据，应用N4SID子空间辨识算法对面向成球过程的反应釜温度模型进行辨识，得到升温阶段、成球预蒸阶段与蒸溶阶段三个温控阶段各自的状态空间模型。基于Matlab完成模型验证，获得各阶段的历史温度曲线和模型验证曲线的拟合度，分别为92.62%、88.92%、93.90%，确认了系统模型的有效性。　　③完成了反应釜DMC温度控制的研究。完成普通对象DMC算法到时滞对象DMC算法的转换，选定合适控制参数，以子空间辨识得到的反应釜温度模型作为DMC控制器的预测模型，以生产过程质量优化系统分析得到的成球工艺最优温度曲线为参考轨迹，分三个阶段分别设计反应釜温度控制器，借助Matlab实现对参考轨迹的跟踪控制，完成工艺各阶段与全过程的控制仿真。　　④完成了控制系统软件的开发。面向成球过程反应釜的温度控制，利用Visual Studio MFC完成在线控制系统软件数据传输模块与在线监控、系统辨识、控制仿真三个界面的开发并编写DMC控制算法以赋予其在线控制功能。

目录

1 绪论

1.1.1 课题的来源

1.1.2 课题研究背景和意义

1.2 系统辨识概述

1.2.1 数学模型及建模方法

1.2.2 系统辨识的定义

1.2.3 系统辨识的步骤

1.3反应釜温度控制系统研究现状

1.3.1 温度模型辨识研究现状

1.3.2 温度控制方法研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 温控系统控制方案设计

2.1 成球工艺反应釜结构

2.2 成球工艺流程概述

2.3 成球工艺温度控制要求

2.4.1 温度控制分段研究

2.4.2 时滞系数的选取

2.4.3 温度控制策略

2.5 本章小结

3 反应釜温度模型辨识研究

3.1.1 子空间辨识概述

3.1.2 状态空间模型方程描述

3.1.3 确定性子空间辨识算法

3.2 反应釜温度模型的子空间辨识

3.3 本章小结

4 反应釜温度控制方法研究

4.1 预测控制理论

4.2 DMC算法实现

4.3 DMC控制器参数设定规则

4.3.1 采样周期和模型长度

4.3.2 优化性能指标参数

4.3.3 反馈校正系数

4.4 时滞对象的DMC算法

4.5 时滞对象的DMC算法与PID算法仿真比较

4.6 反应釜温度控制器设计及仿真

4.7 本章小结

5 温度在线控制系统开发

5.1 系统模块化设计

5.2 在线控制系统软件设计

5.3 在线控制系统软件功能模块开发

5.3.1 在线监控模块

5.3.2 系统辨识模块

5.3.3 控制仿真模块

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

A 攻读硕士学位期间所发表的论文及专利

B 学位论文数据集

致谢