连续搅拌反应釜系统的设计与仿真

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1、吉林化工学院信控学院毕业设计说明书吉林化工学院毕业设计说明书连续搅拌反应釜系统的控制器设计与仿真Controller Design and Simulation for CSTR注：学生学号为学院教务管理系统中确定的学生学号。阅后删除此文本框。学生学号： 11510210 学生姓名： 严新宇 专业班级： 自动1102 指导教师： 王 野 职 称： 工程师 注：“职称”是指指导教师的职称。若指导教师为多人，应按上面“指导教师”先后顺序，填写对应的职称。阅后删除此文本框。起止日期：2015.03.092015.06.26 注：专业班级规范，例如06级自动化专业1班：自动060106级计算机专业1班

2、：计算060106级电子信息工程专业1班：电信060106级测控专业1班：测控0601阅后删除此文本框。吉 林 化 工 学 院Jilin Institute of Chemical Technology摘 要连续搅拌反应釜（CSTR）是发酵、化工、石油生产、生物制药等工业生产过程中应用最广泛的一种化学反应器，其控制质量直接影响到生产的效益和质量指标。对连续搅拌反应釜通过控制内部的工艺参数，如温度、压力、浓度等稳定，保证反应的正常运行。本文针对连续搅拌反应釜的数学模型，应用泰勒展开得到了线性状态空间表达式，在此基础上设计了LQR控制器，仿真结果表明，控制效果令人满意。本设计将CSTR的非线性动态

3、模型进行了输入输出线性化，得到CSTR线性状态空间模型。设计出连续搅拌反应釜的极点配置控制器并对系统进行仿真。设计出连续搅拌反应釜的LQR控制器并对其系统进行仿真。并对两种控制方法的控制效果进行了比较。关键词：连续反应搅拌釜；LQR控制器；MATLAB仿真IAbstractContinuous stirred tank reactor (CSTR) is the most widely used in fermentation, chemical engineering, petroleum production, bio pharmaceutical and other industrial

4、 production process as a chemical reactor, control the quality directly affect the production efficiency and quality index. For continuous stirred tank reactor by controlling the process parameters, such as temperature, pressure, concentration and so on, ensure the normal operation of the reaction.

5、In this paper, based on a continuous stirred reactor mathematical model, the application of Taylor expansion is obtained for the linear state space representation, on this basis, design the LQR controller. Simulation results show that the control effect is satisfactory.In this paper, the nonlinear d

6、ynamic model of CSTR is linearized, and the CSTR linear state space model is obtained. The pole assignment controller for continuous stirred tank reactor was designed and the simulation of the system was carried out. The LQR controller of the continuous stirred tank reactor is designed and the syste

7、m is simulated. The control effect of the two control methods is compared.Key Words: Continuous Stirred Tank; LQR Controller; MATLAB Simulation3目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论21.1 课题背景及目的意义21.2 国内研究现状21.3 国外研究现状31.4 连续反应搅拌釜的控制技术41.5 仿真技术41.5.1 数字仿真概述41.5.2 MATLAB仿真软件81.6本设计的主要研究内容10第2章 连续搅拌反应釜的数学模型122.1 连续搅

8、拌反应釜结构122.2 连续搅拌反应釜仿真模型的建立142.3 非线性模型的线性化17第3章 极点配置控制器的设计与仿真193.1 极点配置193.2 极点配置控制器的设计193.2.1 极点配置控制算法193.2.2 CSTR极点配置控制器设计20第4章 LQR控制器的设计与仿真254.1 LQR控制器的介绍254.2 LQR控制器的原理254.3 LQR控制器的设计264.4 两种控制器效果对比29结 论31参考文献32附录 线性化程序33致 谢351第1章 绪论1.1 课题背景及目的意义连续搅拌反应釜是化工生产中的常用设备，同时又是典型的非线性被控对象。在发酵、化工、石油生产、生物制药等

9、工业生产过程中，发生反应的反应器起着非常重要的作用，也是工业生产过程中必不可少的工具，其操作状况直接影响着生产的效率和质量标准，近年来，非线性系统的控制理论也受到了广泛关注。由于化学反应类型不同，物料的相态不同，反应条件差别很大，按照反应器的进出物料的状况，可将反应器分为间歇式、半间歇式、和连续式，连续反应器是工业生产过程中最常用、最普遍采用的以上方式，连续反应器为了保证反应的正常进行，需要对反应器中的某些关键工艺参加如温度、压力、浓度灯进行控制使系统稳定，通常的控制使采用定值控制，从反应器的传热来分，又可分为绝热式和非绝热式反应器，按操作方式分，又可分为连续操作，间歇操作和半间歇操作。从结构

10、上分有釜式、管式、固定床和流化床等；釜式反应器又是工业上广泛采用的一种形式，可采用进行匀相反应，也可进行多相反应，如液固、气液、液液及气固液灯反应，釜式反应器内部有搅拌装置，可以使反应器中反应区的反应物料的浓度均一。连续搅拌反应釜内完成化工过程的特征参量一般为温度、浓度表现了化工过程本身的属性，这些属性都是化工生产过程质量生产好坏的重要标志，因此，通过测量并校正控制这些反应特这参数是化工生产过程质量的重要保证。1.2 国内研究现状1连续搅拌反应釜系统的建模方面徐用懋、范顺杰等运用动力学、相平衡和物料平衡原理，针对三井油化Hypol工艺建立了连续搅拌反应釜过程的机理模型，他们所建的模型较为成功地

11、对聚丙烯熔融指数的进行了预测，然后利用工业现场数据，得出了反应浆液丙烯的浓度、丙烯转化率和反应物的聚合反应热等重要参数；罗正鸿对连续搅拌反应釜系统的稳态进行机理建模，并分析研究了聚丙烯分子量和丙烯转化率与操作条件的变化之间的关系；使用结构逼近式混合神经网络，更好地对系统各变量之间的关系进行了描述，建立了连续搅拌反应釜系统的高精度数学模型；陈欠平通过对实际工业设备的研究，运用聚丙烯液相本体法建立了连续搅拌反应釜的动态和稳态数学模型，并通过仿真分析来研究连续搅拌反应釜系统输出与操作条件变化的关系；利用神经网络对连续搅拌反应釜系统进行机理建模使模型的精度得到了提高；针对工厂实际的连续搅拌3反应釜系统