連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

1、吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)的控制器設(shè)計與仿真ControllerDesignandSimulationforCSTRW學(xué)生學(xué)號為學(xué)院教務(wù)管理系統(tǒng)中確定的生學(xué)號。/閱后刪除此文本框。學(xué)生學(xué)號：11510210學(xué)生姓名：嚴(yán)新宇專業(yè)班級：自動1102指導(dǎo)教師：土野職稱：工程師“職稱”是指指可教帥小、 職稱.若指建教部為多人. 、應(yīng)按上面指導(dǎo)教師”先M 胤序，填寫對應(yīng)的職稱.起止日期:2015.03.09?2015.06.26注：專業(yè)班級規(guī)范，例如06級自動化專業(yè)1班：自動060106級計算機(jī)專業(yè)1班：計算060106級電子信息工程專業(yè)1班：電信060106級測控專業(yè)1班：測控060

2、1閱后刪除此文本框。吉林化工學(xué)院JilinInstituteofChemicalTechnology連續(xù)攪拌反應(yīng)釜（CSTR尾發(fā)醉、化工、石油生產(chǎn)、生物制藥等工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)反應(yīng)器，具控制質(zhì)M宜接影響到生產(chǎn)的效益和質(zhì)M指標(biāo)。對連續(xù)攪拌反應(yīng)釜通過控制內(nèi)部的工藝參數(shù)，如溫度、壓力、濃度等穩(wěn)定，保證反應(yīng)的正常運(yùn)行。本文針對連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用泰勒展開得到了線性狀態(tài)空間表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了LQR控制器，仿真結(jié)果表明，控制效果令人滿意。本設(shè)計？將CSTR勺非線性動態(tài)模型進(jìn)行了輸入輸出線性化，得到CSTRm生狀態(tài)空間模型。設(shè)計出連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的極點(diǎn)配置控制器并對系統(tǒng)進(jìn)行仿真

3、。設(shè)訃出連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的LQR空制器并對其系統(tǒng)進(jìn)行仿真。并對兩種控制方法的控制效果進(jìn)行了比較。關(guān)鍵詞：連續(xù)反應(yīng)攪拌釜；LQR空制器；MATLA昉真AbstractContinuousstirredtankreactor(CSTR)isthemostwidelyusedinfermentation,chemicalengineering,petroleumproduction,biopharmaceuticalandotherindustrialproductionprocessasachemicalreactor,controlthequalitydirectlyaffecttheproduc

4、tionefficiencyandqualityindex?Forcontinuousstirredtankreactorbycontrollingtheprocessparameters,suchastemperature,pressure,concentrationandsoon,ensurethenormaloperationofthereaction.Inthispaper,basedonacontinuousstirredreactormathematicalmodel,theapplicationofTaylorexpansionisobtainedforthelinearstat

5、espacerepresentation,onthisbasis,designtheLQRcontroller?Simulationresultsshowthatthecontroleffectissatisfactory.Inthispaper,thenonlineardynamicmodelofCSTRislinearized,andtheCSTRlinearstatespacemodelisobtained?Thepoleassignmentcontrollerforcontinuousstirredtankreactorwasdesignedandthesimulationofthes

6、ystemwascarriedout?TheLQRcontrollerofthecontinuousstirredtankreactorisdesignedandthesystemissimulated?Thecontroleffectofthetwocontrolmethodsiscompared?KeyWords:ContinuousStirredTank;LQRController;MATLABSimulation目錄摘要IIIAbstract第1章緒論21.1課題背景及目的意義1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀21.3 國外研究現(xiàn)狀31. 4連續(xù)反應(yīng)攪拌釜的控制技術(shù)41.5仿真技術(shù)41.5.1數(shù)字仿

7、真概述41.5.2MATLAB仿真軟件81. 6本設(shè)計的主要研究內(nèi)容10第2章連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的數(shù)學(xué)模型2. 1連續(xù)攪拌反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)122.2 連續(xù)攪拌反應(yīng)釜仿真模型的建立2.3 非線性模型的線性化17第3章極點(diǎn)配置控制器的設(shè)計?與仿真3. 1極點(diǎn)配置193.2極點(diǎn)配置控制器的設(shè)計193.2.1極點(diǎn)配置控制算法191214193.2.2CSTR極點(diǎn)配置控制器設(shè)計20第4卓LQR空制器的設(shè)計與仿真251.1 1LQR控制器的介紹251.2 LQR控制器的原理251.3 LQR控制器的設(shè)計261.4 兩種控制器效果對比29結(jié)論3133參考文獻(xiàn)32附錄I線性化程序致謝35第1卓緒論1.1 課題背景及目的

8、意義連續(xù)攪拌反應(yīng)釜是化工生產(chǎn)中的常用設(shè)備，同時乂是典型的非線性被控對象。在發(fā)醉、化工、石油生產(chǎn)、生物制藥等工業(yè)生產(chǎn)過程中，發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)器起著非常重要的作用，也是工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的工具，具操作狀況宜接影響著生產(chǎn)的效率和質(zhì)M標(biāo)準(zhǔn)，近年來，非線性系統(tǒng)的控制理論也受到了廣泛關(guān)注。山于化學(xué)反應(yīng)類型不同，物料的相態(tài)不同，反應(yīng)條件差別很大，按照反應(yīng)器的進(jìn)出物料的狀況，可將反應(yīng)器分為間歇式、半間歇式、和連續(xù)式，連續(xù)反應(yīng)器是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常用、最普遍采用的以上方式，連續(xù)反應(yīng)器為了保證反應(yīng)的正常行，需要對反應(yīng)器中的某些關(guān)鍵工藝參加如溫度、壓力、濃度燈進(jìn)行控制使系統(tǒng)定，通常的控制使采用定值控制，從反應(yīng)器的

9、傳熱來分，乂可分為絕熱式和非絕穩(wěn)熱式反應(yīng)器，按操作方式分，乂可分為連續(xù)操作，間歇操作和半間歇操作。從結(jié)構(gòu)上分有釜式、管式、固定床和流化床等；釜式反應(yīng)器乂是工業(yè)上廣泛采用的一種形式，可采用進(jìn)行勻相反應(yīng)，也可進(jìn)行多相反應(yīng)，如液固、氣液、液液及氣固液燈反應(yīng)，釜式反應(yīng)器內(nèi)部有攪拌裝置，可以使反應(yīng)器中反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)物料的濃度均一。連續(xù)攪拌反應(yīng)釜內(nèi)完成化工過程的特征參量一般為溫度、濃度表現(xiàn)了化工過程本身的屬性，這些屬性都是化工生產(chǎn)過程質(zhì)量生產(chǎn)好壞的重要標(biāo)志，因此，通過測量并校正控制這些反應(yīng)特這參數(shù)是化工生產(chǎn)過程質(zhì)量的重要保證。1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀1. 連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)的建模方面徐用懋、范順杰等運(yùn)用動力學(xué)、

10、相平衡和物料平衡原理，針對三井油化Hypol工藝建立了連續(xù)攪拌反應(yīng)釜過程的機(jī)理模型，他們所建的模型較為成功地對聚丙烯熔融指數(shù)的進(jìn)行了預(yù)測，然后利用工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，得出了反應(yīng)漿液丙烯的濃度、丙烯轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)物的聚合反應(yīng)熱等重要參數(shù)；羅正鴻對連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)進(jìn)行機(jī)理建模，并分析研究了聚丙烯分子量和丙烯轉(zhuǎn)化率與操作條件的變化之間的關(guān)系；使用結(jié)構(gòu)逼近式混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，更好地對系統(tǒng)各變量之間的關(guān)系進(jìn)行了描述，建立了連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)的高精度數(shù)學(xué)模型；陳欠平通過對實際工業(yè)設(shè)備的研究，運(yùn)用聚丙烯液相本體法建立了連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并通過仿真分析來研究連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)輸出與操作條件變化的

11、關(guān)系；利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)理建模使模型的精度得到了提高；針對匚廠實際的連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)，楊愛新對該對象進(jìn)行動態(tài)機(jī)理建模，建立的模型符合現(xiàn)場實際的情況，同時利用該模型來研究當(dāng)操作條件改變時，聚合物體積濃度口分比、反應(yīng)物濃度、反應(yīng)速率、冷卻水出口溫度以及反應(yīng)體系溫度的變化。2. 連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)的控制方面雷佳等充分利用遺傳算法的尋優(yōu)特性，提出了一種與PID控制相結(jié)合的遺傳尋優(yōu)算法，明顯地提高了控制效果；以工業(yè)現(xiàn)場實際情況為背景，通過改進(jìn)跟蹤微分器，設(shè)計了一種二階口抗擾控制方法，明顯提高了工業(yè)現(xiàn)場連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的控制效果；朱學(xué)峰根據(jù)連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)的非線性特性，提出了基于混合

12、模型的非線性預(yù)測控制策略，此混合模型由非線性和線性兩個部分組成，通過其仿真也可看出實際輸出與模型輸出誤差較?。粎莻チ痔岢隽艘环N基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)控制方法，該方法有效改善了反應(yīng)釜溫度的大時滯問題，能夠?qū)Ψ磻?yīng)釜溫度進(jìn)行有效地控制；劉士榮應(yīng)用了一種模糊逆模一PID與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的復(fù)合控制策略，對反應(yīng)釜溫度控制獲得了良好的控制效果；韓光信等提出了應(yīng)用于連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的非線性魯棒控制，對開車過程進(jìn)行了優(yōu)化：針對連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)，賈愛民提出了一種魯棒控制算法，該算法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性能和較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠滿足實時控制的要求。連續(xù)攪拌反應(yīng)釜內(nèi)化工反應(yīng)過程的復(fù)雜性，使得采用一種簡單的控制方式都很難達(dá)

13、到理想的控制效果。伴隨著控制理論的發(fā)展，越來越多的先進(jìn)控制方法被應(yīng)用到連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)并取得了滿意的成果。U前很多先進(jìn)的反應(yīng)釜控制技術(shù)就是將兒種控制方法相結(jié)合，通過取長補(bǔ)短以期得到更加令人滿意的控制效果。隨著連續(xù)攪拌反應(yīng)釜控制技術(shù)的不斷深入和發(fā)展該系統(tǒng)的控制效果也會得到進(jìn)一步地改善和提高。1.3 國外研究現(xiàn)狀1. 連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)的建模方面Gupta等于1992年提出了基于聚合多粒子模型的連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)模型，根據(jù)該模型我們可以得出產(chǎn)率、聚合變化趨勢以及聚合產(chǎn)物的分子量，同時也指出了聚合分散度與產(chǎn)率隨著反應(yīng)停留時問增加而變化的趨勢，依據(jù)這一趨勢他們解決了模型計算時間長的問題，提出了一種改進(jìn)的模型計算算法。根據(jù)實際生產(chǎn)狀況，Pinto和Mattos建立了溶劑法連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)的丙烯聚合穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型并對該模型進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與該模型的訃算輸出誤差很小，Scare對多個反應(yīng)釜串聯(lián)的烯炷聚合建立了動態(tài)數(shù)學(xué)模型，對模型的仿真研究驗證了該模型的合理性；通過使用模糊聚類的方法，動態(tài)地建立了連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模，提高了模型的精度；Zacca等對丙烯聚合反應(yīng)進(jìn)行動態(tài)數(shù)學(xué)建模，通過訃算得出了物性傳遞等參數(shù)，而且利用這些參數(shù)對該模型進(jìn)行仿真分析。2. 連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)的控制