微波催化连续反应的智能控制

2014-11-05 16:18 作者:管理员11 来源:未知 浏览: 字号:

摘要:微波催化连续反应的智能控制 如图26.5-20所示为一个微波催化连续反应的智能 过程控制实验系统。微波催化实验的基本过程为:化学 反应试剂由液压泵打人反应釜内,流经反应釜内的蛇形 管路,在微波的照射催化下进行反应。控制目标是使反 应在某一最佳温度条件下

微波催化连续反应的智能控制
    如图26.5-20所示为一个微波催化连续反应的智能
过程控制实验系统。微波催化实验的基本过程为:化学
反应试剂由液压泵打人反应釜内,流经反应釜内的蛇形
管路,在微波的照射催化下进行反应。控制目标是使反
应在某一最佳温度条件下进行。该系统必须具备以下功
能和性能:适应各种化学实验,如不同的化学试剂、不
同的流量要求,自动适应不同的化学反应过程中放热或
吸热的特点等。由于无法建立该系统的数学模型,所以
采用传统的自动控制理论所设计的控制程序无法满足上
述要求,在这种情况下,就必须采用智能控制的方法。
该例采用模糊控制理论实现系统控制。
温度控制系统的组成简图
    对于一般的温度控制系统来说,系统的热容量必
须是已知的才能建立起温度控制系统的数学模型。然
而,微波实验系统实验的化学药剂和流量都不是确定
的,所以无法预知被加热物质的热容量。通过在系统
运行过程中能够自动检测系统本身的参数,如本例中
系统自动检测等效热容量,是智能控制系统的结构特
点之一。具体做法是:在进行某一种化学物质的催化
连续反应实验时,首先在反应开始后的几秒钟,通过
读取热电阻温度传感器的反馈数据,并进行相关计算
来确定系统的等效热容量,即根据微波输人功率、该
种化学物质的流量和温升来计算等效热容量。这种自
动检测自身参数的功能通常都是通过软件实现的。
    该控制系统的硬件结构及其工作原理为:温度信
号经变送器补偿并变成标准信号送入工控机,由擂在
工控机ISA总线上的PCL-812数据采集卡按一定的
频率进行采集,由控制程序进行滤波处理。经过模糊
控制软件计算,输出控制电压信号给电子交流调压
器,改变施加在微波炉磁控管上的电压,调节微波炉
的实际加热功率。采用模糊控制理论实现系统智能化
控制,控制器设计如下。
1控制器设计
    (1)模糊控制器结构
    参见图26.5-14,选取温度误差信号e和误差变
化率e作为模糊控制器的输入变量,模糊控制器的输
出变盈为u,对应的模糊变量分别为E, Ec和U。
    (2)模糊集与量化等级的隶属度值
    对于温度误差E取7个模糊状态,即正大
(PB)、正中(PM)、正小(PS)、负小(NS)、负中
(NM)、负大(NB),零(ZO),构成模糊子集Am,
该集合对应13个量化等级{-6,-5,-4,…,0,
4, 5, 6}。误差变化率EC和输出量U也分为7个模
糊状态,分别构成模糊子集B。和模糊子集Cm。各个
模糊子集与量化等级之间的隶属度由经验确定,如表
26.5-4所示。
    (3)确定模糊控制状态规则
    关于微波催化连续反应温度控制的经验知识可定
性归纳为:
    ①如果反应釜内温度低于给定值,就需要增大
微波炉磁控管上的电压,使反应釜升高温度;反之,
如果反应釜内温度偏高,则停止给微波沪磁控管上加
电压,使反应釜内温度降下来;
    ②如果反应釜内温度低于给定值,且温度的变
化率是正值时,即温度越来越低,则需要很大程度上
增大微波炉磁控管上的电压,使温度不再呈下降的趋
势;如果温度的变化率为负值时,说明温度有升高的
趋势,这时根据具体情况保持微波炉磁控管上的电压
不变或适当加大一点;反之,如果反应釜内温度高于
给定值时,根据温度变化率的正负和大小也需要对加
在微波炉磁控管上的电压作出相应的调整。
模糊子集与量化等级的隶属度关系
    根据上述经验知识,设计模糊控制器。由于化学
反应试剂种类、液压泵流量和反应类型(吸热反应
或放热反应)的不确定性,化学反应进行过程中状
态的时变性,测温的滞后等因素,使系统变得复杂,
无法建立其精确的数学模型。针对上述特点,采用离
线推理模糊控制表,在线查询该控制表的控制策略。
根据人的实际经验,写成一个模糊控制状态表,如表
26.5-5所示。
模糊控制状态规则(U)
    一般来说,模糊控制器控制规则的设计原则为:
当误差较大时,控制量应当尽可能大,快速减小误
差;当误差较小时,除了消除误差外,还必须考虑系
统的稳定性,以避免不必要的超调和振荡。
    根据表26.5-5能够写出相应的模糊关系。



    对模糊控制器来说,要完成一个周期控制动作,
只要将温度误差和误差变化率输入控制器,经模糊
化、模栩推理和解模糊之后,得到一个确切的控制
量,并作用于被控对象上即可。然而在很多情况下,
为了减少在线控制计算时间,往往通过离线计算推
模糊控制表
理,形成模糊控制表。运用式(26.5-89)~式
(26.5-90),推出模糊控制表如表26.5-6所示。
    (5)确定模糊控制器的参数
    由于模糊控制器的输入、输出均为模糊量,增加
了系统的鲁棒性;但另一方面也使控制器存在控制死
区,这将导致整个控制系统的控制精度降低。根据温
度偏差和温差变化率将控制过程分为两个级别:粗调
(非稳定区)和微调(稳定这)。根据当前温度偏差
和温差变化率的大小,控制器自动选择对应级别的量
化因子和比例因子,使控制系统在不降低鲁棒性的前
提下,增加快速性,提高控制精度。两级的基本论域
对应关系原理如图26.5-21所示,其具体对应关系由
两级的温差量化因子ke和温差变化率盆化因子kcc决
定。各个因子由实验确定,即进行某一种化学物质的
催化连续反应实验时,首先在反应开始后的第1秒,
通过读取热电阻温度传感器的反馈数据和相关计算来
确定系统的等效热容量(即该种化学物质的流量变
化对温度的影响),再根据等效热容量确定模糊控制
器的量化因子和比例因子。这些因子随参加化学反应
物质的不同能实现自调节,这对于提高系统的控制精
度和响应速度非常关键。
两极基本论域对应示意图

    控制系统中误差和误差变化的实际范围称为盘化
变量的基本论域。在设计某个具体的模糊控制器过程
中,所有输人变盘和输出变量的论域都必须予以确
定。例如,温度误差的基本论域为[-x,+x],误差
的模糊集论域为{-n,-n+1,…,0,…,n-1,n},
那么,温度误差量化因子ke可由下式确定:

 


2拉制软件设计
    用Visual Basi。语言编写控制软件,实现了实验
条件设定、数据采集卡输入和输出、数据采集信号滤
波、模糊控制算法、实验数据记录和显示。工作人员
只需设定反应的基本条件,即可进行化学反应。模糊
控制流程图如图26.5-22所示。
3实验及其结果
    设实验要求控制温度为80°C。通过实验确定出,
控制周期Ts=10s,各量化因子和比例因子分别为kc1
=1.5,kc2=6,kcc1=30,kcc2=60。通过选择两组因
子来调节控制系统的性能,提高控制精度,以取得良
好的控制效果。其实验结果如图26.5-23所示,温度
偏差控制在±1℃之间。
    实验证明,采用模糊控制方法设计的微波催化连
续反应的实验系统,对时变的、不确定的、大时滞的
微波催化反应温度控制间题是很有效的。这种量化因
子和比例因子自调节的方法,在不降低控制系统鲁棒
性的前提下,减小了模糊控制的控制死区,提高了控
制精度。
模糊控制流程图
控制系统的温度变化曲线图
(责任编辑:laugh521521)
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