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摘 要

反应器是化学工业中十分常见的典型设备，种类有很多。间歇反应器是将反应物一次加入，经过一定反应时间后取出所有物料的一种反应器。间歇反应器因其使用灵活、投资成本低等优点，从十七世纪化学工业之初至今，一直被广泛使用着。由于间歇反应的复杂性和无法在线测量反应物组分，因此，间歇反应器的控制基本上就是一个温度控制问题。对间歇反应温度的有效控制对于保证产品质量，保障生产安全起着至关重要的作用。尤其是在间歇生产方式仍然被广泛应用的今天，控制策略的研究有着非常重要的意义。间歇过程单元的的控制目的是在设定的工艺轨线下，在不违反操作条件和约束的情况下完成对其快速、准确的跟踪。由于间歇过程单元的操作条件有很大的时变性和高度的非线性，使得间歇过程单元的控制一直被认为是化学工业中的一项困难和具有挑战性的课题。本次毕业设计就是要设计间歇反应器的温度控制方案，通过MATLAB软件模拟间歇反应器的温度控制过程。研究内容如下：

首先，对间歇反应器的工艺流程及其特性进行分析，包括反应的工艺过程以及温度对反应速度和化学平衡等的影响。其次，建立反应器的严格机理数学模型，并在MATLAB中实现。再次，根据特定的工艺要求设计反应器的温度控制策略；通过尝试不同的控制策略，如传统PID控制，使温度控制满足要求。最后，利用MATLAB软件进行模拟仿真，了解分析不同的控制策略的优劣，然后确定最优的控制策略，并绘制控制策略图。

关键词：间歇反应 MATLAB机理建模 PID控制 串级控制

Batch reactor temperature control system design and simulation

Abstract

The reactor is a common typical equipment in the chemical industry. And there are many types of reactor. The batch reactor is a type of reactor that reactants are added in once in a batch cycle and remove all materials after a certain reaction time. Because of its flexibility and low cost investment, batch reactor has been widely used since the beginning of the chemical industry in the seventeenth century. The batch reactor is complex and reactant components cannot be on-line measured, therefore, batch reactor control problem is essentially a temperature control problem. Good control performance plays an important role for products quality and system security. Especially today when batch production industries are still widely used, the research of control strategies for batch process is significant.The aim of batch control strategies is to track the pre-set trajectory in a fast and exact way under the limit of operation condition and restriction. Because of inherent nonlinear and time-variant property in batch reaction process, its control system design is always a challenge work. This thesis is to design a batch reactor temperature control solution, and simulate batch reactor temperature control process by MATLAB. Studies are as follows:

Firstly, we analyze the batch reactor process and its characteristics, including reaction process and effect of temperature on reaction rate and chemical equilibrium. Secondly, we build a strict mathematical model of the reactor and implement in MATLAB. Thirdly, according to the specific requirements of process, we design reactor temperature control strategy. By trying different control strategies, such as Traditional PID control, we make temperature control meet the requirements. Finally, we use MATLAB to simulate control process, analysis pros and cons of different control strategies, determine the optimal control strategy, and draw control strategy figure.

Key Words:Intermittent reaction;MATLAB modeling mechanism;PID control; Cascade control

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 间歇反应过程控制研究现状 2

1.3 间歇反应器温度控制要求 3

1.4 设计内容 5

第二章 间歇反应器机理建模与程序实现 6

2.1 连串间歇反应过程工艺 6

2.1.1 间歇反应过程 6

2.1.2 一类理想半间歇反应过程工艺 7

2.2 反应机理的数学模型 10

2.3 MATLAB模型程序实现 11

2.4 本章小结 13

第三章 间歇反应单闭环控制方案设计与实现 14

3.1 引言 14

3.2 单回路PID控制 14

3.2.1 单回路的介绍 14

3.2.2 单回路的控制原理 15

3.2.3 模拟控制算法的数字化 15

3.2.4 PID的作用 18

3.2.5 单回路简单控制方案 19

3.3 控制参数整定方法 20

3.3.1 控制参数完全经验法 20

3.3.2 控制器参数的半经验整定法 20

3.4 仿真与分析 22

3.5 本章小结 25

第四章 间歇反应温度串级控制系统的设计与实现 26

4.1 串级控制 26

4.1.1 概念 26

4.1.2 串级控制的优点 26

4.2 串级控制设计准则 28

4.3 串级控制方案 30

4.4 系统仿真与分析 32

4.5 本章小结 34

结束语 35

参考文献 36

致谢 38

附录1 单回路控制MATLAB程序 39

附录2 串级控制MATLAB程序 42

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

随着我国经济的发展，高分子聚合材料在各个领域得到了广泛的应用，社会的发展和科技的进步对聚合物材料质量的要求越发苛刻，同时也对聚合物的产品质量和生产过程自动化提出了更高的要求,比如碳纤维的生产研制，在影响聚合反应的参数(如温度、压力、流量、速度等)中,最重要的是反应器的温度控制,其控制品质直接影响产品质量和产量，半间歇式反应釜具有时变、非线性、反应机理复杂等特点,一直是过程控制领域的研究热点。但单纯的经典控制理论难以在聚合反应器温度控制上取得好的控制效果,所以建立起反应过程的数学模型并对生产过程进行仿真研究,对于实现聚合反应过程的先进控制具有重要的理论和实际意义。

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