连续搅拌釜式反应器(CSTR)控制系统设计 连续.pdfVIP

连续搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器（（CSTR）控制系统设计 连续搅拌釜式反应器 1. 前言 连续搅拌釜式反应器 （continuousstirredtankreactor ，简称为CSTR）是聚合化学反应中 广泛使用的一种反应器，该对象是过程工业中典型的、高度非线性的化学反应系统。 在早期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 一般都有很强的非线性和时滞性，采用这种简单控制很难达到理想的控制精度。随着计算机 技术和 PLC 控制器的发展，越来越多的化学反应采用计算机控制系统，控制方法主要为数 字PID控制。但PID控制是一种基于对象有精确数学模型的线性过程，而CSTR模型最主 要的一个特征就是非线性，因此 PID 控制在这一过程中的应用受到限制。随着现代控制理 论和智能控制的发展，更加先进有效的控制方法应用于CSTR 的控制，如广义预测控制，神 经模糊逆模 PID 复合控制，自抗扰控制，非线性最优控制，基于逆系统方法控制，基于补 H 偿算子的模糊神经网络控制，CSTR 的非线性 控制等。但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的控制效果。目前先进的反应釜智能控制技术就是将 智能控制理论和传统的控制方法相结合，如钟国情、何应坚等于 1998年对基于专家系统的 [1] CSTR 控制系统进行了研究 ，宫会丽、杨树勋等于200 年发表了关于PID 参数自适应控 [2] 制的新方法 ，冯斌、须文波等于1999年阐述了利用遗传算法的寻优PID参数的模型参考 [3] 自适应控制方法等 。但由于这些控制方法的算法比较复杂，在算法的工程实现、现场调试 及通用型方面存在着局限性，因此研究一种相对简单实用的CSTR控制方法，更易为工程技 术人员所接受。 本文在对 CSTR 过程及其数学模型进行详细分析的基础上，针对过程的滞后性，采用 Smith预估算法与PID控制相结合的方法实现CSTR过程的控制，该方法具有实用性强及控 制方法简单等特点，基于西门子PCS7系统完成了CSTR过程控制系统设计。 2.工艺过程及数学模型分析分析 工艺过程及数学模型 2.1CSTR 工艺过程分析 CSTR在化工生产的核心设备中占有相当重要的地位，在染料、医药试剂、食品及合成 材料工业中，CSTR得到了广泛的应用。 在 CSTR 中，反应原料以稳定的流速进入反应器，反应器的反应物料以同样稳定流速 流出反应器。由于强烈搅拌的作用，刚进入反应器的新鲜物料与已存留在反应器的物料在瞬 间达到完全混合，使釜内物料的浓度和温度处处相等。同样，在反应器出口处即将流出反应 器的物料浓度也应该与釜内物料浓度一致，因此流出反应器的物料浓度与反应器内的的物料 浓度相等。连续搅拌釜式反应器中的反应速率即由釜内物料的温度和浓度决定。 2.2CSTR 的数学模型分析 CSTR是一个存在严重非线性的动态系统，针对该系统的建模、状态估计和控制都存在 着相当的难度。一般常规的线性控制方法已不能满足要求，为了提高其性能，必须采用先进 的控制技术。 本文针对某化工过程CSTR系统，在符合实际情况的条件下假设：系统物料混合是完全 的；流出物料的体积等于流入物料的体积；同时不失一般性，假定反应釜中所发生的是一级 不可逆放热反应。系统的结构如图1所示。 1 图1.CSTR系统模型 在这里，采用一阶不可逆反应 (A B)非等温 CSTR 系统作为研究对象 (Morningred, 1999)，其特性可由以下连续时间的非线性微分方程组来表示： q (− E ) Ca= (Ca −Ca(t))−k Ca(t)e RT(t) v 0 0 E k q (− )