山东大学硕士学位论文目 录摘 要1ABSTRACT2第1章 绪论11.1 选题来源和研究的背景、意义11.2 国内外反应釜温度控制技术的现状21.3 反应釜温度过程分析31.3.1 反应釜组成及工作原理31.3.2 反应釜温度过程分析51.4 课题主要研究内容和关键问题71.4.1 主要内容71.4.2 关键问题81.4.3 控制指标9第2章 控制方案分析102.1传统PID控制算法102.1.1 PID控制算法原理及特点102.1.2 数字PID控制算法及其特点112.1.3 饱和作用及其抑制132.1.4 PID参数的选择132.2 新型PID控制算法152.2.1 智能PID控制种类及应用152.2.2 专家PID控制162.3 带Smith预估器的PID控制算法172.4 前馈控制192.5 控制方案确定20第3章 模型参数辨识与算法仿真213.1 反应釜模型参数辨识213.2 基于反应釜模型的算法仿真22第4章 反应釜温度控制系统设计264.1 芯片介绍264.1.1 核心芯片C8051F020的特点264.1.2 其他主要芯片介绍274.2 硬件电路分析284.2.1 测温电路284.2.2 调压模块电路304.2.3 液晶接口电路304.3 下位机软件设计314.3.1 主程序324.3.2 控制算法子程序334.3.3 PT100的非线性处理354.4 上位机软件设计374.4.1 上位机功能模块组成374.4.2串口通讯实现394.4.3 数据库管理41第5章 实验与总结435.1 前馈补偿电压测量435.2 实验445.2.1 实验一445.2.2 实验二465.2.3 实验三475.3 总结48第6章 结束语49附录一 反应釜温度控制实验的部分数据50附录二 主程序和部分子程序51参考文献59致 谢61CONTENTSChinese Abstract1English Abstract2Chapter 1 Introductions11.1 Background and Signifinace of Reactor Study11.2 Situation of Reactor Temperature Control at Home and Abroad21.3 Analysis of Reactor Temperature Process31.3.1 Constitute and Working Principle31.3.2 Reactor Temperature Process51.4 Contents and Key Problems of this Paper71.4.1 Contents71.4.2 Key Problems81.4.3 Control Index9Chapter 2 Analysis of Control theory102.1Traditional PID Control102.1.1 PID Theory and its Features102.1.2 Digital PID Theory and its Features112.1.3 Saturation and Restrain132.1.4 Parameters Selection of PID Control132.2 New Patten PID Control Theory152.2.1 Classes and Application of Intelligent PID Control152.2.2 Expert PID Control Theory.162.3 PID Control Theory with Smith Forcast172.4 Feed Forward Control192.5 Detemined Control Strategy20Chapter 3 Parameters Identification of Model and Simulation213.1 Parameters Identification of Reactor Temperature Model213.2 Algorithm Simulation based on Reactor Temperature Model22Chapter 4 Design of Reactor Temperature Control system264.1 Introduction of Chips264.1.1 Features of core Chip C8051F020 MCU264.1.2 Introduction of other Chips274.2 Analysis of Hardware Circuits284.2.1 Temperature Dectection Circuit284.2.2 Voltage Ragulation Circuit304.2.3 LCD Interface Circuit304.3 Software Design of lowwer Controller314.3.1 Main Program324.3.2 Subprogram of Control Algorithm334.3.3 Nonlinearity Processing of PT100354.4 Software Design of upper Computer374.4.1 Constitution of upper Computer Function Moduls374.4.2Realization of Serial Communication394.4.3 Management of Database41Chapter 5 Experiments and Summary435.1 Measurement of Feed Forward Voltage435.2 Experiments445.2.1 Experiment 1445.2.2 Experiment 2465.2.3 Experiment 3475.3 Summary48Chapter 6 Conclusion49Appendix 1 Part of Experiment Data.53Appendix 2 The Main and Part of Subprogram Code.55References59Thanks6162摘 要反应釜是化工生产过程中一种重要的反应容器，其内部机理复杂，因反应物种类、浓度等因素不同伴有不同的吸、放热过程，对温度过程的控制影响较大，是典型的大惯性、大滞后、非线性系统，控制起来非常困难，传统控制算法很难在反应釜的温度控制上得到满意的效果，从控制的角度来看，反应釜属于最难控制的过程之一。以反应釜的温度作为被控对象，在分析了反应釜工作过程的能量转移的基础上，给出了反应釜温度过程的数学模型，并通过阶跃响应建模法，对反应釜温度过程模型进行了参数辨识，得出反应釜温度过程的传递函数。针对传统控制方法无法满足具有大惯性、大滞后的反应釜温度的高精度控制，提出了专家PID与前馈-Smith控制相结合的控制算法，并在MATLAB/Simulink下对算法进行了建模、仿真，仿真图形以及下面的实验结果都验证了该算法对大惯性、大滞后系统控制的有效性。在此基础上，设计了以C8051F020单片机为核心的上、下位机相结合的反应釜控制系统，通过RS-485进行上、下位机的串行通信。下位机控制器是整个控制系统的核心，它具体地实现控制算法对反应釜温度的控制，还包括按键、LCD显示、扩展存储器存储、温度数据测量、算法运算、调温电压输出以及和上位机串行通讯等功能；上位机采用VB6.0进行软件编程，包括对下位机发送控制命令、接收数据并显示存储、数据库管理等功能，有了上位机就可以存储大量的温度测量数据，并对历史温度数据的变化分析、总结控制算法的控制效果。上、下位机的结合提高了人机交互的智能性。在该反应釜控制系统上，分别采用传统PID控制算法和专家PID与前馈-Smith控制相结合的控制算法进行反应釜温度控制实验，并通过上位机提取历史数据绘制温度响应曲线图，实验结果表明专家PID与前馈-Smith控制相结合的控制算法可以克服大惯性、大滞后的影响，实现对反应釜温度过程的快速、精确控制。关键词：反应釜；专家PID控制；前馈-Smith控制；C8051F020单片机；串行通信ABSTRACTReactor is a kind of important reaction vessel in chemical industry, which is difficult to control. Reactor is complex inside and influenced by reaction material species and density severely with endothermic and exothermic processes. Traditional control algorithm cannot control reactor temperature effectively, and from the view of control, reactor is one of the most difficult processes.Take Reactor temperature as the controlled variable, and based on the analysis of the energy transport of reactor work process, the mathematical model of reactor temperature is obtained. By analyzing the step response of reactor temperature, the parameters of reactor temperature model is measured. For traditional control theory is not suitable for system with great inertia and pure delay, combination of expert PID and feed forward-Smith control algorithm is proposed and modeled in MATLAB/Simulink to simulate. Simulation and the latter experiments results show the algorithm is effective to control system with gr