连续搅拌反应釜系统的设计与仿真分析
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1.Hale Waihona Puke Baidu
在早起反应釜的自动控制中，将单元组合仪表组成位置式控制装置，但是化学反应过程表表现出很强的非线性和对滞性，采用这种简单控制很难达到理想的控制制度，随后的PLC控制器较大的提高了控制精度，但是对于较复杂的控制过程，这种控制方式在通信和管理方面存在不足，随着PID控制技术的发现，越来越多的化学反应釜都用PID控制，但是PID控制技术是控制对象有精确模型的线性过程，而连续搅拌反应釜模型一个最主要的特征就是非线性，因此PID控制技术在复杂的过程中有很大缺陷，随着控制理论的发展和研究深入，更加先进有效的控制方法应用于连续反应搅拌釜的控制，如广义预测控制，基于逆系统方法控制，基于补偿算子的模糊神经网络控制，连续反应搅拌釜的非线性H控制等。
在认识仿真之前，首先要了解与仿真相关的两个概念：系统与模型。
现在，仿真技术成已为各个国家重点发展的一门高新技术，从某种角度上，它代表着一个国家的科技实力的强弱，同时在某些方面也制约着一些国家的现代化建设和发展。
从理论上讲，我们日常生活中以及自然界中碰到的一切问题，都可以利用计算机进行模拟。因此，要跟上时代的发展要求，学习和了解一定的仿真技术是必要的。
1．系统与模型与仿真
在系统的规划、设计、运行、分析及改造的各个阶段，仿真技术都可以发挥重要作用。随着研究对象的规模日益庞大，结构日益复杂，仅仅依靠人的经验及传统技术难以满足愈来愈高的要求。基于现代计算机及其网络的仿真技术，不但能提高效率，缩短研究开发周期，减少训练时间，不受环境及气候限制，而且对保证安全、节约开支和提高质量尤其具有突出的功效。
1.3
1．连续搅拌反应釜系统的建模方面
Gupta等于1992年提出了基于聚合多粒子模型的连续搅拌反应釜系统模型，根据该模型我们可以得出产率、聚合变化趋势以及聚合产物的分子量，同时也指出了聚合分散度与产率随着反应停留时问增加而变化的趋势，依据这一趋势他们解决了模型计算时间长的问题，提出了一种改进的模型计算算法。根据实际生产状况，Pinto和Mattos建立了溶剂法连续搅拌反应釜系统的丙烯聚合稳态数学模型并对该模型进行仿真研究，结果表明实际生产数据与该模型的计算输出误差很小，Soare对多个反应釜串联的烯烃聚合建立了动态数学模型，对模型的仿真研究验证了该模型的合理性；通过使用模糊聚类的方法，动态地建立了连续搅拌反应釜系统的数学建模，提
Key Words: Continuous Stirred Tank; LQR Controller; MATLAB Simulation
第1章 绪论
1.1
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。
Continuous stirred tank reactor (CSTR) is the most widely used in fermentation, chemical engineering, petroleum production, bio pharmaceutical and other industrial 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. 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.
随着控制理论的不断深入和发展，对连续反应搅拌釜的控制技术也会不断地改进和提高。
1.
1.5.1 数字仿真概述
仿真技术作为一门独立的科学已经有50多年的发展历史了，他不仅用于航天、航空、各种系统的研制部门，而且已经广泛应用于电力、交通运输、通信、化工、核能等各个领域。特别是近20年来，随着系统工程与科学的迅速发展，仿真技术已从传统的工程领域扩充到非工程领域，因而在社会经济系统、环境生态系统、能源系统、生物医学系统和教育系统也得到了广泛的应用。
反应釜系统，杨爱新对该对象进行动态机理建模，建立的模型符合现场实际的情况，同时利用该模型来研究当操作条件改变时，聚合物体积浓度百分比、反应物浓度、反应速率、冷却水出口温度以及反应体系温度的变化。
2．连续搅拌反应釜系统的控制方面
雷佳等充分利用遗传算法的寻优特性，提出了一种与PID控制相结合的遗传寻优算法，明显地提高了控制效果；以工业现场实际情况为背景，通过改进跟踪微分器，设计了一种二阶白抗扰控制方法，明显提高了工业现场连续搅拌反应釜的控制效果；朱学峰根据连续搅拌反应釜系统的非线性特性，提出了基于混合模型的非线性预测控制策略，此混合模型由非线性和线性两个部分组成，通过其仿真也可看出实际输出与模型输出误差较小；吴伟林提出了一种基于神经元网络的自适应控制方法，该方法有效改善了反应釜温度的大时滞问题，能够对反应釜温度进行有效地控制；刘士荣应用了一种模糊逆模一PID与神经网络相结合的复合控制策略，对反应釜温度控制获得了良好的控制效果；韩光信等提出了应用于连续搅拌反应釜的非线性鲁棒控制，对开车过程进行了优化；针对连续搅拌反应釜系统，贾爱民提出了一种鲁棒控制算法，该算法具有较强的适应性能和较强的抗干扰能力，能够满足实时控制的要求。
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
高了模型的精度；Zacca等对丙烯聚合反应进行动态数学建模，通过计算得出了物性传递等参数，而且利用这些参数对该模型进行仿真分析。
2．连续搅拌反应釜系统的控制方面
Minesh利用径向基函数神经网络来在线控制连续搅拌反应釜系统，此算法有极强的适应性；S.S.Ge提出了神经网络自适应控制，用多层神经网络构造隐式反馈线性控制（IFLC），其优点是跟踪误差小，对一般非线性系统有良好的控制性能；M.Jalili设计了一种基于对象神经模糊模型的预测控制方法，解决了温度大时滞问题；采用了控制效果良好的非线性PID控制器，该方法应用局部模型网络通过门处理来变换非线性模型。
摘
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。
连续搅拌反应釜内化工反应过程的复杂性，使得采用一种简单的控制方式都很难达到理想的控制效果。伴随着控制理论的发展，越来越多的先进控制方法被应用到连续搅拌反应釜系统并取得了满意的成果。目前很多先进的反应釜控制技术就是将几种控制方法相结合，通过取长补短以期得到更加令人满意的控制效果。随着连续搅拌反应釜控制技术的不断深入和发展该系统的控制效果也会得到进一步地改善和提高。
In this paper, the nonlinear dynamic 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 system is simulated. The control effect of the two control methods is compared.
本设计将CSTR的非线性动态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
Abstract
任何一种复杂的化工反应过程都不能用一种简单的控制方式达到理想效果，目前最先进的反应釜智能控制技术就是将先进的智能控制理论和传统的控制方法相结合[12]，如基于专家系统反应釜控制系统[2]，PID参数自适应模糊控制方法，基于神经元网络的直接自适应控制法，利用遗传算法的寻优PID参数的模型参考自适应控制方法等。
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 forCSTR
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
起止日期：2015.03.09～2015.06.26
吉林化工学院
Jilin Institute of Chemical Technology
在早起反应釜的自动控制中，将单元组合仪表组成位置式控制装置，但是化学反应过程表表现出很强的非线性和对滞性，采用这种简单控制很难达到理想的控制制度，随后的PLC控制器较大的提高了控制精度，但是对于较复杂的控制过程，这种控制方式在通信和管理方面存在不足，随着PID控制技术的发现，越来越多的化学反应釜都用PID控制，但是PID控制技术是控制对象有精确模型的线性过程，而连续搅拌反应釜模型一个最主要的特征就是非线性，因此PID控制技术在复杂的过程中有很大缺陷，随着控制理论的发展和研究深入，更加先进有效的控制方法应用于连续反应搅拌釜的控制，如广义预测控制，基于逆系统方法控制，基于补偿算子的模糊神经网络控制，连续反应搅拌釜的非线性H控制等。
在认识仿真之前，首先要了解与仿真相关的两个概念：系统与模型。
现在，仿真技术成已为各个国家重点发展的一门高新技术，从某种角度上，它代表着一个国家的科技实力的强弱，同时在某些方面也制约着一些国家的现代化建设和发展。
从理论上讲，我们日常生活中以及自然界中碰到的一切问题，都可以利用计算机进行模拟。因此，要跟上时代的发展要求，学习和了解一定的仿真技术是必要的。
1．系统与模型与仿真
在系统的规划、设计、运行、分析及改造的各个阶段，仿真技术都可以发挥重要作用。随着研究对象的规模日益庞大，结构日益复杂，仅仅依靠人的经验及传统技术难以满足愈来愈高的要求。基于现代计算机及其网络的仿真技术，不但能提高效率，缩短研究开发周期，减少训练时间，不受环境及气候限制，而且对保证安全、节约开支和提高质量尤其具有突出的功效。
1.3
1．连续搅拌反应釜系统的建模方面
Gupta等于1992年提出了基于聚合多粒子模型的连续搅拌反应釜系统模型，根据该模型我们可以得出产率、聚合变化趋势以及聚合产物的分子量，同时也指出了聚合分散度与产率随着反应停留时问增加而变化的趋势，依据这一趋势他们解决了模型计算时间长的问题，提出了一种改进的模型计算算法。根据实际生产状况，Pinto和Mattos建立了溶剂法连续搅拌反应釜系统的丙烯聚合稳态数学模型并对该模型进行仿真研究，结果表明实际生产数据与该模型的计算输出误差很小，Soare对多个反应釜串联的烯烃聚合建立了动态数学模型，对模型的仿真研究验证了该模型的合理性；通过使用模糊聚类的方法，动态地建立了连续搅拌反应釜系统的数学建模，提
Key Words: Continuous Stirred Tank; LQR Controller; MATLAB Simulation
第1章 绪论
1.1
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。
Continuous stirred tank reactor (CSTR) is the most widely used in fermentation, chemical engineering, petroleum production, bio pharmaceutical and other industrial 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. 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.
随着控制理论的不断深入和发展，对连续反应搅拌釜的控制技术也会不断地改进和提高。
1.
1.5.1 数字仿真概述
仿真技术作为一门独立的科学已经有50多年的发展历史了，他不仅用于航天、航空、各种系统的研制部门，而且已经广泛应用于电力、交通运输、通信、化工、核能等各个领域。特别是近20年来，随着系统工程与科学的迅速发展，仿真技术已从传统的工程领域扩充到非工程领域，因而在社会经济系统、环境生态系统、能源系统、生物医学系统和教育系统也得到了广泛的应用。
反应釜系统，杨爱新对该对象进行动态机理建模，建立的模型符合现场实际的情况，同时利用该模型来研究当操作条件改变时，聚合物体积浓度百分比、反应物浓度、反应速率、冷却水出口温度以及反应体系温度的变化。
2．连续搅拌反应釜系统的控制方面
雷佳等充分利用遗传算法的寻优特性，提出了一种与PID控制相结合的遗传寻优算法，明显地提高了控制效果；以工业现场实际情况为背景，通过改进跟踪微分器，设计了一种二阶白抗扰控制方法，明显提高了工业现场连续搅拌反应釜的控制效果；朱学峰根据连续搅拌反应釜系统的非线性特性，提出了基于混合模型的非线性预测控制策略，此混合模型由非线性和线性两个部分组成，通过其仿真也可看出实际输出与模型输出误差较小；吴伟林提出了一种基于神经元网络的自适应控制方法，该方法有效改善了反应釜温度的大时滞问题，能够对反应釜温度进行有效地控制；刘士荣应用了一种模糊逆模一PID与神经网络相结合的复合控制策略，对反应釜温度控制获得了良好的控制效果；韩光信等提出了应用于连续搅拌反应釜的非线性鲁棒控制，对开车过程进行了优化；针对连续搅拌反应釜系统，贾爱民提出了一种鲁棒控制算法，该算法具有较强的适应性能和较强的抗干扰能力，能够满足实时控制的要求。
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
高了模型的精度；Zacca等对丙烯聚合反应进行动态数学建模，通过计算得出了物性传递等参数，而且利用这些参数对该模型进行仿真分析。
2．连续搅拌反应釜系统的控制方面
Minesh利用径向基函数神经网络来在线控制连续搅拌反应釜系统，此算法有极强的适应性；S.S.Ge提出了神经网络自适应控制，用多层神经网络构造隐式反馈线性控制（IFLC），其优点是跟踪误差小，对一般非线性系统有良好的控制性能；M.Jalili设计了一种基于对象神经模糊模型的预测控制方法，解决了温度大时滞问题；采用了控制效果良好的非线性PID控制器，该方法应用局部模型网络通过门处理来变换非线性模型。
摘
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。
连续搅拌反应釜内化工反应过程的复杂性，使得采用一种简单的控制方式都很难达到理想的控制效果。伴随着控制理论的发展，越来越多的先进控制方法被应用到连续搅拌反应釜系统并取得了满意的成果。目前很多先进的反应釜控制技术就是将几种控制方法相结合，通过取长补短以期得到更加令人满意的控制效果。随着连续搅拌反应釜控制技术的不断深入和发展该系统的控制效果也会得到进一步地改善和提高。
In this paper, the nonlinear dynamic 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 system is simulated. The control effect of the two control methods is compared.
本设计将CSTR的非线性动态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
Abstract
任何一种复杂的化工反应过程都不能用一种简单的控制方式达到理想效果，目前最先进的反应釜智能控制技术就是将先进的智能控制理论和传统的控制方法相结合[12]，如基于专家系统反应釜控制系统[2]，PID参数自适应模糊控制方法，基于神经元网络的直接自适应控制法，利用遗传算法的寻优PID参数的模型参考自适应控制方法等。
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 forCSTR
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
起止日期：2015.03.09～2015.06.26
吉林化工学院
Jilin Institute of Chemical Technology