連續(xù)攪拌反應釜系統(tǒng)的設計與仿真

1、吉林化工學院畢業(yè)設計說明書連續(xù)攪拌反應釜系統(tǒng)的控制器設計與仿真ControllerDesignandSimulationforCSTRW學生學號為學院教務管理系統(tǒng)中確定的生學號。/閱后刪除此文本框。學生學號：11510210學生姓名：嚴新宇專業(yè)班級：自動1102指導教師：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. 、應按上面指導教師”先M 胤序，填寫對應的職稱.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。吉林化工學院JilinInstituteofChemicalTechnology連續(xù)攪拌反應釜（CSTR尾發(fā)醉、化工、石油生產、生物制藥等工業(yè)生產過程中應用最廣泛的一種化學反應器，具控制質M宜接影響到生產的效益和質M指標。對連續(xù)攪拌反應釜通過控制內部的工藝參數(shù)，如溫度、壓力、濃度等穩(wěn)定，保證反應的正常運行。本文針對連續(xù)攪拌反應釜的數(shù)學模型，應用泰勒展開得到了線性狀態(tài)空間表達式，在此基礎上設計了LQR控制器，仿真結果表明，控制效果令人滿意。本設計？將CSTR勺非線性動態(tài)模型進行了輸入輸出線性化，得到CSTRm生狀態(tài)空間模型。設計出連續(xù)攪拌反應釜的極點配置控制器并對系統(tǒng)進行仿真

3、。設訃出連續(xù)攪拌反應釜的LQR空制器并對其系統(tǒng)進行仿真。并對兩種控制方法的控制效果進行了比較。關鍵詞：連續(xù)反應攪拌釜；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 國內研究現(xiàn)狀21.3 國外研究現(xiàn)狀31. 4連續(xù)反應攪拌釜的控制技術41.5仿真技術41.5.1數(shù)字仿

7、真概述41.5.2MATLAB仿真軟件81. 6本設計的主要研究內容10第2章連續(xù)攪拌反應釜的數(shù)學模型2. 1連續(xù)攪拌反應釜結構122.2 連續(xù)攪拌反應釜仿真模型的建立2.3 非線性模型的線性化17第3章極點配置控制器的設計?與仿真3. 1極點配置193.2極點配置控制器的設計193.2.1極點配置控制算法191214193.2.2CSTR極點配置控制器設計20第4卓LQR空制器的設計與仿真251.1 1LQR控制器的介紹251.2 LQR控制器的原理251.3 LQR控制器的設計261.4 兩種控制器效果對比29結論3133參考文獻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)攪拌反應釜是化工生產中的常用設備，同時乂是典型的非線性被控對象。在發(fā)醉、化工、石油生產、生物制藥等工業(yè)生產過程中，發(fā)生反應的反應器起著非常重要的作用，也是工業(yè)生產過程中必不可少的工具，具操作狀況宜接影響著生產的效率和質M標準，近年來，非線性系統(tǒng)的控制理論也受到了廣泛關注。山于化學反應類型不同，物料的相態(tài)不同，反應條件差別很大，按照反應器的進出物料的狀況，可將反應器分為間歇式、半間歇式、和連續(xù)式，連續(xù)反應器是工業(yè)生產過程中最常用、最普遍采用的以上方式，連續(xù)反應器為了保證反應的正常行，需要對反應器中的某些關鍵工藝參加如溫度、壓力、濃度燈進行控制使系統(tǒng)定，通常的控制使采用定值控制，從反應器的

9、傳熱來分，乂可分為絕熱式和非絕穩(wěn)熱式反應器，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。從結構上分有釜式、管式、固定床和流化床等；釜式反應器乂是工業(yè)上廣泛采用的一種形式，可采用進行勻相反應，也可進行多相反應，如液固、氣液、液液及氣固液燈反應，釜式反應器內部有攪拌裝置，可以使反應器中反應區(qū)的反應物料的濃度均一。連續(xù)攪拌反應釜內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過程質量生產好壞的重要標志，因此，通過測量并校正控制這些反應特這參數(shù)是化工生產過程質量的重要保證。1.2 國內研究現(xiàn)狀1. 連續(xù)攪拌反應釜系統(tǒng)的建模方面徐用懋、范順杰等運用動力學、

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)攪拌反應釜過程的機理模型，他們所建的模型較為成功地對聚丙烯熔融指數(shù)的進行了預測，然后利用工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，得出了反應漿液丙烯的濃度、丙烯轉化率和反應物的聚合反應熱等重要參數(shù)；羅正鴻對連續(xù)攪拌反應釜系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)進行機理建模，并分析研究了聚丙烯分子量和丙烯轉化率與操作條件的變化之間的關系；使用結構逼近式混合神經網絡，更好地對系統(tǒng)各變量之間的關系進行了描述，建立了連續(xù)攪拌反應釜系統(tǒng)的高精度數(shù)學模型；陳欠平通過對實際工業(yè)設備的研究，運用聚丙烯液相本體法建立了連續(xù)攪拌反應釜的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，并通過仿真分析來研究連續(xù)攪拌反應釜系統(tǒng)輸出與操作條件變化的

11、關系；利用神經網絡對連續(xù)攪拌反應釜系統(tǒng)進行機理建模使模型的精度得到了提高；針對匚廠實際的連續(xù)攪拌反應釜系統(tǒng)，楊愛新對該對象進行動態(tài)機理建模，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操作條件改變時，聚合物體積濃度口分比、反應物濃度、反應速率、冷卻水出口溫度以及反應體系溫度的變化。2. 連續(xù)攪拌反應釜系統(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，通過改進跟蹤微分器，設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)攪拌反應釜的控制效果；朱學峰根據(jù)連續(xù)攪拌反應釜系統(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??；吳偉林提出了一種基于神經元網絡的自適應控制方法，該方法有效改善了反應釜溫度的大時滯問題，能夠對反應釜溫度進行有效地控制；劉士榮應用了一種模糊逆模一PID與神經網絡相結合的復合控制策略，對反應釜溫度控制獲得了良好的控制效果；韓光信等提出了應用于連續(xù)攪拌反應釜的非線性魯棒控制，對開車過程進行了優(yōu)化：針對連續(xù)攪拌反應釜系統(tǒng)，賈愛民提出了一種魯棒控制算法，該算法具有較強的適應性能和較強的抗干擾能力，能夠滿足實時控制的要求。連續(xù)攪拌反應釜內化工反應過程的復雜性，使得采用一種簡單的控制方式都很難達

13、到理想的控制效果。伴隨著控制理論的發(fā)展，越來越多的先進控制方法被應用到連續(xù)攪拌反應釜系統(tǒng)并取得了滿意的成果。U前很多先進的反應釜控制技術就是將兒種控制方法相結合，通過取長補短以期得到更加令人滿意的控制效果。隨著連續(xù)攪拌反應釜控制技術的不斷深入和發(fā)展該系統(tǒng)的控制效果也會得到進一步地改善和提高。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)攪拌反應釜系統(tǒng)模型，根據(jù)該模型我們可以得出產率、聚合變化趨勢以及聚合產物的分子量，同時也指出了聚合分散度與產率隨著反應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，提出了一種改進的模型計算算法。根據(jù)實際生產狀況，Pinto和Mattos建立了溶劑法連續(xù)攪拌反應釜系統(tǒng)的丙烯聚合穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型并對該模型進行仿真研究，結果表明實際生產數(shù)據(jù)與該模型的訃算輸出誤差很小，Scare對多個反應釜串聯(lián)的烯炷聚合建立了動態(tài)數(shù)學模型，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)攪拌反應釜系統(tǒng)的數(shù)學建模，提高了模型的精度；Zacca等對丙烯聚合反應進行動態(tài)數(shù)學建模，通過訃算得出了物性傳遞等參數(shù)，而且利用這些參數(shù)對該模型進行仿真分析。2. 連續(xù)攪拌反應釜系統(tǒng)的控制