連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器

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1、連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（（（CSTR）））控制系統(tǒng)設(shè)計）控制系統(tǒng)設(shè)計1.前言連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（continuousstirredtankreactor，簡稱為CSTR）是聚合化學(xué)反應(yīng)中廣泛使用的一種反應(yīng)器，該對象是過程工業(yè)中典型的、高度非線性的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。在早期反應(yīng)釜的自動控制中，將單元組合儀表組成位置式控制裝置，但是化學(xué)反應(yīng)過程一般都有很強的非線性和時滯性，采用這種簡單控制很難達到理想的控制精度。隨著計算機技術(shù)和PLC控制器的發(fā)展，越來越多的化學(xué)反應(yīng)采用計算機控制系統(tǒng)，控制方法主要為數(shù)字PID控

2、制。但PID控制是一種基于對象有精確數(shù)學(xué)模型的線性過程，而CSTR模型最主要的一個特征就是非線性，因此PID控制在這一過程中的應(yīng)用受到限制。隨著現(xiàn)代控制理論和智能控制的發(fā)展，更加先進有效的控制方法應(yīng)用于CSTR的控制，如廣義預(yù)測控制，神經(jīng)模糊逆模PID復(fù)合控制，自抗擾控制，非線性最優(yōu)控制，基于逆系統(tǒng)方法控制，基于補償算子的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，CSTR的非線性H控制等。但任何一種復(fù)雜的化工反應(yīng)過程∞都不能用一種簡單的控制方式達到理想的控制效果。目前先進的反應(yīng)釜智能控制技術(shù)就是將智能控制理論和傳統(tǒng)的控制

3、方法相結(jié)合，如鐘國情、何應(yīng)堅等于1998年對基于專家系統(tǒng)的[1]CSTR控制系統(tǒng)進行了研究，宮會麗、楊樹勛等于2003年發(fā)表了關(guān)于PID參數(shù)自適應(yīng)控[2]制的新方法，馮斌、須文波等于1999年闡述了利用遺傳算法的尋優(yōu)PID參數(shù)的模型參考[3]自適應(yīng)控制方法等。但由于這些控制方法的算法比較復(fù)雜，在算法的工程實現(xiàn)、現(xiàn)場調(diào)試及通用型方面存在著局限性，因此研究一種相對簡單實用的CSTR控制方法，更易為工程技術(shù)人員所接受。本文在對CSTR過程及其數(shù)學(xué)模型進行詳細分析的基礎(chǔ)上，針對過程的滯后性，采用Smith

4、預(yù)估算法與PID控制相結(jié)合的方法實現(xiàn)CSTR過程的控制，該方法具有實用性強及控制方法簡單等特點，基于西門子PCS7系統(tǒng)完成了CSTR過程控制系統(tǒng)設(shè)計。2.工藝過程及數(shù)學(xué)模型分析2.1CSTR工藝過程分析CSTR在化工生產(chǎn)的核心設(shè)備中占有相當重要的地位，在染料、醫(yī)藥試劑、食品及合成材料工業(yè)中，CSTR得到了廣泛的應(yīng)用。在CSTR中，反應(yīng)原料以穩(wěn)定的流速進入反應(yīng)器，反應(yīng)器的反應(yīng)物料以同樣穩(wěn)定流速流出反應(yīng)器。由于強烈攪拌的作用，剛進入反應(yīng)器的新鮮物料與已存留在反應(yīng)器的物料在瞬間達到完全混合，使釜內(nèi)物料的

5、濃度和溫度處處相等。同樣，在反應(yīng)器出口處即將流出反應(yīng)器的物料濃度也應(yīng)該與釜內(nèi)物料濃度一致，因此流出反應(yīng)器的物料濃度與反應(yīng)器內(nèi)的的物料濃度相等。連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器中的反應(yīng)速率即由釜內(nèi)物料的溫度和濃度決定。2.2CSTR的數(shù)學(xué)模型分析CSTR是一個存在嚴重非線性的動態(tài)系統(tǒng)，針對該系統(tǒng)的建模、狀態(tài)估計和控制都存在著相當?shù)碾y度。一般常規(guī)的線性控制方法已不能滿足要求，為了提高其性能，必須采用先進的控制技術(shù)。本文針對某化工過程CSTR系統(tǒng)，在符合實際情況的條件下假設(shè)：系統(tǒng)物料混合是完全的；流出物料的體積等于流

6、入物料的體積；同時不失一般性，假定反應(yīng)釜中所發(fā)生的是一級不可逆放熱反應(yīng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。1圖1.CSTR系統(tǒng)模型在這里，采用一階不可逆反應(yīng)(A
B)非等溫CSTR系統(tǒng)作為研究對象(Morningred,1999)，其特性可由以下連續(xù)時間的非線性微分方程組來表示：Eq(?)RTt()Ca&=(Ca?Cat())?kCate()00vEk3q(?)(?)T&=(T?Tt())+kCate()RTt()+kqt()(1?eqtc())(T?Tt())012cc0v表1.CSTR參數(shù)表對象參數(shù)物理意

7、義名義值q過程流量100L/minv反應(yīng)器體積100Lk反應(yīng)時間常數(shù)710×5/min04ER/反應(yīng)激活能110×KT饋入溫度350K0T冷卻劑溫度350Kc05?H反應(yīng)熱?×210cal/molC，C質(zhì)量定壓熱容1cal/g/Kppcρ，ρ液體密度110×3g/lcH熱交換系數(shù)710×5cal/min/Kα2式中，Cat()是產(chǎn)品的平衡濃度，Tt()為反應(yīng)濃度，Ca是進料濃度(mol/L)，q為物0料流量，T，Tc分別為物料濃度和冷卻劑溫度；同樣，K，ER/，v，k，k，k，000123作為化學(xué)

8、反應(yīng)的系數(shù)在此時保持常數(shù)，其CSTR的參數(shù)如表1所示。CSTR的工作過程為：兩者化學(xué)物質(zhì)在CSTR中混合形成一種濃度為Cat()的化合物A，其混合溫度為Tt()。此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量會影響反應(yīng)速度，因此必須引入冷卻劑，其流量為qt()，帶走熱量，冷卻溫度，保證產(chǎn)品的濃度得以控制。c在這里，針對的是SISO系統(tǒng)，控制目標是使產(chǎn)品的濃度Ca在給定的范圍內(nèi)波動，操縱變量(即控制輸入)為冷卻劑流量q,狀態(tài)變量為[Ca,T]。c基于以上分析，由化學(xué)動力學(xué)和熱力學(xué)的知識可得到該系統(tǒng)較為