基于模型的夹套式反应釜温度控制系统设计

摘要

夹套式反应釜是化工生产过程中的常用反应容器，温度控制作为夹套式反应釜的主要调控手段之一，长期以来是化工过程控制领域的一个重要研究课题。由于反应釜系统的间接传热方式和内部反应的复杂性，在控制工程中属于典型的时滞、大惯性、非线性系统。由于传统的控制方法具有调节温度超调量大、过渡过程时间较长等明显缺点，有待于发展先进的控制算法来克服这些缺陷。
　　针对现有夹套式反应釜温度控制装置控制精度不高、运行耗能高、人机交互不友好的问题，本文设计开发了一套由PLC、变频器、压缩机、加热管、热电偶、上位机等组成的温度控制系统。基于LabVIEW软件包开发的上位机监控系统能提供直观的人机交互界面和硬件数据通讯，便于编程实现复杂的控制算法及存储历史监控数据。PLC在整个系统中是控制算法和被控对象间的重要纽带，一方面将反应釜实时温度信息传送给上位机，另一方面实时接收上位机的控制信号对执行机构进行调控。
　　针对4升的夹套式反应釜，根据其能量传递特性，对其升温和降温响应过程建立带有时滞的积分型传递函数模型，并且提出了一种基于阶跃响应的模型参数辨识方法。为了克服传统单位反馈控制系统设计方法产生较大升降温超调量的缺点，本文采用二自由度内模控制结构，提出了一个基于系统模型设计设定点跟踪和抗负载干扰的新方法，并且针对实际过程中控制信号的饱和约束问题，提出了能满足实际约束条件的控制器参数调节方法，以便于在工程实践中应用。
　　基于设计的反应釜温度控制系统，对本文提出的模型辨识和控制方法进行实验验证。首先，利用升温和降温阶跃实验数据建立了升温和降温过程的传递函数模型，结果表明本文提出的辨识算法能够有效辨识反应釜温度响应特性，取得很好的拟合效果。随后基于辨识得到的响应模型整定控制系统，进行温度控制实验，通过与现有控制方法的比较，显示了本文控制算法的有效性和优越性，能够实现对反应釜温度的精确控制。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 反应釜温度控制技术的研究现状

1．3 本文主要研究内容

1．4 本文组织结构

2 反应釜温度控制系统设计

2．1 系统整体结构及功能实现

2．2 系统主要部件及工作原理介绍

2．2．1 温度传感器

2．2．2 可编程逻辑控制器PLC

2．2．3 变频器

2．2．4 加热部件

2．2．5 制冷部件

2．3 下位机软件设计

2．3．1 功能概述

2．3．2 主程序设计

2．4 上位机软件设计

2．4．1 LabVIEW软件介绍

2．4．2 监控界面设计

2．4．3 主程序设计

2．5 本章小结

3 模型辨识和控制算法设计

3．1 辨识建模

3．1．1 阶跃响应辨识算法的研究现状

3．1．2 频域晌应估计

3．1．3 带时滞参数的积分模型辨识

3．1．4 仿真验证

3．2 二自由度闭环控制系统设计

3．2．1 二自由度内模控制算法

3．2．2 设定点跟踪控制器设计

3．2．3 抗扰控制器设计

3．2．4 仿真验证

3．3 本章小结

4 实验结果和分析

4．1 结晶反应釜系统的模型辨识

4．1．1 系统描述

4．1．2 升温阶跃实验辨识

4．1．3 降温阶跃实验辨识

4．2 升温控制实验

4．3 降温控制实验

4．4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文和申请专利情况

致谢