連續(xù)攪拌反應(yīng)釜溫度模糊控制-計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 1Abstract 21緒論 11.1研究目的和意義 11.2國(guó)內(nèi)外研究情況及發(fā)展 21.3主要研究?jī)?nèi)容 42控制方案選擇 52.1反應(yīng)升溫速度控制單元 62.2反應(yīng)保溫溫度控制單元 82.3模糊控制方案 92.4PID控制方案 212.5總體控制方案 243系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 263.1PLC模塊配置 263.2現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選型 303.3系統(tǒng)硬件配置圖 374系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 404.1控制流程圖設(shè)計(jì) 404.2控制梯形圖設(shè)計(jì) 444.3監(jiān)控界面設(shè)計(jì) 465系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì) 495.1控制原理圖設(shè)計(jì) 495.2系統(tǒng)仿真曲線 526總結(jié) 53參考文獻(xiàn) 55摘要連續(xù)攪拌反應(yīng)釜（CSTR）是化工生產(chǎn)中一類(lèi)非常重要的反應(yīng)容器，其內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，且其本身又具有較大的時(shí)變性、非線性和時(shí)滯性。目前在不少工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，仍大多采用手動(dòng)或半自動(dòng)控制，整體自動(dòng)化水平較低。本文采用力控（ForceControl）組態(tài)軟件，結(jié)合西門(mén)子S7-300PLC，設(shè)計(jì)了一套計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。并且在確定了被控對(duì)象的傳遞函數(shù)后，進(jìn)行了Matlab仿真。本文在參閱了大量的中外文獻(xiàn)并結(jié)合實(shí)際控制要求的基礎(chǔ)上，對(duì)基于模糊控制的連續(xù)攪拌反應(yīng)釜溫度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究和工程設(shè)計(jì)，將PID控制和模糊控制結(jié)合起來(lái)，提出一種智能復(fù)合控制方案，并給出了詳細(xì)的分析步驟和控制算法。同時(shí)對(duì)模糊-PID復(fù)合控制策略進(jìn)行了論證、仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究，并將該模糊-PID復(fù)合控制器應(yīng)用于連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的溫度控制回路，取得了理想的控制效果。關(guān)鍵詞：連續(xù)攪拌反應(yīng)釜，模糊-PID控制，西門(mén)子S7-300PLC，力控6.1，Matlab仿真AbstractContinuousStirredTankReactor-CSTRisaveryimportantvesselinchemistryindustryproduce,thereactionmechanisminitiscomplicated.Becauseofmultiplecontrolledobjectsandbigtime-variant,non-linear,time-delay,atpresent,lotsofindustrialproductionalsousesmenusorhalfautomationoperation,theleveloftheautomationisverylower.ThepaperisbasedontheForceControlconfiguresoftwareandcombinedwithSiemensS7-300PLC,anddesignacomputermonitoringsystem.Andwhenthetransferfunctionofthecontrolledplantisdetermined,wehaveaMatlabsimulink.Thepaperreferencestoalotofliterature,andusefuzzycontroltoreactortemperaturecontroltheorystudyandprojectdesign.Atthesametime,wehavearesearchofFuzzy-PIDcontrolandbringforwardanintelligentcomplexcontrolschemeandgivethedetaileddesign.SimulatetheFuzzy-PIDcontrolwithmatlabandthenapplythecontrollertotheCSTRtemperaturecontrolandgivetheperfectcontroleffect.Keywords:CSTR，F(xiàn)uzzy-PIDcontrol，SiemensS7-300PLC，F(xiàn)orceControl6.1，Matlabsimulation1緒論1.1研究目的和意義帶攪拌釜式反應(yīng)器系統(tǒng)是一種常見(jiàn)的化工設(shè)備，工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，為了保證生產(chǎn)安全以及產(chǎn)品質(zhì)量，需要對(duì)反應(yīng)溫度、釜壓等重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。針對(duì)釜式反應(yīng)器的工藝特點(diǎn)和控制要求，此次設(shè)計(jì)給出了一套基于西門(mén)子PLC的控制方案。反應(yīng)器--用于實(shí)現(xiàn)液相單相反應(yīng)過(guò)程和液液、氣液、液固、氣液固等多相反應(yīng)過(guò)程。器內(nèi)常設(shè)有攪拌（機(jī)械攪拌、氣流攪拌等）裝置。在高徑比較大時(shí)，可用多層攪拌槳葉。在反應(yīng)過(guò)程中物料需加熱或冷卻時(shí)，可在反應(yīng)器壁處設(shè)置夾套或在器內(nèi)設(shè)置換熱面，也可通過(guò)外循環(huán)進(jìn)行換熱。反應(yīng)器按操作模式可分為：間歇釜式反應(yīng)器或稱間歇釜、連續(xù)釜式反應(yīng)器或稱連續(xù)釜以及半連續(xù)釜式反應(yīng)器。本次設(shè)計(jì)使用的是帶攪拌連續(xù)釜式反應(yīng)器控制系統(tǒng)。連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（ContinuousStirredTankReactor,簡(jiǎn)稱CSTR）是聚合化學(xué)反應(yīng)中廣泛使用的一種反應(yīng)器，該對(duì)象是過(guò)程工業(yè)中典型的、高度非線性的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，連續(xù)攪拌反應(yīng)釜必然會(huì)受到外部或內(nèi)部因素的影響，使得系統(tǒng)中存在參數(shù)攝動(dòng)、外部干擾等不確定因素。為了保證反應(yīng)正常、有效的進(jìn)行，需要對(duì)反應(yīng)器中某些關(guān)鍵工藝參數(shù)如：物料比例、流量、液位、溫度、壓力、濃度等進(jìn)行控制使系統(tǒng)穩(wěn)定。在早期反應(yīng)釜的自動(dòng)控制中，將單元組合儀表組成位置式控制裝置，但是化學(xué)反應(yīng)過(guò)程一般都有很強(qiáng)的非線性和時(shí)滯性，采用這種簡(jiǎn)單控制很難達(dá)到理想的控制精度。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和PLC控制器的發(fā)展，越來(lái)越多的化學(xué)反應(yīng)采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，控制方法主要為數(shù)字PID控制。但是PID控制是一種基于對(duì)象有精確數(shù)學(xué)模型的線性過(guò)程，而CSTR模型最主要的一個(gè)特征就是非線性，因此PID控制在這一過(guò)程中的應(yīng)用受到限制。隨著現(xiàn)代控制理論和智能控制的發(fā)展，人們將更加先進(jìn)有效的控制方法應(yīng)用于CSTR的控制，如廣義預(yù)測(cè)控制、模糊PID復(fù)合控制[1]、自擾動(dòng)控制、非線性最優(yōu)控制、基于逆系統(tǒng)方法控制、基于補(bǔ)償算子的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、CSTR的非線性H∞控制等。但是任何一種復(fù)雜的化工反應(yīng)過(guò)程都不能用一種簡(jiǎn)單的控制方式達(dá)到理想的控制效果。目前先進(jìn)的反應(yīng)釜智能控制技術(shù)就是將智能控制理論和傳統(tǒng)的控制方法相結(jié)合。由于這些控制方法的算法比較法復(fù)雜，在算法的工程實(shí)現(xiàn)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試以及通用型方面存在著局限性,因此研究一種相對(duì)簡(jiǎn)單實(shí)用的CSTR控制方法，更易為工程技術(shù)人員所接受。本設(shè)計(jì)在對(duì)CSTR過(guò)程以及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，采用單回路控制、PID控制等控制方式；針對(duì)升溫控制的復(fù)雜性，使用了模糊-PID控制算法；并采用力控組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜的監(jiān)測(cè)，從而有利于加強(qiáng)我們對(duì)組態(tài)軟件的深入了解，并為以后更好的理論實(shí)踐做好基礎(chǔ)。1.2國(guó)內(nèi)外研究情況及發(fā)展反應(yīng)器系統(tǒng)的自動(dòng)化控制發(fā)展隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而得到快速的提高與廣泛的應(yīng)用。反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，是生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備。不同的生產(chǎn)過(guò)程和生產(chǎn)工藝所使用的反應(yīng)器類(lèi)型也不同，其種類(lèi)很多。按結(jié)構(gòu)形式看可分為：釜式反應(yīng)器、管式反應(yīng)器、塔式反應(yīng)器等；按傳熱情況看可分為：絕熱式反應(yīng)器和非絕熱式反應(yīng)器。釜式反應(yīng)器有兩種操作方式：連續(xù)生產(chǎn)和間歇生產(chǎn)。本次設(shè)計(jì)采用的就是連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器控制系統(tǒng)。釜式反應(yīng)器的發(fā)展經(jīng)歷了三四十年代單參數(shù)儀表控制，四五十年代的多元組合儀表，綜合參數(shù)儀表控制，直到六十年代興起的計(jì)算機(jī)過(guò)程控制幾個(gè)階段。隨著先進(jìn)控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，伴隨著計(jì)算機(jī)各項(xiàng)性能的不斷增強(qiáng)和價(jià)格的不斷下降，近年來(lái)反應(yīng)器應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制很快得到了普及和應(yīng)用。至90年代，反應(yīng)器的自動(dòng)化控制已成為一個(gè)熱門(mén)領(lǐng)域，利用單片機(jī)，可編程控制器，工業(yè)計(jì)算機(jī)以及引進(jìn)的國(guó)外控制設(shè)備開(kāi)發(fā)的各種控制系統(tǒng)，已逐漸應(yīng)用于對(duì)反應(yīng)器控制技術(shù)改進(jìn)中。很多新的控制方法，諸如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等都在反應(yīng)器自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了嘗試與應(yīng)用。近幾十年來(lái)反應(yīng)器控制系統(tǒng)采用了PID控制、模糊控制以及兩者的結(jié)合控制。目前，國(guó)內(nèi)的反應(yīng)器系統(tǒng)控制在理論上仍然大多采用常規(guī)PID控制器或者模糊控制器。但是模糊控制以及復(fù)合型模糊控制在實(shí)踐上還是很難以實(shí)現(xiàn)。但是作為近代智能控制中的一個(gè)重要分支—模糊控制，在溫度控制系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用。模糊控制的實(shí)質(zhì)是將相關(guān)領(lǐng)域的專家知識(shí)和熟練操作人員的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為模糊化后的語(yǔ)言規(guī)則，通過(guò)模糊推理與模糊決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制[2]。模糊控制具有不需要知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；易于實(shí)現(xiàn)對(duì)具有不確定性的對(duì)象和具有強(qiáng)非線性的對(duì)象進(jìn)行控制；對(duì)被控對(duì)象特性參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的魯棒性；對(duì)于控制系統(tǒng)的干擾具有較強(qiáng)的抑制能力等特點(diǎn)。對(duì)于復(fù)合型模糊控制器，則是把模糊控制和其他控制方式（傳統(tǒng)PID控制器）結(jié)合在一起的控制器。當(dāng)模糊控制器與標(biāo)準(zhǔn)的PID控制器相結(jié)合時(shí)即Fuzzy-PID復(fù)合控制。當(dāng)溫度差較大時(shí)采用模糊控制，此時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好；當(dāng)溫度差較小時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)PID控制，此時(shí)系統(tǒng)靜態(tài)性能好，有較好的控制精度。若將兩者結(jié)合充分利用兩種控制方法的優(yōu)點(diǎn)，則能使控制效果更好。但是這種復(fù)合控制在工業(yè)生產(chǎn)中難以實(shí)現(xiàn)，故而只是停留在理論階段。早期的控制采用模擬器件，發(fā)展到今天，反應(yīng)器的控制已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制（如采用西門(mén)子S7PLC、羅克韋爾等軟件），在控制方法上采用現(xiàn)代控制理論中的最優(yōu)控制、多變量頻域、模糊控制等方法。一些新型反應(yīng)釜也被應(yīng)用于反應(yīng)器系統(tǒng)的技術(shù)革新中，新型反應(yīng)釜在傳質(zhì)、傳熱、受力等方面都具有極大的優(yōu)越性，是對(duì)傳統(tǒng)化工反應(yīng)器的一次革命性創(chuàng)新。另外，反應(yīng)器的反應(yīng)效率高，運(yùn)行平穩(wěn)，而且對(duì)環(huán)境的污染少，因而將在化工生產(chǎn)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。1.3主要研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)是基于西門(mén)子PLC的反應(yīng)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所用反應(yīng)器為連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器，主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)在分析系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上確定系統(tǒng)的被控參數(shù)和控制參數(shù)，熟悉生產(chǎn)工藝過(guò)程，根據(jù)控制要求進(jìn)行總體控制方案設(shè)計(jì)。(2)相關(guān)硬件設(shè)計(jì)：進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)備選型和PLC選型，繪制系統(tǒng)的硬件連接圖：包括系統(tǒng)硬件配置圖和I/O連接圖。(3)根據(jù)所選硬件設(shè)備，確定反應(yīng)器控制過(guò)程中PID控制算法的實(shí)現(xiàn)和參數(shù)的整定。(4)相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，利用相關(guān)軟件設(shè)計(jì)梯形圖控制程序，對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和修改。(5)根據(jù)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)并進(jìn)行仿真。2控制方案選擇根據(jù)控制要求并且在確定控制方案后，同時(shí)在深入分析各個(gè)被控量的影響因素、各個(gè)被控量之間的制約關(guān)系以及各個(gè)被控對(duì)象的特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)典控制理論和先進(jìn)控制方法，設(shè)計(jì)了一套完備合理的控制方案?？刂品桨缚傮w分為兩個(gè)單元：反應(yīng)升溫速度控制單元以及反應(yīng)保溫溫度控制單元。如圖2.1為反應(yīng)釜工藝流程圖。圖2.1反應(yīng)釜工藝流程圖工藝設(shè)備包括：兩臺(tái)高位計(jì)量罐，其中A物料出口閥V4；B出口閥V5；催化劑C物料下料流量F6，下料閥V6。反應(yīng)器內(nèi)主產(chǎn)物濃度A，反應(yīng)溫度T1，液位L4，反應(yīng)物出口流量F9，出口閥V9。反應(yīng)器蛇管冷卻水入口流量F7，蛇管冷卻水閥V7；反應(yīng)器夾套冷卻水入口流量F8，夾套冷卻水閥V8；反應(yīng)器夾套加熱蒸汽閥S6（開(kāi)關(guān)）；反應(yīng)器放空閥V5，反應(yīng)器攪拌電機(jī)開(kāi)關(guān)S8。表2.1測(cè)控參數(shù)一覽表F4反應(yīng)物A進(jìn)料流量729Kg/hF5反應(yīng)物B進(jìn)料流量1540Kg/hF6催化劑C進(jìn)料流量88Kg/hF7蛇管冷卻水入口流量最大25t/hF8夾套冷卻水入口流量最大42t/hF9反應(yīng)物料混合液出口流量Kg/hT1反應(yīng)釜內(nèi)溫度℃P7反應(yīng)釜壓力MPa（絕壓）L4反應(yīng)器液位%（0～1.3m，0～100%）2.1反應(yīng)升溫速度控制單元2.1.1控制要求在縮合反應(yīng)階段，由冷態(tài)常溫逐漸誘發(fā)反應(yīng)至溫度達(dá)到120℃左右。在此階段要求設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，保證溫度以0.1℃～0.22.1.2控制方案設(shè)計(jì)⑴升溫階段（常溫～120℃本縮合反應(yīng)開(kāi)始后，先適當(dāng)打開(kāi)夾套蒸汽加熱閥S6，對(duì)反應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，觀察反應(yīng)釜內(nèi)溫度T1逐漸上升。此時(shí)應(yīng)使加熱調(diào)節(jié)的溫度上升速度控制在0.1℃～0.2℃/ｓ以內(nèi)。經(jīng)過(guò)預(yù)熱階段后，反應(yīng)此時(shí)已被深度誘發(fā)，并逐漸靠自身反應(yīng)的放熱效應(yīng)不斷加快反應(yīng)速度，進(jìn)入升溫階段。此時(shí)開(kāi)啟夾套冷卻水閥門(mén)設(shè)計(jì)思想：采用簡(jiǎn)單的PID控制不能得到很好的控制，因此必須采用不基于系統(tǒng)模型的模糊控制算法。模糊控制器與常規(guī)的控制器（如PID控制器）相比具有無(wú)須建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，對(duì)被控對(duì)象的時(shí)滯性、非線性以及時(shí)變性具有一定的適應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)噪聲也具有較強(qiáng)的抑制能力。雖然模糊控制器本身消除系統(tǒng)誤差的性能比較差，難以達(dá)到較高的控制精度，但是在升溫階段對(duì)誤差精度沒(méi)有過(guò)高的要求，因而采用模糊控制系統(tǒng)。被控量：反應(yīng)器內(nèi)溫度T1控制量：夾套冷卻水閥門(mén)V8開(kāi)度，蛇管冷卻水閥門(mén)V7開(kāi)度控制框圖如圖2.2所示。圖2.2模糊控制系統(tǒng)框圖2.2反應(yīng)保溫溫度控制單元2.2.1控制要求經(jīng)縮合反應(yīng)后，在反應(yīng)保溫階段使反應(yīng)釜溫度始終保持在120℃左右5～10分鐘（實(shí)際為2～32.2.2控制方案設(shè)計(jì)對(duì)于連續(xù)攪拌反應(yīng)釜，由于容量大、熱效應(yīng)強(qiáng)，而傳熱效果不理想，因此要克服這類(lèi)反應(yīng)器滯后特性，提高對(duì)反應(yīng)溫度的控制精度，故采用PID控制系統(tǒng)。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)溫度升至120℃時(shí)，已消耗掉大部分反應(yīng)物，化學(xué)反應(yīng)的劇烈程度顯著降低，因此，應(yīng)使冷水入口閥V7、V8的開(kāi)度逐漸減小，當(dāng)反應(yīng)放出的熱量已不足以維持住反應(yīng)的最佳溫度，釜溫和釜壓會(huì)迅速往下掉，當(dāng)兩路冷水閥V7、V8全部關(guān)閉后，釜溫還在繼續(xù)下降，此時(shí)，蒸汽閥S6需打開(kāi)為反應(yīng)提供熱量以維持反應(yīng)溫度在120℃2.2.3控制系統(tǒng)框圖被控量：反應(yīng)器內(nèi)溫度T1控制量：夾套冷卻水V8開(kāi)度，蛇管冷卻水V7開(kāi)度，夾套加熱蒸汽閥V6開(kāi)度控制框圖如圖2.3所示。圖2.3保溫溫度控制系統(tǒng)框圖2.3模糊控制方案模糊控制是一種新的控制方法，發(fā)展到現(xiàn)在而言，已經(jīng)在冶金、化工、電力和家電等工業(yè)部門(mén)都有了成功的應(yīng)用。模糊控制的特征是以語(yǔ)言規(guī)則作為它的控制規(guī)律，“如果…，則…”是規(guī)則的基本形式，語(yǔ)句的前半部分是條件或前提，后半部分是結(jié)果，因此這種規(guī)則蘊(yùn)含著一種邏輯推理。完成這個(gè)推理過(guò)程就是實(shí)現(xiàn)了這種控制規(guī)律。語(yǔ)言規(guī)則的條件和結(jié)果，通常是事物或過(guò)程的模糊描述。要由計(jì)算機(jī)自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)這條控制規(guī)則，必須將模糊描述與傳統(tǒng)數(shù)學(xué)很好的結(jié)合在一起，即就是模糊數(shù)學(xué)。2.3.1模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)⑴兩種描述和兩種集合我們把邊界十分明確的描述稱為清晰描述；把邊界含糊的描述稱為模糊描述。假設(shè)被討論的對(duì)象的全體為論域，，清晰集合可用特征函數(shù)表示：（2.1）按模糊描述來(lái)定義集合的情況則不同。論域中的模糊集合是以隸屬度函數(shù)為其特征的集合，即?；蛘哒f(shuō)，對(duì)于任意的，有。被稱為。⑵模糊集合的表示和運(yùn)算 論域中的模糊集合可用下列方法表示。①Zadeh表示法（2.2）式中，+表示聯(lián)接符號(hào)，分?jǐn)?shù)線—表示元與隸屬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。②向量表示法（2.3）每個(gè)元的隸屬度（包括0）都要列入。③隸屬度函數(shù)表示法（2.4）⑶隸屬函數(shù)的確定隸屬函數(shù)在模糊數(shù)學(xué)中占有突出重要的位置，這是因?yàn)槟：鲜怯呻`屬函數(shù)刻畫(huà)的，模糊集合的的各種運(yùn)算均是利用隸屬函數(shù)來(lái)進(jìn)行的。因此，在模糊集合的各種應(yīng)用場(chǎng)合，首先解決的問(wèn)題是確定隸屬函數(shù)。對(duì)于模糊統(tǒng)計(jì)，在論域中給定一個(gè)確定元素，然后再考慮屬于論域上運(yùn)動(dòng)著的邊界可變的普通集合，以及n次試驗(yàn)中元素屬于的次數(shù)，當(dāng)n足夠大時(shí)，屬于模糊集合的隸屬度趨于一個(gè)穩(wěn)定值。即（2.5）式中，為n次試驗(yàn)中的次數(shù)；n為試驗(yàn)次數(shù)。以下是幾種常見(jiàn)的隸屬函數(shù)：正態(tài)型這是一種最常見(jiàn)的模糊控制。（2.6）②柯西型（2.7）③型（2.8）④三角形以及梯形⑷模糊關(guān)系給定論域被稱為從到的模糊二元關(guān)系，的隸屬度函數(shù)為，它表示序偶對(duì)關(guān)系的隸屬度。因此由定義出發(fā)可以有以下幾種表示方法：①Zadeh表示論域的模糊關(guān)系可寫(xiě)成（2.9）式中橫線分母為序偶，分子為該序偶對(duì)關(guān)系的隸屬度，若則該項(xiàng)省略。②圖形表示稱關(guān)系圖。它將集合和中的元用節(jié)點(diǎn)表示，序偶間用有向弧線聯(lián)接，弧線上注明該序偶對(duì)關(guān)系的隸屬度。③矩陣表示稱關(guān)系矩陣。設(shè)到的關(guān)系可寫(xiě)成，式中。當(dāng)反應(yīng)物投入設(shè)備后，由于釜溫測(cè)量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于反應(yīng)給定溫度，誤差e很大，因此升溫/保溫切換器選擇升溫控制器—模糊控制器，蒸汽閥S6和冷水閥V7、V8采用分程控制，其中蒸汽閥S6選用氣開(kāi)形式，其工作范圍是12-20mA；冷水閥選用氣關(guān)形式，其工作范圍是4-12mA，控制器選用反作用形式。由于反應(yīng)剛開(kāi)始時(shí)釜溫較低，控制器輸出信號(hào)較大，因此蒸汽閥S6工作，兩路冷水閥全部關(guān)閉，此時(shí)誘發(fā)反應(yīng)進(jìn)行。設(shè)計(jì)模糊控制器，使溫度以0.1℃～0.2℃/s的速率上升。當(dāng)釜溫達(dá)到反應(yīng)誘發(fā)溫度時(shí)，化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，于是就有熱量放出，釜溫將逐漸升高并且溫度上升速率越來(lái)越大。此時(shí)隨著誤差的減小，控制器輸出也相應(yīng)變小2.3.2模糊控制器工作原理模糊控制是一種仿人控制，規(guī)則中條件部分往往是偏差描述，因此模糊控制本質(zhì)上是反饋控制。模糊控制器的組成有三個(gè)部分，如圖2.4所示。圖2.4模糊控制器組成⑴模糊化模糊化的作用是將由測(cè)量得到的清晰數(shù)轉(zhuǎn)化為模糊量，也就是以測(cè)量值對(duì)語(yǔ)言描述（模糊變量）的隸屬度，作為模糊推理的前提條件。顯然，如果對(duì)某個(gè)模糊變量的隸屬度為0，則以這個(gè)模糊變量為前提條件的規(guī)則在控制中不起作用。模糊化的第一個(gè)任務(wù)是進(jìn)行論域變換，其變換關(guān)系為（2.10）式中是變換后的參數(shù)值；[a,b]是過(guò)程參數(shù)的變化范圍，稱為變換因子。模糊化的第二個(gè)任務(wù)是求得輸入對(duì)應(yīng)于語(yǔ)言變量的隸屬度。語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)有兩種表示方式，即離散方式和連續(xù)方式。離散方式是只取論域中的離散點(diǎn)（整數(shù)值）及這些點(diǎn)的隸屬度來(lái)描述一個(gè)語(yǔ)言變量。例如取n=6，“正大”的隸屬函數(shù)可寫(xiě)成（2.11）這是查表方式中常用的。連續(xù)方式將隸屬度表示成論域變量的連續(xù)函數(shù)，最常見(jiàn)的函數(shù)形式有兩種，一是三角函數(shù)，其數(shù)學(xué)表示式為（2.12）式中是論域范圍，為中值。另一種是鈴形函數(shù)，其數(shù)學(xué)表示式為（2.13）式中a是數(shù)學(xué)期望；b是方差。⑵模糊推理模糊規(guī)則的基本形式是“如果（條件）則（結(jié)果）”，條件是輸入，結(jié)果是輸出。按輸入和輸出個(gè)數(shù)，可分為單輸入單輸出和多輸入多輸出規(guī)則，目前使用最普遍的是單輸入單輸出和雙輸入單輸出規(guī)則，他們的形式分別為ifthen和ifandthen語(yǔ)言規(guī)則描述了一種因果關(guān)系，要由計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行這類(lèi)規(guī)則，就包含兩個(gè)層次的問(wèn)題。首先要確定這個(gè)因果關(guān)系的數(shù)學(xué)表示形式，其次根據(jù)輸入值確定實(shí)際的輸出即控制作用，這個(gè)輸出是模糊變量。模糊規(guī)則的數(shù)學(xué)表示即模糊關(guān)系有多種形式，這里將介紹在控制中使用較多的兩種關(guān)系即轉(zhuǎn)移關(guān)系和合成關(guān)系。①轉(zhuǎn)移關(guān)系：認(rèn)為推理過(guò)程是將輸入條件的隸屬度轉(zhuǎn)移到輸出結(jié)果中去，成為結(jié)果的隸屬度。對(duì)于雙輸入單輸出的模糊規(guī)則，在隸屬度轉(zhuǎn)移前先要進(jìn)行條件的“與”運(yùn)算。選用極大/極小算子，“與”運(yùn)算為取小運(yùn)算。例如有規(guī)則ifthenifthen則先求，再將其轉(zhuǎn)移到去。②合成關(guān)系：這種關(guān)系認(rèn)為在規(guī)則ifthen中，有關(guān)系它滿足，式中表示合成運(yùn)算。⑶解模糊解模糊有兩種具體方法：最大隸屬度（MOM）法和區(qū)域中心（COA）法。①最大隸屬度（MOM）法它是取對(duì)應(yīng)于輸出模糊集中隸屬度值最大的論域中的值作為輸出，即而式中輸出模糊集合，為輸出論域中的元。②區(qū)域中心（COA）法對(duì)輸出模糊集合用連續(xù)函數(shù)描述的情況，有，而對(duì)用離散描述的場(chǎng)合，輸出值由加權(quán)平均法求得，即，式中表示集合覆蓋的元素個(gè)數(shù)。2.3.3模糊控制器在模糊控制系統(tǒng)中起著決定作用。因此，設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)模糊控制器。模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)，即模糊集合論、模糊語(yǔ)言知識(shí)表示及模糊邏輯推理等最為理論基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)作為物質(zhì)基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、自動(dòng)控制理論作為技術(shù)基礎(chǔ)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。模糊控制對(duì)難以建立精確數(shù)學(xué)模型、非線性、時(shí)滯性的控制對(duì)象具有很好的適應(yīng)性。如圖2.5所示為模糊控制原理圖。圖2.5模糊控制原理圖⑴模糊控制器結(jié)構(gòu)的確定在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，可以根據(jù)不同的被控對(duì)象和對(duì)系統(tǒng)的性能要求作為結(jié)構(gòu)選型參考的依據(jù)。一般用的最多的是將偏差e和偏差變化作為輸入語(yǔ)言變量，模糊化后分別用符號(hào)表示。本次設(shè)計(jì)采用二維模糊控制器。⑵模糊語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值分檔和模糊論域分級(jí)的選取①模糊語(yǔ)言變量語(yǔ)言值分檔的選取在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，對(duì)偏差、偏差變化等輸入語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值或控制器輸出的控制量變化的輸出語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值可以取為或或這三種情況之一。其中—負(fù)大，—負(fù)中，—負(fù)小，—負(fù)零，—正零，—正小，—正中，—正大。②模糊語(yǔ)言變量模糊論域分級(jí)的選取為了能生成控制表，在 CRI推理方法中，要求將變量具有清晰性的基本論域轉(zhuǎn)換成有限個(gè)數(shù)的模糊論域，也就是把連續(xù)變化論域離散化為離散論域。設(shè)某偏差的物理論域?yàn)椋瑢⑵滢D(zhuǎn)換為整數(shù)論域即。⑶量化因子的確定設(shè)偏差的基本論域?yàn)椋淠：撚驗(yàn)橛衷O(shè)偏差變化的基本論域?yàn)?，其模糊論域?yàn)閯t定義（2.14）（2.15）式中，分別稱為偏差語(yǔ)言變量的量化因子和偏差變化語(yǔ)言變量的量化因子。對(duì)于第n次采樣時(shí)刻溫度偏差的精確值和第n次采樣時(shí)刻偏差變化的精確值，分別乘以相應(yīng)的量化因子即可轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的模糊論域中，如果轉(zhuǎn)化后的值不是整數(shù)，采用四舍五入的辦法就近取整。⑷模糊語(yǔ)言變量隸屬函數(shù)的表示一般系統(tǒng)的輸入輸出語(yǔ)言變量都選取了七個(gè)語(yǔ)言值：負(fù)大（）、負(fù)中（）、負(fù)小（）、零（）、正?。ǎ⒄校ǎ?、正大（）。如圖2.6是對(duì)模糊子集、、、、、、的隸屬函數(shù)在各自論域上的定義。圖2.6輸入輸出變量隸屬函數(shù)對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言變量賦值表或模糊子集量化如表2.1和2.2所示：表2.1語(yǔ)言變量()的隸屬度賦值表-6-5-4-3-2-101234560000000000.10.40.81.0000000000.20.71.00.70.2續(xù)表2.1語(yǔ)言變量()的隸屬度賦值表-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輸出量的隸屬度賦值表-6-5-4-3-2-101234560000000000.10.40.81.0000000000.20.81.00.80.200000000.91.00.80.300000000.51.00.500000000.20.51.00.800000000.20.81.00.80.2000000001.00.80.40.1000000000由以上的雙輸入變量（誤差變量以及誤差變化率變量）的隸屬度賦值以及單輸出的隸屬度賦值表，從而得到模糊控制器的輸出曲面為如圖2.7所示。圖2.7模糊推理輸出曲面⑸模糊控制器的控制規(guī)則模糊控制器的控制規(guī)則是由輸入輸出模糊語(yǔ)言變量的不同語(yǔ)言值排列組合而構(gòu)成的一組模糊條件語(yǔ)句，它們反映了人工控制的某種思維方式。只有選擇恰當(dāng)?shù)目刂埔?guī)則，才能很好的體現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)的操作者的控制策略，既能保證響應(yīng)的快速性，又能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)本次設(shè)計(jì)為雙輸入單輸出原則，用模糊控制語(yǔ)句來(lái)表示。它的模糊關(guān)系為，具體推理規(guī)則是若已知輸入為，則輸出變量為，由此得到模糊控制規(guī)則如表2.3所示。表2.3模糊控制規(guī)則表EEc續(xù)表2.3模糊控制規(guī)則表⑹輸出量的模糊判決通過(guò)模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合，但實(shí)際模糊控制系統(tǒng)所需要的控制信號(hào)必須是精確量，要用一個(gè)精確的值才能去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此模糊控制器經(jīng)過(guò)推理后的模糊輸出量必須經(jīng)過(guò)精確化處理，才能去控制被控對(duì)象。把模糊量轉(zhuǎn)換為精確量的過(guò)程稱為解模糊或稱為模糊判決[3]。模糊判決的方法很多，常用的有重心法、最大隸屬度法、系數(shù)加權(quán)平均法等。最大隸屬度法，簡(jiǎn)單易行，使用方便，算法實(shí)時(shí)性好。具體做法是在推理結(jié)論的模糊集合中選取隸屬度最大的元素作為精確控制量。在實(shí)際使用中采用查表的方法來(lái)即可得到精確的輸出量。如表2.4所示為模糊控制器查詢表。表2.4模糊控制器查詢表-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續(xù)表2.4模糊控制器查詢表04443320-1-1-1-3-3-31-2-2-2-10012223342-2-2-1-10133333353-1-1-101244445564000113555566650001236666777600013477777772.4PID控制方案2.4在模擬系統(tǒng)中，控制器常采用的控制規(guī)律是PID控制[4]。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2.8所示。圖2.8常規(guī)PID控制系統(tǒng)框圖常規(guī)的PID控制規(guī)律為：（2.16）式中，—比例系數(shù)；—積分時(shí)間常數(shù)；—微分時(shí)間常數(shù)。PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用為：①比例環(huán)節(jié)及時(shí)成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差；但對(duì)于具有自平衡（即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值）能力的被控對(duì)象存在靜差。加大可以減少靜差，但過(guò)大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)增大，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變壞。②積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。③微分環(huán)節(jié)反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。對(duì)干擾敏感，使系統(tǒng)對(duì)干擾的抑制能力降低。2.4在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字PID控制器。數(shù)字PID控制規(guī)律是用計(jì)算機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來(lái)計(jì)算控制量。因此將式（2.16）離散化后可得到離散化的PID表達(dá)式為：（2.17）也可寫(xiě)成：（2.18）式中，k—采樣序號(hào)；—第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；—第k次采樣時(shí)刻的偏差值；—第次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；—積分系數(shù)，；—微分系數(shù)，。式（2.18）為位置式PID控制算法，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)輸出的直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（閥門(mén)），的值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（閥門(mén)開(kāi)度）是一一對(duì)應(yīng)的。位置式PID控制算法是全量輸出，每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算工作量大。當(dāng)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，計(jì)算機(jī)的輸出會(huì)發(fā)生大幅變化，引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅變化，嚴(yán)重時(shí)可能造成重大的事故。故而在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了增量式PID控制算法。根據(jù)式（2.18）可推出（2.19）用式（2.18）減去式（2.19）得到：（2.20）即為增量式PID控制算法。相對(duì)于位置型PID控制算法，增量型PID控制算法有以下優(yōu)點(diǎn)：①增量型具有抗積分飽和的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)積分作用項(xiàng)時(shí)，不用計(jì)算偏差的累積和；②增量型輸出的是原來(lái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置上加一個(gè)該變量，只有偏差出現(xiàn)時(shí)，才有輸出增量產(chǎn)生；③增量型很容易從手動(dòng)位置切換到自動(dòng)位置，無(wú)須進(jìn)行控制器輸出的初始化。采用增量式PID控制算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量，而對(duì)應(yīng)于閥門(mén)的實(shí)際位置的控制量，利用算式通過(guò)執(zhí)行軟件即可實(shí)現(xiàn)。如圖2.9所示為增量型PID控制算法框圖。圖2.9增量型PID控制算法框圖2.4在把控制器投入運(yùn)行前，必須先把它整定好，即要把決定控制作用強(qiáng)弱的控制器特性參數(shù)（、、）放在適當(dāng)?shù)臄?shù)值上。如果控制器參數(shù)整定不好，即使控制器本身很先進(jìn)，其控制效果也會(huì)很差。因此，控制器參數(shù)整定是一個(gè)很重要的問(wèn)題。過(guò)程控制系統(tǒng)要求超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時(shí)間短，沒(méi)有靜差，這些都應(yīng)該通過(guò)合理選擇PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。工程上有多種PID參數(shù)整定的方法，例如：動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法、穩(wěn)定邊界法（臨界比例法）、阻尼振蕩法（衰減曲線法）以及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)整定法等。2.5總體控制方案針對(duì)連續(xù)攪拌反應(yīng)釜控制系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)具體可分為兩個(gè)階段：反應(yīng)升溫階段和反應(yīng)保溫階段。如圖2.10所示為總體控制框圖。圖2.10總體控制框圖在升溫階段，采用模糊控制，控制溫度上升速率在0.1℃～0.2℃/ｓ內(nèi)，當(dāng)溫度升至一定值時(shí)，利用升溫/保溫切換裝置開(kāi)始切換，使控制進(jìn)入保溫階段；在保溫階段采用常規(guī)PID控制，使反應(yīng)釜內(nèi)溫度保持120℃左右一段3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括PLC模塊配置（包括I/O模塊選型）、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選型（包括調(diào)節(jié)閥的選擇以及檢測(cè)變送裝置的選擇）、繪制系統(tǒng)硬件配置圖以及輸入輸出接線圖。3.1PLC模塊配置隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)、電子技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，PLC已從小規(guī)模的單機(jī)順序控制，發(fā)展到包括過(guò)程控制、位置控制等場(chǎng)合的所有控制領(lǐng)域，能組成工廠自動(dòng)化的PLC綜合控制系統(tǒng)。現(xiàn)在的PLC一般具有以下功能：開(kāi)關(guān)量邏輯控制功能、定時(shí)/計(jì)數(shù)控制功能、數(shù)據(jù)處理功能、監(jiān)控及故障診斷功能、步進(jìn)控制功能、A/D及D/A轉(zhuǎn)換功能、停電記憶功能、遠(yuǎn)程I/O功能、通信連網(wǎng)功能和擴(kuò)展功能。3.1.1PLC采用的工作方式是循環(huán)掃描工作方式。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映像區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù)運(yùn)算等任務(wù)，并將邏輯或算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映像區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映像區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直至停止運(yùn)行為止。整個(gè)過(guò)程掃描一次所需要的時(shí)間稱為掃描周期。在循環(huán)程序處理過(guò)程中，PLC的CPU并不直接訪問(wèn)I/O模塊中的輸入地址區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問(wèn)CPU內(nèi)部的過(guò)程映像區(qū)，所以在程序執(zhí)行的過(guò)程中，即使輸入信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入過(guò)程映像區(qū)的狀態(tài)也不會(huì)隨之而變，輸入信號(hào)變化了的狀態(tài)只能在下一個(gè)掃描周期的讀輸入模塊階段被讀入。3.1.2PLC種類(lèi)很多，其功能、內(nèi)存容量、控制規(guī)模、外形等方面均存在較大的差異，且還沒(méi)有一個(gè)權(quán)威的統(tǒng)一的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。按結(jié)構(gòu)形式可分為：整體式和模塊式。模塊式PLC是把PLC的每個(gè)工作單元都制成獨(dú)立的模塊，如中央處理器（CPU）模塊、輸入輸出模塊、電源模塊、通信模塊等。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的控制要求，并且考慮到性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價(jià)格等因素，因而使用西門(mén)子S7-300模塊化PLC。模塊化中小型S7-300PLC系統(tǒng)采用緊湊的、無(wú)槽位限制的模塊結(jié)構(gòu)，電源模塊（PS）、CPU、信號(hào)模塊（SM）、功能模塊（FM）、接口模塊（IM）和通信處理器（CP）都安裝在導(dǎo)軌上。電源模塊安裝在導(dǎo)軌的最左邊，CPU模塊緊靠電源模塊，接口模塊放在CPU模塊的右側(cè)，然后是擴(kuò)展模塊，用備用總線將除電源之外的各個(gè)模塊連接起來(lái)。S7-300PLC適用于機(jī)器快速的過(guò)程處理或?qū)?shù)據(jù)處理能力有特別要求的中小型自動(dòng)化控制系統(tǒng)。它除了具有功能強(qiáng)大，堅(jiān)固耐用的特點(diǎn)外，還能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的組態(tài)和編程，從而大幅度的降低工程成本。此外，集成的高性能系統(tǒng)診斷功能可保證控制器的更高可用性，顯著提高生產(chǎn)率。為了減少停機(jī)時(shí)間，增加產(chǎn)量，提供可組態(tài)的過(guò)程診斷，以用于分析和排除過(guò)程故障。S7-300的CPU選用314C-2DP，帶4個(gè)模擬量輸入模塊，3個(gè)模擬量輸出模塊，需要采集的數(shù)據(jù)都是模擬量（比如反應(yīng)器的溫度），314C-2DP還帶了一些數(shù)字量接口，可以滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)字量的使用要求。另外選用了一個(gè)用于以太網(wǎng)的通訊處理器CP343-1，通過(guò)此模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。如表3.1所示為PLC模塊配置。表3.1PLC模塊配置模塊模塊配置說(shuō)明電源模塊PS307（5A）輸出電流5A，將AC120/230V市電電壓轉(zhuǎn)換為DC24V，為CPU和24V直流負(fù)載電路（信號(hào)模塊、傳感器以及執(zhí)行器等）提供直流電源；防短路和開(kāi)路保護(hù)；可靠的隔離性。中央處理模塊CPU314完成執(zhí)行用戶程序，提供DC5V電源，并通過(guò)MPI與其他中央處理器或編程裝置通信。數(shù)字量輸入模塊SM321額定輸入電壓24V；16個(gè)輸入點(diǎn)，帶隔離，16點(diǎn)為一組；DI16＊24VDC,采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)及故障。數(shù)字量輸出模塊SM322額定輸入電壓24VDC,DO16＊24VDC/0.5A，控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備停轉(zhuǎn)；16個(gè)輸出點(diǎn)帶隔離1/2點(diǎn)為一組。模擬量輸入模塊SM3314通道8輸入；AI8＊12位，溫度采集信號(hào)；被測(cè)精度每組可設(shè)定取決于所設(shè)定的積分時(shí)間。模擬量輸出模塊SM3324通道4輸出；AO4＊12位；每個(gè)輸出通道可以編程為電壓輸出或電流輸出。通訊處理器CP343-1TCP/UDP連接，最多16個(gè)；S7連接最多16個(gè)；PG/OP連接最多16個(gè)。S7-300PLC采用緊湊的、無(wú)槽位限制的模塊化組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同，可選用不同型號(hào)和不同數(shù)量的模塊，并可以將這些模塊安裝在同一機(jī)架（導(dǎo)軌）或多個(gè)機(jī)架上。一般而言，電源模塊總是安裝在機(jī)架的最左邊，CPU模塊緊靠電源模塊；如果有接口模塊（IM），接口模塊放在CPU模塊的右側(cè)；除了電源模塊、CPU模塊和接口模塊外，一個(gè)機(jī)架上最多只能安裝8個(gè)信號(hào)模塊或功能模塊。也就是說(shuō)，機(jī)架的最左邊是1號(hào)槽，最右邊是11號(hào)槽，電源模塊總是在1號(hào)槽的位置。中央機(jī)架（0號(hào)機(jī)架）的2號(hào)槽上是CPU模塊，3號(hào)槽是接口模塊。信號(hào)模塊和通過(guò)新處理器模塊可以任意安裝在4～11號(hào)槽內(nèi)，系統(tǒng)可以自動(dòng)分配地址。如圖3.1所示。圖3.1S7-300PLC結(jié)構(gòu)3.1.3根據(jù)控制系統(tǒng)的要求可知：系統(tǒng)需要一個(gè)模擬量輸入（AI）模塊、一個(gè)模擬量輸出（AO）模塊以及一個(gè)數(shù)字量輸出（DO）模塊。如表3.2所示為系統(tǒng)I/O統(tǒng)計(jì)表：表3.2系統(tǒng)I/O統(tǒng)計(jì)表模塊數(shù)量說(shuō)明模擬輸入（AI）模塊SM33118路模擬量輸入（4～20mA）；輸入：反應(yīng)釜溫度T1，蛇管冷卻水流量F7以及夾套冷卻水流量F8。模擬輸出（AO）模塊SM3321用于控制閥門(mén)及電機(jī)的狀態(tài)；8路模擬量輸出（4～20mA）；輸出：蒸汽閥S6，蛇管冷卻水閥V7以及夾套冷卻水閥V8。數(shù)字輸出（DO）模塊SM3221用于控制泵、電機(jī)以及指示燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)；16路開(kāi)關(guān)量輸出（0～24V）；輸出：攪拌機(jī)開(kāi)關(guān)S8。3.2現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選型3.2.1調(diào)節(jié)閥的選擇氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥在過(guò)程控制工業(yè)中的使用最為廣泛，氣動(dòng)執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、性能穩(wěn)定、維修方便、價(jià)格便宜、適用于防火防爆場(chǎng)合等特點(diǎn)。它不僅能與QDZ儀表配用，而且通過(guò)電-氣轉(zhuǎn)換器或閥門(mén)定位器與DDZ儀表配用。所以它廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、輕紡等工業(yè)部門(mén)，尤其適用于易燃易爆等生產(chǎn)場(chǎng)合。⑴選擇合適的流量特性在過(guò)程控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器的流量特性可分為線性型、等百分比型（對(duì)數(shù)型）、快開(kāi)型以及拋物線型等。在具體選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性時(shí)，要根據(jù)被控過(guò)程特性來(lái)選擇調(diào)節(jié)閥的工作流量特性，其目的是使系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)為定值。若被控過(guò)程特性為線性時(shí)，可選用線性流量特性的調(diào)節(jié)閥；若被控過(guò)程特性為非線性，應(yīng)選用對(duì)數(shù)流量特性的調(diào)節(jié)閥。執(zhí)行器的流量特性是指被控介質(zhì)流過(guò)閥門(mén)的相對(duì)流量與閥門(mén)的相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系，即（3.1）式中，—相對(duì)流量，即執(zhí)行器某一開(kāi)度流量與全開(kāi)流量之比；—相對(duì)開(kāi)度，即執(zhí)行器某一開(kāi)度行程與全開(kāi)行程之比。流量特性可分為理想流量特性與工作流量特性。所謂理想流量特性即在閥前后壓差為一定的情況下（△P=常量）得到的流量特性。如圖3.2為流量特性曲線。1—直線2—拋物線3—對(duì)數(shù)圖3.2流量特性曲線在過(guò)程控制系統(tǒng)中的工程設(shè)計(jì)中，既要解決理想流量特性的選取，也要考慮阻力比S值的選?。篠=ΔP∕∑ΔP(其中ΔP為系統(tǒng)總壓差，∑ΔP是閥、全部工藝設(shè)備和管路系統(tǒng)上的各壓差之和)。當(dāng)S=0.6～1.0時(shí),可以認(rèn)為理想特性與工作特性的曲線形狀相近，此時(shí)工作特性選什么類(lèi)型，理想特性就選什么類(lèi)型；當(dāng)S=0.3～0.6時(shí)，理想特性有顯著變化，調(diào)節(jié)閥流量特性無(wú)論是線性型還是對(duì)數(shù)型，均應(yīng)選擇對(duì)數(shù)型的理想流量特性；當(dāng)S=0.3時(shí)，一般不宜用于自動(dòng)控制。⑵調(diào)節(jié)閥作用方式選擇調(diào)節(jié)閥開(kāi)關(guān)形式的選擇主要是考慮在不同工藝條件下安全生產(chǎn)的需要。在選用時(shí)，應(yīng)考慮一下情況：①考慮事故狀態(tài)時(shí)人身、工藝設(shè)備的安全。當(dāng)過(guò)程控制系統(tǒng)發(fā)生故障（如氣源中斷、調(diào)節(jié)器損壞等）時(shí)，調(diào)節(jié)閥所處的狀態(tài)不至于影響人身和設(shè)備的安全。②考慮事故狀態(tài)下減少經(jīng)濟(jì)損失，保證產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)于進(jìn)料調(diào)節(jié)閥，一般選用氣開(kāi)式，這樣在事故狀態(tài)下調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，停止進(jìn)料，以減少原料損耗；而冷卻水調(diào)節(jié)閥選用氣關(guān)式，一旦事故發(fā)生，可保證溫度過(guò)高狀態(tài)下調(diào)節(jié)閥處于全開(kāi)位置，排除爆炸危險(xiǎn)。⑶選擇合適的調(diào)節(jié)特性在過(guò)程控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥的、必須很好選擇，在正常工況下要求調(diào)節(jié)閥開(kāi)度處于15%～85%之間。因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥口徑選的過(guò)小，當(dāng)系統(tǒng)受到較大的擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)閥可能運(yùn)行在全開(kāi)或接近全開(kāi)的非線性飽和工作狀態(tài)，使系統(tǒng)暫時(shí)失控；調(diào)節(jié)閥口徑選的過(guò)大，系統(tǒng)運(yùn)行中閥門(mén)會(huì)經(jīng)常處于小開(kāi)度的工作狀態(tài)，不但調(diào)節(jié)不靈敏，而且易造成流體對(duì)閥芯、閥座的嚴(yán)重沖蝕，在不平衡力作用下產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，甚至引起調(diào)節(jié)閥失靈。如表3.1為閥門(mén)類(lèi)型配置[6]。表3.1閥門(mén)類(lèi)型配置閥門(mén)及名稱類(lèi)型作用方式流量特性閥門(mén)直徑A物料下料閥V4ZJHP氣動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)型線性型25B物料下料閥V5（放空閥）ZJHP氣動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)型線性型25C物料下料閥ZJHP氣動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)型線性型20蛇管冷卻水閥門(mén)V7ZJHP氣動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥氣關(guān)型對(duì)數(shù)型40續(xù)表3.1閥門(mén)類(lèi)型配置夾套冷卻水閥門(mén)V8ZJHP氣動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥氣關(guān)型對(duì)數(shù)型50出料閥V9ZJHP氣動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥氣關(guān)型線性型25夾套加熱蒸汽閥S6調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)型對(duì)數(shù)型反應(yīng)釜攪拌機(jī)S8開(kāi)關(guān)閥氣開(kāi)型⑷閥門(mén)定位器的選擇閥門(mén)定位器是氣動(dòng)執(zhí)行器的主要附件，與氣動(dòng)執(zhí)行器配套使用可組成如圖3.3所示的閉環(huán)回路。圖3.3定位器與執(zhí)行器連接圖利用負(fù)反饋原理來(lái)改善調(diào)節(jié)閥的定位精度和靈敏度，從而使調(diào)節(jié)閥能按調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。閥門(mén)定位器的主要功能有：實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位；改善調(diào)節(jié)閥的動(dòng)態(tài)特性；改變調(diào)節(jié)閥的流量特性；實(shí)現(xiàn)分程控制。本次設(shè)計(jì)由于其輸出信號(hào)即閥門(mén)定位器的輸入信號(hào)為電信號(hào)，所以選擇電-氣閥門(mén)定位器。它將電動(dòng)調(diào)節(jié)器或手動(dòng)操作器輸出的DC4～20mA信號(hào)轉(zhuǎn)換成0.02～0.1MPa氣壓信號(hào)去操作氣動(dòng)執(zhí)行器。它起了電-氣轉(zhuǎn)換器和閥門(mén)定位器的作用。電-氣閥門(mén)定位器是按力矩平衡原理工作的。本系統(tǒng)采用分程控制：當(dāng)用一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)分段分別控制兩只氣動(dòng)執(zhí)行器工作時(shí)，可用兩個(gè)閥門(mén)定位器，使它們分別在信號(hào)的某一區(qū)段完成全行程動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)分程控制。此分程控制為調(diào)節(jié)閥異向動(dòng)作的分程控制。如圖3.4所示。圖3.4調(diào)節(jié)閥分程控制圖此分程控制是針對(duì)于夾套蒸汽閥S6，夾套冷卻水閥V7以及蛇管冷卻水閥V8而言的。故根據(jù)各調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作方向可知，蒸汽閥S6為氣開(kāi)式閥門(mén)，對(duì)應(yīng)閥門(mén)定位器輸入信號(hào)為DC12～20mA；冷水閥V7及V8為氣關(guān)式閥門(mén)，對(duì)應(yīng)閥門(mén)定位器輸入信號(hào)為DC4～20mA。本次設(shè)計(jì)選擇型號(hào)為EP1000的電-氣閥門(mén)定位器，該定位器與調(diào)節(jié)器配套使用把調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥的氣信號(hào)，能夠克服壓差對(duì)調(diào)節(jié)閥閥芯的不平衡力，提高閥門(mén)的動(dòng)作速度，可實(shí)現(xiàn)分程控制，可改變閥的作用方式，可控制非標(biāo)準(zhǔn)壓力的各類(lèi)型的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。3.2.2檢測(cè)及變送器選型檢測(cè)以及變送器選型中包括有對(duì)溫度傳感器、溫度變送器、流量傳感器以及流量變送器的選擇。檢測(cè)與變送設(shè)備主要根據(jù)被檢測(cè)參數(shù)的性質(zhì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體考慮來(lái)決定。主要從以下幾點(diǎn)考慮：盡可能選擇測(cè)量誤差小的測(cè)量元件；盡可能選擇快速響應(yīng)的測(cè)量元件與變送設(shè)備；正確采用微分超前補(bǔ)償；合理選擇測(cè)量點(diǎn)位置并正確安裝；對(duì)測(cè)量信號(hào)作必要的處理。⑴溫度傳感器的選擇溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常見(jiàn)、最基本的參數(shù)之一。任何化學(xué)反應(yīng)和物理變化都與溫度有關(guān)，它約占生產(chǎn)過(guò)程中全部參數(shù)的50%左右。所以溫度的檢測(cè)與控制是過(guò)程控制工程中的重要任務(wù)之一。測(cè)量溫度的方法很多，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用的測(cè)溫儀表是熱電偶和熱敏電阻溫度計(jì)。熱電偶溫度計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)中使用極為廣泛。它具有測(cè)溫精度高，在小范圍內(nèi)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度基本呈單值、線性關(guān)系，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性較好，測(cè)溫范圍寬，響應(yīng)時(shí)間較快等特點(diǎn)。但其靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號(hào)的影響，并且也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測(cè)量微小的溫度變化。而熱電阻溫度計(jì)是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的性質(zhì)來(lái)測(cè)量溫度的。熱電阻溫度計(jì)的最大特點(diǎn)就是性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍寬，同時(shí)還不需要冷端溫度補(bǔ)償，一般可在-270～900℃范圍內(nèi)使用。因而基于以上論述，本次設(shè)計(jì)選用熱電阻傳感器。工業(yè)上常用的熱電阻有：鉑電阻、銅電阻以及半導(dǎo)體熱敏電阻。本次設(shè)計(jì)選用銅電阻溫度傳感器。因?yàn)殂~易于加工提純，價(jià)格便宜，而且電阻與溫度幾乎呈線性關(guān)系。在-50～150℃測(cè)溫范圍內(nèi)穩(wěn)定性好。本次設(shè)計(jì)最高溫度為120℃，精度要求為1℃，所選測(cè)溫范圍為-50～150℃，則可求得精度等級(jí)為1/[150-(-50)]=0.50%，即該溫度傳感器的精度等級(jí)為0.5級(jí)。故而選用浙江省東陽(yáng)市三星溫度儀表有限公司生產(chǎn)制造的WZC系列Cu50銅電阻溫度傳感器，其測(cè)量范圍為-50～+150℃，允許偏差為（0.30+0.006t）。表3.2為該公司生產(chǎn)的Cu型熱電阻分度表表3.2Cu50型熱電阻分度表（R=50.00）T/℃0-1-2-3-4-5-6-7-8-9-4041.40041.18440.96940.75340.53740.32240.10639.89039.67439.458-050.00049.78649.57149.35649.14248.92748.71348.49848.28449.069T/℃0123456789050.00050.21450.42950.64350.85851.07251.38651.50551.71551.9295060.70460.91861.13261.34561.55961.77361.98762.20162.41562.62810071.40071.61471.82872.04272.25772.47172.68572.89973.11473.32815082.134⑵溫度變送器的選擇溫度變送器將熱電阻或熱電偶測(cè)量的溫度信號(hào)放大，并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（DC4～20mA或DC1～5V）的儀表，即是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的儀表，主要用于工業(yè)過(guò)程溫度參數(shù)的測(cè)量和控制。如圖3.5為溫度變送器原理圖。圖3.5溫度變送器原理圖本次設(shè)計(jì)采用西門(mén)子SITRANST溫度變送器，測(cè)量范圍為-200～+850℃，數(shù)字精度：0.1⑶流量檢測(cè)配置流量是衡量設(shè)備的效率和經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)；流量是生產(chǎn)操作和控制的依據(jù)，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)工業(yè)生產(chǎn)中，常用測(cè)量和控制流量來(lái)確定物料的配比與耗量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和最優(yōu)控制。同時(shí)為了進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，也必須知道如一個(gè)班組流過(guò)的介質(zhì)流量。所以流量的測(cè)量與控制是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的一項(xiàng)重要任務(wù)。測(cè)量流量的方法及其常用儀表很多，按工作原理分為：容積式流量計(jì)、速度式流量計(jì)以及質(zhì)量流量計(jì)。容量式流量計(jì)是以單位時(shí)間內(nèi)所排出流體的固定容積的數(shù)目來(lái)計(jì)算流體總量的；速度式流量計(jì)是應(yīng)用流體力學(xué)測(cè)量流體在管道內(nèi)的流速來(lái)計(jì)算流量的，包括差壓流量計(jì)等；質(zhì)量式流量計(jì)分為兩種：一是通過(guò)直接檢測(cè)與質(zhì)量流量成比例的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量測(cè)量的直接型質(zhì)量流量計(jì)，二是通過(guò)體積流量計(jì)與密度計(jì)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量測(cè)量的間接型質(zhì)量流量計(jì)。本次設(shè)計(jì)采用西門(mén)子SITRANSFCMASSFLO型質(zhì)量流量計(jì)。對(duì)于夾套冷卻水流量變送器以及蛇管冷卻水流量變送器統(tǒng)一使用SITRANSFCMASSFLODN65；流量量程為：0～87000Kg/h；連接方式為：法蘭；液體溫度：-50～+180℃；信號(hào)轉(zhuǎn)換器規(guī)格：MASS60003.3系統(tǒng)硬件配置圖連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器系統(tǒng)硬件配置包括有：一個(gè)模擬量輸入模塊、一個(gè)模擬量輸出模塊以及一個(gè)數(shù)字量輸出模塊等。這些模塊通過(guò)檢測(cè)變送裝置與被控對(duì)象連接在一起，共同構(gòu)成反饋控制系統(tǒng)。如圖3.6所示為連續(xù)釜溫度控制系統(tǒng)硬件連接圖。圖3.6連續(xù)釜溫度控制系統(tǒng)硬件連接圖3.2.1I/O模塊連接圖⑴模擬量輸入（AI）模塊選用SM331型的輸入板卡1塊，負(fù)責(zé)接受3個(gè)模擬量：反應(yīng)釜內(nèi)溫度T1、蛇管冷卻水流量F7以及夾套冷卻水流量F8。這三路模擬量以4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入。如圖3.7所示。圖3.7模擬量輸入模塊⑵模擬量輸出（AO）模塊選用SM332型的輸出板塊1塊，負(fù)責(zé)輸出3個(gè)模擬量：蛇管冷卻水入口閥V7、夾套冷卻水入口閥V8以及夾套加熱蒸汽閥（開(kāi)關(guān)閥）S6的開(kāi)度。模擬量是以4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。如圖3.8所示。圖3.8模擬量輸出模塊⑶數(shù)字量輸出（DO）模塊選用SM322型的開(kāi)關(guān)量輸出板卡1塊，負(fù)責(zé)輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)量：反應(yīng)器攪拌電機(jī)開(kāi)關(guān)S8。數(shù)字量輸出是以0～24V信號(hào)輸出。如圖3.9所示。圖3.9數(shù)字量輸出模塊4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器控制系統(tǒng)在軟件上采用STEP7編寫(xiě)系統(tǒng)的梯形圖控制程序。STEP7編程軟件適用于SIMATICS7、C7、M7和基于PC的WinAC，是供它們編程、監(jiān)控和設(shè)置參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)工具。STEP7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測(cè)試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等。在系統(tǒng)監(jiān)控方面使用力控（ForceControl）組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度以及流量的監(jiān)測(cè)。4.1控制流程圖設(shè)計(jì)4.1.1主程序流程圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主程序流程主要包括兩個(gè)子程序即升溫控制子程序以及保溫控制子程序。首先，主程序要執(zhí)行初始化程序，包括反應(yīng)釜攪拌機(jī)開(kāi)關(guān)S8的打開(kāi)以及設(shè)置標(biāo)志位的初始狀態(tài)，然后讀入模擬量輸入通道的溫度采樣值。由于此次設(shè)計(jì)的最終溫度為1201℃，故而當(dāng)溫度采樣值小于或等于119℃時(shí)系統(tǒng)執(zhí)行升溫控制子程序，使反應(yīng)釜溫度以0.1～0.2℃/s速率上升，當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)溫度上升至120℃系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1系統(tǒng)主程序流程圖4.1.2子程序流程圖設(shè)計(jì)⑴升溫子程序控制流程圖設(shè)計(jì)連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器控制系統(tǒng)在升溫階段采用模糊控制從而使溫度上升速率保持在0.1～0.2℃/s。因而設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容為模糊控制算法的設(shè)計(jì)。針對(duì)模糊控制算法的設(shè)計(jì)，在控制方案中已經(jīng)有詳細(xì)的闡述。在本次設(shè)計(jì)中采用二維模糊控制，即雙輸入單輸出系統(tǒng)。雙輸入為偏差和偏差變化率，之所以將這兩個(gè)量作為輸入是因?yàn)樗鼈兡軌虮容^嚴(yán)格的反映受控過(guò)程中輸入變量的動(dòng)態(tài)特性，可以滿足大部分工程需要，模糊控制規(guī)則容易理解。它所采用的模糊控制語(yǔ)言規(guī)則是andthen。模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4.2所示。圖4.2模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其中輸入變量為給定值；實(shí)際輸出量為；輸入偏差以及輸入偏差變化率分別是、；、分別為輸入偏差量化因子和輸入偏差變化率量化因子；為輸出量化因子；為模糊控制量的輸出量。為實(shí)現(xiàn)基本模糊控制器的控制作用，一般的做法是將模糊控制查詢表放到計(jì)算機(jī)中去。于是在過(guò)程控制中，計(jì)算機(jī)直接根據(jù)采樣和論域變換得來(lái)的以論域元素形式表現(xiàn)的偏差量以及偏差變化率，由查詢表可找到對(duì)應(yīng)的同樣以論域形式表現(xiàn)的控制變化量，并以此去控制被控過(guò)程，以達(dá)到預(yù)期的控制目的。本次設(shè)計(jì)中取=6，=6，設(shè)定偏差的變化范圍為[-18,+18],即=18；取偏差變化率的變化范圍為[-6，+6]，即；取輸出控制量變化的基本論域?yàn)閇-30,+30]。根據(jù)式（2.14）以及式（2.15）即可得到量化因子=1/3，=1，=5。對(duì)應(yīng)模糊控制算法的流程圖為圖4.3所示。圖4.3模糊控制算法流程圖⑵保溫子程序流程圖設(shè)計(jì)隨著升溫階段的進(jìn)行，當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)溫度上升至120℃左右時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入保溫控制程序。在保溫階段使用的是增量型PID對(duì)應(yīng)的控制算法流程圖如圖4.4所示。圖4.4增量型PID控制算法流程圖4.2控制梯形圖設(shè)計(jì)4.2.1模糊控制查詢表梯形圖設(shè)計(jì)用PLC編程時(shí)，為使量化后的論域元素便于用無(wú)符號(hào)數(shù)表示，我們?cè)诹炕蟮恼撚蛟厣显偌右粋€(gè)偏移量（13-1）/2=6，即可得到=+6。梯形圖編程時(shí)，其量化后的論域元素用存放，這樣不僅量化后的論域元素存放方便，同時(shí)也方便于模糊控制表的梯形圖實(shí)現(xiàn)。如表4.1所示。表4.1模糊化論域元素-6-5-4-3-2-101234560123456789101112查詢表程序設(shè)計(jì)采用基址+變址的尋址方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)誤差以及誤差變化率的論域元素分別為、，則輸出控制量的地址為：首地址+13+。其梯形圖如圖4.5所示。圖4.5模糊控制查詢表梯形圖圖4.5的第一個(gè)回路為當(dāng)SP001（常時(shí)接通繼電器）為“ON”時(shí)，從R2010讀出乘以13，再加上由R2012中讀取的，然后根據(jù)所得結(jié)果，從K0011開(kāi)始的DLBL指令登記的數(shù)據(jù)區(qū)中讀取相應(yīng)的控制量，并將其存儲(chǔ)在R2014中，從而完成模糊控制表的查詢。END指令中的NCON指令完成在程序存儲(chǔ)器登記模糊控制表的功能。4.2.2主程序梯形圖設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的主程序梯形圖如圖4.6所示。圖4.6主程序梯形圖4.3監(jiān)控界面設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)采用的組態(tài)軟件是力控（ForceControl）組態(tài)軟件6.1，從而進(jìn)行監(jiān)控界面設(shè)計(jì)。ForceControl采用多線程等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多任務(wù)。軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開(kāi)放性好、易于擴(kuò)展、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。4.3.力控（ForceControl）6.1組態(tài)軟件是一種可擴(kuò)展的過(guò)程可視化系統(tǒng)（SCADA），并按價(jià)格和性能進(jìn)行細(xì)分，能高效控制自動(dòng)化過(guò)程。力控6.1基于Windows平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)完美的過(guò)程可視化，能為各種高工業(yè)領(lǐng)域提供完備的操作和監(jiān)視功能，涵蓋從簡(jiǎn)單的用戶系統(tǒng)直到采用冗余服務(wù)器和遠(yuǎn)程web客戶端解決方案的分布式多用戶系統(tǒng)。力控6.1的特點(diǎn)之一是其整體開(kāi)放性。它可方便的與標(biāo)準(zhǔn)程序和用戶程序組合在一起使用，建立人機(jī)界面，精確的滿足實(shí)際需要。力控組態(tài)軟件6.1的主要特性有：秉承原有的方便、靈活的開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供各種工程、畫(huà)面模板，大大降低了組態(tài)開(kāi)發(fā)的工作量并加強(qiáng)了行業(yè)定制能力；強(qiáng)大的分布式報(bào)警、事件處理，支持報(bào)警、事件網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)斷線存儲(chǔ)，恢復(fù)功能并增加聲音、郵件和短信報(bào)警通知方式；全新的多線程IO調(diào)度程序，使通訊效率更高、速度更快等特性。4.3.監(jiān)控系統(tǒng)的作用就是通過(guò)多種途徑（如文字、聲音、圖形圖像、動(dòng)畫(huà)等）將控制系統(tǒng)的工作情況形象的表示出來(lái)，為生產(chǎn)操作人員的操作、維護(hù)等提供方便，其中主要有使用圖形和報(bào)表。力控（ForceControl）軟件里集成的圖形設(shè)計(jì)編輯器可以方便我們使用基本元件或圖形庫(kù)中的對(duì)象制作生產(chǎn)工藝流程監(jiān)控畫(huà)面，從而可以讓我們?cè)陲@示器畫(huà)面上監(jiān)視、控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。ForceControl圖形系統(tǒng)的原理是：PLC中的過(guò)程數(shù)據(jù)（包括模擬量和數(shù)字量）通過(guò)力控，PLC通道與ForceControl中的變量標(biāo)簽相聯(lián)系，圖形設(shè)計(jì)器在組態(tài)模式中將對(duì)象屬性與變量標(biāo)簽相連，圖形設(shè)計(jì)器在運(yùn)行時(shí)PLC過(guò)程值的變化使對(duì)象屬性相應(yīng)的發(fā)生變化，從而達(dá)到了對(duì)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控的目的，圖形對(duì)屬性、變量標(biāo)簽和PLC過(guò)程值之間是相互對(duì)應(yīng)的，可以通過(guò)改變圖形對(duì)象屬性或者變量標(biāo)簽來(lái)設(shè)置PLC的某些運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等，從而實(shí)現(xiàn)了控制目的。圖4.7為系統(tǒng)畫(huà)面，可以動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。圖4.7帶攪拌器的釜式反應(yīng)器當(dāng)設(shè)置完IO設(shè)備組態(tài)以及數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)以后，再在控制策略的基礎(chǔ)上就可以進(jìn)行監(jiān)控仿真，即可得到實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線圖。如圖4.8為實(shí)時(shí)趨勢(shì)組態(tài)設(shè)置窗口。圖4.8實(shí)時(shí)趨勢(shì)組態(tài)窗口這樣就完成了監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控有利于操作者根據(jù)被控對(duì)象的現(xiàn)狀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行最佳決策，能確保其生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)十分重要。5系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)間歇式反應(yīng)釜的模糊與PID復(fù)合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成之后，需要滿足計(jì)算機(jī)仿真校核系統(tǒng)的性能，如果系統(tǒng)不滿足規(guī)定的性能，需要重新設(shè)計(jì)和修改復(fù)合控制系統(tǒng)的控制規(guī)則和控制參數(shù)。雖然仿真環(huán)境不可能與實(shí)際情況完全相同，由于仿真可以方便、快速、多次的進(jìn)行，它的結(jié)果還是有相當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)意義。當(dāng)然仿真結(jié)果的有效性最終還是要由實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)確定。為驗(yàn)證所涉及的系統(tǒng)的性能，采用MATLAB軟件中的SIMULINK工具箱和模糊邏輯工具箱，設(shè)計(jì)該控制器。SIMULINK是MATLAB提供的最重要的組件之一，它提供實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)須編寫(xiě)大量的程序，采用鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)的方式，就能構(gòu)建出復(fù)雜的仿真模型。SIMULINK的每一個(gè)模塊對(duì)用戶而言都是透明的，用戶只需知道模塊的輸入輸出以及模塊的功能，而不必管模塊的內(nèi)部是怎么實(shí)現(xiàn)的[4]。就模糊控制本身而言，不需要知道反應(yīng)釜本身的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)對(duì)反