畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）小型反應(yīng)釜控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要反應(yīng)釜是一種常用的化學(xué)反應(yīng)容器，其內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理較為復(fù)雜。研究通過(guò)控制其過(guò)程參數(shù)而控制化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，以提高產(chǎn)品的收率和質(zhì)量的方法，對(duì)化工生產(chǎn)和生物制藥等工業(yè)很有實(shí)用價(jià)值。本文全面的分析了反應(yīng)釜溫度變化的特點(diǎn)以及控制難點(diǎn)，在對(duì)反應(yīng)釜夾套加熱系統(tǒng)的傳熱原理系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)熱量平衡原理和反應(yīng)釜的熱量傳遞關(guān)系，采用機(jī)理建模和階躍響應(yīng)曲線方法建立了釜內(nèi)溫度的數(shù)學(xué)模型，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析驗(yàn)證了模型的有效性。關(guān)鍵詞：反應(yīng)釜；串級(jí)控制；matlab仿真；溫度控制abstractthe reaction kettle is a kind of com

2、mon chemical reaction containers, its internal reaction mechanism is more complicated. research through the control of its process parameters and the control of chemical reaction process, to improve the yield and quality products with the method of chemical production and biological pharmaceutical i

3、ndustry, etc have practical value.this paper analyzed the characteristics of the reaction kettle temperature change and control the difficulty, in the reaction kettle clip set of heating system of the heat transfer theory system on the basis of analysis, according to the quantity of heat balance pri

4、nciple and the reaction kettle of heat transfer of the relationship, using mechanism modeling and step response curve method to establish the mathematical model of temperature in the kettle, and the utilization of the data and the theoretical analysis verify the effectiveness of the model.keywords:

5、the reaction kettle；cascade control；matlab；the temperature control目 錄摘 要iabstractii第1章 緒論11.1 課題背景11.2 課題的目的與意義1第2章 控制方案的確定32.1 反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)及工作原理32.2 反應(yīng)釜釜底溫度特點(diǎn)分析42.3 反應(yīng)釜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的確定52.4 方案比較62.4.1 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)62.4.2 串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)72.5 方案確定8本章小結(jié)9第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)103.1 主、副調(diào)節(jié)器的選擇103.2 主、副調(diào)節(jié)器的作用方式113.3 溫度變送器123.4 調(diào)節(jié)閥的作用方式12本章

6、小結(jié)13第4章 matlab仿真設(shè)計(jì)及結(jié)果144.1 模擬pid算法及規(guī)律144.2 單回路控制系統(tǒng)仿真164.3 串級(jí)控制仿真19本章小結(jié)24結(jié) 論25致 謝26參考文獻(xiàn)27附錄1 譯文28附錄2 英文參考資料37-47-第1章 緒論1.1 課題背景化工生產(chǎn)在我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有很重要的地位。其生產(chǎn)過(guò)程往往伴隨有物化反應(yīng)、生化反應(yīng)、相變過(guò)程等，過(guò)程機(jī)理十分復(fù)雜?；み^(guò)程的被控對(duì)象往往是高維、大時(shí)滯、嚴(yán)重不確定與非線性等，控制起來(lái)非常困難?；どa(chǎn)經(jīng)常在高溫、高壓、易燃、易爆等環(huán)境下運(yùn)行，生產(chǎn)的安全性至關(guān)重要。研究化工生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)和控制技術(shù)，是適應(yīng)當(dāng)代信息技術(shù)革命和信息產(chǎn)業(yè)革命的需要，

7、也是提高生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)條件、保證安全生產(chǎn)的必然措施。在我國(guó)由于大中城市科學(xué)技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展步伐較快，近年來(lái)一些生產(chǎn)規(guī)模不大，而具有一定危險(xiǎn)性的化工生產(chǎn)項(xiàng)目轉(zhuǎn)移到農(nóng)村和小城市，并常有爆炸、起火等安全事故發(fā)生。因此對(duì)于智能化檢測(cè)和控制裝置的呼聲日益增高。由于許多化學(xué)工業(yè)、生物制藥工業(yè)具有規(guī)模小、產(chǎn)品更新快的特點(diǎn)，使得多數(shù)的、小規(guī)模的反應(yīng)釜、培養(yǎng)皿生產(chǎn)方式將長(zhǎng)期存在下去。因此，針對(duì)這種化工生產(chǎn)特點(diǎn)所進(jìn)行的智能檢測(cè)和控制方面的研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)將長(zhǎng)期進(jìn)行下去，并不斷深化。在反應(yīng)釜、培養(yǎng)皿等化工容器內(nèi)完成的化學(xué)工業(yè)過(guò)程的特征參量一般為溫度、壓力、濃度等，這些參量是化工過(guò)程本身的屬性的表現(xiàn)。它們不僅

8、是化工生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量好壞的表征，而且在很多時(shí)候也是化工生產(chǎn)過(guò)程安全性（例如是否爆炸、起火等）的表征。因此，通過(guò)測(cè)量并校正這些參數(shù)，以確保化工生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量和安全性是十分重要的。1.2 課題的目的與意義反應(yīng)釜是化工生產(chǎn)中的一種十分常見(jiàn)的反應(yīng)容器。在十幾年前，反應(yīng)釜的控制幾乎完全是靠手工操作。手工操作不僅操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度大，控制精度不高，且操作不當(dāng)，極易引發(fā)安全事故。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)和自動(dòng)控制理論的發(fā)展，人們開(kāi)始研究各種反應(yīng)釜自動(dòng)控制裝置。在我國(guó)，目前也出現(xiàn)了一些反應(yīng)釜智能控制器的研發(fā)與應(yīng)用。早期的反應(yīng)釜自動(dòng)控制系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，大多是使用一些單元組合儀表組成位式控制裝置，由于化學(xué)過(guò)程中存在較嚴(yán)重的

9、非線性和時(shí)滯性，這種簡(jiǎn)單的控制方式難以達(dá)到預(yù)期的控制精度，且往往因出現(xiàn)超調(diào)而導(dǎo)致失誤。后來(lái)有人使用plc作為控制器，較大地提高了控制精度，但這種控制方式難以適用較復(fù)雜的過(guò)程控制，在通信和管理方面也存在很多缺點(diǎn)。近年來(lái)，以微控制器或工業(yè)微機(jī)為核心的各種反應(yīng)釜內(nèi)化學(xué)過(guò)程控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究控制系統(tǒng)成為反應(yīng)釜過(guò)程控制的主流。在控制理論的運(yùn)用上，早期的反應(yīng)釜控制系統(tǒng)多為兩位式調(diào)節(jié)的單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對(duì)于重要的環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)有串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。第2章 控制方案的確定2.1 反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)及工作原理反應(yīng)釜有間歇式和連續(xù)式之分。間歇反應(yīng)釜通常用于液相反應(yīng)，如多品種、小批量的制藥、燃料等反應(yīng)。連續(xù)反應(yīng)釜用于均相和非均相的液相反

10、應(yīng)，如聚合反應(yīng)等，本文研究的對(duì)象為間歇式反應(yīng)釜。反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示,由攪拌容器和攪拌機(jī)兩大部分組成。攪拌容器包括筒體、換熱元件及內(nèi)構(gòu)件。攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動(dòng)裝置等統(tǒng)稱為攪拌機(jī)。釜體為一個(gè)鋼制罐形容器，可以在罐內(nèi)裝入物料，使物料在其內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。為了測(cè)量釜內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)，在罐內(nèi)裝有鋼制的套管，可將各種傳感器放入其中。圖2-1反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意圖在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)之前，先將反應(yīng)物按照一定的比例進(jìn)行混合，然后與催化劑一同投入反應(yīng)釜內(nèi)，在反應(yīng)釜的夾套內(nèi)導(dǎo)入蒸汽加熱使釜內(nèi)物料的溫度升高，通過(guò)攪拌器的攪拌使物料均勻并提高導(dǎo)熱速度，使其溫度均勻。當(dāng)釜內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)定的溫度時(shí)，保持一定時(shí)間的恒

11、溫以使化學(xué)反應(yīng)正常進(jìn)行，反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行冷卻。有時(shí)在恒溫后還要進(jìn)行二次升溫和恒溫。恒溫段是整個(gè)工藝的關(guān)鍵，如果溫度偏高或偏低，會(huì)影響反應(yīng)進(jìn)行的深度和反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，從而影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中一般伴有強(qiáng)烈的放熱效應(yīng)，并且反應(yīng)的放熱速率與反應(yīng)溫度之間是一種正反饋?zhàn)约さ年P(guān)系。也就是說(shuō)，若某種擾動(dòng)使反應(yīng)溫度有所增加，反應(yīng)的速率就會(huì)增加，放熱速率也會(huì)增加，會(huì)使反應(yīng)溫度進(jìn)一步上升，甚至?xí)稹熬郾爆F(xiàn)象，使釜內(nèi)的產(chǎn)品變成廢品，并且會(huì)影響安全生產(chǎn)。按照工藝要求，這些反應(yīng)一般要經(jīng)過(guò)加熱、恒溫、冷卻等過(guò)程，當(dāng)原料配比、濃度確定以后，準(zhǔn)確控制反應(yīng)的溫度是保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵。為了使釜溫穩(wěn)定，在夾套中通以

12、一定的冷卻介質(zhì)，來(lái)移走反應(yīng)放出的多余熱量。通過(guò)調(diào)節(jié)流入反應(yīng)釜夾套中冷卻介質(zhì)的流量，來(lái)控制反應(yīng)釜內(nèi)物料的溫度使之符合工藝要求。本課題使用的是間歇式反應(yīng)釜。在實(shí)際使用中需要檢測(cè)釜內(nèi)的溫度、壓力和液位三種狀態(tài)信號(hào)，系統(tǒng)的主要控制的參數(shù)是溫度，反應(yīng)溫度設(shè)定在80。液位的控制主要在加入原料、物料等階段，在到達(dá)指定液位后，系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)料閥門(mén)。2.2 反應(yīng)釜釜底溫度特點(diǎn)分析根據(jù)反應(yīng)釜的工作特性分析結(jié)果可知，反應(yīng)釜內(nèi)的工作溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)有極大的影響。在分析對(duì)象的特性時(shí)，為了便于分析作了許多的簡(jiǎn)化和假設(shè)，如：忽略了熱交換中的能量損失、忽略了反應(yīng)過(guò)程中許多復(fù)雜的化學(xué)現(xiàn)象和不確定因素、對(duì)方程進(jìn)行了近似的處理等等

13、。事實(shí)上作為被控對(duì)象的反應(yīng)釜工作溫度與一般的工業(yè)對(duì)象對(duì)比，主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：1.大時(shí)滯性反應(yīng)釜一般在反應(yīng)之初加熱使反應(yīng)釜內(nèi)達(dá)到所需的溫度。在反應(yīng)過(guò)程中伴有很強(qiáng)的熱效應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)釜內(nèi)溫度急劇升高，此后在夾套中通以液態(tài)氮帶走多余的熱量，以使釜內(nèi)溫度降低。但由于反應(yīng)釜內(nèi)與外界熱交換主要依靠反應(yīng)釜的間壁進(jìn)行熱傳導(dǎo)，內(nèi)壁對(duì)整個(gè)釜內(nèi)加熱也需要一定的時(shí)間，所以導(dǎo)致系統(tǒng)表現(xiàn)出很大的時(shí)滯效應(yīng)。2.時(shí)變性反應(yīng)釜內(nèi)的溫控特性主要取決于釜內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的激烈程度，而整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程從起始升溫、中間恒溫到最后降溫，對(duì)象具有明顯的時(shí)變性。并且，就某一個(gè)具體的階段而言，由于化學(xué)反應(yīng)的速度不穩(wěn)定，導(dǎo)致過(guò)程的增益、慣性時(shí)間和純

14、滯后也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。3.非線性對(duì)于一個(gè)溫度過(guò)程系統(tǒng)，都并存在傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種形式的傳熱，只是在不同的階段各種傳熱形式所占的比例不同。事實(shí)上，只有一維導(dǎo)熱可以看作是線性的，輻射熱量是絕對(duì)問(wèn)題的四次方函數(shù)，對(duì)流傳熱受多種因素的影響，一般也是非線性的。在整個(gè)溫區(qū)內(nèi)，被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)參數(shù)隨著溫度的變化而變化，在工作點(diǎn)附近的小溫度范圍內(nèi)，其動(dòng)態(tài)特性可以看成近似線性的。針對(duì)被控對(duì)象的上述特點(diǎn)，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的魯棒性和快速性的要求，提高溫度測(cè)量的精度和測(cè)量穩(wěn)定性。最終設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出可靠性、穩(wěn)定性好，系統(tǒng)的性價(jià)比高的控制器。2.3 反應(yīng)釜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的確定根據(jù)要求，本課題設(shè)計(jì)的反應(yīng)釜控制系統(tǒng)要求對(duì)某化

15、學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制?？刂葡到y(tǒng)的主要控制功能為自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)釜溫控制，釜溫時(shí)間曲線由標(biāo)準(zhǔn)制式或由操作人員從人機(jī)接口設(shè)置。其中標(biāo)準(zhǔn)制式要求釜溫達(dá)到如圖2-2所示的變化規(guī)律。圖2-2 反應(yīng)釜溫度曲線圖圖中升溫部分用虛線描繪，表示對(duì)升溫時(shí)間的要求不是很嚴(yán)格，只要保證超調(diào)量不是太大即可。達(dá)到反應(yīng)溫度后，要保持釜溫在80約90分鐘。降溫階段有一定時(shí)間要求，在20分鐘內(nèi)冷卻到30即可，此后使其自然冷卻。自動(dòng)工況即對(duì)應(yīng)于反應(yīng)釜過(guò)程溫度時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)制式。在加熱和冷卻工況下，要求釜溫從實(shí)際溫度變化到設(shè)定溫度，然后使反應(yīng)釜在設(shè)定時(shí)間內(nèi)維持在設(shè)定溫度。同時(shí)，系統(tǒng)具有定時(shí)功能。除自動(dòng)工況外，其他工況均可進(jìn)行時(shí)間設(shè)定，即開(kāi)機(jī)狀態(tài)

16、可設(shè)置定時(shí)關(guān)機(jī)，關(guān)機(jī)狀態(tài)可設(shè)置定時(shí)開(kāi)機(jī)。本系統(tǒng)的測(cè)溫范圍要求為0100。自動(dòng)工況下，升溫階段的控制精度要求不是很高，升溫結(jié)束階段向恒溫階段切換時(shí)的超調(diào)量要求不超過(guò)5。恒溫階段的控制精度要求較高，要求絕對(duì)誤差不超過(guò)2。2.4 方案比較2.4.1 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，如圖2-3所示的間歇式反應(yīng)釜如進(jìn)料管，出料管，攪拌器，冷熱劑出口，反應(yīng)室，夾套等設(shè)備應(yīng)用十分普遍，為了保證生產(chǎn)正常進(jìn)行，冷熱劑進(jìn)出需均衡，以保證過(guò)程的溫度平衡。因此，工藝要求釜底溫度維持在給定值上下，或在某一小范圍內(nèi)變化。1.被控參數(shù)的選擇：根據(jù)工藝所知，釜底溫度要求維持在給定值上下，所以直接選取釜底溫度為被控參數(shù)。2

17、.控制參數(shù)的選擇：從間歇式反應(yīng)釜的生產(chǎn)過(guò)程來(lái)看，影響釜底溫度有兩個(gè)量，一是通入夾套內(nèi)冷劑的流量，二是通入夾套內(nèi)熱劑的流量。調(diào)節(jié)這兩個(gè)流量的大小都可以改變釜底溫度，這樣構(gòu)成釜底溫度控制系統(tǒng)就有兩種，系統(tǒng)框圖如圖2-4所示。這兩種方案具有相同的框圖結(jié)構(gòu)以及相同的系統(tǒng)特性。因而控制參數(shù)選擇冷劑或熱劑。圖2-3 單回路控制系統(tǒng)方案示意圖溫度給定值副對(duì)象主調(diào)節(jié)器執(zhí)行器主對(duì)象溫度變送器+圖2-4 單回路控制系統(tǒng)框圖2.4.2 串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)間歇式反應(yīng)釜是工業(yè)生產(chǎn)中常用的設(shè)備之一，工藝要求反應(yīng)物反應(yīng)所需要的溫度為給定值。因此常取釜底溫度為被控參數(shù)，選取冷劑流量或熱劑流量為控制參數(shù)。影響釜底溫度的因素有很多

18、，主要有反應(yīng)物的溫度、攪拌器的攪拌速度、反應(yīng)物的濃度等。串級(jí)控制系統(tǒng)控制方案示意圖，如圖2-4所示。串級(jí)控制系統(tǒng)框圖如圖2-5所示。中間被控變量：冷劑或熱劑管道；操縱變量：冷劑流量或熱劑流量。圖2-4 串級(jí)控制系統(tǒng)方案示意圖給定值溫度流量副對(duì)象主調(diào)節(jié)器執(zhí)行器主對(duì)象溫度變送器+流量變送器副調(diào)節(jié)器圖2-5 串級(jí)控制系統(tǒng)框圖2.5 方案確定在間歇式生產(chǎn)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，當(dāng)反應(yīng)物投入反應(yīng)釜后，為了使其達(dá)到反應(yīng)溫度，往往在反應(yīng)開(kāi)始前需要給它提供一定的熱量。一旦達(dá)到反應(yīng)溫度后，就會(huì)隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行不斷釋放出熱量，這些熱量如不及時(shí)移走，反應(yīng)就會(huì)越來(lái)越激烈，以致會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。因此，這種間歇式化學(xué)反應(yīng)器既要考

19、慮反應(yīng)前的預(yù)熱問(wèn)題，又要考慮反應(yīng)過(guò)程中及時(shí)移走反應(yīng)熱的問(wèn)題?；瘜W(xué)反應(yīng)釜作為被控對(duì)象有其特殊性。本論文通過(guò)研究反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)和工作原理，選用溫度作為控制參量。針對(duì)本課題提出的要求，以研究實(shí)現(xiàn)小型實(shí)用反應(yīng)釜的控制系統(tǒng)為目標(biāo)，主要將開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的研究工作：1.分析反應(yīng)釜的過(guò)程特性；根據(jù)反應(yīng)釜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作原理，對(duì)其動(dòng)態(tài)特性做出合理的定量分析。2.總體控制方案與控制策略的研究；根據(jù)對(duì)反應(yīng)釜?jiǎng)討B(tài)特性的分析，確定以反應(yīng)釜的溫度為被控對(duì)象。pid 控制具有穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn)，使被控變量具有良好的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性。3.與單回路控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)多用了一個(gè)測(cè)量變送器與一個(gè)控制器，增加的投資并不多

20、，但控制效果卻有顯著的提高。其原因是在串級(jí)控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)包含二次擾動(dòng)的副回路，使系統(tǒng)改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；對(duì)二次干擾有很強(qiáng)的克服能力；提高了對(duì)一次擾動(dòng)的克服能力和對(duì)回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能力。綜合以上因素，選擇串級(jí)控制方案。本章小結(jié)本章主要分析了反應(yīng)釜的工作原理，反應(yīng)釜釜底溫度的特性，確定了課題任務(wù)的功能指標(biāo)與技術(shù)指標(biāo)，比較單回路控制系統(tǒng)與串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于課題完成的優(yōu)劣，并確定了以串級(jí)控制系統(tǒng)為最終設(shè)計(jì)方案。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 主、副調(diào)節(jié)器的選擇控制器的選型主要根據(jù)被控過(guò)程的特性、工藝對(duì)控制品質(zhì)的要求、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)來(lái)綜合考慮，根據(jù)課題的要求，本次設(shè)計(jì)選擇

21、ddz-型調(diào)節(jié)器。ddz-型調(diào)節(jié)器是型電動(dòng)單元組合儀表中的一個(gè)重要單元。它接受變送器或轉(zhuǎn)換器的dc15v或dc4ma測(cè)量信號(hào)為輸入信號(hào)，與dc15v或dc420ma給定信號(hào)進(jìn)行比較，并對(duì)其偏差進(jìn)行pid運(yùn)算，輸出dc420ma標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)。ddz-型儀表由于采用了線性集成電路，所以進(jìn)一步提高了儀表在長(zhǎng)期運(yùn)行中的可靠性和穩(wěn)定性。從而擴(kuò)大了調(diào)節(jié)器的功能，可組成各種變型調(diào)節(jié)器，滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的需要。ddz-型pid調(diào)節(jié)器主要由輸入電路、給定電路、pid運(yùn)算電路、手動(dòng)與自動(dòng)切換電路、輸出電路和指示電路組成，如圖3-1所示：圖3-1 ddz型調(diào)節(jié)器框圖調(diào)節(jié)器接收變送器送來(lái)的測(cè)量信號(hào)（dc420ma或

22、dc15v），在輸入電路中與給定信號(hào)進(jìn)行比較，得出偏差信號(hào)，然后在pd與pi電路中進(jìn)行pid運(yùn)算，最后由輸出電路轉(zhuǎn)換為420ma直流電流輸出。3.2 主、副調(diào)節(jié)器的作用方式控制器有正作用和反作用兩種方式，其確定原則是使整個(gè)單回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。因而，調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇同被控過(guò)程的特性即調(diào)節(jié)閥的開(kāi)、關(guān)形式有關(guān)。被控過(guò)程的特性也分為正、反兩種，即當(dāng)被控過(guò)程的輸入（通過(guò)調(diào)節(jié)閥的物料或能量）增加（或減少）時(shí)，其輸出（被控參數(shù)）亦增加（或減少），此時(shí)稱此被控過(guò)程為正作用；反之為反作用。組成過(guò)程控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的極性是這樣規(guī)定的：正作用調(diào)節(jié)器，即當(dāng)系統(tǒng)的測(cè)量值增加時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出亦增加，其靜態(tài)放大系數(shù)k

23、c取負(fù)；反作用調(diào)節(jié)器，即當(dāng)系統(tǒng)的測(cè)量值增加時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出減小，其靜態(tài)放大系數(shù)kc取正。氣開(kāi)式調(diào)節(jié)閥，其靜態(tài)放大系數(shù)kv取正，氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥，其靜態(tài)放大系數(shù)kv取負(fù)。正作用被控過(guò)程，其靜態(tài)放大系數(shù)k0取正，反作用被控過(guò)程，其靜態(tài)放大系數(shù)k0取負(fù)。確定調(diào)節(jié)器正、反作用次序一般為：首先根據(jù)生產(chǎn)工藝安全等原則確定確定調(diào)節(jié)閥的開(kāi)、關(guān)形式、然后按被控過(guò)程的特性，確定其正、反作用，最后根據(jù)上述組成該系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)各環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數(shù)極性相乘必須為正的原則來(lái)確定調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。串級(jí)控制系統(tǒng)中，必須分別根據(jù)各種不同情況，選擇主、副控制器的作用方向，選擇方法如下：1.串級(jí)控制系統(tǒng)中的副控制器作用方向的

24、選擇是根據(jù)工藝安全等要求，選定執(zhí)行器的氣開(kāi)、氣關(guān)形式后，按照使副控制回路成為一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)的原則來(lái)確定的因此，副控制器的作用方向與副對(duì)象特性、執(zhí)行器的氣開(kāi)、氣關(guān)形式有關(guān)其選擇方法與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中控制器正、反作用的選擇串級(jí)調(diào)節(jié)方法相同，這時(shí)，只是將主控制器的輸出作為副控制器的給定就行了2.串級(jí)控制系統(tǒng)中主控制器作用方向的選擇可按下述方法進(jìn)行：當(dāng)主、副變量在增加（或減?。r(shí)，如果由工藝分析得出，為使主、副變量減?。ɑ蛟黾樱?，要求控制閥的動(dòng)作方向是一致的時(shí)候，主控制器應(yīng)選“反”作用；反之，則應(yīng)取“正”方向。從上述方法可以看出，串級(jí)控制系統(tǒng)中主控制器作用方向的選擇完全由工藝情況確定，與執(zhí)行器的氣開(kāi)、氣

25、關(guān)型式及副控制器的作用方向完全無(wú)關(guān)，因此，串級(jí)控制系統(tǒng)中主、副控制器的選擇可以按先副后主的順序、即先確定執(zhí)行器的開(kāi)、關(guān)型式及副控制器的正、反作用，然后確定主控制器的作用方向。在單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要使一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)能正常工作，系統(tǒng)必須為負(fù)反饋。對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主、副調(diào)節(jié)器中正、反作用方式的選擇原則是使整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。即使主通道各個(gè)環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性的規(guī)定與單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)相同。反應(yīng)釜串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器中正、反作用方式的確定如下：故調(diào)節(jié)閥的kv為正。當(dāng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大，冷（熱）劑流量增加，反應(yīng)釜釜底溫度溫度升高，故副過(guò)程的k02為正。為了保

26、證副回路為負(fù)反饋。則副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)k2應(yīng)取正，即為反作用調(diào)節(jié)器。由于反應(yīng)室溫度升高，則反應(yīng)釜釜底溫度也升高，故主過(guò)程的k01為正。為了保證整個(gè)回路為負(fù)反饋，則主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)k1應(yīng)為正，即為反作用調(diào)節(jié)器。3.3 溫度變送器檢測(cè)信號(hào)要進(jìn)入控制系統(tǒng)，必須符合控制系統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。變送器的任務(wù)就是將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。因此，熱電偶和熱電阻的輸出信號(hào)必須經(jīng)溫度變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后，才能進(jìn)入控制系統(tǒng)，與調(diào)節(jié)器等其他儀表配合工作。圖3-2為溫度變送器的原理框圖，雖然溫度變送器有多個(gè)品種、規(guī)格，以配合不同的傳感元件和不同的量程需要，但他們的結(jié)構(gòu)基本相同。檢測(cè)信號(hào)傳感原件輸入電路放大電路反饋電路

27、電量+-輸出電流圖3-2 溫度變送器的原理框圖3.4 調(diào)節(jié)閥的作用方式調(diào)節(jié)閥開(kāi)、關(guān)形式的選擇主要是考慮在不同工藝條件下安全生產(chǎn)的需要。在選用時(shí)，應(yīng)考慮以下情況。1.考慮事故狀態(tài)時(shí)人身、工藝設(shè)備的安全。當(dāng)過(guò)程控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，調(diào)節(jié)閥所處的狀態(tài)不致影響人身和工藝設(shè)備的安全。例如，鍋爐供水調(diào)節(jié)閥一般采用氣關(guān)式，一旦事故發(fā)生，可保證事故狀態(tài)下調(diào)節(jié)閥處于全開(kāi)位置，使鍋爐不致因進(jìn)水中斷而燒干，甚至引起爆炸危險(xiǎn)。2.考慮事故狀態(tài)下減少經(jīng)濟(jì)損失，保證產(chǎn)品質(zhì)量。精餾塔是工業(yè)生產(chǎn)中的重要設(shè)備之一，其進(jìn)料調(diào)節(jié)閥一般選用氣開(kāi)式，這樣，在事故狀態(tài)下調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，停止進(jìn)料，以減少原料損耗；而回流量調(diào)節(jié)閥一般選用氣關(guān)式，在

28、事故狀態(tài)下使調(diào)節(jié)閥全開(kāi)，保證回流量，以防止不合格產(chǎn)品的蒸出。3.考慮介質(zhì)的性質(zhì)。對(duì)裝有易結(jié)晶、易凝固物料的裝置，蒸汽流量調(diào)節(jié)閥選用氣關(guān)式。一旦事故發(fā)生，使其處于全開(kāi)狀態(tài)，以防止物料結(jié)晶、凝固和堵塞給重新開(kāi)工帶來(lái)麻煩，甚至損壞設(shè)備。綜合考慮以上因素，間歇式化學(xué)反應(yīng)釜冷（熱）劑調(diào)節(jié)閥應(yīng)選擇氣關(guān)式。本章小結(jié)本章主要進(jìn)行了主、副調(diào)節(jié)器的選擇，分析調(diào)節(jié)器的作用方式，確定溫度變送器選型，根據(jù)反應(yīng)釜工作特點(diǎn)確定了調(diào)節(jié)閥的氣關(guān)工作方式。為文成課題打下硬件基礎(chǔ)。第4章 matlab仿真設(shè)計(jì)及結(jié)果4.1 模擬pid算法及規(guī)律在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常見(jiàn)的控制規(guī)律是pid控制。常規(guī)pid控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-1

29、所示。系統(tǒng)由模擬pid控制器和被控對(duì)象組成。比例積分微分被控對(duì)象r（t）e(t)u(t)c(t)+-+圖4-1 模擬pid控制系統(tǒng)原理框圖在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律是比例積分微分控制，簡(jiǎn)稱pid控制，又稱pid調(diào)節(jié)pid控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常用的控制算法，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，pid控制占85%95%，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)的發(fā)展，許多先進(jìn)的pid控制涌現(xiàn)出來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。pid控制具有如下特點(diǎn)：1.原理簡(jiǎn)單，易被人們熟悉和掌握。pid控制由比例、微分、積分三個(gè)典型環(huán)節(jié)組合而成，原理簡(jiǎn)單，易于理解和掌握，其參數(shù)的物理含義也比較明確。

30、2.應(yīng)用范圍最廣，適應(yīng)性強(qiáng)。pid控制廣泛適用于化工、冶金、石油、熱工等工業(yè)生產(chǎn)中。3.控制效果好，魯棒性強(qiáng)。恰當(dāng)整定pid控制器參數(shù)，可使控制系統(tǒng)達(dá)到較好的控制效果，且pid控制對(duì)被控對(duì)象特性的變化不太靈敏。pid控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用pid控制技術(shù)。pid控制，實(shí)際中也有pi

31、和pd控制。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例（p）控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（steady-stateerror）。積分（i）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（systemwithsteady-stateerror）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很

32、小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（pi）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。微分（d）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要

33、增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分（pd）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。比例調(diào)節(jié)依據(jù)“偏差的大小”來(lái)動(dòng)作，它的輸出與輸入偏差的大小成比例。比例調(diào)節(jié)及時(shí)，有力，但有余差。它用比例度來(lái)表示其作用的強(qiáng)弱，比例度越小，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)；相反，比例度越大，調(diào)節(jié)作用就越弱；比例作用太強(qiáng)時(shí)，會(huì)引起震蕩。積分調(diào)節(jié)依據(jù)“偏差是否存在”來(lái)動(dòng)作，它的輸出與偏差對(duì)時(shí)間的積分成比例，只有當(dāng)余差消失時(shí)，積分作用才會(huì)停止，其作用是消除余差。但積分作用使最大動(dòng)

34、偏差增大，延長(zhǎng)了調(diào)節(jié)時(shí)間。它用積分時(shí)間t來(lái)表示其作用的強(qiáng)弱，t越小，積分作用越強(qiáng)，但積分作用太強(qiáng)時(shí)，也會(huì)引起震蕩。微分調(diào)節(jié)依據(jù)“偏差變化的速度”來(lái)動(dòng)作它的輸出與輸入偏差變化的速度成比例，其效果是阻止被調(diào)參數(shù)的一切變化，有超前調(diào)節(jié)的作用，對(duì)滯后大的對(duì)象（溫度）有很好的效果.它使調(diào)節(jié)過(guò)程偏差減小，時(shí)間縮短，余差也減小（但不能消除）。它用微分時(shí)間tdl來(lái)表示其作用的強(qiáng)弱，td大，作用強(qiáng)，但td太大,也會(huì)引起振蕩。4.2 單回路控制系統(tǒng)仿真仿真?zhèn)鬟f函數(shù)為： 間歇式反應(yīng)釜的單回路仿真圖，如圖4-2所示：圖4-2 單回路系統(tǒng)仿真圖利用matlab進(jìn)行初步仿真即在pid作用在比例為1的情況下即沒(méi)有調(diào)節(jié)起作用

35、的情況下系統(tǒng)的階躍曲線圖，我們可以通過(guò)觀察響應(yīng)曲線看出系統(tǒng)的特征然后進(jìn)行系統(tǒng)分析。經(jīng)過(guò)matlab的初步仿真可得單位階躍響應(yīng)原始曲線圖如圖4-3所示：圖4-3 單回路控制原始曲線圖采用衰減曲線法整定調(diào)節(jié)器pid控制參數(shù)，將主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%，用單回路控制系統(tǒng)的衰減（4:1）曲線法整定，逐步降低副回路的比例度&2s，直到得到副回路過(guò)渡過(guò)程衰減比為4:1的曲線，即得到如圖4-4所示的階躍響應(yīng)曲線，此時(shí)&s=320，ts=1.1，其中ts為衰減振蕩周期。圖4-4 4:1衰減曲線仿真圖按已求得的&s、ts值，結(jié)合選定的衰減曲線法已給定單位調(diào)節(jié)規(guī)律，按衰減曲線法整定參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出主、副

36、調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。經(jīng)計(jì)算以后，調(diào)節(jié)的參數(shù)設(shè)置如圖4-5所示圖4-5 pid最終調(diào)節(jié)參數(shù)經(jīng)調(diào)節(jié)后得到單回路控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖，如圖4-6所示，從圖中可以看出單回路控制系統(tǒng)根本無(wú)法滿足間歇式反應(yīng)釜的基本工藝要求。圖4-6 單回路控制系統(tǒng)仿真圖4.3 串級(jí)控制仿真仿真?zhèn)鬟f函數(shù)為： 間歇式反應(yīng)釜的串級(jí)仿真圖，如圖4-7所示：圖4-7 串級(jí)控制系統(tǒng)仿真圖利用matlab進(jìn)行初步仿真即在主副pid作用在比例為1的情況下即沒(méi)有調(diào)節(jié)起作用的情況下系統(tǒng)的階躍曲線圖，我們可以通過(guò)觀察響應(yīng)曲線看出系統(tǒng)的特征然后進(jìn)行系統(tǒng)分析。經(jīng)過(guò)matlab的初步仿真可得串級(jí)控制原曲線圖如圖4-8所示：圖4-8 串級(jí)控制原曲

37、線圖采用衰減曲線法整定副調(diào)節(jié)器pid控制參數(shù)，將主調(diào)節(jié)器比例度置于100%，用單回路控制系統(tǒng)的衰減（4:1）曲線法整定，逐步降低副回路的比例度&2s，直到得到副回路過(guò)渡過(guò)程衰減比為4:1的曲線，即得到如圖4-9所示的階躍響應(yīng)曲線，此時(shí)&2s=0.6，t2s=4.2，其中t2s為衰減振蕩周期。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，副調(diào)節(jié)器一般只采用比例調(diào)節(jié)器，因此副調(diào)節(jié)器可以只采用p2=0.6的比例調(diào)節(jié)器。圖4-9 副回路4:1反應(yīng)曲線圖將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求的數(shù)值&2s上，把副回路作為一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣的方法整定主回路的參數(shù)，求的&1s=35，t1s=8.5。此時(shí)主回路的仿真曲線如圖4-10所示：圖4-10 主回路

38、4:1反應(yīng)曲線圖按已求得的&2s、t2s和&1s、t1s值，結(jié)合選定的衰減曲線法已給定單位調(diào)節(jié)規(guī)律，按衰減曲線法整定參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，算出主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。如圖4-11、4-12主、副調(diào)節(jié)的參數(shù)設(shè)置所示：圖4-11 副回路pid調(diào)節(jié)結(jié)果圖4-12 主pid調(diào)節(jié)最后結(jié)果當(dāng)副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定結(jié)束之后，視其為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路控制系統(tǒng)的方法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，而不再考慮主調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對(duì)副回路的影響。主、副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好以后系統(tǒng)輸出圖如圖4-13所示：圖4-13 升溫和恒溫階段階躍響應(yīng)曲線圖結(jié)合以上階躍曲線以及主、副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定，得出反應(yīng)全過(guò)程曲線圖，如圖4-14所示：圖4-14 反應(yīng)

39、全過(guò)程曲線圖本章小結(jié)本章介紹了模擬pid算法與規(guī)律，進(jìn)行了基于matlab的反應(yīng)釜串級(jí)溫度控制系統(tǒng)仿真與pid調(diào)節(jié)，完成了課題要求的功能指標(biāo)與技術(shù)指標(biāo)。結(jié) 論化工生產(chǎn)在我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有很重要的地位。其些生產(chǎn)過(guò)程往往伴隨物化反應(yīng)、生化反應(yīng)、相變過(guò)程等，過(guò)程機(jī)理十分復(fù)雜。化工過(guò)程的被控對(duì)象往往是高維、大時(shí)滯、嚴(yán)重不確定與非線性等，控制起來(lái)非常困難。化工生產(chǎn)經(jīng)常在高溫、高壓、易燃、易爆等環(huán)境下運(yùn)行，生產(chǎn)的安全性至關(guān)重要。研究化工生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)和控制技術(shù)，是適應(yīng)當(dāng)代信息技術(shù)革命和信息產(chǎn)業(yè)革命的需要，也是提高生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)條件、保證安全生產(chǎn)的必然措施。因此，針對(duì)需求利用串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)化學(xué)

40、反應(yīng)釜很有必要。本文使用模擬pid控制方案對(duì)間歇式反應(yīng)釜進(jìn)行控制，主要成果如下：1.根據(jù)反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)反應(yīng)釜的反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)出合理的控制方案。2.利用串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)達(dá)到功能指標(biāo)，精度指標(biāo)的課題設(shè)計(jì)。3.運(yùn)用matlab仿真對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成實(shí)現(xiàn)。在本次設(shè)計(jì)中，應(yīng)用的串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于擾動(dòng)的處理非常合理，可以更好的處理系統(tǒng)的擾動(dòng)因素。串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上僅僅比簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)多了一個(gè)控制回路，但對(duì)系統(tǒng)的影響特別大。在相同衰減比的條件下，串級(jí)系統(tǒng)的工作頻率要高，系統(tǒng)工作頻率提高，操作周期就可以縮短，過(guò)度過(guò)程的時(shí)間相對(duì)也將縮短，因而對(duì)于反應(yīng)釜釜底溫度的控制質(zhì)量獲得的改善。其次，采用

41、串級(jí)控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。串級(jí)控制的副回路對(duì)于進(jìn)入其中的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的抑制能力。所以在工業(yè)應(yīng)用中只要將變化劇烈、而且幅度大的擾動(dòng)包括在串級(jí)系統(tǒng)副回路中，就可以大大減少其對(duì)主回路的影響?？傮w而言，串級(jí)控制系統(tǒng)是改善控制質(zhì)量的有效方法之一，在過(guò)程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。 致 謝在臨近畢業(yè)之際，我還要借此機(jī)會(huì)向在這四年中給予了我?guī)椭椭笇?dǎo)的所有老師表示由衷的謝意，感謝他們四年來(lái)的辛勤栽培。同時(shí)感謝張玉萍老師對(duì)我的設(shè)計(jì)做了細(xì)心的檢查，指出錯(cuò)誤，并予以改正，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中所遇到的難題都給了非常重要的意見(jiàn)，讓我在她的悉心幫助和支持下，能夠很好的掌握和運(yùn)用專業(yè)知識(shí)，理解畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求并在設(shè)計(jì)中得以體

42、現(xiàn)，順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。同時(shí)，在畢業(yè)過(guò)程中，我還參考了有關(guān)的書(shū)籍和論文，在這里一并向有關(guān)的作者表示謝意。我還要感謝同組的各位同學(xué)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的這段時(shí)間里，你們給了我很多的啟發(fā)，提出了很多寶貴的意見(jiàn)，對(duì)于你們幫助和支持，在此我表示深深地感謝。參考文獻(xiàn)1 邵裕森，戴先中編過(guò)程控制機(jī)械工業(yè)出版社，20102 薛定宇編控制系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)清華大學(xué)出版社，20083 梅曉榕編自動(dòng)控制原理科學(xué)出版社，20094 張毅，張寶芬編自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表控制技術(shù)化學(xué)工業(yè)出版社，2009.5 周澤魁編控制儀表與計(jì)算機(jī)控制裝置化學(xué)工業(yè)出版社，2009 6 王兆安，黃俊編. 電力電子技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社，2000.7 劉迎春

43、. 傳感器原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 國(guó)防科技大學(xué)出版社，1997.8 周慶海，翁維勤編. 過(guò)程控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì). 化學(xué)工業(yè)出版社，1992.9 朱瑞、張鵬等. 自動(dòng)溫度控制系統(tǒng). 濟(jì)南山東大學(xué)，2006.10 鞠麗葉.自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制理論及其應(yīng)用.青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.11李敏、郭濤、楊馬英等.過(guò)稱控制系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理.2011.12 莊偉杰.化學(xué)反應(yīng)釜最優(yōu)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).工業(yè)控制計(jì)算機(jī)2011年第24卷第4期.2011.13 郭陽(yáng)寬、王正林.過(guò)程控制工程及仿真.電子工業(yè)出版社.200914 王建輝、顧樹(shù)生.自動(dòng)控制原理.清華大學(xué)出版社.200715 趙躍.過(guò)程控制與儀

44、表.機(jī)械工業(yè)出版社.200716 夏瑋.matlab控制系統(tǒng)仿真與實(shí)例詳解.人民郵電出版社.200817 王正林.matlab/simulink與控制系統(tǒng)仿真.電子工業(yè)出版社.200818 薛定宇.基于matlab/simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用.200219 maxim integrated products,inc.maxim data book,cdrom version7.0.200320 data-acquisition databook.analog devices corp.1991附錄1 譯文matlab是一種功能強(qiáng)大的軟件開(kāi)發(fā)工具，可以大大減少編程工作量的理論研究與算法

45、開(kāi)發(fā)期間。不幸的是，大多數(shù)商業(yè)機(jī)器人模擬器不支持 matlab。本文介紹的2d室內(nèi)機(jī)器人導(dǎo)航算法開(kāi)發(fā)基于matlab的模擬器。構(gòu)建機(jī)器人模型和室內(nèi)環(huán)境模型，包括進(jìn)行測(cè)試算法的目視觀測(cè)，它提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的用戶界面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示的可行性及建議模擬器的性能。關(guān)鍵字：移動(dòng)機(jī)器人，導(dǎo)航，模擬器，matlab1.介紹導(dǎo)航是核心能力的移動(dòng)機(jī)器人。在發(fā)展新導(dǎo)航算法的過(guò)程中，有必要在真正的機(jī)器人和現(xiàn)實(shí)世界的測(cè)試前模擬的機(jī)器人和環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。這是因?yàn)?一)機(jī)器人價(jià)格膨脹；(二)未經(jīng)測(cè)試的算法可能會(huì)損壞的機(jī)器人在實(shí)驗(yàn) ；(三)困難的構(gòu)建與交互系統(tǒng)模型下噪聲背景下；(四)的瞬時(shí)狀態(tài)很難跟蹤準(zhǔn)確 ；(五)和度量單位以

46、外部的信標(biāo)隱藏在實(shí)驗(yàn)中，但此信息通常有助于調(diào)試和更新的算法。軟件模擬器可能是一個(gè)好的解決方案，這些問(wèn)題。好的模擬器可以提供許多不同的環(huán)境，以幫助研究人員能夠找出他們?cè)诓煌N類的移動(dòng)機(jī)器人的算法中存在的問(wèn)題。為了解決上面列出的問(wèn)題，該模擬器被應(yīng)該能夠密切監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)。它還應(yīng)具有各種算法的柔性和友好用戶界面。到目前為止，已開(kāi)發(fā)了許多商業(yè)的模擬器，具有良好的性能。例如，mobotsim是2d模擬器的窗口，它提供了一個(gè)圖形界面，以構(gòu)建環(huán)境1。但它只支持有限的機(jī)器人模型（差驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的距離傳感器只），并且不能處理基于視覺(jué)算法。bugworks是非常簡(jiǎn)單的模擬器提供拖就地界面2；但是，它提供了非常原始的功

47、能，更像是示范，而不是模擬器。一些其他機(jī)器人模擬器，如ropsim 3、5，threedimsim和rpg kinematix 6，是特別針對(duì)發(fā)展的自主導(dǎo)航算法的移動(dòng)機(jī)器人和有非常有限的功能。商業(yè)的模擬器，從cyberbotics4 webot和太太從microsoft 功能非常強(qiáng)大，更好地執(zhí)行移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航的模擬器。這兩個(gè)模擬器，即 webots 和太太，提供了功能強(qiáng)大的接口，以建立移動(dòng)機(jī)器人和環(huán)境、 優(yōu)秀的三維顯示、 精確的性能模擬和編程語(yǔ)言的機(jī)器人控制。也許由于以強(qiáng)大的功能，他們很難使用新的用戶。例如，這是相當(dāng)無(wú)聊的工作，建立環(huán)境視覺(jué)的實(shí)用程序，其中涉及建筑的形狀、材料選擇、和照明設(shè)計(jì)

48、。此外，一些機(jī)器人開(kāi)發(fā)工具包具有內(nèi)置的模擬器的幾種特殊的機(jī)器人。從activmedia詠嘆調(diào)有2d室內(nèi)模擬器的先鋒移動(dòng)機(jī)器人8。模擬器采用可行的文本文件，以配置的環(huán)境，但只支持有限的機(jī)器人模型。但是，大多數(shù)商業(yè)模擬器不目前支持另外一方面，提供良好的編程支持矩陣計(jì)算、圖像處理、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、等等，可以大大減少新導(dǎo)航算法研究階段的編碼時(shí)間。例如，矩陣的逆操作可能需要功能有數(shù)百行；但在matlab中有一個(gè)簡(jiǎn)單的命令。在這一階段中使用matlab可以避免浪費(fèi)時(shí)間再生存在算法反復(fù)與重點(diǎn)的新的理論和算法的發(fā)展。本文介紹了一種基于matlab的模擬器與matlab代碼，完全兼容，使機(jī)器人進(jìn)行調(diào)試他們的

49、代碼，并方便地做實(shí)驗(yàn)，對(duì)他們的研究第一階段的研究人員。算法開(kāi)發(fā)基于matlab子例程，使用指定的參數(shù)變量，這些文件存儲(chǔ)到文件中，由模擬器訪問(wèn)。使用此模擬器，我們可以營(yíng)造環(huán)境、選擇參數(shù)、建立子例程和在屏幕上顯示輸出。在整個(gè)過(guò)程中；記錄數(shù)據(jù)此外進(jìn)行了一些基本的分析。剩下的紙分為如下所示。第二節(jié)中介紹了擬議的模擬器軟件結(jié)構(gòu)。第三部分描述了擬議的模擬器的用戶界面。第四節(jié)載一些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示系統(tǒng)的性能。最后，第五節(jié)介紹了一個(gè)簡(jiǎn)短的結(jié)論和潛在的未來(lái)工作。2.軟件體系結(jié)構(gòu)若要使算法設(shè)計(jì)和調(diào)試更容易，我們基于matlab模擬器被為了有以下功能：輕松的環(huán)境建模-l；包括墻、障礙、燈塔和虛擬場(chǎng)景 ； 機(jī)器人模型構(gòu)

50、建，包括驅(qū)動(dòng)和控制的系統(tǒng)和噪音水平。 觀察模型設(shè)置 ；模擬計(jì)算的機(jī)器人可以看到的可以依法精確的機(jī)器人姿態(tài)、攝像機(jī)，參數(shù)和環(huán)境的圖像幀。 凸塊反應(yīng)模擬。如果機(jī)器人觸摸墻，模擬器可以停止機(jī)器人，即使它由其他模塊向前移動(dòng)所吩咐。此功能可防止通過(guò)像個(gè)幽靈，墻的機(jī)器人，并使上真正的機(jī)器人運(yùn)行像實(shí)驗(yàn)的仿真。 實(shí)時(shí)顯示正在運(yùn)行的處理和意見(jiàn)。這是用戶跟蹤導(dǎo)航過(guò)程，并找出錯(cuò)誤。 整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，包括瞬變和平均本地化錯(cuò)誤的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。這是詳細(xì)的導(dǎo)航的離線分析的結(jié)果。這些模塊中，已做了一些基本的簡(jiǎn)單的分析。如圖1所示的建筑已經(jīng)發(fā)展到實(shí)現(xiàn)以上功能。本節(jié)的其余部分將說(shuō)明模擬器中的詳細(xì)信息的模塊。2.1.用戶界面模擬器提供

51、一個(gè)接口，營(yíng)造環(huán)境、設(shè)置的噪聲模型；和幾個(gè)單獨(dú)的子例程，可供用戶進(jìn)行觀察和本地化的算法。某些參數(shù)和設(shè)置由用戶定義的該接口模塊和文件可以獲取這些定義。如圖1所示，以上虛線的模塊是用戶界面。使用客戶配置文件，用戶可以描述環(huán)境 (墻壁、走廊、門(mén)口、障礙和信標(biāo)）、解釋系統(tǒng)和控制模型、在不同步驟中定義的噪音和做一些模擬器設(shè)置。客戶子例程應(yīng)該是嚴(yán)重的源代碼與所需的輸入/輸出參數(shù)。模擬器調(diào)用這些子例程，并使用結(jié)果來(lái)控制的移動(dòng)機(jī)器人。因此在模擬器中定義的客戶配置文件 （國(guó)家合作框架） 的系統(tǒng)中測(cè)試客戶的子例程中的算法。在圖 1 中的灰色塊是在模擬器中集成的客戶子例程。圖 1 軟件結(jié)構(gòu)的模擬器環(huán)境的墻壁的角落由

52、的笛卡兒的值對(duì)配置文件的說(shuō)明。每一對(duì)環(huán)境中定義的點(diǎn)和程序配置模塊連接點(diǎn)與直線的連續(xù)劇，視為在墻上的這些行。每個(gè)燈塔由四個(gè)元素的載體的x、y、，p t，凡(x，y) 起訴的燈塔的位置由笛卡爾坐標(biāo)值、是方向，面臨著的燈塔，p 是指向圖像文件的指針意見(jiàn)場(chǎng)地信標(biāo)的前面。非可視的燈塔，例如反光的極地的激光掃描儀，p計(jì)算元素，這是非法的 am 圖像指針。一些參數(shù)的國(guó)家合作框架，如形狀半徑，駕駛方法、wheelbases、最大的平移和旋轉(zhuǎn)速度、噪音、等）的機(jī)器人，觀測(cè)的字符（最大值和最小觀測(cè)范圍，觀察角度，觀測(cè)噪聲等) 和等等的數(shù)據(jù)計(jì)算。這些數(shù)據(jù)是內(nèi)部模塊用于構(gòu)建系統(tǒng)和觀察的模型。機(jī)器人和繪制的實(shí)時(shí)視頻流的

53、環(huán)境也依賴于這些參數(shù)。國(guó)家合作框架還定義了一些設(shè)置相關(guān)的運(yùn)行，如機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和跟蹤的方式顯示，觀察的交換機(jī)的模擬顯示，戰(zhàn)略的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)等。2.2.行為控制模塊導(dǎo)航算法通常由等障礙避免路線導(dǎo)航和定位（如果沒(méi)有手動(dòng)映射） 的幾個(gè)模塊組成。盡管障礙避免模塊安全模塊是重要的它不是本文中討論。模擬器為用戶提供內(nèi)置的oam研究報(bào)告，以便他們能夠?qū)Ｗ⒂谒麄兊乃惴ā５撃M器還允許用戶關(guān)閉此功能，并建立自己的客戶之一的oam子例程。顛簸的反應(yīng)功能還集成在此模塊，始終打開(kāi)的oam甚至已經(jīng)關(guān)閉。沒(méi)有此功能，機(jī)器人可以去穿墻而過(guò)像幽靈一樣，如果用戶關(guān)閉oam和機(jī)器人在程序中有一些錯(cuò)誤。oam了圖2所示的流程圖。機(jī)器人姿

54、態(tài)表示如 x = x y 在x、y和分別指示笛卡爾坐標(biāo)和方向。(x，y)對(duì)因此通過(guò)使用解析幾何的基本理論計(jì)算隔離墻的線段的距離。用戶導(dǎo)航算法是作為matlab功能測(cè)試，稱為 oam研究報(bào)告提出的。它應(yīng)該輸出驅(qū)動(dòng)的信息定義由機(jī)器人模型，例如，左和右輪速度差異驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人。圖 2 障礙避免模塊2.3.數(shù)據(jù)融合子例程數(shù)據(jù)融合是模擬器的另一個(gè)子程序，可供用戶使用。模擬器還提供了所有所需的信息，并接收此子例程，作為定位結(jié)果和映射數(shù)據(jù)的輸出。通常情況下，機(jī)器人獲得使用其板載的傳感器，內(nèi)部的里程、外部聲納、 ccd相機(jī)等數(shù)據(jù)。在模擬器，這些傳感器數(shù)據(jù)應(yīng)轉(zhuǎn)入作為子例程，真正的機(jī)器人，盡可能的靠近。觀察模擬模塊

55、（osm）被迄今。內(nèi)部數(shù)據(jù)包括精確的姿態(tài)，加上設(shè)置的國(guó)家合作框架，這是容易獲取的參數(shù)的噪音。真正的機(jī)器人姿態(tài)和信標(biāo)的安排，很容易推斷出可以檢測(cè)機(jī)器人，以及距離和方向觀察到的信號(hào)。將根據(jù)明晰選擇非可視信標(biāo)和將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)保險(xiǎn)絲子例程，觀察到的所有信息?；谝曈X(jué)算法模擬，明晰的環(huán)境包含的圖像文件的不同地點(diǎn)的場(chǎng)景。osm 與國(guó)家合作框架、信標(biāo)定位和距離和方向等的觀測(cè)數(shù)據(jù)中定義的攝像機(jī)參數(shù)相結(jié)合，可以計(jì)算，并生成縮放的圖像以模擬在某一個(gè)位置的意見(jiàn)。用戶子例程，因此獲得性的觀察圖像只是這樣從板載的相機(jī)，在現(xiàn)實(shí)世界中。2.4.模擬輸出模塊模擬器的輸出模塊視頻演示及數(shù)據(jù)結(jié)果。實(shí)時(shí)視頻提供直接視圖如何算法執(zhí)行

56、，而輸出數(shù)據(jù)的模擬提供精確的記錄。圖3(a)顯示幀的實(shí)時(shí)視頻，即整個(gè)視圖，而圖3(b)是圖3(a)的中間部分的放大的視圖。 3（a）整體視圖3（b）擴(kuò)大后的一部分圖3模擬器的視圖routine refresh: calculation the current drawing all parameters = getparameter(configure_file); rob=buildrobot(robot_para); wall = buildwall(wall_para); beacon = getbeacons(beacon_para); drawrobot(rob,0,0,0,0,0,0); drawimage(wall, beacon); loop for every 40 ms control = call(users_control); tpose = gettruepose(control); obv = getobservation