1、 中 北 大 學畢業設計開題報告學 生 姓 名：李依遙學 號：0805054101學 院、系：信息與通信工程學院 電氣工程系專 業：自動化設 計 題 目：反應釜溫度智能控制系統設計軟件部分指導教師: 孟江 2012 年 3 月 15 日開題報告填寫要求1開題報告作為畢業設計答辯委員會對學生答辯資格審查的依據材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業設計工作前期內完成，經指導教師簽署意見及所在系審查后生效；2開題報告內容必須用按教務處統一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見；3學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于15篇（

2、不包括辭典、手冊）。文中應用參考文獻處應標出文獻序號，文后“參考文獻”的書寫，應按照國標GB 771487文后參考文獻著錄規則的要求書寫，不能有隨意性；4學生的“學號”要寫全號（如0201140102），不能只寫最后2位或1位數字；5. 有關年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 740894數據元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法規定的要求，一律用阿拉伯數字書寫。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”；6. 指導教師意見和所在系意見用黑墨水筆工整書寫，不得隨便涂改或潦草書寫。 畢 業 設 計 開 題 報 告1結合畢業設計情況，根據所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻

3、綜述：文 獻 綜 述 一、反應釜概述1.反應釜簡介反應釜的廣義理解即有物理或化學反應的容器，通過對容器的結構設計與參數配置，實現工藝要求的加熱、蒸發、冷卻及低高速的混配功能。反應釜廣泛應用于石油、化工、橡膠、農藥、染料、醫藥、食品，用來完成硫化、硝化、氫化、烴化、聚合、縮合等工藝過程的壓力容器，例如反應器、反應鍋、分解鍋、聚合釜等；材質一般有碳錳鋼、不銹鋼、鋯、鎳基（哈氏、蒙乃爾、因康鎳）合金及其它復合材料1。通過對容器的結構設計與參數配置，實現工藝要求的加熱、蒸發、冷卻及低高速的混配功能。隨之，反應過程中的壓力要求對容器的設計要求也不盡相同。生產必須嚴格按照相應的標準加工、檢測并試運行。不銹

4、鋼反應釜根據不同的生產工藝、操作條件等不盡相同，反應釜的設計結構及參數不同，即反應釜的結構樣式不同，屬于非標的容器設備。反應釜是綜合反應容器，根據反應條件對反應釜結構功能及配置附件的設計。從開始的進料-反應-出料均能夠以較高的自動化程度完成預先設定好的反應步驟，對反應過程中的溫度、壓力、力學控制（攪拌、鼓風等）、反應物/產物濃度等重要參數進行嚴格的調控2。眾所周知，化工生產在我國國民經濟建設中占有很重要的地位, 而反應釜是化工生產中實現化學反應的主要設備之一。由于反應過程受外界溫度、反應物質不同、濃度等因素影響較大, 且系統本身具有較大的時變性和滯后性, 從控制的角度來看, 反應釜屬于最難控制

5、的過程之一3。生產過程經常在高溫、高壓、易燃、易爆等環境下進行, 生產的安全性至關重要, 因此高性能、高精度反應釜控制器的研制受到高度重視4。國外如日本、美國等都生產出了一批商品化的、性能優異的溫度控制器及儀器儀表, 且適用于大慣性、大滯后等復雜溫度控制系統, 而國內與之有較大的差距, 這使得反應釜溫度控制器的研制在技術和市場上都將有較大的突破空間5。2反應釜的結構形式及工作原理反應釜由釜體、釜蓋、夾套、攪拌器、傳動裝置、軸封裝置、支承等組成。攪拌形式一般有錨式、槳式、渦輪式、推進式或框式等，攪拌裝置在高徑比較大時，可用多層攪拌槳葉，也可根據用戶的要求任意選配。并在釜壁外設置夾套，或在器內設置

6、換熱面，也可通過外循環進行換熱。加熱方式有電加熱、熱水加熱、導熱油循環加熱、遠紅外加熱、外(內)盤管加熱等，冷卻方式為夾套冷卻和釜內盤管冷卻，攪拌槳葉的形式等。支承座有支承式或耳式支座等。轉速超過160轉以上宜使用齒輪減速機.開孔數量、規格或其它要求可根據用戶要求設計、制作。反應釜在設定恒溫條件下，在密閉的容器內，在常壓或負壓下進行攪拌、反應，并能控制反應溶液的蒸發與回流，是現代化學小樣實驗、生物制藥及新材料合成的理想設備6。3.反應釜的溫度控制反應釜溫度控制是通過控制兩個閥門即加熱水閥門和冷卻水閥門來實現的，通過攪拌機的攪拌使物料均勻。在升溫階段，打開加熱水閥門，對釜內的蛇管通以加熱水，使釜

7、溫升高，通過控制閥門開度來控制溫度升高的速率，當加熱到預訂反應溫度后就停止加熱，反應過程中在夾套中通以冷卻水，將反應產生的多余熱量移走，控制溫度保持恒定。導熱介質的選擇根據各種不同展品的工藝溫度要求確定，常見的導熱介質又通過熱蒸汽和導熱油。溫度測量常用熱電阻或熱電偶及其變送器組成。通入反應釜的熱導介質要求保持溫度恒定，通過調節流入反應夾套的導熱介質的流量，來控制反應釜內物料的溫度符合工藝要求7。二、對反應釜采用的控制技術1.常規PID控制PID控制器應用的非常廣泛，其設計技術成熟，長期以來形成了典型的結構，它的參數整定方便，結構更改靈活，能滿足大多數工業控制要求。PID技術比較簡單，易于掌握，

8、是常用的控制技術之一。對于參數不變的控制對象或模型參數變化不顯著的控制對象來說，使用PID控制能夠達到比較理想的控制效果，而且實現起來非常簡單8。在本課題的系統設計中，作為被控對象的反應釜由于模型較為復雜，無法建立精確的數學模型，采用PID算法比較方便，但PID算法也存在現場參數調整麻煩，被控對象模型參數難以確定以及外界干擾會使控制漂離最佳工況等問題。針對這些問題，本課題在反應釜溫度控制系統中，采用了模糊控制技術與PID相結合的方法來彌補只用PID調節器時的缺憾。2模糊控制技術模糊控制是用模糊數學的知識模仿人腦的思維方式，對模糊現象進行識別和判決，給出精確的控制量，對被控對象進行控制。與經典控

9、制理論和現代控制理論相比，模糊控制的主要特點是不需要建立對象的數學模型。操作人員根據對象的當前狀態和以往的控制經驗，用手動控制的方法給出適當的控制量，對被控對象進行控制。用計算機模擬操作人員手動控制的經驗，對被控對象進行控制9。1974年，模糊控制技術理論提出者-英國工程師（）指出：模糊控制在本質上就是某種插值器，目前常用的模糊控制算法都可歸結為某種插值方法它是對響應函數的逼近，相當于離散響應函數的擬合10。模糊控制方法類似于數學物理問題中的有限元方法，是經典控制論和現代控制論的直接方法或數值方法。由此提出了基于論域收縮的一類高精度模糊控制器的設計思想。因此，模糊控制的突出特點在于：（1）控制

10、系統的設計不要求知道被控對象的精確數學模型，只需要提供現場操作人員的經驗知識及操作數據。（2）控制系統的魯棒性強，適應于解決常規控制難以解決的非線性、時變及大滯后性等問題。模糊控制系統一般可分為四個部分11：（1）模糊控制器：它實際上是一臺微計算機，根據控制系統的需要，可以選用系統機，也可選用單片機12。（2）輸入/輸出接口裝置：模糊控制器通過輸入輸出接口從被控對象獲取數字信號量，并將模糊控制器決策的輸出數字信號通過數模變換，將其轉換為模擬信號，送給執行機構去控制被控對象。（3）廣義對象：高包括被控對象及執行機構，被控對象可以是線形或非線性的，定常的或時變的，單變量或多變量的、有時滯或無時滯的

11、以及有干擾的多種情況。（4）傳感器：它將被控對象或各種過程的被控制量轉換為電信號在工程上多采用人工手動或PID 控制，勞動強度大，效果不理想。模糊控制作為一種仿人工智能的控制策略，適應范圍廣，不依賴于對象的數學模型，魯棒性好，對被控對象特性變化不敏感，算法簡單，特別適合于非線性系統的控制，并且易于實現13。事實上模糊控制與傳統的PID 控制器之間存在著內在聯系，單輸入單輸出模糊控制器是個分段P 調節器，常用雙輸入單輸出模糊控制器是個具有P 與D 交互影響的分片PD調節器；三輸入單輸出模糊控制器是個具有P ,I ,D 之間交互影響的分片PID 調節器14，并且由于模糊控制器本身具有非線性的調節規

12、律，模糊控制器性能上要比PID 控制器更好。由于聚合反應過程的時變、非線性等特點，采用帶調整因子的自適應模糊控制算法，可保證系統輸出響應快，超調量小，調整時間短，控制精度高，而且具有較強的適應內部參數變化和抗外部干擾的能力15 16。從仿真實驗結果來看，性能明顯優于PID算法。本文將主要運用模糊控制技術對反應釜完成溫度的控制。參考文獻：1百度百科. 反應釜. 2011-10-202王勝利. 反應釜內化學過程控制系統開發研究.碩士學位論.湖南:湖南大學控制工程專業，20013MIKLES J, FIKAR M. Process Modelling, Identification, and Con

13、trol. German: Springer, 2007:2-34 王曉春,劉海,杜清府. 反應釜控制系統的研究與實現.碩士學位論文.南京:南京理工大學2007:155 周曉燕. 反應釜智能控制器研究與開發. 碩士學位論文.南京:南京理工大學,2005:26-276樸春俊,陳彩蓮. 模糊控制在聚合反應釜中的應用及仿真研究.統仿真學報. 2001，5: 23-257 滕少龍. 間接反應釜先進控制系統的設計與實現.博士學位論文.沈陽:沈陽工業大學.2007:38 RAMLINM , BAWADIA. Modeling and Control of a Reactor. International

14、Conference on Intelligent and Advanced Systems. 2007: 181- 187.9 夏晨,李卜. 反應釜設計及其溫度控制系統 .化工自動化及儀表,2004,31( 1) : 66 -6910 李洪興. 模糊控制的插值機理.中國科學報（E 輯）,1998 :25911于海英. 化學反應釜溫度模糊控制器.碩士學位論文.遼寧:遼寧工程技術大學,2002: 9512 李長林. Visual Basics串口通訊技術與典型實例.北京:清華大學出版社,2006:65-6613 李洪興. 四級倒立擺的變論域自適應模糊控制，中國科學報（E 輯）,2002:65-7

15、514 張博,邵誠. 變論域模糊控制在間歇反應釜溫度控制中的應用 北京:國防工業出版社2001:201-20515 于海英,侯久陽,喬付. 化學反應釜溫度控制系統的研究J.河北科技大學報2006:第27卷第三期:47 16 Vega, Prada, Aleixandre. Selftune Predict PID Controller .IEEE Proceedings- D, 1991, 138( 3) : 304-310. 畢 業 設 計 開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：一、本課題的研究對象反應釜是化工生產中實現化學反應的主要設備之一。生產過程經常在高溫、

16、高壓、易燃、易爆等環境下進行, 生產的安全性至關重要, 因此高性能、高精度反應釜控制器的研制受到高度重視。若想達到規定生產質量，主要取決于產品混合物中各組成部分的量的濃度，但由于無實用的在線分析儀和采樣問題不易解決，所以選用溫度為間接參數是最有效的辦法。本次設計就是模糊控制分析的基礎上，利用模糊控制表對反應釜溫度控制系統進行軟件件設計，完成研究對象的智能控制。二、采用的研究手段基于以上所述目前國內外的反應釜溫度控制方法的各自特點，以及反應釜溫度這一物理參數變化緩慢，大慣性和大滯后性的特點，而且要求計算量和實時性都比較好。本論文采用模糊控制方法。要實現反應釜溫度的智能控制，就要有精確的溫度傳感器

17、。本課題運用MATLAB軟件對它們的控制性能和抗干擾能力進行了仿真比較，選出影響速度快，超調量小，穩態誤差小的技術要求的解決方案作為控制器。采用Matlab模糊工具箱和Simulink仿真軟件，完成對反應釜溫度控制系統進行模糊控制器的設計，之后形成模糊控制表，設計溫度控制系統的軟件部分，完成數據采集處理，模糊控制及執行元件的控制等功能。為硬件部分做好接口工作。最后，在Simulink環境下進行仿真分析。設計數字溫度計實現多點溫度采集。控制方法上采用模糊控制，使系統具有既具有模糊控制靈活而適應性強的優點，使被控量具有良好的動態特性。 畢 業 設 計 開 題 報 告指導教師意見：李依遙同學經過近一

18、個月的時間，完成了“反應釜溫度智能控制系統設計軟件部分”的畢業設計選題工作。開題報告中所設計的選題范圍較合適，難度中等，參閱了一定數量的中英文資料，對本次畢業設計題目和內涵有了一定的認識，研究計劃設計較合理，設計內容較清晰，預期能在規定時間內完成畢業設計內容，具有完成選題的基本能力和條件，能順利完成畢業設計工作。綜上所述，同意李依遙同學關于“反應釜溫度智能控制系統設計軟件部分”的開題報告。 指導教師： 2012 年 3 月 15 日所在系審查意見： 同意開題。 系主任： 年 月 日附件：參考文獻格式學術期刊 作者論文題目期刊名稱，出版年份，卷(期)：頁次如果作者的人數多于3人，則寫前三位作者的名字后面加“等”，作者之間以逗號隔開。例如：1 李峰，胡征，景蘇等. 納米粒子的控制生長和自組裝研究進展. 無機化學學報， 2001, 17(3): 3153242 J.Y.Li, X.L.Chen,H.Li. Fabrication of zinc oxide nan