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1、 中 北 大 学毕业设计开题报告学学 生生 姓姓 名：名：潘致堂学学 号：号：0805054142学学 院院、系系 ：信息与通信工程学院电气工程系专专 业业 ：自动化设设 计计 题题 目目：反应釜温度智能控制系统设计硬件部分指指 导导 教教 师师:孟江2012 年 3 月 15 日开题报告填写要求1开题报告作为毕业设计答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在系审查后生效；2开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意
2、见；3学生写文献综述的参考文献应不少于 15 篇（不包括辞典、手册） 。文中应用参考文献处应标出文献序号，文后“参考文献”的书写，应按照国标 GB 771487文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性；4学生的“学号”要写全号（如 0201140102） ，不能只写最后 2 位或 1 位数字；5. 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004 年 3 月 15 日”或“2004-03-15” ；6. 指导教师意见和所在系意见用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写。毕毕 业业 设设
3、计计 开开 题题 报报 告告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文 献综述：文文 献献 综综 述述一一、反应釜的简介及其工作原理1， 反应釜是制药，轻工，树脂及化工类生产过程中的重要设备，由于产品的直接质量难以在线检测，因此通常选用间接参数（温度）作为被控参数1。对于不同的生产工艺和介质，其反应温度， 反应时间及反应阶段的段数存在很大差异,整个反应过程对温度有严格而不同的程序要求。虽然如此，但是它们也有共同点：第一，整个反应过程可以分为若干升温，恒温，降温三种基本阶段，对升温，降温速率有所要求；第二，反应釜温度容量滞后大2。因此,只要抓住这两个共同特点,就可以采用
4、微电脑技术和预估,时间最优，积分分离等基本控制组合成不同的复合控制,实现通用型反应釜的控制3。2，在进行化学反应之前，将反应物按照一定的比例进行混合，然后与催化剂一同投入反应釜，在反应釜的夹套中通以一定的高压蒸汽，高压蒸汽通过反应釜的夹套提高釜内物料的温度，通过搅拌器的搅拌是物料均匀并提高导热速度，使其温度均匀。当釜内温度达到预定温度时，保持一定时间的恒温以使化学反应正常运行，反应结束后正进行冷却。有时在恒温后还要进行二次升温和恒温4。恒温段是整个工艺的关键，如果温度偏高或偏低，会影响反应进行的深度和反应的转化率，从而影响了产品的质量。化学反应过程中一般伴有强烈的放热效应，并且反应的放热速率与
5、反应温度之间是一种正反馈自激的关系。也就说，若某种扰动使反应温度有所增加，反应的速率就会增加，放热速率也会增加，会使反应温度进一步上升，甚至会引起“聚爆”现象，是釜内的产品成为废品，并且会影响安全生产5。为了使釜温稳定，在夹套中通以一定的冷却介质，来移走反应放出的多余热量。通过调节反应釜夹套中冷却介质的流量，来控制反应釜内物料的温度使之符合工艺的要求6。本文将根据反应釜的实际温控系统，设计一种 PID 控制和模糊控制相结合的智能温度控制系统，具备一定的自适应能力，并给出详细的的分析步骤的控制算法7。二：传统 PID 控制方式和模糊控制的优缺点温度是工业对象中的主要被控参数之一。在工业企业中，如
6、何提高诸如电炉这样的温度控制对象的运行性能一直是现场技术人员努力解决的问题。由于这类对象的热反应大，滞后现象严重，存在很多不确定的因素，难以建立精确的数学模型，导致控制系统性能不佳，甚至出现控制不稳定，失控现象。目前，控制领域还大量采用传统的 PID 控制方式，但 PID 控制在对象模型难以建立参数调整不便仍是普通存在的问题8。模糊控制是近十几年来迅速发展的一项技术，与神经网络及专家控制并称问智能控制。但由于其简单实用，目前已成功应用与各种控制系统中。模糊控制是以模糊集合论，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数学控制方法,属于非线性控制方法9。由于引用专家的逻辑思维方式，使得模糊控制
7、器有一定的自适应控制能力，因而特别适用于难于用精确数学模型描叙的系统，并且有很强的鲁棒性和稳定性10。三：硬件部分及 Proteus 仿真软件硬件设计主要是根据性能参数要求为各种功能模版所需要的元器件进行选择和组合，其选择的基本原则就是市场可以购买到性价比最高的通用元器件。本文设计的控制制系统硬件电路主要由主控制器，数字温度计，过零检测电路，输出控制电路，键盘，LED 显示电路及电源等组成11。传统的单片机实验是在专门的实验室中进行的，其硬件设备昂贵和设配维护工作量大，而且实验内容存在跟新慢，与工程实际应用脱节等问题。随着多媒体教学手段的不断发展，仿真软件得到广泛的应用，Proteus 软件是
8、英国 Labcenter 公司开发的电路分析的实物仿真软件。它与其他单片机仿真软件不同的是，他不仅能仿真单片机 CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路的工作情况。本文将在硬件系统设计调试成功以后，利用 Protues 软件进行仿真12。四：发展现状反应釜是化工生产过程中的关键设备之一，同时也是主要的耗能设备，它具有非线性，时变，大滞后等特性，是一个涉及多种因素的复杂系统。产品的质量在很大程度上取决与工艺参数（主要是温度和压力）的控制13。因此，设计在线控制手段，保证物料在加工过程中的温度和压力变化符合理想的工艺曲线，将大大提高产品的质量和产量，达到优质，稳定，可靠和节能降耗的目的。从而提高生
9、产率，增加企业的经济效益14。目前我国整个化工行业反应釜生产过程的自动化控制水平相对落后，许多工艺参数基本上靠人工调节，工人劳动强度大，控制精度低，很难达到较高生产工艺的要求；另外，生产受人为因素的影响较大，产品质量不稳定，能源，原材料的消耗相当大。另一方面，较多企业的反应釜控制算法采用了相对落后的 PID 算法15。PID 算法简单，鲁棒性好，可靠性高，被广泛应用工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。而搅拌式反应器系统是一个非线性，时变，大滞后的，间歇反应过程。其过程模型难以确定，参数整定比较困难，并且在实际生产过程中温度控制受工况变化的影响大，调节时间长，从而导致超调
10、量大，控制效果不佳。因此，PID 对于间歇搅拌反应釜这类非线性，时变和大滞后过程难以实现精确的控制16。本文提出外环使用模糊专家 PID 参数自整定系统控制，内环使用 PID 来抑制扰动的串级控制的智能控制算法来控制硬件系统，达到论文设计目的。参考文献参考文献：1. 朱廷峰.模糊控制在间歇式反应釜上的应用研究.硕士学位论文.大连.大连理工大学 2006:4-82. 周晓燕.反应釜智能控制器研究与开发.硕士学位论文.南京.南京理工大学 2005:4-93.于海英，董春游 .聚合反应釜温度的模糊控制及仿真研究. 辽宁工程技术大学学报（自然科学版）.2003,22（1）:80-83 4.陶永华，尹逸
11、欣，葛芦生.新型 PID 控制及其应用.北京.机械工业出版社.2005:875.夏晨，李朴.反应釜设计及其温度控制系统设计.化工自动化及仪表.河北河北工业职业技术学院. 2004,31（1）:66-696.余永全，汪明慧，黄英.单片机在控制系统中的应用.北京.电子工业出版社，2003：98-100 7.何衍庆，俞金寿，蒋尉孙.工业生产过程控制.北京:化工出版社.2008:1838.王胜利.反应釜内化学过程控制系统开发研究.硕士学位论文.南京:南京理工大学. 2004:3-69.张国良.模糊控制及其 MATLAB 应用.西安:西安交通大学出版社 2002.14210.李朝清.单片机原理及接口技术
12、.北京:北京航空航天出版 2005-05:14511.赵志远，邵俊鹏.基于 CL 语言的反应釜控制方案.哈尔滨理工大学报 2003（6）:17-1912.张旭涛.Proteus 软件在单片机仿真实验中的用法浅析.徐州，徐州机电工程高等职业技术学校，2011，32（2）:102-10313.冯斌 ,须文波 ,刘飞.反应釜系统中的模糊串级控制策略.无锡轻工大学学报1994,18（4）:22-2514. 王耀楠.智能控制系统模糊控制，专家系统，神经网络控制.湖南: 湖南大学出版社 1996:6615.Ying H. Fuzzy Control and Modeling:Analytical Foun
13、dations and Applications,2000(02):54-5716.John F.Wakerly DIGIAL DESIGN Principles and Practice 北京:高等教育出版社，2001:101-11017.Hasld Peters,Norber Link ,Thomes Hecken Thale.Data-based methods for Quality Improvement by Process Step Integration.STSHL anf Eisen ,2000-8:71-79 毕毕 业业 设设 计计 开开 题题 报报 告告本课题要研究或解决
14、的问题和拟采用的研究手段（途径）：一：本文主要研究对象反应釜的温度控制是化工生产过程中的中心环节，目的是保证反应过程的产物达到一定的质量和控制要求，并确保反应的安全进行。反应器的工艺指标多为转化率以及产品的质量，产量等，其值主要取决于产品混合物中各组成部分的量的浓度。所以，最直接的控制系统是以产物浓度为被控变量。但由于无实用的在线分析仪和采样问题不易解决，所以选用温度为间接参数是最有效的办法。本次设计就是模糊控制分析的基础上，利用模糊控制表对反应釜温度控制系统进行硬件设计，完成研究对象的智能控制。二：采用的研究手段要实现反应釜温度的智能控制，就要有精确的温度传感器。该文通过对反应釜传热特性的分
15、析,总结出被控对象的特殊性,设计智能测控系统.讨论控制策略的可行性,研究模糊-PID 复合控制理论在反应釜过程控制系统中的具体运用,给出了具体的控制算法.在此基础上,设计了以 AT89C2051 单片机为核心的反应釜智能控制器.应用了两种目前比较流行的串行总线接口技术单线总线和 I2C 总线,构成了多点温度测量系统,通过对执行器件的动作控制和参数调节,实现了对反应釜内温度及其梯度的控制.。控制方法上采用模糊控制和传统的 PID 控制相结合，使系统具有既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有 PID 控制稳态精度高的特点，使被控量具有良好的静态和动态特性。三：具体安排1. 1-4 周：完成开题
16、报告2. 4-7 周：查阅资料，熟悉模糊控制理论及模糊控制表生成3. 7-8 周：熟悉 proteus 单片机仿真环境4. 8-10 周：对反应釜温度控制系统进行具体分析，完成单片机的前向通道、后向通道及各接口电路设计和元器件选型5：1012 周：根据硬件电路各模块功能，设计控制系统软件主程序，以及信号采集、控制量输出和模糊控制算法等子程序6：12-14 周：在 proteus 环境下进行软仿真7: 14 周以后：查阅本论文，修改错误，完成毕业设计毕毕 业业 设设 计计 开开 题题 报报 告告指导教师意见指导教师意见：指导教师： 年 月 日所在系审查意见：系主任： 年 月 日附件：参考文献格式附件：参考文献格式学术期刊学术期刊 作者论文题目期刊名称，出版年份，卷(期)：页次如果作者的人数多于
