化学反应釜的智能测控系统的设计.doc

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1、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，以提高产品的效率和质量的方法，对化工生产和生物制药等工业很有实用价值。本文通过对反应釜传热特性的分析，总结出被控对象的特殊性，设计了一套按偏差分档控制的智能测控系统。讨论了控制策略的可行性，研究了模糊PID复合控制理论在反应釜过程控制系统中的具体运用，给出了具体的控制算法。在此基础上，设计了以 MCS-51单片机为核心的反应釜智能控制器。应用了两种目前比较流行的串行总线接口技术单线总线和 I2C总线，构成了多点温度测量系统的控制，通过对执行器件的动作控制和参数调节，实现了对反应釜内温度及其梯度

2、的控制。 关键词：反应釜； 过程控制； 单片机； 温度测量； 模糊-PID控制I目录摘要I目录21绪论11.1本设计的背景和意义11.2反应釜控制技术的现状11.3本设计的内容21.3.1被控对象的特性分析21.3.2控制方案的确定21.3.3系统的硬件设计31.3.4系统的软件设计31.3.5实验与结果32反应釜过程系统的特性分析42.1过程控制系统42.2反应釜的过程分析52.2.1反应釜的结构简介52.2.2反应釜的工作原理52.2.3反应釜的控制方案62.3反应釜的动态特性82.3.1基本方程82.3.2基本方程的线性化92.3.3有关通道的传递函数92.4设计指标102.4.1功能指

3、标102.4.2精度指标112.4.3其他指标113控制方案的确定123.1总体控制方案的确定123.2模糊控制方案143.2.1模糊控制方法概述143.2.2模糊控制器的设计163.3 PID控制器方案223.3.1常规数字PID控制及其缺点223.3.2改进的PID算法233.3.3 PID参数的整定253.4搅拌速度的控制方案264硬件电路设计274.1硬件系统构成274.2基于DS18B20的多传感器侧温电路284.2.1 DS18B20的内部结构简介284.2.2 DS18B20的读写时序304.2.3 DS18B20的常用命令314.3 D/A转换及输出电路324.3.1 MAX5

4、18与I2C总线324.3.2电压放大电路364.3.3 V/I变换电路374.4 DKZ型电动执行器384.5 搅拌电机控制电路414.6 电源电路424.7 人机接口电路434.7.1 键盘接口电路434.7.2 LED接口电路444.8 硬件抗干扰措施454.8.1干扰的来源与抑制方法454.8.2电源抗千扰措施464.8.3微处理器监控器465控制系统的软件设计485.1主程序设计485.2键盘中断服务子程序495.3定时器0中断服务子程序515.4温度采集子程序525.5控制量输出子程序535.6控制算法子程序545.7软件抗干扰措施546实验与结果567结束语57致谢58参考文献5

5、9附录A 硬件电路总图60附录B DS18B20与单片机的通信子程序62附录C MAX518与单片机的通信子程序6464 中国矿业大学银川学院毕业设计 1绪论1.1本设计的背景和意义 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

6、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

7、(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反应釜控制技术的现状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重的非线性和时滞性，这种简单的控制方式难以达到预期的控制精度，且往往

8、因出现超调而导致失误。后来有人使用PLC作为控制器，较大地提高了控制精度，但这种控制方式难以适用较复杂的过程控制，在通信和管理方面也存在很多缺点。近年来，以微控制器或工业微机为核心的各种智能控制系统成为反应釜过程控制的主流。在控制理论的运用上，早期的反应釜控制系统多为两位式调节的单回路调节系统，对于重要的环节设计有串级调节系统。后来人们越来越多地使用 PID控制，它的算法简单，易于用各种廉价的微控制器实现，控制效果较以前也有很大提高。但是，由于PID控制主要是具有确切模型的线性过程，而反应釜对象具有非线性和时滞性等特点，难以建立精确的数学模型，故PID控制难以满足复杂的过程控制。随着智能控制理

9、论研究的深入，人们开始研究智能化的反应釜过程控制装置。各种智能控制方法，如专家系统、模糊控制、神经网络、遗传算法等，都已在反应釜控制中有所运用。事实上，对于一个复杂的，不仅具有严重非线性和时滞特性，而且还在变化的过程，采用任何一种单一的控制策略都难以取得理想的控制效果。目前最先进的反应釜智能控制系统多采用将先进的智能控制理论与传统的控制策略相结合的方法。这些反应釜智能控制器大多需配备工业微机作为主控制器，以满足复杂的控制算法的需要，硬件成本较高。且由于反应釜中的生产对象不同，各种化学反应过程差异大、生产规模差异大，故难以形成成熟、适用、制式化的智能控制设备.特别是对生产规模小的反应釜和培养皿而

10、言，这种复杂的控制系统难以推广。故必须研制适用于小型生产设备的成本低、操作简便的智能控制装置。1.3本设计的内容1.3.1被控对象的特性分析 化学反应釜作为被控对象有其特殊性。本设计通过研究反应釜的结构和工作原理，选用温度作为控制参量。设计中主要分析了反应釜内化学反应过程中的传热特性，研究了温度等参量对反应过程的影响，推导了相关通道的动态方程和传递函数，并进一步总结出该系统的特点:大时滞性、时变性、非线性。1.3.2控制方案的确定根据控制对象的特殊性和具体要求，确定了反应釜过程控制的具体方案。控制系统以温差为输入量，以加热或冷却阀门的开度为输出量。在分析了各传统控制算法的可行性和优缺点的基础上

11、，本设计对温度控制采用了三段分档控制策略。即当偏差很大时，直接采用最优控制；当误差较小时，采用模糊控制；当误差很小时，采用PID控制。这种复合的控制策略可以提高系统的准确性和稳定性，并获得良好的鲁棒性。为了克服反应釜内温度不均匀，根据温度不均匀的程度对搅拌器实行调速。搅拌速度采用较为粗糙的模糊控制，可以达到控制要求。设计中详细论述了用模糊控制实现反应釜过程控制的具体方法，还应用了一种改进的数字PID算法。1.3.3系统的硬件设计系统的硬件设计从各个方面充分考虑了技术要求和工厂的实际使用情况。硬件电路主要由MCS-51单片机和其它外围器件构成，按功能结构分为以下几部分:电源电路、温度采集电路、输

12、出控制电路、人机接口电路和微处理器监测电路。在数据采集电路和D/A转换电路中，利用了两种目前比较流行的串行总线接口技术单线总线和I2C总线。温度测量电路利用单总线技术实现了多点温度采集，提高了测量精度。利用I2C总线技术的串行D/A转换器节省了单片机的I/O口线。人机接口电路由键盘和LED显示屏构成，操作简便、显示直观，具有良好的人机界面。考虑到系统在实际使用中会受到工业现场较严重的电磁干扰，系统还配备了微处理器监控器以提高系统的抗干扰能力。1.3.4系统的软件设计系统的软件采用结构化的设计方法，主要有:主程序模块、温度采集模块、键盘中断处理模块、定时器中断处理模块、输出控制模块和控制算法模块

13、。由于使用了两种串行通信技术，故在软件设计中，充分考虑了系统时序的要求。此外，还运用了一些软件抗干扰措施。 1.3.5实验与结果本系统设计完成后，制作了多套控制器进行安装调试。并利用现场实验法对PID算法各参数进行了整定，取得了良好的结果。2反应釜过程系统的特性分析2.1过程控制系统所谓过程系统是指研究一类以物质和能量转变为基础的生产过程，研究这类过程的描述、模拟、仿真、设计、控制和管理，旨在进一步改善工艺操作，决高自动化水平，优化生产过程，加强生产管理，最终显著地增加经济效益。参照美国仪器学会的分类方法，从控制的角度出发，把工业分为三类：连续型、混合型和离散型。连续型工业在习惯上称为过程工业

14、，有时为突出其流动的性质而称之为流程工业。从操作性质来看，它们包括了连续、不连续和间歇三种操作方式。其生产特征是：呈流体状的各种原材料在连续流动过程中，经过传热、传质、生化物理反应等加工，发生了相变或分子结构等的变化，失去了原有性质而形成一种新的产品。在连续型工业中，主要对系统的温度、压力、流量、液位、成分和物性等六大参数进行控制，它的生产特征决定了它在控制方面的特点。第一，连续型工业加工过程包括了信息流、物质流和能量流，同时还伴随着物理化学反应、生化反应、还有物质和能量的转换和传递，因此，生产过程的复杂性决定了对它进行控制的艰难程度，例如，过程工业的建模就是一个十分棘手的问题。第二，过程工业

15、往往处于十分苛刻的生产环境，例如高温、高压、真空，有时甚至是易燃易爆或受有毒气体严重污染的环境，因而生产中的人身安全和设备安全被放在最重要的位置，相应的故障预报和安全监控系统受到特别重视。第三，过程工业的生产过程是连续的，因而强调生产控制和管理的整体性，应把各种装置和生产车间连接在一起成为一个整体来考虑，实现了个别设备或装置的优化不一定就是最优的，应求取全厂的最优化。早期多采用比例积分微分 (PID)定值控制系统，一般采用商品化的传感器、调节器、记录仪和气动或电动调节阀来加以实施。近年来，随着计算机技术和电子技术的发展，数字调节器和分布式系统 (又称集散系统)已经越来越多地用来代替模拟调节器。

16、过程控制的任务是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据生产对控制提出的要求，应用控制理论，设计出包括被控对象、调节器、检测装置和执行器在内的过程控制系统，并对它进行分析和综合，最后采用合适的技术手段加以实现。也就是说，过程控制的任务是由控制系统的设计和实现来完成的。2.2反应釜的过程分析2.2.1反应釜的结构简介化学反应釜的基本结构如图 2-1所示。内装入物料，使物料在其内部进行化学反应，罐体上装焊了许多附件，主要有传热装置、搅拌装置、工艺接管和观测部件等。图2-1反应釜结构示意图最常见的传热装置是夹套，它是焊接在雄体外的各种形状的钢结构，与罐体的外表面形成密闭的空间，可

17、在此空间内通入载热流体，通过夹套内壁传热，以加热或冷却物料，维持物料在规定的温度范围内。载热流体的每秒流量受电动阀门的控制。搅拌装置安装在罐体内部，由外部的电机驱动搅拌轴带动叶轮旋转，为物料的循环流动提供动力。罐顶和罐底分别装有加料管和出料管，分别用来在往罐体中加入物料或从罐体中取出物料，为了测量釜内的温度，在罐内装有钥制的温度计套管，这是一种一端封闭的管子，可将温度计或传感器放入其中。为了满足一定的工艺要求，罐体上往往还可安装其它附件。2.2.2反应釜的工作原理现以本设计所涉及的间歇式反应釜为例说明其工作原理。反应前先将按一定比例配置的反应物、催化剂等原料加入反应釜内，然后在夹套中通以高压蒸

18、汽，待釜内达到预定的反应温度时，停止加热，然后保持一段时间的恒温以使化学反应正常进行，反应结束后对其进行冷却。有时在恒温后还需要二次升温和恒温。恒温段是整个工艺的关键。如果反应温度偏高或者偏低，都会影响反应深度，从而降低产品的质量。有的反应过程，若温度升高过多，会导致爆炸、起火等事故发生。造成温度偏高的原因是反应过程中放出的大量反应热。为了使釜内温度恒定，通常在夹套中通以适量的冷剂，以移走反应放出的多余热量。2.2.3反应釜的控制方案a输入输出参量由于反应机理的复杂性，导致了反应釜控制系统的复杂性。特别是对于反应速度快，放热量大的化学反应，由于反应釜稳定操作的区间狭小，控制难度很大。一般在设计

19、反应釜控制方案时，首先要满足质量指标、物料和能量平衡以及一定的约束条件。在被控变量的选择上，有以出料成分为被控变量和以反应过程中的工艺参数为被控变量两种方案。反应釜的控制指标主要是反应的转化率、产量、收率、主要产品的含量和产物分布等。如果把这些指标直接作为被控对象，反应要求就直接得到了保证。但是，由于化学反应的机理十分复杂，这些综合性参数的测量十分复杂。由于在反应过程中，温度和上述指标的密切相关，又便于测量，所以本设计中将温度作为被控变量。由于在恒温过程中，釜内温度是由夹套中冷剂吸收反应放热量的多少来保证，故可以通过冷剂的流量变化来稳定反应温度。冷剂的流量通过调节冷剂阀门的开度来控制。这种方案

20、如图2-1所示。此外，由于冷剂的流量相对较小，当釜温与冷剂温差较大，釜内温度不均匀时，容易造成局部过热或过冷。为了解决这一问题，本设计在釜内不同位置设置了多个传感器来测量温度，通过釜内各点温差来调节搅拌速度，在局部温差较大时，通过提高搅拌速度来加快传热，以确保各点温度均一。综上所述，本设计共设计了两个相对独立的控制回路。主回路温度为输入量，以冷剂阀门的开度为输出量。副回路以釜内温差为输入量，以搅拌速度为输出量。因为作为被控变量的温度和温差均为反应过程中的工艺参数，故本设计的控制方案属于两种方案的后者。b温度对反应速度的影响 实践表明，随着温度的上升，反应速度往往是迅速上升的，经过数据归纳和热学

21、分析，得出阿累尼乌斯公式(2-1) (2-1) 式中 反应速度常数，1/s； 气体常数，1. 487kcal/kmol，K； 活化能，表示使反应物分子成为能进行反应的活化分子所需的平均能量，其值在 10000-50000kcal/kmol；绝对温度，K； 频率因子，单位同k。由式(2-1)可看出，随着温度的升高，k值也升高，所以对于不可逆反应，提高温度总使反应速度加快。c搅拌速度对传热的影响反应釜内装有搅拌装置，其主要作用是:促进釜内物料流动，使反应器内物料均匀分布，增大传热和传热系数。在反应过程中，随着转化率的增加，物料的薪度往往也增加。如果不能适时地搅拌均匀，就会导致传热系数下降或局部过热

22、，物料和催化剂分散不均匀，影响产品的质量。再者，当釜内温度和夹套温度相差较大时，釜内靠近罐壁处的物料温度要比釜中间处的高很多，若不及时将物料搅均，则容易导致反应物粘壁，使反应不能正常进行下去。对于本设计所针对的反应釜所采用的涡轮式叶轮搅拌器，液体对罐壁的表面传热系数与罐内液体单位质量搅拌功率有以下关系 （2-2）式中， 被搅液对夹套的表面传热系数，W/(m2. K)；D, d, b- 罐径、浆径、叶宽；流体的热导率； 单位质量被搅液消耗的搅拌功率；普朗特数；一 被搅液的运动速度。对于搅拌功率P，又有 (2-3)式中， 功率准数； 液体密度；一搅拌转速。若被搅液体的总质量为m，则 (2-4) 结

23、合式(2-2)、式(2-3)和式(2-4)可以看出，被搅液体对夹套的表面传热系数h随着搅拌速度N的增大而增大，即增大搅拌速度有利于传热。2.3反应釜的动态特性2.3.1基本方程对间歇式反应釜，根据化学反应中的热量平衡关系，可知:反应系统内热量的储蓄量变化率=土单位时间内化学反应的热效应 (吸热反应取-，放热反应取+) 单位时间内与外界热交换量 (向外散热取-，从外界吸收热量取+)。假设反应釜夹套内容积和密度都保持不变，忽略热交换过程中的热量损失，可得以下方程：反应釜内的热量衡算式 （2-5）式中 反应釜内物料的容积、平均密度、平均比热； 反应釜内温度；A、U 反应釜间壁的传热面积和总传热系数；

24、 冷剂的出口温度；一摩尔反应热 (吸热为正，放热为负)； 反应釜内物料的浓度。夹套内冷剂的热量衡算式 (2-6) 夹套内冷剂的容积、密度、平均比热； 冷剂的流量； 冷剂的入口温度；化学反应速度为 (2-7)将式(2-7)代入式(2-5)可得 (2-8)由式(2-6)可得 (2-9)2.3.2基本方程的线性化式(2-8)和式(2-9)是表示反应釜温度动态特性的基本方程，均为非线性方程。为了便于应用线性控制理论来分析小扰动下的动特性，对式(2-8)和式(2-9)进行线性化 (在写增量方程时，为简化写法，一律从简，各变量上方的“-”表示稳态值)，可得以下矩阵形式的线性方程 （2-10）式中 而 2.

25、3.3有关通道的传递函数将式(2-10)进行拉氏变换，经整理得即 （2-11）由式(2-11)可求取各通道的传递函数。冷剂流量对釜温的传递函数为 （2-12）以上得到的是开环系统的传递函数，可以证明，当反应放热小于冷剂吸热时，开环是稳定的，故可根据式(2-12)设计开环调节的控制器。方程推导过程中做了很多假设，如认为冷剂阀门的流量在开度一定的情况下是稳定的，但实际中由于工厂设备等原因，往往不容易做到这一点。故在实际使用时，我们是以给定温度与实际温度的差值作为输入量，构成闭环系统。这样做的好处是，即使由于外界因素，使系统开环不稳定，我们也可以通过不断的调节控制量，使闭环系统达到动态稳定。2.4设

26、计指标2.4.1功能指标根据用户的要求，本设计设计的控制器要求对某化学反应实现过程控制。控制器的主要控制功能为自动地实现釜温控制。釜温一时间曲线有标准制式或由操作人员从人机接口设置。其中标准制式要求釜温达到如图2-2所示的变化规律。图2-2 反应过程温度曲线图中升温部分用虚线描绘，表示对升温时间的要求不是很严格，只要保证超调量不是太大即可。达到反应温度后，要保持釜温在70约90分钟。降温阶段有一定时间要求，在20分钟内冷却到30即可，此后使其自然冷却。操作人员可通过键盘输入设定温度、工况 (自动、加热、冷却或搅拌)和时间。自动工况即对应于反应釜过程温度一时间标准制式。在加热和冷却工况下，要求釜

27、温从实际温度变化到设定温度，然后使反应釜在设定时间内维持在设定温度。搅拌工况只开动搅拌器对物料进行搅拌，对釜温不做要求。加热、冷却和搅拌三种工况中，搅拌速度均可设定为高、中、低和自动四种情况.其中搅速自动由控制器根据釜内温差自动调节为高、中或低速。系统具有定时功能。除自动工况外，其它工况均可进行时间设定，即开机状态可设置定时关机，关机状态可设置定时开机。2.4.2精度指标本系统的测温范围要求为0-90。自动工况下，升温阶段的控制精度要求不是很高，升温结束阶段向恒温阶段切换时的超调量要求不超过5。恒温阶段的控制精度要求较高，要求绝对误差不超过1。加热和冷却工况下，温度控制精度也不超过1。2.4.

28、3其他指标 根据用户要求，控制器与标准的电源暗盒配套安装，暗盒内部空间尺寸为：长宽深=70mm 70mm 60mm。故要求将PCB做成两块，主机板为69mm 69mm ，置暗盒内。操作面板按标准电器插座面板制成86mm 86mm，安装在暗盒外，两者用软排线相连。另外，整个控制器要求直接取用工频 220V交流电源，并具有一定的抗干扰能力。3控制方案的确定3.1总体控制方案的确定根据对反应釜的特性分析可知，反应釜的温度对化学反应有极大的影响。我们在分析对象的特性时，做了很多简化和假设，如：忽略了热交换中的热量损失、忽略了反应过程中许多复杂的化学现象和不确定因素、对方程进行了近似处理等。事实上作为被

29、控对象的反应釜的温度与一般的工业对象相比，主要有以下几方面的特点。1)时滞性很大。对间歇式反应釜，一般在反应之初往夹套中通以热蒸汽使釜内达到所的温度。在反应过程中伴有很强的热效应，导致反应釜内温度急剧升高，此后在夹套中通以酒精水混合物或者液态氮带走多余的热量，以使釜内温度降低。但由于反应釜内与外界热交换主要依靠反应釜的间壁进行热传导，内壁对整个釜内加热也需要一定的时间，所以导致系统表现出很大的时滞效应。2)时变性。反应釜内的温控特性主要取决于釜内化学反应的激烈程度，而整个生产过程从起始升温、中间恒温到最后降温，对象具有明显的时变性。并且，就某一个具体的阶段而言，由于化学反应的速度不稳定，导致过

30、程的增益、惯性时间和纯滞后也会发生相应的变化。3)测量环境恶劣，参数测量困难。要保证一个控制系统的准确性，首先必须保证参数测量的准确性。化工生产多处于恶劣的工业环境之中，现场往往存在大量的电磁波和交、直流干扰等，对整个系统的影响很大。所以，采取必要的软、硬件措施保证测量精度，也是控制器设计中要解决的一个问题。4)非线性。对于一个温度过程系统，都并存着导热、对流和辐射三种形式的传热，只是在不同的阶段各种传热形式所占的比例不同。事实上，只有一维导热可以看作是线性的，辐射热量是绝对问题的四次方函数，对流传热受多种因素的影响，一般也是非线性的。在整个温区内，被控对象的动态参数随着温度的变化而变化，在工

31、作点附近的小温度范围内，其动态特性可以看成近似线性的。针对被控对象的上述特点，应选择合理的控制方案，针对被控对象的时变效应和大时滞效应，应综合考虑系统的鲁棒性和快速性的要求。提高温度测量的精度和测量稳定性。最终设计和开发出可靠性、稳定性好，系统的性价比高的控制器。传统的反应釜过程控制器多采用PID控制算法，它的控制原理简单、实现方便、参数易于调整。但是，由于反应釜控制对象具有非线性、时变、大时滞等特点，过程模型难以确定，参数整定往往比较困难，即使可行也因为受温控对象工况变化的影响大，调整时间过长、超调量大，使控制效果不佳。解决这个问题的一个办法是采用先进的控制理论来弥补 PID控制算法的不足。

32、目前比较成熟和实用的方法是采用模糊控制算法与PID控制算法相结合。模糊控制不需要精确的数学模型，控制规则基于专家知识，响应速度快，过渡时间短;且其规则可以通过学习不断更新，对参数变化具有较强的鲁棒性。但模糊控制器的设计参数多，调整繁琐，以模糊控制完全取代PID调节控制不是最佳设计方案。因此，针对反应釜温控对象的特性，本设计采用模糊控制算法与传统的PID算法相结合，使系统既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有PID控制稳态精度高的特点，使被控变量具有良好的动态和静态特性。具体做法是：根据设定值与测量值之间的误差大小，分段采取不同的控制算法。在温度的误差值较大时，采用最优控制方案，即开关控制，

33、调高系统的响应速度，以实现快速升温和节能;当温差较小时，采用模糊控制算法，使系统具有良好的动态性能：在温差接近很小接近零时，采用 PID控制，使系统在取得较好的动态性能下，达到期望的稳态性能。假设进入模糊控制和 PID控制的误差分界点分别为和 ，则本文所采用的三段分档控制原理如图3-1所示。图3-1 三段分档控制原理图在升温阶段，对系统的精度要求不是很大，控制器的首要目的是使误差尽快的减小。在起始阶段，误差很大，为了提高系统的快速性，采取时间最优控制。这种最优控制 (又称Bang-Bang控制)，是一种非线性控制规律，其原理是控制量根据偏差的正负在自己的两个边界值之间来回切换。为了防止升温超调

34、量过大，当差值逐渐减小到某一值时，逐步关小蒸汽阀门，即采取常规 PID控制。当快要接近设定温度时，完全关闭蒸汽阀门。由于反应釜有较大的时滞且反应放热，停止加热后釜温依然会上升。此时，开启冷剂阀门，即切换到恒温段控制。恒温段是整个工艺的关键，所以本设计也以恒温段的控制为主要研究内容。在恒温阶段，控制器的目的是要达到较高的控制精度，一段低分辨率的模糊控制并达不到要求，解决的办法是要么采用一段高分辨率的模糊控制，要么采用一段高分辨率的PID控制。然而，高精度模糊控制器的实现较为困难，不但建立精确的规则库相当困难，而且过细的控制规则反而容易使控制量变化太大而出现超调。所以当误差很小的时候，本设计采用

35、PID控制。这一误差范围在整个控制过程中所占比例较小，在很大误差范围内系统是靠模糊控制器来进行调节，模糊控制器在很大程度上决定了整个控制器的性能，也是本设计讨论的重点。本设计中，分别取 =5， =2，以此为误差分界点实行分档控制。3.2模糊控制方案3.2.1模糊控制方法概述众所周知，传统的控制理论，无论是经典控制理论还是现代控制理论，都是建立在系统的精确数学模型基础之上的。实践证明，对于存在精确的数学模型的自动控制系统，经典控制理论或现代控制理论取得了良好的控制效果。但是在实际中，有许多系统，特别是工业生产过程是极其复杂的，尽管有所谓的 “系统”辨识理论可以通过各种测试手段及数据处理方法获得数

36、学模型，但也很难得到确切描述这些过程的传递函数或状态方程，除了用统计相关法等，用其他方法得到的数学模型是比较复杂的，甚至计算机也难于实现。再者，由于对系统的了解不可能完全清楚和正确，所以我们所建立的数学模型不可能完全与实际相吻合，也就得不到精确的数学模型，而只是一种近似。为了数学处理方便，我们往往简化数学模型、降低其阶次，以牺牲准确性来换取处理上的方便。然而，一个过于简单的模型虽然处理起来是方便的，但是利用这样的数学模型设计综合系统，其结果有时并不能让人满意，甚至还会产生错误的结论。传统的经典控制理论和现代控制理论，由于需要精确的数学模型而存在局限性。由于计算机技术的飞速发展，将人类思维这样复

37、杂操作由计算机代替的领域日益增加。对于一些难以用常规方法实现的控制过程，由操作人员通过观察各方面的综合信息，凭借积累起来的丰富经验，经过大脑的思维分析，采取适当的控制策略，根本不需要了解什么被控对象的数学模型，往往能圆满的完成控制任务。从这种人工控制中得到启发，借助于人工经验和模仿人的思维的各种控制策略应运而生，产生了目前所谓的智能控制，模糊控制便是其中之一。模糊控制是以模糊数学，即模糊集合论、模糊语言知识表示及模糊逻辑规则推理等作为理论基础，以计算机作为物质基础，以计算机控制技术、自动控制理论作为技术基础的自动控制系统。模糊控制对于难以建立数学模型、非线性、大时滞的控制对象具有很好的适应性。

38、这是因为模糊控制是模仿人的操作经验，依据规则对过程进行控制的，它可以不依赖于对象的数学模型就能实施良好的控制。一个常规的模糊控制系统组成框图如图 3-2所示。从图中可以看出，模糊控制系统与一般计算机控制系统在结构上并没有什么差别，都是由被控对象、执行机构、过程输入输出通道、检测装置、控制器等几部分组成。所不同的仅仅是以虚线框的模糊控制器取代了传统的控制器。模糊化模糊推理解模器执行器被控对象监测装置d/dt知识库图3-2 模糊控制器结构图生产过程中的各种参数和现象，本身是精确的，但是经过观察和检测后反映到人脑中却是模糊的，例如温度 “偏高”，“偏低”等。在人脑中有长期经验形成的操作策略也是模糊的

39、，这些都可以用模糊的自然语言来描述，这是一个由精确到模糊的过程，即 “模糊化”。某一领域内的专家或操作人员将其在长期工作中积累起来的经验知识存在他的大脑里，一旦在实际操作控制时便将获得的信息和自己己有的经验进行比较分析，从而判定应该对被控对象做什么样的调整。例如:“釜温太高，则开大冷剂阀门”。在模糊控制中将操作人员的经验总结成若干条用自然语言描述的控制规则，利用模糊数学将其处理成计算机能识别的模糊关系，存放在计算机中，即“规则库”。仿照人脑的模糊控制推理过程，计算机在有实时输入时，按照规则库做出相应的判断，即 “模糊推理”。虽然在人脑子里进行的是一种模糊推理决策过程，但在用手去操作阀门时却是一

40、个具体小精确量。例如开大阀门，大到什么程度，就需要一个精确量。所以在模糊控制中，模糊推理后所得的模糊输出量还必须精确化，以便执行器能施加于被控对象上，这一步骤即 “解模糊”。3.2.2模糊控制器的设计a输入输出变量的确定根据输入量的个数，模糊控制器有一维、二维和多维之分。最常用的模糊控制器是二维的控制器，本设计也采用这种方式。在二维模糊控制器中，将设定温度和实际温度的偏差。和偏差的变化率c作为输入变量，和c可按以下两式求得 (n) = r(n)-y(n) （3-1） c(n)=(n)-(n一1) （3-2）式中 (n)和c(n)为第n次采样时刻的精确值。和c经过模糊化后分别为模糊变量E和Ec。

41、经模糊推理以后的输出模糊变量为U，解模糊后对应的精确量为冷剂阀门的开度的变化量du。由此，本设计中的模糊控制器设计可分为三个步骤：精确量的模糊化、模糊推理规则的确定和输出量的模糊判决。b精确量的模糊化 精确量在模糊化前立往往要把连续的模糊量进行离散化，把它转化为论域-n，n+l，0,n-l,n上的某一整数。设一个精确量的实际变化范围叫做它的基本论域，而离散化了的空间叫做它的模糊集合论域。以自然语言中的字和句为值的变量为语言变量，它的值叫做语言值，每个语言值都对应一个模糊子集。精确量的模糊化的第一步是确定量化因子。设误差e的基本论域为，模糊集合论域为(-n，-n+l，0，n-l，n)，误差变化率

42、ec的基本论域为，模糊集合论域为-m，-m+l，0，m-1，m，则误差的量化因子和误差变化率的量化因子K分别为 （3-3） （3-4）和 的大小对于系统控制效果影响很大。当误差的模糊集论域给定，增大就意味着误差的基本论域减小，将增加误差控制的灵敏度，从而有利于系统回复时间的减小，但会使振荡加剧。当然，如果选得过大，反而会因振荡加剧而使回复时间增大。增大意味着微分作用增强，系统振荡程度降低，有利于系统稳定，但过大，反而会因反应速度加快引起过分的振荡。n和m的取值与控制精度有关，n取得越大，意味着控制精度越高。取得过大会增加控制器的复杂程度。综合考虑后，在本设计中n和m均取6。由于切换到模糊控制后

43、偏差的变化范围为-15，+15，故=15； ec的变化范围为-30， 30，故=30。根据式(3-3)和式(3-4)可得，=0. 4， =0. 2。对于某时刻采样得到的的e(n)和ec(n)，离散化以后的和值分别为若和的值不为整数，则对其就近取整。模糊控制器的控制规则是由输入输出模糊语言变量的不同语言值排列组合成的若干条模糊条件语句。要确定一个模糊语言变量，必须首先确定其语言值才能构造模糊控制规则。在模糊控制中，将模糊语言变量分为若干个档，按照大小和正负分别用语言值描述。语言值分档的越多，对事物的描述就越精细，制定的控制规则就越详尽，控制效果就越好。但是若语言值分档太多，反而有可能使控制规则太

44、复杂，程序编制太困难，占用的内存也较多。因此，模糊语言变量的分档应兼顾控制效果和简单易行两个方面。本设计中把误差的模糊语言变量E、误差变化率的模糊语言变量Ec和输出控制量的模糊语言值 U均分为7档，即正大(NB)，正中(NM)，正小(NS)，零(Z)，负小(PS)，负中(PM)，负大(PB)要对一个精确量变成模糊量，实际上是找出该精确量隶属于某个模糊子集的隶属度函数值。反之，把模糊量变成精确量，也是按该元素的论域的所有模糊子集的隶属度函数值，得出该元素的值。隶属度函数对系统的控制效果影响很大。隶属度函数的确定方法有模糊统计法、二元对比排序法、专家经验法等。常用的隶属度函数形状有正态分布、三角形

45、和梯形等。一般隶属度函数的具体形状对控制效果的影响不大，但其宽幅大小对控制效果的影响较大。具有窄型隶属度函数的系统较宽型的具有更高的分辨率，使系统的控制灵敏度提高。一般在误差较大的范围使采用宽型的隶属度函数，在误差较小的范围采用窄型的隶属度函数。各语言值的隶属度函数间的重叠程度越大，控制器的鲁棒性越好，但是太大会使控制灵敏度降低。本设计中采用正态型分布的隶属度函数来描述各语言变量。表 3-1 偏差E的赋值表E-6-5-4-3-223456PB0000000.10.40.81.0PM000000.20.71.00.70.2PS000001.00.50.100NS000.10.51.000000NM0.20.71.00.70.200000NB1.00.80.40.1000000用同样的方法，可得Ec和U的隶属度赋值表3-2和表3-3。表