【正文】 ............................................ 12 PID 控制算法的理論基礎(chǔ) ................................................................... 12 數(shù)字 PID 控制算法的改進(jìn) ................................................................. 14 新 型 PID 控制算法 ............................................................................ 14 反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng) ..................................................................................... 16 小結(jié) ............................................................................................................. 17 第 3 章 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ................................................................................... 18 中央控制單元 ................................................................................................. 18 中央控制單片機(jī) ................................................................................... 18 看門狗 ................................................................................................. 19 A/D 轉(zhuǎn)換采樣輸入單元 ................................................................................... 20 D/A 轉(zhuǎn)換輸出控制單元 ................................................................................... 22 控制原理 ............................................................................................. 22 芯片及參數(shù)的選取 ............................................................................... 23 鍵盤顯示報(bào)警單元 .......................................................................................... 26 鍵盤顯示部分 ...................................................................................... 26 報(bào)警部分 ............................................................................................. 27 電源單元 ........................................................................................................ 27 小結(jié) ............................................................................................................... 28 第 4 章 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ................................................................................... 29 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基本原理 ................................................................................. 29 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu) ................................................................................. 29 主程序結(jié)構(gòu) ........................................................................................ 29 參數(shù)調(diào)節(jié)中斷服務(wù)程序 ....................................................................... 30 采樣中斷程序 ..................................................................................... 31 SmithPID 算法軟件設(shè)計(jì) .............................................................................. 32 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試 ...................................................................................................... 33 控制算法參數(shù)整定與軟件調(diào)試 ....................................................................... 33 PID 整定簡介 ..................................................................................... 33 PID 控制算法的整定 .......................................................................... 33 算法軟件調(diào)試 ..................................................................................... 34 6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ...................................................................................................... 34 抗干擾措施 ................................................................................................... 36 小結(jié) ............................................................................................................. 36 結(jié) 論 ......................................................................................................................... 37 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 38 致謝 ............................................................................................................................... 39 7 第 1 章 緒論 國內(nèi)外化工控制發(fā)展現(xiàn)狀 進(jìn)入現(xiàn)代社會，材料工業(yè)和人們的生活密不可分，如化工工業(yè)、醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、高新產(chǎn)業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)等無不 與材料工業(yè)密切相關(guān)，材料工業(yè)已經(jīng)與能源，信息產(chǎn)業(yè)成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱產(chǎn)業(yè)。 高分子聚合物作為材料領(lǐng)域之中的后起之秀，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到尖端技術(shù)、國防建設(shè)、建筑業(yè)、電子行業(yè)等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域之中 [1]，高分子聚合物的生產(chǎn)在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有非常重要的地位 [2]。隨著石化工業(yè)的蓬勃發(fā)展和新工藝、新技術(shù)的不斷進(jìn)步，對高分子聚合物的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過程自動化提出了更高的要求。 高分子聚合物生產(chǎn)中的聚合反應(yīng)主要是在間歇式反應(yīng)釜中進(jìn)行，約占總聚合裝置的 90%。為了高效的進(jìn)行生產(chǎn)，必須對聚合反應(yīng)生產(chǎn)工 藝過程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進(jìn)行有效的控制。其中最重要的環(huán)節(jié)就是反應(yīng)器的溫度控制 [3]，其調(diào)節(jié)品質(zhì)的好壞將直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。但是由于加料數(shù)量和品種的影響 ,聚合反應(yīng)中存在的一系列復(fù)雜化學(xué)變化，以及聚合反應(yīng)本身強(qiáng)烈的放熱效應(yīng)，使得聚合反應(yīng)釜聚合反應(yīng)溫度的動態(tài)特性具有時(shí)變、強(qiáng)烈非線性、大純時(shí)滯的特點(diǎn) [4]，這使得建立精確的聚合反應(yīng)數(shù)學(xué)模型非常困難，很難實(shí)現(xiàn)反應(yīng)溫度的精確控制，這可能嚴(yán)重影響最終的產(chǎn)品質(zhì)量，還會危及生產(chǎn)的安全性。因此聚合反應(yīng)溫度對于保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全性起著關(guān)鍵作用。本論文以進(jìn) 行 MMA(methyl methacrylate ,甲基丙烯酸甲酯 )聚合反應(yīng)的反應(yīng)釜溫度控制為研究對象，采用 先進(jìn)的控制算法實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜溫度的精確控制，全面提 高PMMA(polymethyl methacrylate, 聚甲基丙烯酸甲酯 )的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。目前，化工自動化的底層控制仍然以 PID 為主流 [5]。 PID 算法控制具有原理簡單、實(shí)現(xiàn)方便、無靜態(tài)誤差等特點(diǎn)，能滿足多數(shù)工業(yè)過程的需要。經(jīng)過多年的發(fā)展和應(yīng)用，從模擬控制器發(fā)展到數(shù)字控制器，性能不斷提高。但是對于象聚合反應(yīng)溫度這樣的，大純時(shí)滯、非線性、無 精確數(shù)學(xué)模型、時(shí)變的控制對象， PID 往往很難取得滿意的控制效果 [6]，通常需要采取一些特殊的控制手段，在 PID 基本算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，如抑制積分飽和的積分分離 PID 算法和變速 PID 算法，防止微分飽和的不完全微分 PID 算法和前置濾波 PID 算法，抑制振蕩的帶死區(qū) PID 算法等等。但至今仍無一種通用的行之有效的方法。 同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，一些新的現(xiàn)代控制理論在工業(yè)控制中得到較好的應(yīng)用，比如模糊控制算法、自適應(yīng)控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法、 Smith 預(yù)估控制算法 [7]。 它們和 PID 算法相結(jié)合，互相取長補(bǔ)短，形成模糊 PID 算法、自適應(yīng) PID 算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 算法等，在復(fù)雜工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用，取得較好的控制效果。但到目前為止， Smith 預(yù)估控制算法仍然是大純滯后溫度控制最成功的算法，可以消除大純滯后對系統(tǒng)的影響，但是 Smith 預(yù)估控制算法對預(yù)估模型的精度要求高，需要精確的數(shù)學(xué)模型 [8,9]，且對系統(tǒng)擾動的抑制能 8 力較差，因而很難在工程上實(shí)用。 控制方案的設(shè)計(jì)及不足 在反應(yīng)釜溫度控制這個(gè)環(huán)節(jié)中，原廠配置的控制器采用的是如下方案：由鉑電阻采 樣溫度信號，采用一個(gè) NE6402 型溫度控制器，實(shí)現(xiàn)對溫度的控制。我們對 NE6402 型溫度控制器做了簡單的分析，該控制器以微處理器為基礎(chǔ)，采用的控制算法是增量式 PID 調(diào)節(jié)，如圖 11 所示。 按下式計(jì)算本次控制調(diào)節(jié)增量輸出。 圖 11 控制器算法原理框圖 可見該控制器采用傳統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié)方案。從控制對象的特征來看，反應(yīng)釜溫度具有非線性、大滯后、時(shí)變以及多干擾等特點(diǎn)，使用常規(guī)的 PID控制方法，很難獲得滿意的動態(tài)靜態(tài)控制效果。實(shí)驗(yàn)室實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)， MMA 聚合反應(yīng)溫度控制非常不 穩(wěn)定，靜態(tài)效果差，同時(shí)產(chǎn)生很大的超調(diào)，甚至超調(diào)達(dá) 50 ℃，靜態(tài)控制效果也不是很理想，在控制溫度附近波動達(dá) 30 ℃，嚴(yán)重影響聚合反應(yīng)。 因此必須尋找一種合適的溫度控制方案，以達(dá)到滿意的控制效果。 本課題采用的方案及內(nèi)容 本文較為深入的研究和分析了 PID 控制算法和 Smith 預(yù)估控制的控制原理，將二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來設(shè)計(jì)了一種溫度控制系統(tǒng)。