《基于虚拟仪器技术的微反应器控制系统设计与实现》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于虚拟仪器技术的微反应器控制系统设计与实现（107页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、上海交通大学硕士学位论文 I基于虚拟仪器技术的微反应器控制系统设计与实现基于虚拟仪器技术的微反应器控制系统设计与实现 摘摘 要要 “微反应器”是一种单元反应界面宽度为微米量级的化学反应系统，是传统工业化学反应系统的微型化成果，却具有传统的反应系统所不具备的优点。微反应器是 20 世纪 90 年代兴起的微化工技术，是当今精细化工、制药等行业最具创新的技术之一。微反应器的出现也给相应配套控制系统的设计带来了新的要求。 微反应器由于其自身具有的精细、灵活、经济的特点，因而对于相应的控制系统也要求控制精度高、配置灵活、成本低。论文针对微反应器的上述特点设计了一套基于虚拟仪器技术的控制系统，实现了对微反
2、应器内化学反应过程的监测与控制。 论文针对微反应器控制系统对灵活性和通用性的要求，构建了一套基于硬件模块结构和软件组态模式的自动控制系统。其中，硬件由现场总线耦合器，I/O 模块，上位机，以及微反应器组成，采用拼接的方法，实现了系统硬件的设计模块化， 并可在主程序中方便地完成用户对 I/O 端口的配置。软件方面，系统采用 LabVIEW 作为软件平台， TwinCAT 作为I/O 系统的软件接口，解决了 LabVIEW 与 TwinCAT 之间的通信问题，并上海交通大学硕士学位论文 II实现了基于 LabVIEW 的数据显示、数据库操作、控制算法、远程通信等功能。通过 I/O 系统的模块化和
3、LabVIEW 软件的组态功能，使得控制系统对不同的化学反应过程表现出灵活性和通用性的特点。 控制算法方面，论文以草甘膦合成反应的温度控制作为研究对象，分析了控制对象的动态模型。针对其模型参数的不精确和时变，以及控制中存在大时滞的问题， 论文提出了改进型 Smith 预估器和模糊自适应 PID控制器相结合的控制策略。同时对常规 PID，模糊 PID，以及基于改进型Smith 预估器的模糊 PID 控制策略做了比较，通过 Matlab 仿真，验证了新算法的有效性，使系统的控制效果有了很大的改进。 本系统经过实际测试使用，运行稳定，可靠性高，取得了良好的监控效果。同时拥有界面友好、操作简单、配置方
4、便、通用性强、性价比高等优点，在微反应器刚刚开始发展的工业界，具有广阔的应用前景。 关键词：关键词：微反应器，虚拟仪器，LabVIEW，模糊 PID，Smith 预估器 上海交通大学硕士学位论文 IIIThe Design and Realization of Control System for Microreactor Based on Virtual Instruments Technology ABSTRACT Microreactor is a chemical reaction system whose unit react width is at a level of micro
5、n. Its a micromation result of traditional chemical reaction system, while has exceptional strength. Microreactor is one of the most innovative technologies in chemistry and pharmacy industry. The appearance of Microreactor also brings new requirements for relevant control system. Microreactor has t
6、he specialty of precision, flexibility, and economy, which requires the control system to have high precision, flexible configuration, and low cost. According to the specialty above, this thesis designed a control system based on the virtual instruments technology, and managed to monitor and control
7、 the reaction process in the Microreactor. According to the requirement of flexibility and general, this thesis built an automatic control system that has hardware module structure and software configuration mode. The hardware system is composed of field bus coupler, I/O module, computer, and Micror
8、eactor, and realized the modularization of hardware design, and enabled users to configure I/O ports in program 上海交通大学硕士学位论文 IVconveniently. On the software part, the system use LabVIEW as software platform, TwinCAT as I/O software interface, realized the communication between LabVIEW and TwinCAT, a
9、nd also functions like waveform display, database operation, control scheme, and remote communication. Through the I/O modularization and configuration function of LabVIEW, the control system shows flexibility and general to different chemical reactions. On the part of control theme, this thesis ana
10、lyzed the synthesizing process of glyphosate, and got the dynamic model. According to the model parameters uncertainty, time variability, and big time delay, a new control theme that conbined Improved Smith Predicter with Fuzzy PID controller is studied. Normal PID control, Fuzzy PID control, and Fu
11、zzy PID control based on Improved Smith Predicter are compared. Though Matlab simulation, the new control theme improved control performance greatly. Through test and practical use, this control system turned out to be stable, credible, and got excellent control effect. Also, the system has strength
12、 like friendly interface, easy to operate, convenient to configure, etc. In the industries where Microreactor is at the beginning of development, this system surely has a good future. Keywords: Microreactor, Virtual Instruments, LabVIEW, Fuzzy PID, Smith 上海交通大学硕士学位论文 VPredicter 上海交通大学硕士学位论文 1第一章第一章
13、绪论绪论 1.1 微反应器简介微反应器简介 “微反应器” ，就是一种单元反应界面宽度为微米量级的微型化的化学反应系统，是 20 世纪 90 年代兴起的微化工技术。它常与微换热技术、微混合技术一起使用。其一般特点为：1、通道内流动为层流；2、比表面积大，传热能力强，控温容易；3、分子扩散距离短、传质快；4、可实现“数增放大”，无放大效应。微反应技术是当今精细化工，制药等行业一个最具创新的技术之一，它为开发新的生产工艺、建立极具经济效益的新型化工厂开辟了崭新的道路，提供了工艺研发和建造工厂的新概念、新方法。特别是模块化的微反应器技术，它使必要的基础化学工程操作得以实施，例如混合、反应、换热及更多通
14、过微结构方式实施的操作。通过这些微型模块可以适应装置可变、可控的要求，使各种化学合成反应实施起来简洁、快速、节约成本1-2。 图 1-1 微反应器图例 Fig.1-1 Microreactor picture 上海交通大学硕士学位论文 2模块化微反应装置（见图 1-1）有一些独特的优点2： (1)解决了传统工业生产中的放大难题 用等倍放大的原理进行工业放大，即增加微机构的数量而不改变微机构的尺寸。这样实验室得到的最佳工况可以在工业生产中得到保持。 实现了从实验室到工业生产的跨越。 (2)大幅度缩短交货期 由于微反应器技术可以自动化连续操作，可以在短时间对反应条件进行优化，迅速确定最佳反应条件；
15、然后，通过等倍放大，可以在实验室建立公斤级的微型工厂直至工业化的批量生产，极大地节省了产品放大所需要的时间和费用。 (3)反应效率大大提高 由于微反应器对反应的精确控制，对现有工艺，往往可以实现更高收率， 更高选择性， 更短反应时间， 更高纯度。某些反应物或生成的产物很不稳定，在反应器中停留时间一长就会分解而降低收率。微反应器系统因为是连续流动，而且可以精确控制反应物的停留时间。 (4)极宽的操作范围 从-100+500；从常压到 100 个大气压；适合各种强酸强碱性条件；有能力处理气-液，气-液-颗粒的工况。 (5)极大的安全性 由于自动化连续操作，并且在线的化学品的量很少，即使操作各种危险
16、化学品也可轻松保证安全。 (6)绿色环保工艺 由于产率提高，副产物减少，对环境影响可以大大降低，使工艺绿色环保化成为可能。相应地，也降低了处理副产物的成本。 (7)安装迅速 在标准外围设备和控制单元就绪的情况下，模块化系统可以在 1020 分钟内在上海交通大学硕士学位论文 3底板上安装就绪。模块之间没有管线连接，并且有极好的密封。 模块化微反应系统提供了一种独特的实验室规模的研发平台，帮助寻求新的工艺流程及实现小批量的生产。化工、制药和生命科学领域的工程师、科学家将模块化微反应技术视为寻求新的反应途径、合成新的化合物、通过微型化改进现有的工艺、建立新的、在经济上有吸引力的微反应工厂的独特工具。 1.2 微反应器系统模块微反应器系统模块 课题中的控制对象，即微反应器系统是由多种功能模块组合而成的，用户可以根据工艺流程的需要选择不同的模块。以下介绍微反应器的系统结构和传感器/执行器模块。 模块化的微反应系统包含 5 大部分即搅拌器， 反应器， 热交换器， 传感和执行器，连接器。 其中，搅拌器，反应器和热交换器是工艺流程模块，用户根据工艺流程选择相应的模块，并在适当
