【正文】 往伴隨有物化反應(yīng)、生化反 應(yīng)、相變過程等，過程機(jī)理十分復(fù)雜。 本文全面的分析了反應(yīng)釜溫度變化的特點(diǎn)以及控制難點(diǎn)，在對(duì)反應(yīng)釜夾套加熱系統(tǒng)的傳熱原理系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)熱量平衡原理和反應(yīng)釜的熱量傳遞關(guān)系，采用機(jī)理建模和階躍響應(yīng)曲線方法建立了釜內(nèi)溫度的數(shù)學(xué)模型，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析驗(yàn)證了模型的有效性。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） I 摘 要 反應(yīng)釜是一種常用的化學(xué)反應(yīng)容器，其內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理較為復(fù)雜。研究通過控制其過程參數(shù)而控制化學(xué)反應(yīng)過程，以提高產(chǎn)品的收率和質(zhì)量的方法，對(duì)化工生產(chǎn)和生物制藥等工業(yè)很有實(shí)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞 ： 反應(yīng)釜 ； 串級(jí) 控制 ； MATLAB 仿真 ； 溫度 控制 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） II Abstract The reaction kettle is a kind of mon chemical reaction containers, its internal reaction mechanism is more plicated. Research through the control of its process parameters and the control of chemical reaction process, to improve the yield and quality products with the method of chemical production and biological pharmaceutical industry, etc have practical value. This paper analyzed the characteristics of the reaction kettle temperature change and control the difficulty, in the reaction kettle clip set of heating system of the heat transfer theory system on the basis of analysis, according to the quantity of heat balance principle and the reaction kettle of heat transfer of the relationship, using mechanism modeling and step response curve method to establish the mathematical model of temperature in the kettle, and the utilization of the data and the theoretical analysis verify the effectiveness of the model. Keywords: the reaction kettle； cascade control； MATLAB； the temperature control 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） III 目 錄 摘 要 .......................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................... II 第 1章 緒論 ............................................................................................................... 1 課題背景 ...................................................................................................... 1 課題的目的與意義 ...................................................................................... 1 第 2章 控制方案的確定 .......................................................................................... 3 反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)及工作原理 ......................................................................... 3 反應(yīng)釜釜底溫度特點(diǎn)分析 ......................................................................... 4 反應(yīng)釜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的確定 ............................................................. 5 方案比較 ...................................................................................................... 6 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ..................................................................... 6 串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) .......................................................................... 7 方案確定 ...................................................................................................... 8 本章小結(jié) ............................................................................................................. 8 第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ............................................................................................ 10 主、副調(diào)節(jié)器的選擇 ............................................................................... 10 主、副調(diào)節(jié)器的作用方式 ....................................................................... 11 溫度變送器 ................................................................................................ 12 調(diào)節(jié)閥的作用方式 .................................................................................... 12 本章小結(jié) ........................................................................................................... 13 第 4章 MATLAB 仿真設(shè)計(jì)及結(jié)果 ...................................................................... 14 模擬 PID 算法及規(guī)律 ............................................................................... 14 單回路控制系統(tǒng)仿真 ............................................................................... 16 串級(jí)控制仿真 ............................................................................................ 19 本章小結(jié) ........................................................................................................... 23 結(jié) 論 ....................................................................................................................... 24 致 謝 ....................................................................................................................... 25 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................... 26 附錄 1 譯文 .............................................................................................................. 27 附錄 2 英文參考資料 ............................................................................................. 36 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 1 第 1 章 緒論 課題背景 化工生產(chǎn)在我國的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有很重要的地位?；み^程的被控對(duì)象往往是高維 、大時(shí)滯、嚴(yán)重不確定與非線性等，控制起來非常困難。 研究化工生產(chǎn)過程自動(dòng)檢測(cè)和控制技術(shù)，是適應(yīng)當(dāng)代信息技術(shù)革命和信息產(chǎn)業(yè)革命的需要，也是提高生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)條件、保證安全生產(chǎn)的必然措施。因此對(duì)于智能化檢測(cè)和控制裝置的呼聲日益增高。因此，針對(duì)這種化工生產(chǎn)特點(diǎn)所進(jìn)行的智能檢測(cè) 和控制方面的 研究及產(chǎn)品開發(fā)將長期進(jìn)行下去，并不斷深化。它們不僅是化工生產(chǎn)過程質(zhì)量好壞的表征，而且在很多時(shí)候也是化工生產(chǎn)過程安全性 （ 例如是否爆炸、起火等 ） 的表征。 課題的目的與意義 反應(yīng)釜是化工生產(chǎn)中的一種十分常見的反應(yīng)容器。手工操作不僅操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度大，控制精度不高，且操 作不當(dāng)，極易引發(fā)安全事故。 在我國，目前也出現(xiàn)了一些反應(yīng)釜智能控制器的研發(fā)與應(yīng)用。后來有人使用 PLC 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 2 作為控制器，較大地提高了控制精度，但這種控制方式難以適用較復(fù)雜的過程控制，在通信和管理方面也存在很多缺點(diǎn)。在控制理論的運(yùn)用上，早期的反應(yīng)釜控制系統(tǒng)多為兩位式調(diào)節(jié)的單回路調(diào) 節(jié)系統(tǒng)，對(duì)于重要的環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)有串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 。間歇反應(yīng)釜通常用于液相反應(yīng)，如多品種、小批量的制藥、燃料等反應(yīng)。反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu)如圖 21所示 ,由攪拌容器和攪拌機(jī)兩 大部分組成。攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動(dòng)裝置等統(tǒng)稱為攪拌機(jī)。為了測(cè)量釜內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)，在罐內(nèi)裝有鋼制的套管，可將各種傳感器放入其中。當(dāng)釜內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)定的溫度時(shí)，保持一定時(shí)間的恒溫以 使化學(xué)反應(yīng)正常進(jìn)行，反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行冷卻。恒溫段是整個(gè)工藝的關(guān)鍵，如果溫度偏高或偏低，會(huì)影響反應(yīng)進(jìn)行的深度和反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，從而影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。也就是說，若某種擾動(dòng)使反應(yīng)溫度有所增加，反應(yīng)的速率就會(huì)增加，放熱速率也會(huì)增加，會(huì)使 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 4 反應(yīng)溫度進(jìn)一步上升，甚至?xí)稹熬郾爆F(xiàn)象，使釜內(nèi)的產(chǎn)品變成廢品，并且會(huì)影響安全生產(chǎn)。 為了使釜溫穩(wěn)定，在夾套中通以一定的冷卻介質(zhì)，來移走反應(yīng)放出的多余熱量。 本課題使用的是間歇式反應(yīng)釜。液位的控制主要在加入原料、物料等階段，在到達(dá)指定液位后，系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)料閥門。在分析對(duì)象的特性時(shí)，為了便于分析作了許多的簡化和假設(shè)，如：忽略了熱交換中的能量損失、忽略了反應(yīng)過程