论文总字数：25637字

摘 要

固定床反应器主要用于非均相反应物的反应，在工业废气、废液处理等工艺中有着广泛的应用。在对具有保温层的固定床反应器进行温度控制时，一般不允许出现超调量。论文以固定床反应器的温度作为被控对象，首先在认真分析了温度对象的机理模型之后，以实时采集的过程数据作为驱动，采用具有遗忘因子的递推最小二乘算法实现了对系统参数的辨识，并利用损失函数判断了模型的可靠性。然后总结了传统PID控制器原理及其整定方法的优缺点，在得到在线辨识参数模型的基础之上，讨论了离散域内二阶对象阶跃响应无超调时极点的条件，对温度设计了分段控制策略，采用极点配置的方法，配置控制系统闭环极点满足稳定性条件和无超调响应条件。最后采用了西门子公司S7 1200PLC、MATLAB软件及OPC通讯技术开发了控制系统的硬件及软件，并在实际对象上做了测试。将结果与传统PID控制器的控制效果进行了对比后，发现设计的整定算法能够使固定床反应器的温度对象实现阶跃响应无超调，并且对于时变的对象有更好的适应性。

关键词：固定床反应器 自整定PID 带遗忘因子的递推最小二乘法 极点配置

An intelligent approach to adjust the paraments of the industrial PID controller

Abstract

The fixed bed reactor is mainly used for the reaction of heterogeneous reactants, and has a wide range of applications in industrial waste gas, waste liquid treatment and the like. In the temperature control of a fixed bed reactor with an insulating layer, it is generally not allowed to have an overshoot. This paper takes as the object. Firstly, after carefully analyzing the internal mechanism model of the temperature object, the recursive least squares algorithm with forgetting factor is used to identify the system parameters with the driving of the real-time collected process data. The loss-function is used to judge the reliability of the model. Then, the traditional PID controller’s principle and the characteristics of its tuning methods are summarized. Based on the paraments model which is identified online, the conditions which the pole location of the second-order object step response without overshoot are discussed in the discrete domain. The segmentation control strategy is delivered. The pole of the closed loop control system which satisfy the stability condition and no overshoot response condition is configured by the way of pole-configuration method. Lastly, the hardware and software of the control system were developed by Siemens S7 1200PLC, MATLAB software and OPC communication technology, and it is tested on an actual object. Comparing the results with the conventional PID controller effect, it turns out that the design tuning algorithm makes it possible for the fixed bed reactor to react at a temperature without overshoot and to better adapt to different time objects.

Key Words: Fixed bed reactor; Self-tuning PID; RFF; Pole-configuration

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.2 PID控制器 2

1.3系统辨识理论 3

1.4 数据通讯技术 3

1.5课题研究意义及主要设计内容 4

第二章 温度对象模型参数的辨识 6

2.1引言 6

2.2温度对象的机理模型 6

2.2.1 模型抽象 6

2.2.2模型推导 7

2.3基于数据驱动的系统辨识 9

2.3.1 系统辨识准备 9

2.3.2 带遗忘因子的递推最小二乘法 10

2.4小结 15

第三章 PID控制器的原理设计 16

3.1引言 16

3.2 常规PID控制器 16

3.2.1 PID控制器简介 16

3.2.2 常用PID参数整定方法 18

3.3温度分段调节算法 19

3.4无超调响应的条件 20

3.5极点配置自整定PID控制 21

3.6针对采样周期的讨论 25

3.7小结 26

第四章 智能整定PID控制器的实现 27

4.1引言 27

4.2系统硬件设计 27

4.2.1 系统构架 27

4.2.2通信 28

4.3系统软件设计 31

4.3.1 PLC梯形图程序 31

4.3.2 MATLAB算法 33

4.3.3 GUI监控界面 35

4.4 运行结果 36

4.5 小结 36

第五章 总结与展望 37

5.1 总结 37

5.2 结论 37

5.3 未来展望 38

参考文献 39

致 谢 40

第一章 绪论

本章首先对论文的工业背景及的研究现状进行详细的介绍。然后对研究工业的各种关键理论和技术进行介绍，其中包括系统辨识理论、数据通讯技术。最后指出研究工业的目的和意义，并说明本课题的主要内容。

1.1课题背景

化学反应器是现代化工生产中一类使用最为重要的设备，同时也是化工过程控制中最难控制的单元之一。化学反应器装置的控制效果直接影响到过程产物的质量和产量，直接关系到化工企业的经济效益。传统化学反应器的基本控制策略是控制外围，控制器也采用的是常见的PID控制器，必要时会再增加一些复杂控制策略，比如比值控制、串级控制等[1]。由于在化学反应的过程中，往往伴随着化学现象和物理现象，涉及到诸多的过程，比如能量传递与平衡、热量传递、物质传递与平衡等。另外，反应条件、反应机理、传热传质和反应器的结构等方面存在许多差异。因而，化学反应器的工艺操作比较复杂，控制难度比较大，不同反应器之间的控制方案差别也很大，不同化学反应器的控制方案也不可互相移植，传统的控制策略显得有些力不从心。

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