模糊控制在间歇式反应釜自动控制中的应用-精品.docx

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1、题目：模糊控制在间歇式反响釜自动控制中的应用模糊控制在间歇式反响釜自动控制中的应用摘要间歇式反响釜是化工生产中一类非常重要的反响容器，其内部化学反响机理复杂，且其本身又具有较大的时变性、非线性和时滞性。目前在不少间歇工业生产过程中，仍大多采用手动或半自动控制，整体自动化水平较低。本文主要研究了间歇过程的温度控制策略，全面分析了间歇式反响釜温度变化的特点及控制难点。本文在参阅大量的中外文献并结合实际控制要求的根底上，对基于模糊控制的间歇反响釜温度计算机控制系统进行了理论研究和工程设计，将PID控制和模糊控制结合起来，提出一种智能复合控制方案，并给出了详细的分析步骤和控制算法。同时对常规PID控制

2、和模糊-PID复合控制策略进行比较论证和仿真研究，仿真结果说明该模糊-PID复合控制器应用于间歇式反响釜的温度控制回路，取得了理想的控制效果。本文所提出的模糊-PID复合控制策略，不需要被控对象的精确数学模型，在大滞后、参数不确定和惯性大的间歇反响釜控制系统中工作稳定、可靠性高、适应性好、鲁棒性强。同时这种方法对其它的大滞后，特性参数不确定等控制对象的控制问题都有很好的参考价值。关键字：间歇式反响釜;模糊-PID;自动控制ApplicationStudyofFuzzyControlintheBatchreactorAbstractBatchreactorisaveryimportantvess

3、elinchemistryindustryproduce.thereactionmechanisminitiscomplicated.becauseofmultiplecontrolledobjectsandbigtime-variant.Non-Iiner,time-delay,atpresentjotsofbatchproductionalsousemanusorhalfautomationoperation,theleveroftheautomationisverylover.Thepapermainlydiscussedbatchreactortemperaturecontrolpol

4、icy.generalanalysisbatchreactortemperature,scharacteristicandcontroldifficulty.Thepaperreferencestoalotofliteratureandusefuzzycontroltobatchreactortemperaturecontroltheorystudyandprojectdesign.PIDcontrolandfuzzycontrol.Bringforwardaintelligentcomplexcontrolschemeandgivethedetaileddesign.SimulatetheP

5、IDcontrolwithmatlab,andthenapplythiscontrollertothebatchreactortemperaturecontrol,andgettheperfectcontroleffect.Theexperimentsshowthatthecontrolsystemoperatessteadilyandhavehighfunctionalreliability,andthatthealgorithmdoesn,tneedtheaccuratemathematicalmodeloftheobjectandhavegoodflexibility,operation

6、alcapabilityandhighrobustness.Atthesametime,thiscontrolmethodhasthegoodreferencevaluetootherobjectofbigdelayvariableparameter.KeyWordsiBatchreactor;Fuzzy-PID;autocontrol目录摘要IAbstractII第一章引言11.2间歇式反响釜控制技术现状1基于模型的预测控制2神经网络控制2模糊控制3自适应控制31.3模糊控制理论的开展及应用4模糊复合控制5自适应和自学习模糊控制6专家模糊控制6基于神经网络的模糊控制71.4本文的主要工作7第

7、二章控制原理简述92.1PID控制理论92.1.1PlD控制的原理和特点9位置式PlD控制算法9增量式PlD控制算法112.1.4PID控制器的参数整定122.2模糊控制理论13模糊控制的根本思想13模糊控制系统的组成14模糊控制器的设计原理15第三章反响釜总体结构及过程特性分析233.2 间歇生产特性分析253.3 间歇反响操作流程27第四章反响釜模糊-PlD复合控制器分析与设计304.1 模糊控制器设计30模糊控制器的结构设计30模糊控制器规那么的设计33求模糊查询表344.2 模糊-PID复合控制器设计364.3 模糊-PID复合控制器的几个重要问题37模式切换阀值的合理选取37模式切换

8、瞬间系统输出问题37第五章模糊-PlD复合控制系统仿真研究385.1 模糊控制系统仿真385.2 PID控制系统仿真395.3 模糊-PID复合控制系统仿真405.4 仿真结果分析40第六章结束语42参考文献43致谢45第一章引言1.1 课题研究的背景和意义为了适应产品多样化的市场需要，批量生产的控制问题就成为当前控制理论与控制工程领域研究的热点。就目前开展趋势看，由于间歇式反响釜具有生产灵活、附加值高等柔性批量生产的特点，在精细化工及生物制药等方面得到了广泛的应用。而间歇反响釜是高度非线性系统，包括了所有批量过程控制的难点，影响其控制品质的因素较多，如外界条件、原料纯度、催化剂的类型、原料添

9、加数量的变化、循环水或加热蒸汽温度、流量的变化等，同时系统本身具有较大的时变性、非线性和时滞性，控制起来非常困难。研究反响釜内化工生产过程的自动检测和控制技术，是适应当代信息技术革命和信息产业革命的需要，也是提高生产效率、改善劳动条件、保证平安生产的必然措施。由于许多化学工业、生物制药工业具有规模小、产品更新换代快、各种化学反响过程差异大的特点，对多数的反响釜而言，缺少成熟、通用、制式化的智能控制设备。因此研制适合于小规模反响釜的低本钱、控制简便的智能控制器具有重要的理论和现实意义。1.2 间歇式反响釜控制技术现状早期的反响釜控制多为位式调节的单回路调节系统，对于重要的环节设计有串级调节系统。

10、后来人们越来越多地使用PID控制，它的算法简单易于实现，控制效果较以前也有很大提高。但是，由于Pn）控制对于具有精确数学模型的线性过程，可以取得良好的控制效果，而间歇反响过程分为多个阶段，每个反响阶段都有明显不同的特性，且反响釜本身具有非线性和时滞性等特点，其过程模型一般很难建立，故PID控制难以满足反响釜的过程控制要求。随着控制理论的开展，尤其是智能控制理论的开展，人们开始研究智能化的反响釜过程控制装置，各种智能控制方法，如专家系统和专家控制、模糊控制、神经元网络控制、遗传算法等，都己在反响釜控制中有所应用。目前最先进的反响釜智能控制系统多采用将先进的智能控制理论与传统的控制策略相结合的方法

11、，比方直接使用模糊控制的反响釜温度控制方法、PlD参数自适应的模糊控制方法、Smith-模糊控制方法、基于神经元网络的直接自适应控制、用遗传算法寻最优PlD参数来控制非线性系统的模型参考自适应控制方法等。下面简述几种应用于间歇过程的控制方法：1.2.1基于模型的预测控制模型预测控制是一种基于模型的闭环优化控制策略.其算法核心是使用可预测过程未来行为的动态模型，和引入模型误差的反响校正机制，采用滚动式的有限时域优化策略，反复在线优化局部目标，以得到一个顾及了模型失配和干扰引起的不确定性的符合实际的最优控制。模型预测控制具有控制效果好、鲁棒性强等优点，并能方便地处理过程被控变量和操纵变量中的各种约

12、束。1.2.2 神经网络控制人工神经网络作为建模工具，不需要预先对模型的形式结构和参数加以限制，只需根据实际过程的运行数据就可自动寻找输入与输出的映射关系，因此神经网络对未知和熟知的系统都能建模。在实际控制应用中，常采用一种基于反响神经网络的预测控制，将两个神经元网络串联起来进行外部反响，产生一个状态空间的映射。在噪音、干扰、不可预测过程变动存在的情况下，可靠性和精确性不断提高。文献1将基于反响神经网络模型预测控制器应用于间歇式化学反响器的模型预测控制，并将其与传统的前馈神经元网络的预测器的控制性能进行了比照，在各种操作条件和干扰下的结果证明了此种方案的优越性。文献2中提出了一种混合ANN模型

13、的预测控制方法，将一个神经网络模型和过程数学模型组织，并将其用于间歇式聚合反响过程。结果说明此模型比传统方法的“黑箱”模型具有更大优越性。基于上述的思想，有人又提出了将多个神经网络与简化机理模型相结合的混合层叠式神经网络模型预测控制，并将其用于间歇式聚合反响。在此种混合ANN模型的预测控制中，神经网络的训练数据是将聚合物质量的样本数据经3次样条插值后产生的。与基于混合单一神经网络的预测控制相比，此种预测控制具有更好的鲁棒性。1.2.3 模糊控制影响间歇聚合反响过程的因素很多，因非线性、时滞、时变、反响机理复杂等因素，用常规控制方法难以有效控制。然而，具有丰富经验的操作员却能运用人所特有的观察、

14、推理和学习能力，通过直觉可以平安而有效地对反响过程进行控制。因此，提炼和恰当地表达这些经验，将其与常规的控制理论互补地有机结合起来，可以有效地提高聚合反响过程的控制水平。模糊控制的最大特征是它能够将操作者或领域专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规那么，然后用这些规那么去控制系统。它具有高度的仿人智能特性、不依赖精确数学模型的特点，是解决间歇聚合反响过程控制问题的一种有效方法。文献3以间歇聚丙烯反响器为对象，参考熟练操作工的控制经验，将模糊控制和常规的位式控制、PID控制方法结合起来，提出一套智能复合控制方案，得出了较好的实验结果。文献4给出了基于规那么的TakagiSUgenO的比例

15、一微分模糊控制算法在间歇式苯乙烯聚合反响器控制中的仿真研究情况。文献5主要针对聚合反响釜的大惯性、大时滞特性进行多种模糊控制方案的研究。根据模糊控制本身的特点，有效地克服实际系统中的非线性及干扰，而且完全符合系统的工作过程。1.2.4 自适应控制自适应控制是先进的辩识技术与现代控制理论相结合的产物,在历史上已有近50年的历史。当对被控过程的本身特性及其外部环境了解不多，或者它们在运行过程中有变化时,设计一种高性能的控制系统，能根据对象实际运行情况自动调节控制规律，以到达实时控制的目的。现在较为成熟的自适应控制主要为以下几种，PlD参数自整定自适应控制、模型参考自适应控制、无模型自适应控制等，并

16、已经实际应用于间歇化学反响器的温度生产控制当中。另外，从系统结构来看，早期的反响釜自动控制装置主要采用单元组合仪表组成控制系统，然而由于反响过程存在严重的非线性和时滞特性，简单的位置式控制不仅较难到达预期精度，局部场合还因超调过大而导致生产产品失败。后来有人使用PLC作为控制器，较大地提高了控制精度，但对于复杂的过程控制，那么显得力不从心，在通信和管理方面也存在很多缺点。目前广泛应用于间歇反响釜生产过程控制装置为集散控制系统(DCS)。它把分散的、单回路的测量和控制系统用计算机进行统一管理，用各种I/O板卡代替控制室的各种仪表，利用计算机的强大功能，对工业生产过程集中进行实时检测、控制、参数调节、报警显示和存储历史数据等操作。随着网络与通信技术的开展，总线的出