基于化学反应釜过程控制系统-水温控制.docx

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审定成绩：

大学

自动化学院

过程控制系统课程设计报告

设计题目：基于工业化学反响釜的温度控制系统设计

指导教师：老师

单位〔二级学院〕：自动化学院

专业：自动化

学生姓名：

设计时间：2023年6月

自动化学院制

基于过程控制反响釜温度控制系统设计

摘要：温度是化学反响釜生产过程中对反响过程影响最重要的的因素之一，温度的控制精度、系统响应速度及稳定度是衡量温度系统性能指标的关键因素，准确地控制反响釜内原料在不同温度下进行化学反响具有重要意义。首先，本系统对反响釜的温度进行分析，得出了冷剂流量对反响釜内温度的传递函数。其次，通过单片机，利用继电器、DS18B20温度传感器、LCD液晶显示屏等设计了对反响釜进行加热与降温来实现反响釜温度控制的具体电路和实时系统，对实际化学反响过程中的温度变化进行模拟，并利用经典控制理论中的PID算法得到反响时的最优控制，并给出了详细的分析步骤和控制算法。最后，通过组态软件对整个化学反响过程进行实时监控的模拟。

关键词：温度控制PID单片机组态王

一、背景及国内外研究现状

1.1问题研究背景

在化工生产过程中,连续反响釜是一种常用的、重要的反响容器。其化学反响机理较为复杂,受到外界条件、原料纯度、催化剂的类型等诸多因素的影响，所以难以建立精确的数学模型,致使整套设备的自动化水平较低。而且在反响釜中进行的反响一般属于放热反响,反响放热量大,传热效果却不理想,因此反响釜内温度一般具有大滞后、非线性等特征。针对反响釜内温度变化的特点,设计良好的温度控制系统是保证产品质量的关键。

在我国，尽管大中城市的科学技术和工业自动化的开展比拟快，但是在众多的小城市与农村地区由于经济不够兴旺，政府扶持力度不够，存在许多不太平安的小规模化工生产工程，给人们的人生平安与财产平安带来了一定的威胁。所以，如何更平安的进行化工生产已经成为了政府和各种研究机构亟待解决和完善的事。

1.2国内外研究现状

目前关于反响釜温度控制系统设计问题国内外都有一些研究，并且已经根本满足了工业需求。如Shinskey与Weinstein提出的双模控制(dual-mode)，采用bang-bang+PID控制，其大致步骤为：过程开始时，全力加热，直至反响釜温度距其设定值为t1度，然后全力冷却，持续TD1分钟，此后，将夹套水温设定值定在某个适宜的中间温度，持续TD2分钟，最后，用串级PID控制器控制夹套水温度。如果参数选择得当，双模控制是有效的。

ArthurJutan与AshokUppal提出将反响热作为一种扰动，采用适当的方法估计出来，用前馈控制抵消；余下的局部近似为线性系统，可以用PID控制。Barry与Sandro采用GMC方法控制反响釜温度，得到了很好的仿真结果，并且进一步考察了操作条件与过程参数变动时被控过程的鲁棒性，发现GMC的鲁棒性明显强于双模控制。

为适应化工生产的新特点，一些过程控制领域中的新技术正在由理论研究转向生产践，如信息综合处理技术、现场总线控制系统、各种智能控制技术、软计算技术和快速仿真技术、多媒体技术等。过程控制采用的技术工具，由基地式仪表、气动单元式组合式仪表、电动单元组合式仪表Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型，开展到现在的可编程单回路、双回路、三回路调节器和分散综合控制系统(DCS)。当前，传统的DCS正借助于微处理器硬软件和通信网络技术，朝着标准化、开放化和尽量采用市场通用的优良硬、软件的方向，逐渐地、相互融合地向开放的DCS开展。如Honeywell的TPS，它采用通用的软件将企业的internet网与局部控制网、通用控制网和系统总线连接在一起，配备各种平台、操作站以满足不同层次使用人员的要求。另外，最近开展起来的现场总线网络控制系统(FCS)也是一种新的开放式的分布式控制系统。它把专用封闭协议变成标准开放协议，使系统共有完全数字计算和数字通信能力：在结构上，采用了全分布式方案，把控制功能彻底下放到现场，提高了系统灵活性和可靠性：它突破了集散型控制系统DCS中采用专用网络的缺陷。因此对于现场总线的工业控制系统研究具有重大的意义。据报道，美国犹他州盐湖城Flying炼油厂、孟山都化工厂、我国安庆安菱化工厂、吉林油田甲醇厂已采用FCS，取得了明显的经济效益。专家估计，FCS将在石化行业得到广泛的应用。

二、化学反响釜的过程分析

所谓过程系统是指研究一类以物质和能量转换为根底的生产过程。为了进一步改善工艺操作，提高自动化水平，优化生产过程，加强生产上的管理，需要研究这类过程的描述、设计、模拟、仿真