【正文】 回路，只有一個(gè)采樣點(diǎn)和控制點(diǎn)，任務(wù)非常簡單。程序存貯器有三級保護(hù)，內(nèi)部 RAM 有 256 8 位， 32 條可編程輸入 /輸出線，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 整個(gè)硬件系統(tǒng)包括：中央控制單元、 A/D 轉(zhuǎn)換采樣輸入單元、 D/A 轉(zhuǎn)換輸出控制單元、鍵盤顯示單元、電源單元，如圖 31 所示。加熱采用交流過零固態(tài)繼電器控制。在此基礎(chǔ)上，確定整套控制系統(tǒng)采用的硬件方案、控制算法方案?？驁D如圖 25 所示。 17 圖 24 系統(tǒng)硬件原理框圖 其單閉環(huán)基本控制原理為：傳感器將溫度采樣值經(jīng)過 A/D 采樣輸入單片機(jī) 89C55 中央控制單元，采樣值與溫度設(shè)定值同時(shí)送入算法子程序進(jìn)行運(yùn)算得到輸出控 制量，輸出控制量通過固態(tài)繼電器 (執(zhí)行電路 )作用到加熱電阻絲上，控制部分采用脈寬調(diào)功 (壓 )即 PWM(pulse width modulator)，通過控制一個(gè)時(shí)間段內(nèi)通過的交流電波數(shù)控制加熱功率。直接在 MMA 單體中加入引發(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)移劑，反應(yīng)器采用間歇攪拌釜式聚合反應(yīng)器 (反應(yīng)釜 )，釜內(nèi)有攪拌器，釜外有 夾套層及保溫裝置，釜的最大反應(yīng)容積為 5 升，最高溫度為 300 ℃，超調(diào)量盡量小，溫度控制精度177。 圖 23 改進(jìn) Smith 預(yù)估算法原理框圖 由圖 23 可以看出來，系統(tǒng)不需要被控對象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，因而不存在對象參數(shù)變化的影響，關(guān)鍵是對被控對象 C(s)未來τ 時(shí)刻其數(shù)值 C39。如果在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，依照某一對象的傳遞函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，一旦對象的參數(shù)在運(yùn)行過程中發(fā)生變化，或者對象的傳遞函數(shù)本來就不精確，按原參數(shù)設(shè)計(jì)的預(yù)估器就不能完全補(bǔ)償對象的純滯后。 數(shù)字 PID 控制器和 Smith 預(yù)估器都由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，這時(shí)計(jì)算機(jī)應(yīng)完成以下幾步計(jì)算任務(wù)： (1)計(jì)算反饋回路的偏差。 則所并接的反饋預(yù)估環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為 (τ為純滯后時(shí)間 )，從而可以在環(huán)路中補(bǔ)償純滯后時(shí)間。由于純滯后在工業(yè)生產(chǎn)過程中的存在，會導(dǎo)致控制作用不及時(shí)，引起超調(diào)或是振蕩，影響系統(tǒng)的控制精度，導(dǎo)致生產(chǎn)出的產(chǎn)品精度不高甚至是廢品，嚴(yán)重的有可能會損壞生產(chǎn)設(shè)備。 近年來，將常規(guī) PID 控制與現(xiàn)代控制理論相結(jié)合，出現(xiàn)了許多新型 PID控 15 制器，對于復(fù)雜對象，其控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī) PID 控制。 寫成計(jì)算公式，根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定一個(gè)閾值ε (ε 0)和變量β (β值為 1或者 0)： 以數(shù)字 PID 增量式控制算法為例，寫成積分分離形式即可： 新型 PID 控制算法 新型 PID 控制算 法簡介 實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、時(shí)變不確定性、難以確定精確的數(shù)學(xué)模型等特點(diǎn)，單單應(yīng)用 P1D 控制器不能達(dá)到理想的控制效果；在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾，常規(guī) PID 控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運(yùn)行工況的適應(yīng)性很差。 在普通的 PID 數(shù)字控制器中引入積分環(huán)節(jié)的目的，主要是為了消除靜差、提高精度。 數(shù)字 PID 控制算法的改進(jìn) 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中， PID 控制規(guī)律是用計(jì)算機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)的，因此它的靈活性很大。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故能仍然保持原值。執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的控制量增量為， 式中 ，式 (24)稱為數(shù)字 PID 增量式控制算法。 式 (22) (23)為數(shù)字 PID 位置式控制算法，式中積分系數(shù) 微分系數(shù) ， Un 為第 n次采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)輸出值， en為第 n次采樣時(shí)刻輸入的偏差值， en?1為第 n1 次采樣時(shí)刻輸 入的偏差值。 (3)微分環(huán)節(jié) 微分環(huán)節(jié)主要是改善整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)速度。比例環(huán)節(jié)是 PID 控制算法中的決定因素，直接決定控制器的好壞。 事實(shí)表明，對于 PID 這樣簡單的控制器，能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對象，并仍以很高的性能 /價(jià)格比在市場中占據(jù)著重要地位，充分的反應(yīng)了 PID 控制器的良好品質(zhì)。我們今天所熟知的 PID 控制器產(chǎn)生并發(fā)展于 19151940 年期間 [15]。比如：數(shù)制變換程序、運(yùn)算程序、查表程序等等。例如 MCS5 匯編程序。 操作系統(tǒng)是一種微機(jī)的大型管理軟件，是在監(jiān)控程序的基礎(chǔ)上進(jìn)一步 擴(kuò)展許多控制程序形成 的。 微機(jī)控制系統(tǒng)軟件 控制系統(tǒng)的軟件，包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。各單元用通訊線路連接成一個(gè)整體，不同的系統(tǒng)可用不同的模塊來組合以適應(yīng)不同的要求。 (4)計(jì)算機(jī)多機(jī)控制系統(tǒng) 它是三級控制系統(tǒng)：最低級為直接控制級，中間級為計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制級 (SCC)，最高級為管理級 MIS(Management Information System)。顯然 DDC 系統(tǒng)是一個(gè)“在線”的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)。 (2)直接數(shù)字控制 DDC(Direct Digital Control)系統(tǒng) DDC 系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)應(yīng)用形式。 微機(jī)控制系統(tǒng)分類 按微機(jī)在控制系統(tǒng)之中控制方式，微機(jī)控制系統(tǒng)可以分為如下幾類： (1)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 、 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從功能上說，主要是對生產(chǎn)現(xiàn)場隨時(shí)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù) (如濕度、壓力、流量、成份、速度、位移量等 )進(jìn)行巡回檢測、收集、記錄、統(tǒng)計(jì)、運(yùn)算、分析、判斷等處理。 10 第 2 章 溫度控制系統(tǒng)方案 微機(jī)控制系統(tǒng)簡介 隨著系統(tǒng)硬件費(fèi)用急劇下降、體積縮小、可靠性提高、運(yùn)算速度加快以及較容易實(shí)現(xiàn)更先進(jìn) 和更復(fù)雜的控制算法，計(jì)算機(jī)用于控制系統(tǒng)的技術(shù)日趨成熟廣泛 [10]。 (2)溫度控制系統(tǒng)方案總述 (第 2 章 )。 本算法優(yōu)點(diǎn)是不需要掌握受控對象的精確數(shù)學(xué)模型，有較 強(qiáng)的魯棒性，對噪聲干擾有較強(qiáng)的抑制能力，非常適合這種模型未知或多變的聚合反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)，具有很高的工業(yè)實(shí)用價(jià)值。 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)。 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。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。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。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。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。 having advantages of low model, good robustness, applicability to the merits of digital puter control. The predictive control of puter model has a good tracking performance, and it can effectively improve system stability and eliminate the error, has significant control result for lag process, more in line with the actual industrial temperature control requirements, so it greatly improves the performance of temperature control system. In this paper, the characteristics and control difficulty of reactor temperature change are analyzed, and the root causes of poor accuracy for the current temperature control system is summarized, on the basis ,a technology of fuzzy selftuning PID control based on prediction is used to achieve reactor temperature control. The main idea is to use the prediction output of system model, bined with the experience of conventional PID control, using fuzzy reasoning algorithm to improve the algorithm of controller. The experimental results show that the PID control scheme, pared to the mon PID control scheme, can improve the system robustness and adaptability, with a better solution to the reactor temperature control problem. 4 This subject pletes the hardware circuit design of the reactor temperature control system, the pilers and debugging of system software. Simulation and experimental study are done for fuzzy selftuning PID control based on prediction, pared to the PID control method, the method has more stable control performance, higher reliability and the tealtime performance,adaptability, robustness are significantly increased. The control result is better. Keywords: Reactor, predictive control, fuzzy control, PID control. 5 目錄 摘要 ................................................................................................................................. 2 Abstract ............................................................................................................................ 3 第 1 章 緒論 ............................................................................................................... 7 國內(nèi)外化工控制發(fā)展現(xiàn)狀 ................................................................................ 7 控制方案的設(shè)計(jì)及不足 .....................................................................