1、 吉林化工学院毕业设计说明书 连续搅拌反应釜系统的控制器设计与仿真 Controller Design and Simulation for CSTR 学生学号： 11510210 学生姓名： 严新宇 专业班级： 自动 1102 指导教师： 王 野 职 称： 工程师 起止日期： 2015.03.09 2015.06.26 吉 林 化 工 学 院 Jilin Institute of Chemical Technology注：专业班级规范，例如 06 级自动化专业 1 班：自动 0601 06 级计算机专业 1 班：计算 0601 06 级电子信息工程专业 1 班：电信 0601 06 级测控专
2、业 1 班：测控 0601 阅后删除此文 本框。 注：学生学号为学院教务管理系统中确定的学生学号。 阅后删除此文本框。 注：“职称”是指指导教师的职称。若指导教师为多人，应按上面“指导教师”先后顺序，填写对应的职称。 阅后删除此文本框。 吉林化工学院信控学院毕业设计说明书 I 摘 要 连续搅拌反应釜（ CSTR）是发酵、化工、石油生产、生物制药等工业生产过程中应用最广泛的一种化学反应器，其控制质量直接影响到生产的效益和质量指标。对连续搅拌反应釜通过控制内部的工艺参数，如温度、压力、浓度等稳定，保证反应的正常运行。本文针对连续搅拌反应釜的数学模型，应用泰勒展开得到了线性状态空间表达式，在此基础上
3、设计了 LQR 控制器，仿真结果表明，控制效果令人满意。 本 设计 将 CSTR 的非线性动态模型进行了输入输出线性化， 得到 CSTR 线性状态空间模型。设计出连续搅拌反应釜的极点配置控制器并对系统进行仿真。设计出连续搅拌反应釜的 LQR控制器并对其系统进行仿真。并对两种控制方法的控制效果进行了比较。 关键词：连续反应搅拌釜； LQR 控制器； MATLAB 仿真 连续搅拌反应釜系统的控制器设计与仿真 II Abstract Continuous stirred tank reactor (CSTR) is the most widely used in fermentation, chem
4、ical engineering, petroleum production, bio pharmaceutical and other industrial production process as a chemical reactor, control the quality directly affect the production efficiency and quality index. For continuous stirred tank reactor by controlling the process parameters, such as temperature, p
5、ressure, concentration and so on, ensure the normal operation of the reaction. In this paper, based on a continuous stirred reactor mathematical model, the application of Taylor expansion is obtained for the linear state space representation, on this basis, design the LQR controller. Simulation resu
6、lts show that the control effect is satisfactory. In this paper, the nonlinear dynamic model of CSTR is linearized, and the CSTR linear state space model is obtained. The pole assignment controller for continuous stirred tank reactor was designed and the simulation of the system was carried out. The
7、 LQR controller of the continuous stirred tank reactor is designed and the system is simulated. The control effect of the two control methods is compared. Key Words: Continuous Stirred Tank; LQR Controller; MATLAB Simulation吉林化工学院信控学院毕业设计说明书 1 目 录 摘 要 . I Abstract.II 第 1 章 绪论 . 2 1.1 课题背景及目的意义 . 2 1
8、.2 国内研究现状 . 2 1.3 国外研究现状 . 3 1.4 连续反应搅拌釜的控制技术 . 4 1.5 仿真技术 . 4 1.5.1 数字仿真概述 . 4 1.5.2 MATLAB 仿真软件 . 8 1.6 本设计的主要研究内容 . 10 第 2 章 连续搅拌反应釜的数学模型 . 12 2.1 连续搅拌反应釜结构 . 12 2.2 连续搅拌反应釜仿真模型的建立 . 14 2.3 非线性模型的线性化 . 17 第 3 章 极点配置控制器的设计与仿真 . 19 3.1 极点配置 . 19 3.2 极点配置控制器的设计 . 19 3.2.1 极点配置控制算法 . 19 3.2.2 CSTR 极点
9、配置控制器设计 . 20 第 4 章 LQR 控制器的设计与仿真 . 25 4.1 LQR 控制器的介绍 . 25 4.2 LQR 控制器的原理 . 25 4.3 LQR 控制器的设计 . 26 4.4 两种控制器效果对比 . 29 结 论 . 32 参 考文献 . 32 附录 线性化程序 . 33 致 谢 . 35 连续搅拌反应釜系统的控制器设计与仿真 2 第 1 章 绪论 1.1 课题背景及目的意义 连续搅拌反应釜是化工生产中的常用设备，同时又是典型的非线性被控对象。在发酵、化工、石油生产、生物制药等工业生产过程中，发生反应的反应器起着非常重要的作用，也是工业生产过 程中必不可少的工具，其
10、操作状况直接影响着生产的效率和质量标准，近年来，非线性系统的控制理论也受到了广泛关注。 由于化学反应类型不同，物料的相态不同，反应条件差别很大，按照反应器的进出物料的状况，可将反应器分为间歇式、半间歇式、和连续式，连续反应器是工业生产过程中最常用、最普遍采用的以上方式，连续反应器为了保证反应的正常进行，需要对反应器中的某些关键工艺参加如温度、压力、浓度灯进行控制使系统稳定，通常的控制使采用定值控制，从反应器的传热来分，又可分为绝热式和非绝热式反应器，按操作方式分，又可分为连续操作，间歇 操作和半间歇操作。从结构上分有釜式、管式、固定床和流化床等；釜式反应器又是工业上广泛采用的一种形式，可采用进
11、行匀相反应，也可进行多相反应，如液固、气液、液液及气固液灯反应，釜式反应器内部有搅拌装置，可以使反应器中反应区的反应物料的浓度均一。 连续搅拌反应釜内完成化工过程的特征参量一般为温度、浓度表现了化工过程本身的属性，这些属性都是化工生产过程质量生产好坏的重要标志，因此，通过测量并校正控制这些反应特这参数是化工生产过程质量的重要保证。 1.2 国内研究现状 1 连续搅拌反应釜系统的建模方面 徐用懋、范顺杰 等运用动力学、相平衡和物料平衡原理，针对三井油化 Hypol工艺建立了连续搅拌反应釜过程的机理模型，他们所建的模型较为成功地对聚丙烯熔融指数的进行了预测，然后利用工业现场数据，得出了反应浆液丙烯
12、的浓度、丙烯转化率和反应物的聚合反应热等重要参数；罗正鸿对连续搅拌反应釜系统的稳态进行机理建模，并分析研究了聚丙烯分子量和丙烯转化率与操作条件的变化之间的关系；使用结构逼近式混合神经网络，更好地对系统各变量之间的关系进行了描述，建立了连续搅拌反应釜系统的高精度数学模型；陈欠平通过对实际工业设备的研究，运用聚丙烯液相本体 法建立了连续搅拌反应釜的动态和稳态数学模型，并通过仿真分析来研究连续搅拌反应釜系统输出与操作条件变化的关系；利用神经网络对连续搅拌反应釜系统进行机理建模使模型的精度得到了提高；针对工厂实际的连续搅拌吉林化工学院信控学院毕业设计说明书 3 反应釜系统，杨爱新对该对象进行动态机理建
13、模，建立的模型符合现场实际的情况，同时利用该模型来研究当操作条件改变时，聚合物体积浓度百分比、反应物浓度、反应速率、冷却水出口温度以及反应体系温度的变化。 2 连续搅拌反应釜系统的控制方面 雷佳等充分利用遗传算法的寻优特性，提出了一种与 PID 控制相结合的遗传寻优算法，明显 地提高了控制效果；以工业现场实际情况为背景，通过改进跟踪微分器，设计了一种二阶白抗扰控制方法，明显提高了工业现场连续搅拌反应釜的控制效果；朱学峰根据连续搅拌反应釜系统的非线性特性，提出了基于混合模型的非线性预测控制策略，此混合模型由非线性和线性两个部分组成，通过其仿真也可看出实际输出与模型输出误差较小；吴伟林提出了一种基
14、于神经元网络的自适应控制方法，该方法有效改善了反应釜温度的大时滞问题，能够对反应釜温度进行有效地控制；刘士荣应用了一种模糊逆模一 PID 与神经网络相结合的复合控制策略，对反应釜温度控制获得了良 好的控制效果；韩光信等提出了应用于连续搅拌反应釜的非线性鲁棒控制，对开车过程进行了优化；针对连续搅拌反应釜系统，贾爱民提出了一种鲁棒控制算法，该算法具有较强的适应性能和较强的抗干扰能力，能够满足实时控制的要求。 连续搅拌反应釜内化工反应过程的复杂性，使得采用一种简单的控制方式都很难达到理想的控制效果。伴随着控制理论的发展，越来越多的先进控制方法被应用到连续搅拌反应釜系统并取得了满意的成果。目前很多先进
15、的反应釜控制技术就是将几种控制方法相结合，通过取长补短以期得到更加令人满意的控制效果。随着连续搅拌反应釜控制 技术的不断深入和发展该系统的控制效果也会得到进一步地改善和提高。 1.3 国外研究现状 1 连续搅拌反应釜系统的建模方面 Gupta 等于 1992 年提出了基于聚合多粒子模型的连续搅拌反应釜系统模型，根据该模型我们可以得出产率、聚合变化趋势以及聚合产物的分子量，同时也指出了聚合分散度与产率随着反应停留时问增加而变化的趋势，依据这一趋势他们解决了模型计算时间长的问题，提出了一种改进的模型计算算法。根据实际生产状况， Pinto和 Mattos建立了溶剂法连续搅拌反应釜系统的丙烯聚合稳态
16、数学模型并对该模型进行仿真研究， 结果表明实际生产数据与该模型的计算输出误差很小， Soare 对多个反应釜串联的烯烃聚合建立了动态数学模型，对模型的仿真研究验证了该模型的合理性；通过使用模糊聚类的方法，动态地建立了连续搅拌反应釜系统的数学建模，提连续搅拌反应釜系统的控制器设计与仿真 4 高了模型的精度； Zacca 等对丙烯聚合反应进行动态数学建模，通过计算得出了物性传递等参数，而且利用这些参数对该模型进行仿真分析。 2 连续搅拌反应釜系统的控制方面 Minesh 利用径向基函数神经网络来在线控制连续搅拌反应釜系统，此算法有极强的适应性； S.S.Ge 提出了神经网络自适应控制，用多层神经网
17、 络构造隐式反馈线性控制（ IFLC），其优点是跟踪误差小，对一般非线性系统有良好的控制性能； M.Jalili设计了一种基于对象神经模糊模型的预测控制方法，解决了温度大时滞问题；采用了控制效果良好的非线性 PID 控制器，该方法应用局部模型网络通过门处理来变换非线性模型。 1.4 连续反应搅拌釜的控制技术 在早起反应釜的自动控制中，将单元组合仪表组成位置式控制装置，但是化学反应过程表表现出很强的非线性和对滞性，采用这种简单控制很难达到理想的控制制度，随后的 PLC 控制器较大的提高了控制精度，但是对于较复杂的控制过程， 这种控制方式在通信和管理方面存在不足，随着 PID 控制技术的发现，越来
18、越多的化学反应釜都用 PID 控制，但是 PID控制技术是控制对象有精确模型的线性过程，而连续搅拌反应釜模型一个最主要的特征就是非线性，因此 PID控制技术在复杂的过程中有很大缺陷，随着控制理论的发展和研究深入，更加先进有效的控制方法应用于连续反应搅拌釜的控制，如广义预测控制，基于逆系统方法控制，基于补偿算子的模糊神经网络控制，连续反应搅拌釜的非线性 H 控制等。 任何一种复杂的化工反应过程都不能用一种简单的控制方式达到理想效果，目前最先进的反应釜智能 控制技术就是将先进的智能控制理论和传统的控制方法相结合 12，如基于专家系统反应釜控制系统 2， PID 参数自适应模糊控制方法，基于神经元网
19、络的直接自适应控制法，利用遗传算法的寻优 PID 参数的模型参考自适应控制方法等。 随着控制理论的不断深入和发展，对连续反应搅拌釜的控制技术也会不断地改进和提高。 1.5 仿真技术 1.5.1 数字仿真概述 仿真技术作为一门独立的科学已经有 50 多年的发展历史了，他不仅用于航天 、航空、各种系统的研制部门，而且已经广泛应用于电力、交通运输、通信、化工、核能等各个领域。特别是近 20 年来，随着系统工程与科学的迅速发展，仿真技术已吉林化工学院信控学院毕业设计说明书 5 从传统的工程领域扩充到非工程领域，因而在社会经济系统、环境生态系统、能源系统、生物医学系统 和 教育系统也得到了广泛的应用。
20、在系统的规划、设计、运行、分析及改造的各个阶段，仿真技术都可以发挥重要作用。随着研究对象的规模日益庞大，结构日益复杂，仅仅依靠人的经验及传统技术难以满足愈来愈高的要求。基于现代计算机及其网络的仿真技术，不但能提高效率，缩短研究开发周期，减少训练时间，不受环境及气候限制，而且对保证安全、节约开支 和 提高质量尤其具有突出的功效。 现在，仿真技术 成已为各个国家重点发展的一门高新技术，从某种角度上，它代表着一个国家的科技实力的强弱，同时在某些方面也制约着一些国家的现代化建设和发展。 从理论上讲，我们日常生活中以及自然界中碰到的一切问题，都可以利用计算机进行模拟。因此，要跟上时代的发展要求，学习和了
21、解一定的仿真技术是必要的。 1 系统与模型与仿真 在认识仿真之前，首先要了解与仿真相关的两个概念：系统与模型。 系统：一般来说，所谓 “ 系统 ” 就是指按照某些规律结合起来，相互作用、相互依赖、相互依存的所有实体的集合。描述系统的 “ 三要素 ” 实体、属性、活动。实 体确定了系统的构成；属性也称为描述变量，用来描述每一实体的特性；活动定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生的过程。举个例子说，我们可以把一个理发馆定义为一个系统。该系统的 “ 实体 ” 包括服务员和顾客，顾客到达模式和服务质量分别是顾客和服务员两个实体的 “ 属性 ” ，而整个服务过程就是 “ 活动 ” 。
22、模型：所谓 “ 模型 ” 就是系统某种特定功能的一种描述，它集合了系统必要的信息，通过模型可以描述系统的本质和内在的关系。它一般分为物理模型和数学模型两大类。物理模型与实际系统有相似的物理性质，它们与实际系统外貌相似 ，只不过按比例改变尺寸，如各种飞机、轮船的模型等。数学模型是用抽象的数学方程描述系统内部各个量之间的关系而建立的模型，这样的模型通常是一些数学方程。如带电粒子在电场中运动的数学模型，我们关心的是粒子的速度、位移随时间的变化。于是我们将系统的特征如电场强度，时间，粒子的荷质比全部数量化，根据动力学列出它们之间的关系，也就是数学模型： dv qEdt m dx vdt （ 1-1）
23、连续搅拌反应釜系统的控制器设计与仿真 6 一般的计算机模拟模型都是数学模型。有了以上的知识，我们就可以得出仿真的定义：明确研究系统，建立系统模型，然后在模型上进行试验，这一过程称为仿真。 2 仿真的意义及目的 仿真的目的在于：在系统研制之前用于规划、评价和研究，通过系统仿真可以评价系统某一部分的性能，可以估价系统各个部分或各个分系统之间的相互影响，以及它们对整体性能的影 响，可以比较各种设计方案，从中获得最佳设计；在系统研制中间用于设计和精密分析，可以对一些新建的理论、假设进行校验；在系统研制成功后则用于考核设计和训练系统的操作人员等。 主要原因在于： （ 1）系统还处在设计阶段，真实的系统尚
24、未建立，人们需要更准确地了解未来系统的性能，这只能通过对模型的实验来了解 ； （ 2）在真实系统上进行实验可能会引起系统破坏或是发生故障 。 例如，对于一个真实的化工系统或是电力系统进行没有把握的试验将会冒巨大的风险 ； （ 3）需要进行多次试验时，难以保证多次系统试验的条件都相同，因而无法准确判断 试验结果的优劣； （ 4）系统试验时间太长或费用昂贵 。 早期的仿真主要是物理仿真（或称实物仿真），采用的模型是物理模型，物理仿真的优点是直观、形象化，如柴油机模型，建筑物模型等。但是要为系统构造一套物理模型，尤其是十分复杂的系统，将花费很大的投资，周期也很长。另外，在物理模型上做实验，很难修改其
25、中的参数，改变系统结构也比较空难，而且它对实际的贡献并不大。至于社会、经济现象和生态系统就更无法用实物来做仿真实验了。故现在广泛采用的是数字仿真，为所研究的系统建立合适的数学模型，通过计算机求出相应的数值解并作出相应的 二维或三维图象、动画。 在某些系统的研究中，还把数学模型与物理模型以及实物结合起来一起实验，这种仿真称为数学 物理仿真，或称为半实物仿真。 现在我们说的计算机仿真主要是数字仿真，或是半实物仿真。它主要包括三个要素：系统、系统模型与计算机。联系这些要素的三个基本活动是：模型的建立（抽象出数学关系式 ） 、仿真模型的建立（选择合适的算法）和仿真实验（运行程序并进行分析）。 计算机仿
26、真主要研究数字仿真方法、仿真语言和仿真技术、仿真计算机及其应用。仿真方法是包括仿真算法、仿真模型的建立、仿真模型的误差计算以及仿真算法的 选择等；仿真语言是指仿真的程序设计；仿真技术是研究系统最优化的问题；仿真计算机则是研究仿真专用计算机的结构和特点。 吉林化工学院信控学院毕业设计说明书 7 3 仿真的主要类型 （ 1）根据被研究系统的特征可以分为两大类：连续系统仿真及离散事件系统仿真。连续系统仿真是指对系统状态变量随时间连续变化，其基本特点是能用一组方程来描述。离散事件系统仿真则是指系统状态只在一些时间点上由于某种随机事件的驱动而发生变化的系统。在两个事件之间状态变量保持不变，也即是离散变化
27、的，这类系统的数学模型一般很难用数学方程来描述，通常是用流程图或网络图来描述。 （ 2）按使 用的计算机分类，则有：模拟计算机仿真 ： 由于模拟计算机能快速解算常微分方程，所以当采用模拟计算机仿真时，应设法建立描述系统特性的连续时间模型。由于在模拟计算机上进行的计算是 “ 并行的 ” ，因此运算速度快。当参数变化时，容易掌握解的变化，这些是主要优点；主要缺点是：在处理多变 t 时或非线性较强的场合，对于偏微分方程难以求得高精度的解。数字计算机仿真 ： 60 年代后，由于数字计算机的发展，它已逐步取代早期采用的模拟计算机，而成为仿真技术的主要工具，它适用于把数学模型当作数字计算问题，用求解的方法
28、进行处理，而且由于数值分析及 软件的发展，使数字式仿真领域不断扩大，由于数字计算机不仅能解算常微分方程，而且还有较强的逻辑判断能力，所以数字式仿真可以应用于任何领城。如系统动力学问题，系统中的排队、管理决策问题。主要缺点是计算速度不如模拟式仿真。但近年来已开发了大量数字仿真的软件，因而提高了仿真工作的自动化程度。混合计算机仿真 ： 这是一种将模拟式仿真与数字式仿真的优点结合起来，通过一套混合接口 （ 如 A/D， D/A 转换器 ） 组合在一起的混合计算机系统。它兼有模拟计算机的快速性及数字计算机的灵活性，它不仅能解决系统的动力学间题，而且也能解决许多排 队、管理决策等问题，并且还包括流程图形
29、式的模型。这种仿真的结果是模拟模型和数字模型的最优系统，混合式仿真最近也应用于解偏微分方程和求最优值的问题。缺点是造价昂贵，难于在民用部门推广。 4 计算机仿真的步骤和仿真技术 计算机仿真，概括地说包括 “ 建模一实验一分析 ” 这三个基本部分，即仿真不是单纯的对模型的实验，而且包括从建模到实验到分析的全过程。因此进行一次完整的计算机仿真应经过以下步骤： （ 1） 明确仿真对象 （ 系统 ） 。要明确以什么样的精密度来校真对象的哪一部分和仿真什么样的行为，并根据仿真的目的确定所研究系统的边界及约 束条件，以及系统的规模及变量个数等； （ 2） 建立数学模型 （ 或流程图 ） 。建立什么样的数学模型与建模的目的有密切的关系。如果仅仅要求了解系统的外部行为，则要设法建立一个描述系统的外部行为的外部模型；如果不仅要了解系统的外部行为，还要求了解系统内部的活动规律，
