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1、目录摘要1Abstract21 绪论11.1 研究目的和意义11.2 国内外研究情况及发展21.3 主要研究内容42 控制方案选择52.1 反应升温速度控制单元62.2 反应保温温度控制单元82.3 模糊控制方案92.4 PID控制方案212.5 总体控制方案243 系统硬件设计263.1 PLC模块配置263.2 现场设备选型303.3 系统硬件配置图374 系统软件设计404.1控制流程图设计404.2 控制梯形图设计444.3 监控界面设计465 系统仿真设计495.1 控制原理图设计495.2 系统仿真曲线526 总结53参考文献55摘要连续搅拌反应釜（CSTR）是化工生产中一类非常重
2、要的反应容器，其内部化学反应机理复杂，且其本身又具有较大的时变性、非线性和时滞性。目前在不少工业生产过程中，仍大多采用手动或半自动控制，整体自动化水平较低。本文采用力控（Force Control）组态软件，结合西门子S7-300PLC，设计了一套计算机实时监控系统。并且在确定了被控对象的传递函数后，进行了Matlab仿真。本文在参阅了大量的中外文献并结合实际控制要求的基础上，对基于模糊控制的连续搅拌反应釜温度计算机控制系统进行了理论研究和工程设计，将PID控制和模糊控制结合起来，提出一种智能复合控制方案，并给出了详细的分析步骤和控制算法。同时对模糊-PID复合控制策略进行了论证、仿真分析和实
3、验研究，并将该模糊-PID复合控制器应用于连续搅拌反应釜的温度控制回路，取得了理想的控制效果。关键词： 连续搅拌反应釜，模糊-PID控制，西门子S7-300PLC，力控6.1，Matlab 仿真AbstractContinuous Stirred Tank Reactor-CSTR is a very important vessel in chemistry industry produce, the reaction mechanism in it is complicated. Because of multiple controlled objects and big time-var
4、iant, non-linear, time-delay, at present, lots of industrial production also uses menus or half automation operation, the level of the automation is very lower. The paper is based on the Force Control configure software and combined with Siemens S7-300 PLC, and design a computer monitoring system. A
5、nd when the transfer function of the controlled plant is determined, we have a Matlab simulink. The paper references to a lot of literature, and use fuzzy control to reactor temperature control theory study and project design. At the same time, we have a research of Fuzzy-PID control and bring forwa
6、rd an intelligent complex control scheme and give the detailed design. Simulate the Fuzzy-PID control with matlab and then apply the controller to the CSTR temperature control and give the perfect control effect.Keywords: CSTR，Fuzzy-PID control，Siemens S7-300 PLC，Force Control 6.1， Matlab simulation
7、1 绪论1.1 研究目的和意义带搅拌釜式反应器系统是一种常见的化工设备，工业生产时，为了保证生产安全以及产品质量，需要对反应温度、釜压等重要参数进行监控。针对釜式反应器的工艺特点和控制要求，此次设计给出了一套基于西门子PLC的控制方案。反应器-用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。反应器按操作模式可分为：间歇釜式反应器或称间歇釜、连续釜式反应器或称连续釜以及半连续釜式反应器。本次设计使用的是带
8、搅拌连续釜式反应器控制系统。连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor,简称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。在实际的工业生产中，连续搅拌反应釜必然会受到外部或内部因素的影响，使得系统中存在参数摄动、外部干扰等不确定因素。为了保证反应正常、有效的进行，需要对反应器中某些关键工艺参数如：物料比例、流量、液位、温度、压力、浓度等进行控制使系统稳定。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
9、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。但是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，人们将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、模糊PID复合控制1、自扰动控制、非线性最优控制、基于逆系统方法控制、基于补偿算子的模糊神经网络控制、CSTR的非线性H控制等。但是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
10、制方法相结合。由于这些控制方法的算法比较法复杂，在算法的工程实现、现场调试以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。本设计在对CSTR过程以及数学模型进行详细分析的基础上，采用单回路控制、PID控制等控制方式；针对升温控制的复杂性，使用了模糊-PID控制算法；并采用力控组态软件来实现反应釜的监测，从而有利于加强我们对组态软件的深入了解，并为以后更好的理论实践做好基础。1.2 国内外研究情况及发展反应器系统的自动化控制发展随着科学技术的发展而得到快速的提高与广泛的应用。反应器广泛应用于工业生产中，是生产过程中的关键设备。不同的生产过程和生产
11、工艺所使用的反应器类型也不同，其种类很多。按结构形式看可分为：釜式反应器、管式反应器、塔式反应器等；按传热情况看可分为：绝热式反应器和非绝热式反应器。釜式反应器有两种操作方式：连续生产和间歇生产。本次设计采用的就是连续搅拌釜式反应器控制系统。釜式反应器的发展经历了三四十年代单参数仪表控制，四五十年代的多元组合仪表，综合参数仪表控制，直到六十年代兴起的计算机过程控制几个阶段。随着先进控制理论和计算机技术的飞速发展，伴随着计算机各项性能的不断增强和价格的不断下降，近年来反应器应用计算机控制很快得到了普及和应用。至90年代，反应器的自动化控制已成为一个热门领域，利用单片机，可编程控制器，工业计算机以
12、及引进的国外控制设备开发的各种控制系统，已逐渐应用于对反应器控制技术改进中。很多新的控制方法，诸如最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等都在反应器自动控制系统中得到了尝试与应用。近几十年来反应器控制系统采用了PID控制、模糊控制以及两者的结合控制。目前，国内的反应器系统控制在理论上仍然大多采用常规PID控制器或者模糊控制器。但是模糊控制以及复合型模糊控制在实践上还是很难以实现。但是作为近代智能控制中的一个重要分支模糊控制，在温度控制系统中得到了很好的应用。模糊控制的实质是将相关领域的专家知识和熟练操作人员的经验转换为模糊化后的语言规则，通过模糊推理与模糊决策，实现对复杂系统的
13、控制2。模糊控制具有不需要知道被控对象的数学模型；易于实现对具有不确定性的对象和具有强非线性的对象进行控制；对被控对象特性参数的变化具有较强的鲁棒性；对于控制系统的干扰具有较强的抑制能力等特点。对于复合型模糊控制器，则是把模糊控制和其他控制方式（传统PID控制器）结合在一起的控制器。当模糊控制器与标准的PID控制器相结合时即Fuzzy-PID复合控制。当温度差较大时采用模糊控制，此时系统响应速度快，动态性能好；当温度差较小时采用标准PID控制，此时系统静态性能好，有较好的控制精度。若将两者结合充分利用两种控制方法的优点，则能使控制效果更好。但是这种复合控制在工业生产中难以实现，故而只是停留在理
14、论阶段。早期的控制采用模拟器件，发展到今天，反应器的控制已经基本实现计算机自动控制（如采用西门子S7PLC、罗克韦尔等软件），在控制方法上采用现代控制理论中的最优控制、多变量频域、模糊控制等方法。一些新型反应釜也被应用于反应器系统的技术革新中，新型反应釜在传质、传热、受力等方面都具有极大的优越性，是对传统化工反应器的一次革命性创新。另外，反应器的反应效率高，运行平稳，而且对环境的污染少，因而将在化工生产领域具有广泛的应用前景。1.3 主要研究内容本设计是基于西门子PLC的反应器控制系统设计，所用反应器为连续搅拌釜式反应器，主要研究内容如下：(1) 在分析系统功能的基础上确定系统的被控参数和控制
15、参数，熟悉生产工艺过程，根据控制要求进行总体控制方案设计。(2) 相关硬件设计：进行系统的硬件设备选型和PLC选型，绘制系统的硬件连接图：包括系统硬件配置图和I/O连接图。(3) 根据所选硬件设备，确定反应器控制过程中PID控制算法的实现和参数的整定。(4) 相关软件设计，利用相关软件设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改。(5) 根据所设计的控制系统设计监控系统并进行仿真。2 控制方案选择根据控制要求并且在确定控制方案后，同时在深入分析各个被控量的影响因素、各个被控量之间的制约关系以及各个被控对象的特性的基础上，结合经典控制理论和先进控制方法，设计了一套完备合理的控制方案。控制方案总体分为
16、两个单元：反应升温速度控制单元以及反应保温温度控制单元。 如图2.1为反应釜工艺流程图。图2.1 反应釜工艺流程图工艺设备包括：两台高位计量罐，其中A物料出口阀V4；B出口阀V5；催化剂C物料下料流量F6，下料阀V6。反应器内主产物浓度A，反应温度T1，液位L4，反应物出口流量F9，出口阀V9。反应器蛇管冷却水入口流量F7，蛇管冷却水阀V7；反应器夹套冷却水入口流量F8，夹套冷却水阀V8；反应器夹套加热蒸汽阀S6（开关）；反应器放空阀V5，反应器搅拌电机开关S8。表2.1 测控参数一览表F4反应物A进料流量729Kg/hF5反应物B进料流量1540Kg/hF6催化剂C进料流量88Kg/hF7蛇
17、管冷却水入口流量最大25t/hF8夹套冷却水入口流量最大42t/hF9反应物料混合液出口流量Kg/hT1反应釜内温度P7反应釜压力MPa（绝压）L4反应器液位%（01.3m，0100%）2.1 反应升温速度控制单元2.1.1 控制要求在缩合反应阶段，由冷态常温逐渐诱发反应至温度达到120左右。在此阶段要求设计控制系统，保证温度以0.10.2/S的速率上升。本间歇反应过程中有主副反应的竞争，主反应的活化能较高，期望较高的反应温度。加热速度过慢会使反应停留在低温区，副反应会加强，影响主产物产率。因此提高反应温度有利于主反应的进行。但加热速度过猛会使反应后续的剧烈阶段失控而产生超压事故。反应釜温度和
18、压力是确保反应安全的关键参数，所以必须根据温度和压力的变化来控制反应的速率。2.1.2 控制方案设计 升温阶段（常温120左右）本缩合反应开始后，先适当打开夹套蒸汽加热阀S6，对反应进行预热，观察反应釜内温度T1逐渐上升。此时应使加热调节的温度上升速度控制在0.10.2/以内。经过预热阶段后，反应此时已被深度诱发，并逐渐靠自身反应的放热效应不断加快反应速度，进入升温阶段。此时开启夹套冷却水阀门V8以及蛇管冷却水阀门V7，控制反应釜的温度和压力上升速度，提前预防系统超压。设计思想：采用简单的PID控制不能得到很好的控制，因此必须采用不基于系统模型的模糊控制算法。模糊控制器与常规的控制器（如PID
19、控制器）相比具有无须建立被控对象的数学模型，对被控对象的时滞性、非线性以及时变性具有一定的适应能力等优点，同时对噪声也具有较强的抑制能力。虽然模糊控制器本身消除系统误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度，但是在升温阶段对误差精度没有过高的要求，因而采用模糊控制系统。被控量：反应器内温度T1控制量：夹套冷却水阀门V8开度，蛇管冷却水阀门V7开度控制框图如图2.2所示。图2.2 模糊控制系统框图2.2 反应保温温度控制单元2.2.1 控制要求经缩合反应后，在反应保温阶段使反应釜温度始终保持在120左右510分钟（实际为23小时），以使反应尽可能的充分进行，达到尽可能高的主产物产率。2.2.2 控
20、制方案设计对于连续搅拌反应釜，由于容量大、热效应强，而传热效果不理想，因此要克服这类反应器滞后特性，提高对反应温度的控制精度，故采用PID控制系统。当反应器内温度升至120时，已消耗掉大部分反应物，化学反应的剧烈程度显著降低，因此，应使冷水入口阀V7、V8的开度逐渐减小，当反应放出的热量已不足以维持住反应的最佳温度，釜温和釜压会迅速往下掉，当两路冷水阀V7、V8全部关闭后，釜温还在继续下降，此时，蒸汽阀S6需打开为反应提供热量以维持反应温度在120左右持续510分钟，使反应物充分反应完毕，提高产物浓度。2.2.3控制系统框图被控量：反应器内温度T1控制量：夹套冷却水V8开度，蛇管冷却水V7开度
21、，夹套加热蒸汽阀V6开度控制框图如图2.3所示。图2.3 保温温度控制系统框图2.3 模糊控制方案模糊控制是一种新的控制方法，发展到现在而言，已经在冶金、化工、电力和家电等工业部门都有了成功的应用。模糊控制的特征是以语言规则作为它的控制规律，“如果，则”是规则的基本形式，语句的前半部分是条件或前提，后半部分是结果，因此这种规则蕴含着一种逻辑推理。完成这个推理过程就是实现了这种控制规律。语言规则的条件和结果，通常是事物或过程的模糊描述。要由计算机自动的实现这条控制规则，必须将模糊描述与传统数学很好的结合在一起，即就是模糊数学。2.3.1 模糊数学的基础知识 两种描述和两种集合我们把边界十分明确的
22、描述称为清晰描述；把边界含糊的描述称为模糊描述。假设被讨论的对象的全体为论域，清晰集合可用特征函数表示： （2.1）按模糊描述来定义集合的情况则不同。论域中的模糊集合是以隶属度函数为其特征的集合，即。或者说，对于任意的，有。被称为。 模糊集合的表示和运算论域中的模糊集合可用下列方法表示。 Zadeh表示法 （2.2）式中，+表示联接符号，分数线表示元与隶属度的对应关系。 向量表示法 （2.3）每个元的隶属度（包括0）都要列入。 隶属度函数表示法 （2.4） 隶属函数的确定隶属函数在模糊数学中占有突出重要的位置，这是因为模糊集合是由隶属函数刻画的，模糊集合的的各种运算均是利用隶属函数来进行的。因
23、此，在模糊集合的各种应用场合，首先解决的问题是确定隶属函数。对于模糊统计，在论域中给定一个确定元素，然后再考虑属于论域上运动着的边界可变的普通集合，以及n次试验中元素属于的次数，当n足够大时，属于模糊集合的隶属度趋于一个稳定值。即 （2.5）式中，为n次试验中的次数；n为试验次数。以下是几种常见的隶属函数： 正态型 这是一种最常见的模糊控制。 （2.6） 柯西型 （2.7） 型 （2.8） 三角形以及梯形 模糊关系给定论域被称为从到的模糊二元关系，的隶属度函数为，它表示序偶对关系的隶属度。因此由定义出发可以有以下几种表示方法： Zadeh 表示 论域的模糊关系可写成 （2.9）式中横线分母为序
24、偶，分子为该序偶对关系的隶属度，若则该项省略。 图形表示 称关系图。它将集合和中的元用节点表示，序偶间用有向弧线联接，弧线上注明该序偶对关系的隶属度。 矩阵表示 称关系矩阵。设到的关系可写成，式中。当反应物投入设备后，由于釜温测量值远远小于反应给定温度，误差e很大，因此升温/保温切换器选择升温控制器模糊控制器，蒸汽阀S6和冷水阀V7、V8采用分程控制，其中蒸汽阀S6选用气开形式，其工作范围是12-20mA；冷水阀选用气关形式，其工作范围是4-12mA，控制器选用反作用形式。由于反应刚开始时釜温较低，控制器输出信号较大，因此蒸汽阀S6工作，两路冷水阀全部关闭，此时诱发反应进行。设计模糊控制器，使
25、温度以0.10.2/s的速率上升。当釜温达到反应诱发温度时，化学反应发生，于是就有热量放出，釜温将逐渐升高并且温度上升速率越来越大。此时随着误差的减小，控制器输出也相应变小，使得蒸汽阀S6逐渐关闭，冷却水入口阀V7、V8开始打开，这样一来，反应所产生的热量就被冷水带走一部分，从而达到维持釜温以适当速率上升的目的。2.3.2 模糊控制器工作原理模糊控制是一种仿人控制，规则中条件部分往往是偏差描述，因此模糊控制本质上是反馈控制。模糊控制器的组成有三个部分，如图2.4所示。图2.4 模糊控制器组成 模糊化模糊化的作用是将由测量得到的清晰数转化为模糊量，也就是以测量值对语言描述（模糊变量）的隶属度，作
26、为模糊推理的前提条件。显然，如果对某个模糊变量的隶属度为0，则以这个模糊变量为前提条件的规则在控制中不起作用。模糊化的第一个任务是进行论域变换，其变换关系为 （2.10） 式中是变换后的参数值；a,b是过程参数的变化范围，称为变换因子。模糊化的第二个任务是求得输入对应于语言变量的隶属度。语言变量的隶属度函数有两种表示方式，即离散方式和连续方式。离散方式是只取论域中的离散点（整数值）及这些点的隶属度来描述一个语言变量。例如取n=6，“正大”的隶属函数可写成 （2.11）这是查表方式中常用的。连续方式将隶属度表示成论域变量的连续函数，最常见的函数形式有两种，一是三角函数，其数学表示式为 （2.12
27、）式中是论域范围，为中值。另一种是铃形函数，其数学表示式为 （2.13）式中a是数学期望；b是方差。 模糊推理模糊规则的基本形式是“如果（条件）则（结果）”，条件是输入，结果是输出。按输入和输出个数，可分为单输入单输出和多输入多输出规则，目前使用最普遍的是单输入单输出和双输入单输出规则，他们的形式分别为 if then 和 if and then 语言规则描述了一种因果关系，要由计算机来执行这类规则，就包含两个层次的问题。首先要确定这个因果关系的数学表示形式，其次根据输入值确定实际的输出即控制作用，这个输出是模糊变量。模糊规则的数学表示即模糊关系有多种形式，这里将介绍在控制中使用较多的两种关系
28、即转移关系和合成关系。 转移关系：认为推理过程是将输入条件的隶属度转移到输出结果中去，成为结果的隶属度。对于双输入单输出的模糊规则，在隶属度转移前先要进行条件的“与”运算。选用极大/极小算子，“与”运算为取小运算。例如有规则 if then if then则先求，再将其转移到去。 合成关系：这种关系认为在规则 if then 中，有关系它满足，式中表示合成运算。 解模糊解模糊有两种具体方法：最大隶属度（MOM）法和区域中心（COA）法。 最大隶属度（MOM）法 它是取对应于输出模糊集中隶属度值最大的论域中的值作为输出，即而式中输出模糊集合，为输出论域中的元。 区域中心（COA）法 对输出模糊集
29、合用连续函数描述的情况，有，而对用离散描述的场合，输出值由加权平均法求得，即，式中表示集合覆盖的元素个数。2.3.3 模糊控制器的设计模糊控制器在模糊控制系统中起着决定作用。因此，设计模糊控制系统的关键是设计模糊控制器。模糊控制是以模糊数学，即模糊集合论、模糊语言知识表示及模糊逻辑推理等最为理论基础，以计算机作为物质基础，以计算机控制技术、自动控制理论作为技术基础的自动控制系统。模糊控制对难以建立精确数学模型、非线性、时滞性的控制对象具有很好的适应性。如图2.5所示为模糊控制原理图。图2.5 模糊控制原理图 模糊控制器结构的确定在设计模糊控制器时，可以根据不同的被控对象和对系统的性能要求作为结
30、构选型参考的依据。一般用的最多的是将偏差e和偏差变化作为输入语言变量，模糊化后分别用符号表示。本次设计采用二维模糊控制器。 模糊语言变量的语言值分档和模糊论域分级的选取 模糊语言变量语言值分档的选取在设计模糊控制器时，对偏差、偏差变化等输入语言变量的语言值或控制器输出的控制量变化的输出语言变量的语言值可以取为 或 或 这三种情况之一。其中负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大。 模糊语言变量模糊论域分级的选取为了能生成控制表，在CRI推理方法中，要求将变量具有清晰性的基本论域转换成有限个数的模糊论域，也就是把连续变化论域离散化为离散论域。设某偏差的物理论域为，将其转换为整数论域即。 量
31、化因子的确定设偏差的基本论域为，其模糊论域为 又设偏差变化的基本论域为，其模糊论域为 则定义 （2.14） （2.15）式中，分别称为偏差语言变量的量化因子和偏差变化语言变量的量化因子。对于第n次采样时刻温度偏差的精确值和第n次采样时刻偏差变化的精确值，分别乘以相应的量化因子即可转换为对应的模糊论域中，如果转化后的值不是整数，采用四舍五入的办法就近取整。 模糊语言变量隶属函数的表示一般系统的输入输出语言变量都选取了七个语言值：负大（）、负中（）、负小（）、零（）、正小（）、正中（）、正大（）。如图2.6是对模糊子集、的隶属函数在各自论域上的定义。 图2.6 输入输出变量隶属函数对应的语言变量赋
32、值表或模糊子集量化如表2.1和2.2所示：表2.1 语言变量()的隶属度赋值表-6-5-4-3-2-101234560000000000.10.40.81.0000000000.20.71.00.70.2续表2.1 语言变量()的隶属度赋值表-6-5-4-3-2-101234560000000.30.81.00.70.10000000.10.61.00.60.10000000.10.71.00.80.30000000.20.71.00.70.2000000001.00.80.40.1000000000表2.2 输出量的隶属度赋值表-6-5-4-3-2-101234560000000000.10
33、.40.81.0000000000.20.81.00.80.200000000.91.00.80.300000000.51.00.500000000.20.51.00.800000000.20.81.00.80.2000000001.00.80.40.1000000000由以上的双输入变量（误差变量以及误差变化率变量）的隶属度赋值以及单输出的隶属度赋值表，从而得到模糊控制器的输出曲面为如图2.7所示。图2.7 模糊推理输出曲面 模糊控制器的控制规则模糊控制器的控制规则是由输入输出模糊语言变量的不同语言值排列组合而构成的一组模糊条件语句，它们反映了人工控制的某种思维方式。只有选择恰当的控制规则，
34、才能很好的体现有经验的操作者的控制策略，既能保证响应的快速性，又能保证系统的稳定性。根据本次设计为双输入单输出原则，用模糊控制语句来表示。它的模糊关系为，具体推理规则是若已知输入为，则输出变量为，由此得到模糊控制规则如表2.3所示。表2.3 模糊控制规则表 EEc续表2.3 模糊控制规则表 输出量的模糊判决通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合，但实际模糊控制系统所需要的控制信号必须是精确量，要用一个精确的值才能去控制执行机构。因此模糊控制器经过推理后的模糊输出量必须经过精确化处理，才能去控制被控对象。把模糊量转换为精确量的过程称为解模糊或称为模糊判决3。模糊判决的方法很多，常用的有重心法、最大
35、隶属度法、系数加权平均法等。最大隶属度法，简单易行，使用方便，算法实时性好。具体做法是在推理结论的模糊集合中选取隶属度最大的元素作为精确控制量。在实际使用中采用查表的方法来即可得到精确的输出量。如表2.4所示为模糊控制器查询表。表2.4 模糊控制器查询表-6-5-4-3-2-10123456-6-7-7-7-7-7-7-7-4-3-1000-5-7-7-7-6-6-6-6-3-2-1000-4-6-6-6-5-5-5-5-3-1-1000-3-6-5-5-4-4-4-4-2-10111-2-6-4-4-4-4-4-4-100111-1-5-4-4-3-3-3-1000123续表2.4 模糊控制
36、器查询表04443320-1-1-1-3-3-31-2-2-2-10012223342-2-2-1-10133333353-1-1-101244445564000113555566650001236666777600013477777772.4 PID控制方案2.4.1 PID控制原理在模拟系统中，控制器常采用的控制规律是PID控制4。常规PID控制系统原理框图如图2.8所示。图2.8 常规PID控制系统框图常规的PID控制规律为： （2.16）式中，比例系数；积分时间常数；微分时间常数。PID控制器各校正环节的作用为： 比例环节 及时成比例的反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产
37、生控制作用，以减少偏差；但对于具有自平衡（即系统阶跃响应终值为一有限值）能力的被控对象存在静差。加大可以减少静差，但过大会导致系统超调增大，使系统的动态性能变坏。 积分环节 主要用于消除静态误差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。 微分环节 反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作，减少调节时间。对干扰敏感，使系统对干扰的抑制能力降低。2.4.2 增量式PID控制算法在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器。数字PID控制规律是用计算机程序来实现的。计算机控制是一
38、种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。因此将式（2.16）离散化后可得到离散化的PID表达式为： （2.17）也可写成： （2.18）式中，k采样序号； 第k次采样时刻的计算机输出值； 第k次采样时刻的偏差值； 第次采样时刻输入的偏差值； 积分系数，；微分系数，。式（2.18）为位置式PID控制算法，经过计算机输出的直接控制执行机构（阀门），的值和执行机构的位置（阀门开度）是一一对应的。位置式PID控制算法是全量输出，每次输出均与过去的状态有关，计算机的运算工作量大。当计算机出现故障时，计算机的输出会发生大幅变化，引起执行机构位置的大幅变化，严重时可能造成重大的事故。故而在此基础
39、上产生了增量式PID控制算法。根据式（2.18）可推出 （2.19）用式（2.18）减去式（2.19）得到： （2.20）即为增量式PID控制算法。相对于位置型PID控制算法，增量型PID控制算法有以下优点： 增量型具有抗积分饱和的优点，因为在计算机积分作用项时，不用计算偏差的累积和； 增量型输出的是原来执行机构的位置上加一个该变量，只有偏差出现时，才有输出增量产生； 增量型很容易从手动位置切换到自动位置，无须进行控制器输出的初始化。采用增量式PID控制算法时，计算机输出的控制增量对应的是本次执行机构位置的增量，而对应于阀门的实际位置的控制量，利用算式通过执行软件即可实现。如图2.9所示为增量
40、型PID控制算法框图。图2.9 增量型PID控制算法框图2.4.3 PID参数整定在把控制器投入运行前，必须先把它整定好，即要把决定控制作用强弱的控制器特性参数（、）放在适当的数值上。如果控制器参数整定不好，即使控制器本身很先进，其控制效果也会很差。因此，控制器参数整定是一个很重要的问题。过程控制系统要求超调量小，调节时间短，没有静差，这些都应该通过合理选择PID调节器的参数来实现。工程上有多种PID参数整定的方法，例如：动态特性参数法、稳定边界法（临界比例法）、阻尼振荡法（衰减曲线法）以及现场经验整定法等。2.5 总体控制方案针对连续搅拌反应釜控制系统，本次设计具体可分为两个阶段：反应升温阶
41、段和反应保温阶段。如图2.10所示为总体控制框图。图2.10 总体控制框图 在升温阶段，采用模糊控制，控制温度上升速率在0.10.2/内，当温度升至一定值时，利用升温/保温切换装置开始切换，使控制进入保温阶段；在保温阶段采用常规PID控制，使反应釜内温度保持120左右一段时间，以使反应充分进行，得到较高的主产物产率。3 系统硬件设计系统的硬件设计包括PLC模块配置（包括I/O模块选型）、现场设备选型（包括调节阀的选择以及检测变送装置的选择）、绘制系统硬件配置图以及输入输出接线图。3.1 PLC模块配置随着计算机技术、工业控制技术、电子技术和通信技术的发展，PLC已从小规模的单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域，能组成工厂自动化的PLC综合控制系统。现在的PLC一般具有以下功能：开关量逻辑控制功能、定时/计数控制功能、数据处理功能、监控及故障诊断功能、步进控制功能、A/D及D/A转换功能、停电记忆功能、远程I/O功能、通信连网功能和扩展功能。3.1.1 PLC的工作方式PLC采用的工作方式是循环扫描工作方式。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态或数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算等任务，并将逻辑或算术运算的结果送入I
