高压磁力驱动反应釜控制器设计

摘要

反应釜是进行化学反应的容器，广泛应用于石油、化工、农药、食品、橡胶、医药等行业。其内部化学反应过程复杂多变，常伴随着放热或吸热。温度是化学反应的重要条件，温度的高低直接影响釜内化学反应的质量，原料的利用率等。所以，反应釜的温度控制是化工业重要内容，其作为控制对象，具有非线性、时变、大滞后等特点，这些特点决定了反应釜温度控制是控制工程中的难点。温度控制的指标包括升温速度、温度超出给定温度的超调量、稳定性等。
　　 本课题以威海化工机械有限公司生产的反应釜（型号为GSH-0.5）为对象，为了简化系统反应釜不加冷却装置，只考虑反应釜通过周围环境空气自然冷却来降温，因此只能控制釜内加热炉来控制反应釜的温度。控制器以釜内温度测量值为反馈量，采用模糊自适应PID算法，对反应釜内加热炉的加热电压进行控制，实现闭环控制。为了使反应釜安全运行，系统监测反应釜的各种参数工作状态，要对釜内的压力、加热炉的加热电压和电流、搅拌器电机的转速和电机电流等参数进行监测、记录和报警。系统实时采集到的数据进行相应处理，以此判断反应釜是否正常工作。系统选用单片机C8051F060作为主芯片。其内部具有两个分辨率为16位的A/D，一个8通道的10位分辨率A/D，两个12位D/A。16位A/D用于温度测量，可以满足温度测量所需的精度要求。通过10位A/D对除去温度之外的其他参数进行数据采集。D/A的输出电压最为控制算法的控制输出值。转速的测量是电机转速控制的反馈信号。电机控制反应釜内部原料的搅拌，对电机转速的控制利于反应原料的充分接触，促进反应釜的散热。
　　 常规PID控制应用范围广泛，历史悠久。其控制具有结构简单、稳定性好、参数易调整等优点。反应釜温度对象的非线性、时变、大滞后等特点，很难用一个精确的数学模型来描述它。采用常规的PID控制不能达到高精度、低超调等工业要求。
　　 模糊控制是一种基于规则的语言控制。不需要被控对象有精确的数学模型，鲁棒性好，适应能力较强。模糊控制具有稳态误差。
　　 本文分析了反应釜控制的难点，采用了模糊自适应PID控制算法对反应釜温度进行控制。模糊自适应PID控制是采用模糊控制来修正PID的参数，可以弥补PID控制在需要被控对象精确数学模型上的不足，增强了PID的适应能力。
　　 课题完成了反应釜控制器的硬件设计、软件程序的编写和算法的研究。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景和目的

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 本文所要解决的问题

1．4 研究内容

1．5 章节安排

第二章 硬件设计

2．1 反应釜参数测量与控制策略

2．2 单片机的选择

2．3 整体结构设计

2．4 电源部分设计

2．5 测量部分设计

2．5．1 铂电阻测温电路

2．5．2 电机转速测量电路

2．5．3 加热电压和电网电压测量电路

2．5．4 加热电流测量

2．5．5 电机电流测量

2．6 控制部分设计

2．6．1 加热电压控制

2．6．2 电机转速控制

2．7 键盘与显示

2．8 单片机外围扩展电路

第三章 软件设计

3．1 单片机管脚配置

3．1．1 端口0~3配置

3．1．2 端口P4-P7配置

3．2 单片机内部A／D和D／A初始化

3．2．1 单片机16位ADC初始化

3．2．2 单片机10位A／D初始化

3．2．3 单片机DAC初始化

3．3 计数器／定时器初始化

3．3．1 计数器0和定时器1初始化

3．3．2 定时器2、3、4初始化

3．4 93C66的读写

3．5 液晶显示程序

3．6 主程序

第四章 反应釜控制器控制算法设计

4．1 传统PID控制

4．1．1 常规PID控制原理

4．1．2 数字PID控制器的参数整定

4．2 模糊控制

4．2．1 模糊控制系统的结构

4．2．2 模糊控制系统的基本原理

4．3 模糊自适应PID控制

4．3．1 模糊自适应PID控制

4．3．2 模糊化

4．3．3 建立模糊规则

4．3．4 模糊控制输出精确化

4．3．5 模糊自适应PID仿真

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

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