【正文】 he abject depends on the precise mathematical model and bad at tuning parameter online. The mechanism of reactor is plex and every parameter changes in the reaction process, unable to establish a precise mathematical model and it can not meet the requirements of selftuning under different conditions. So the general PID controller can not be achieved on the precise control of reactor. Fuzzy control is a rulebased language control, the precise mathematical model does not need to be established in the design and with good robustness, the effect that interference and the changes of parameters have on the control result is greatly reduce ,with effective Control. However , the fuzzy controller takes error or error change for input variables and this controller has fuzzy proportiondifferential control talc. The accuracy is too high, with a larger steadystate error, limited adaptive ability and easy oscillation. Predictive control is an optimal control algorithm, which determines the future control role by optimization of a performance index。 高分子聚合物生產(chǎn)中的聚合反應主要是在間歇式反應釜中進行，約占總聚合裝置的 90%。因此聚合反應溫度對于保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全性起著關鍵作用。經(jīng)過多年的發(fā)展和應用，從模擬控制器發(fā)展到數(shù)字控制器，性能不斷提高。 它們和 PID 算法相結合，互相取長補短，形成模糊 PID 算法、自適應 PID 算法、神經(jīng)網(wǎng)絡 PID 算法等，在復雜工業(yè)控制中得到廣泛的應用，取得較好的控制效果。 按下式計算本次控制調(diào)節(jié)增量輸出。 因此必須尋找一種合適的溫度控制方案，以達到滿意的控制效果。 本算法分 Smith 預估算法和 PID 算法兩部分，其中的 Smith 預估算法采用一種經(jīng)過改進的、工程實用的預估方法，實現(xiàn)溫控的滯后補償，避免了寫出被控對象的精確模型，因而易于實現(xiàn)，預估補償效果好； PID 算法采用積分分離分段式 PID 位置算法，其不僅具有常規(guī) PID 工作穩(wěn)定、可靠性高的特性，同時又保證了控制超調(diào)小，穩(wěn)態(tài)控制精度高，工程可操作性強。 9 本論文結構安排 本文依據(jù)課題的內(nèi)容做了如下結構安排： (1)化工控制在國內(nèi)外的發(fā)展和應用狀況，本課題來源及內(nèi)容，論文的結構安排 (第 1 章 )。 (5)系統(tǒng)調(diào)試 (第 5 章 )。 微機控制系統(tǒng)是由微型機與其他器件和裝置適當連接起來組成硬件，并在軟件的操作下協(xié)調(diào)運行，執(zhí)行預定的測量或控制任務。一般這種控制系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的下位機，完成數(shù)據(jù)的采集。不同的是硬件部分除按需適當增減通道的數(shù)量外，一般不需作大的變動，所以使用比較靈活。一臺上位 SCC 微機可監(jiān) 督控制多臺 DDC 或模擬調(diào)節(jié)器，這種系統(tǒng)具有較高的運行性能和可靠性。它是計算機、控制器、通訊和顯示技術相結合的產(chǎn)物，多臺以微處理器為核心的控制器分散于整個生產(chǎn)過程各部分，整個系統(tǒng)采用單元模塊組 合式結構。 微機控制系統(tǒng)硬件 硬件是微機控制系統(tǒng)的基礎，在軟件的協(xié)調(diào)下實現(xiàn)生產(chǎn)的檢測與控制，硬件包括：主機，人機交互臺，傳感 器，模擬量輸入通道，執(zhí)行機構，模擬量輸出通道，接口電路和電源等。上電后立即進入監(jiān)控程序，各種程序均在監(jiān)控程序下運行。 (2)匯編程序、解釋程序和編譯程序 匯編程序用于把匯編語言程序變成計算機能夠認識和執(zhí)行的機器語言程序 (目標程序 )。應用軟件按照對系統(tǒng)功能要求 和完成任務的不同而不同，通常由用戶來編寫，可以分為兩類： (1)通用軟件 這類軟件是在微機控制系統(tǒng)軟件設計中經(jīng)常用到的。 12 PID 及新型 PID 控制算法簡介 PID 控制算法的理論基礎 PID(Proportional Integral and Differential)控制 是工業(yè)過程控制領域應用最早使用最廣泛的控制策略 [1213]，大部分工業(yè)過程控制仍然在使用“傳統(tǒng)”的 PID 控制 [14]，至今仍有 90％左右的控制回路具有 PID 結構。 (2)適用于多種截然不同的對象，算法在結構上具有較強的魯棒性。 簡單說來， PID 控制器各個校正環(huán)節(jié)的作用如下： 圖 21 模擬 PID 控制原理框圖 (1)比例環(huán)節(jié) 及時成比例地反應控 制系統(tǒng)的偏差信號 e (t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。但同時積分環(huán)節(jié)也是引起系統(tǒng)超調(diào)的主要原因。 數(shù)字 PID 算法 將模擬 PID 算法離散化得到數(shù)字 PID 位置式控制算法。 所謂數(shù)字 PID 增量式控制算法是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量?Un 。 (2)手動 /自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換。因此，在選擇時不可一概而論，一般認為以晶閘管作為執(zhí)行器 或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可采用位置式算法，而在以步進電動機或 電動閥門作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量式控制算法。這里我們介紹一下積分分離 PID 控制算法。引進積分分離 PID 控制算法，在適當?shù)臅r候加入或是去掉積分作用，既保持了積分作用，又減小了超調(diào)量，使得控制性能有了較大的改善。同時，隨著現(xiàn)代控制理論 (諸如智能控制、自適應控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng) 絡技術等 )研究和應用的發(fā)展與深入，為控制復雜無規(guī)則系統(tǒng)開辟了新途徑。例如，冶金、造紙工業(yè)中板材厚度的控制，加熱爐、窯爐的傳熱，化工、冶煉生產(chǎn)中物料傳輸，反應器的化學合成等等系統(tǒng)都存在純滯后。由文獻 [22]可知，一般工業(yè)溫度控制對 象都可以用一階系統(tǒng)表示其傳遞函數(shù)： 式中 為被控對象中不含純滯后部分的傳遞函數(shù) ， e?τs為被控 對象中純滯后部分的傳遞函數(shù)，τ 為純滯后時間。 (s)，即， 經(jīng)補償后系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 16 式 (29)說明，經(jīng)補償后，消除了純滯后部分對控制系統(tǒng)的影響，因為式中的 e?τs在閉環(huán)控制回路之外，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，拉氏變換的位移定理說明，e?τs僅將控制作用推移一個時間τ ，控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標都與對象特性為 GP (s)時完全相同。 要實現(xiàn) Smith 預估控制器，首先必須準確知道被控對象的傳遞函數(shù) ， 即控制方案需要被控對象的精確模型。 將圖 22 等效 簡化得到圖 23 原理框圖。 反應釜溫度控制系統(tǒng) 本課題要控制的 MMA 聚合反應主要是采用自由基聚合中的本體聚合。 原理如圖 24 所示。 最重要的控制算法子程序采用改進 Smith 預估算法－積分分離分段式抗飽和 PID 位置控制算法， Smith 預估算法采用的改進算法，如式 (222)到（ 226）所示， PID 采用積分分離、控制分段、抗飽和的位置式數(shù)字 PID 控制算法。 小結 本章首先介紹了目前應用的微機控制系統(tǒng)情況，同時闡述了課題相關的 PID 控制算法和預估控制算法 Smith 的改進算法。 10℃左右，加熱方式為電加熱，電阻絲功率為 4 kW，冷卻方式為自然冷卻。 內(nèi)因、外因，同時再加上熱系統(tǒng)的滯后，使得控制系統(tǒng)要達到很好的品質(zhì)，必須采取準確的測溫控制系統(tǒng)。 89C55 的性能如下 :與 MCS51 產(chǎn)品系列的指令兼容，片內(nèi)有 20 K 字節(jié)可在線重復編程快閃只讀存貯器，存貯器可循環(huán)寫入 /擦除 1000 次，存貯器數(shù)據(jù)保存時間長 10年，工作電壓范圍 V，工作時鐘頻率 030 MHz。 本系統(tǒng)選用 8 位單片機主要考慮以下幾個方面的原因： (1)溫度采樣屬于變化緩慢的信號，對控制器速度沒有什么特殊要求。 8 位機采用 ATMEL 公司的 89C55， 12 M 晶振。 MMA 聚合反應生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，有精餾、超濾、反應釜、真空泵、加壓泵、電磁閥、繼電器等等電磁干擾設備。預防性硬件抗干擾技術是設計系統(tǒng)時首選的措施，它能 有效抑制干擾源，阻斷干擾傳輸通道。 圖 32 看門狗電路原理圖 MAX813L 是美國 MAXIM 公司生產(chǎn)的低價格單片機監(jiān)控電路。 (3) V 門限值檢測器，用于電源故障報警、電池低電壓檢測或 +5 V以外的電源監(jiān)控。 (2)電壓電源干擾引起的系統(tǒng)復位 當電源受到干擾，使 VCC低于復位門限電壓 ( V)時， WD O端由高電平變?yōu)榈碗娖?，同時 RST 端輸出復位脈沖 (高電平 )，使系統(tǒng)復位，當干擾過后， VCC、 恢復正常再經(jīng)過 200 ms， RST 端恢復低電平 (無效 )，系統(tǒng)正常工作 ，此電路的響應時間約為 350 ms，可見該電路能監(jiān)測檢測到毫秒級的瞬間低電平干擾，從而可通過軟件制定相應的對策。鉑電阻溫度傳感器因穩(wěn)定性好、測量準確度高、量程范圍寬而被廣泛用作標準儀器。 21 圖 33 A/D 電路原理圖 由原理框圖可以看出，這種鉑電阻溫度測量方案是一開環(huán)系統(tǒng)，不形成正反饋，各功能部分的輕微變化對輸出顯示的影響不大，因而其穩(wěn)定性優(yōu)于常規(guī)的閉環(huán)反饋校正。電路配用的 Pt100 型鉑電阻，標稱值為 100 ?。它具有很強的抗工頻干擾能力，尤其適用于噪聲大、環(huán) 境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，是中低速精確數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和智能儀表裝置的理想接口芯片。高字節(jié)選通和低字節(jié)選通的控制信號 HBEN 和 LBEN 由 89C55 的 RD 信號、高位地址線 和 產(chǎn)生。目前國內(nèi)固態(tài)繼電器交流調(diào)壓 (功 )溫控電路常用相位控制和過零觸發(fā) PWM 控制方式。這種控制方式與相位控制方式相比，不但性能穩(wěn)定，工作可靠，同時具有體積小、安裝調(diào)試容易、維護方便等優(yōu)點，特別重要的是，負載上得到的電壓電流是完整的正弦波，基本上不存在電網(wǎng)波形的畸形和高頻感干擾。 PWM 脈沖波經(jīng)施密特觸發(fā)器 (波形整形器 )濾除電平附近由于干擾產(chǎn)生的振蕩成分，使波形規(guī)則化，同時起到驅動后邊負載的作用。 5 V雙電源供電的 D/A 轉換器芯片?？紤]到要與 max038 產(chǎn)生的三角波比較，所以 MAX530 工作在方式三，即雙極性方式，將 ROFS 連接到 REFIN端。單片機 與片選端 CS 相連， 、 通過非門驅動與高低位尋址 A A0 相連，這樣 D/A 的片選地 址為 7FFFH(低 8 位 )和 1FFFH(高 4 位 )。 MAX038 是美國 MAXIM 公司生產(chǎn)的高頻、高精度、低輸出電阻、 驅動能力強 (20 mA)的函數(shù)信號發(fā)生器芯片。 24 圖 37 MAX038 電路原理圖 波形設定端 A0、 A1 分別設定為 1 和 0(1 為高電平， 0 為低電平 )，此時輸出波形為三角波。放大器選用 LM318，連接如圖 37 所示。當 D/A 控制信號電壓為 + V 時， PWM 波輸出全為高電平，即占空比為 100%，當 D/A 控制信號電壓為 V 時， PWM 波全為低電平，即占空比為 0%。它為低功耗、低失調(diào)電壓比較器，具有全溫度范圍內(nèi)的失調(diào)電壓漂移低，輸入差動電壓范圍等于電源電壓，能與 TTL、 DTL、 ECL、MOS 等邏輯系統(tǒng)兼容等特點，在測量和控制領域用途廣泛。 圖 39 控制電路原理圖 施密特觸發(fā)器 由于生產(chǎn)環(huán)境干擾很多，同時 PWM 控制波經(jīng)過傳輸通道后往往發(fā)生波形畸變，波形的上升和下降沿將明顯變壞，出現(xiàn)附加噪聲。連接見圖 39。另外 ACSSR 內(nèi)設光 電隔離電路，可有效減少電網(wǎng)對微機的干擾。由于過零觸發(fā)通斷過程中都是完整的正弦波，電磁干擾 和浪涌電壓都非常小，所以本系統(tǒng)采用交流型過零觸發(fā)固態(tài)繼電器 (ACSSR)。 交流固態(tài)繼電器電路連接圖見圖 39