连续搅拌反应釜系统的设计与仿真
理想混合连续搅拌釜式反应器CSTR
VRi C Ai-1 - C Ai x Ai - x Ai-1 τ = = C A0 i ≡ V0 (-rAi ) (-rAi )
VR=ΣVRi 检验：i=1 n=1
i
C A0 C A1 C A0 xA (rA )1 (rA )
求解方法
解析法
按不同的反应动力学方程式代入依次逐釜进行计算，直至达到要求的 转化率为止。 例题讲解。
图解法
适用于级数较高的化学反应，特别适于非一、二级反应，但只适于（rA）能用单一组分表示的简单反应，对复杂反应不适用。
步骤： 1、作出（-rA）-CA曲线
2、从起点CA = CA0出发，以-1/τ1为斜率作直线，交曲线于一点，即第
一釜的操作状态CA1 3、过点(CA1 0)以-1/τ2为斜率作直线,与曲线交点为第三釜操作点.… 4、过点(CAN-1,0)以-1/τN为斜率作直线,与曲线交点为第N釜操作点CAN. 则出口转化率XAN=1- CAN / CA0 若已知CA0 、CAN 、N，求VR需用试差法。 若各釜体积相同，则各直线斜率相同。
单个连续操作釜式反应器（1－CSTR）
基础设计式
[A的积累量]=[A的进入量]-[A的离开量]-[A的反应量] 0 = FA0 Δτ - FA0 （1-xA’）Δτ-(- rA ) VR Δτ
VR x A FA 0 ( rA )
物料的平均停留时间：
VR x A C A0 V0 ( rA )
求解方法解析法由于反应器中的反应速率恒等于出口处值，因此结合反应动力学方程， 将出口处的浓度、温度等参数代入得到出口处反应速率，将其代入基础 设计式即得。 如：恒温恒容不可逆反应 n=0 n=1
1 C A 0 x A k
混凝土搅拌车搅拌实验系统仿真设计论文第三章
第三章 动功率驱的计算3.1搅拌力矩曲线混凝土搅拌的过程力矩曲线变化规律如图3.1所示：图3.1搅拌力矩曲线0~1：加工工序，搅拌筒以14-18rmp正转，在大约10min的加料的时间里，搅拌筒的驱动力矩随着混凝土不断被加入而逐渐增大，在即将加满时，力矩反而略有下降；1~2：运料工序，在卸料地点，搅拌输送车停驶，搅拌筒从运拌状态制动，转入14-18rPm的反转卸料工况，搅拌筒的驱动力矩在反转开始的极短时间内陡然上升，然后迅速跌落下来；4~5：卸料工序，搅拌筒继续以14-18rPm的速度反转，驱动力矩随混凝土的卸出而逐渐下降；5~6：空筒返回，搅拌筒内加入适量清水，返程行驶中搅拌筒作3rPm 的返向转动，对其进行清洗，到达混凝土工厂，排出污水，准备下一个循环。
3.2驱动阻力矩计算搅拌筒驱动阻力矩由拌筒与支承系统的摩擦阻力矩与拌筒搅拌阻力矩共同组成，其以拌筒搅拌阻力矩最难计算。
（3-1）（3-2）1）积分公式计算方法a.拌合料与筒壁间的摩擦力矩拌合料与筒壁或与搅拌叶片间的单位摩擦力f。
（3-3）式中，k1——粘着系数，kN/m2；k2——速度系数，kN/m2；V——拌合料速度；s——混合料的坍落度。
（3-4）式中：（3-5）（3-6）（3-7）b..拌合料与搅拌叶片间的摩擦阻力矩图3.2 螺旋叶片断面投影图3.2为拌筒内螺旋叶片的端面投影。
任取一半径r，该半径对应的叶片螺旋开角k(近似认为对应于各r处的螺旋开角，均等于中径上的螺旋开角)。
（3-8）V2——拌合料与搅拌螺旋叶片间的相对滑移速度（3-9）（3-10）式中：R1——搅拌螺旋叶片断面投影最小半径R2——搅拌螺旋叶片断面投影最大半径c.流动阻力矩微元面积设混凝土的单位平均流动阻力系数为p，则取微元面积上的法向阻力（3-11）周向阻力对搅拌筒轴线的阻力矩（3-12）（3-13）d.由筒体的转动引起的偏载，对搅拌筒的阻力矩见图3.3拌合料在随拌筒搅拌的同时，由于拌合料受到与筒壁和搅拌叶片间的摩擦阻力矩的作用，使拌合料向转动方向提升，其重心偏向转动一侧。
反应釜温控系统的积分分离算法及仿真
计算机控制技术课程设计专业：自动化班级：动201302姓名：邓笛学号：2指导教师：姜香菊兰州交通大学自动化与电气工程学院2016 年 07 月 15 日化工车间反应釜的温度控制系统设计1课程设计目的反应釜内的温度控制是化工生产过程的中心环节，目的是保证反应过程的产物达到一定质量和控制要求。
由于温度能较好地测量与分析，并且能够一定程度上反映出釜内反应过程，所以选用温度为间接参数是最有效的方法。
针对本次设计要求，是以实现小型实用反应釜的控制系统为目标，主要目的就是要实现温度的智能控制。
2设计方案及原理反应釜温度控制原理反应釜主要是在罐内装入物料，使物料在其内部进行化学反应。
为了测量釜内的温度，在罐内装有钢制的温度计套管，可将温度计或温度传感器放入其中。
在进行化学之前，先将反应物按照一定的比例进行混合，然后与催化剂一同投入反应釜内，在反应釜底部通过电阻丝加热，进而提高反应釜内的温度（升温阶段），通过搅拌使物料温度均匀，当釜内温度达到预定的温度时，保持一定时间的恒温以使化学反应正常进行（恒温阶段）。
总体方案设计本次设计的要求是系统的测温范围为0~100℃，升温结束阶段向恒温阶段切换时的超调量不超过5℃。
恒温阶段的控制精度要求绝对误差不超过±2℃。
通过研究反应釜的结构和工作原理，选用温度作为控制参量，在工业生产过程中，为了保证生产正常进行，工艺要求釜底温度维持在给定值上下，或在某一小范围内变化，所以直接选取釜底温度为被控参数。
单回路控制系统原理框图如图1所示：图1 单回路控制系统原理框图单闭环基本控制原理为: 传感器将实时测量的反应釜的温度值传送到控制器的中央控制单元, 采样值与温度设定值同时送入算法子程序进行运算得到输出控制量, 输出控制量通过固态继电器( 执行器) 作用到加热电阻丝上,通过控制一个时间段内加热电阻丝的通断时间来控制加热功率。
对于工业生产中的温度控制有较大的时间延迟，采用常规的PID算法控制往往不能得到理想的控制效果，通常系统伴有较大的超调以及较长的调整时间，所以本次设计采用积分分离式PID控制算法对系统进行控制，它除了具有常规PID 控制的优点外, 还能克服对象的容量滞后, 减小动态偏差, 提高系统的稳定性, 并显着降低被调量的超调量和调整时间, 使调节过程性能得以改善。
(完整word版)反应釜设计
第一章 反应釜釜体与传热装置搅拌设备常被称作搅拌釜（或搅拌槽），当搅拌设备用作反应器时，又被称为搅拌釜式反应器，有时简称反应釜。
釜体的结构型式通常是立式圆筒形，其高径比值主要依据操作容器的装液高径比以及装料系数大小而定。
传热方式有两种：夹套式壁外传热结构和釜体内部蛇管联合使用。
根据工艺需要，釜体上还需要安装各种工艺接管。
所以，反应釜釜体和传热装置设计的主要内容包括釜体的结构和部分尺寸、传热形式和结构、各种工艺接管的安设等。
1.1反应釜釜体1.1.1确定反应釜釜体的直径和高度在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择筒体适宜的长径比（H/D i ），以确定筒体直接和高度。
选择筒体长径比主要考虑一下两方面因素：① 长径比对搅拌功率的影响：在转速不变的情况下，P ∝D 5(其中D ：搅拌器直径；P ：搅拌功率），P 随釜体直径的增大而增大很多，减小长径比只能无谓的损耗一些搅拌功率。
一次一般情况下，长径比应该大一点。
② 长径比对传热的影响：当容积一定时H/D i 越高越有利于传热。
长径比的确定通常采用经验值。
在确定反应釜直径和高度时，还应该根据反应釜操作时所允许的装料程度---装料系数η等予以综合考虑，通常装料系数η可取0.6-0.85.如果物料在反应过程中产生泡沫或沸腾状态，η应取较低值，一般为0.6-0.7；若反应状态平稳，可取0.8-0.85（物料粘度大时可取最大值）。
因此，釜体的容积V 与操作溶积V 0有如下关系：V=V 0/η…………………………………………………………………（1.1） 选取反应釜装料系数η=0.8，由V=V 0/η可得设备容积：V 0=V ×η=1×0.8=0.83m 选取H/D i =1.0，由公式m D H V D ii 08.10.10.14433=⨯⨯==ππ……………………………………（1.2）将计算结果圆整至公称直径标准系列，选取筒体直径D i =1000mm ，查《化工设备机械基础》表8-27，DN=1000mm 时的标准封头曲面高度h=250mm ，直边高度h 2=25mm ，封头容积V h =0.1513m ，由手册查得每一米高的筒体容积为3195.0m V =。
搅拌釜式反应器课程设计
搅拌釜式反应器课程设计任务书一、设计内容安排1. 釜式反应器的结构设计包括：设备结构、人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等。
2. 设备壁厚计算及其强度、稳定性校核3. 筒体和裙座水压试验应力校核4. 编写设计计算书一份5. 绘制装配图一张（电子版）二、设计条件三、设计要求1.学生要按照任务书要求，独立完成塔设备的机械设计；2.根据设计计算书、图纸及平时表现综合评分。
四、设计说明书的内容1.符号说明2.前言（1）设计条件；（2）设计依据；（3）设备结构形式概述。
3.材料选择（1）选择材料的原则；（2）确定各零、部件的材质；（3）确定焊接材料。
4.绘制结构草图（1）按照工艺要求，绘制工艺结构草图；（2）确定裙座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及环向位置，以单线图表示；（3）标注形位尺寸。
5.标准化零、部件选择及补强计算：（1）接管及法兰选择：根据结构草图统一编制表格。
内容包括：代号，PN,DN,法兰密封面形式，法兰标记，用途）。
补强计算。
（2）人孔选择：PN,DN,标记或代号。
补强计算。
（3）其它标准件选择。
6.结束语：对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。
7.主要参考资料。
【设计要求】：1.计算单位一律采用国际单位；2.计算过程及说明应清楚；3.所有标准件均要写明标记或代号；4.设计计算书目录要有序号、内容、页码；5.设计计算书中与装配图中的数据一致。
如果装配图中有修改，在说明书中要注明变更；6.设计计算书要有封面和封底，均采用A4纸，正文用小四号宋体，行间距1.25倍，横向装订成册。
目录0.搅拌釜式反应器设计条件 (1)1.确定筒体的直径和高度 (2)2.确定夹套的直径和高度 (2)3.确定夹套的材料和壁厚 (3)4.确定内筒的材料和壁厚 (4)5.水压试验及其强度校核 (5)6.选择釜体法兰 (6)7.选择搅拌器、搅拌轴和联轴器 (6)8.选择搅拌传动装置和密封装置 (7)9.校核L1/B和L1/D (8)10.容器支座的选用计算 (8)11.选用手孔、视镜、温度计和工艺接管 (9)12.参考资料 (10)13.设计感想 (11)0.搅拌釜式反应器设计条件工艺条件管 口工艺条件图1.确定筒体的直径和高度反应釜的H/D i 值如表1所示。
化学反应器的设计与模拟计算
化学反应器的设计与模拟计算化学反应器，是实现化学反应的重要设备之一，它可以在一定的温度、压力和流量下，将反应物进行反应，得到所需的产物。
因此，化学反应器的设计和模拟计算是化工工程师的重要任务之一。
一、化学反应器的构成在化学反应器中，通常包括反应釜、周期加料装置、混合装置、冷却装置、加热装置、反应产物分离装置等几个部分。
1、反应釜反应釜是化学反应器的主要部分，它的大小、形状、材质等因反应物性质、反应条件不同而异。
反应釜分为批式反应釜和连续式反应釜。
批式反应釜的优点是操作简单、灵活性高，可以进行对特定反应物的化学反应，而连续式反应釜则更适合生产化工行业的大规模生产。
2、周期加料装置周期加料装置是一种自动给釜加料、控制杂质入侵的装置。
周期加料装置通常安装在反应釜上部，能够提供所需的反应物，加入到反应物中。
3、混合装置混合装置是用于将加入的反应物混合均匀的装置。
常见的混合装置有搅拌器、旋转桨、喷淋器等。
4、冷却装置冷却装置是用于保持反应温度在适宜范围的装置。
常用的冷却装置包括水浴、冷却夹套、冷却塔等。
5、加热装置加热装置是用于提高反应釜内的反应温度，以便于反应进行的装置。
常见的加热装置有蒸汽加热、电加热、燃气加热等。
6、反应产物分离装置反应产物分离装置是将反应产物从反应物中分离出来，纯化后获得想要的化学品的装置。
常见的反应产物分离装置有离心机、蒸馏塔、萃取塔等。
二、化学反应器的模拟计算化学反应器的模拟计算，是化工工程师设计灵活、反应效果好的反应器的重要手段。
模拟计算包括反应动力学模型和转移过程的模型。
反应动力学模型是对反应过程中的反应速率和系统行为进行建模的过程。
通常会涉及到反应热、反应物分子大小、反应的酸碱性和温度等因素。
同时，反应过程中的转移过程也是需要考虑的重点，包括物料的质量流动、能量传递、质量传递和化学反应等。
模拟计算的过程中，化工工程师可以利用Matlab、ASPEN PLUS、COMSOL Multiphysics等软件，对化学反应器进行建模、仿真和优化。
【优文档】连续操作釜式反应器PPT
若各釜温度不同，则应分别作动力学曲线，各釜直线分别与各自曲线相交。
k(1xAxA)
n=2
kCA0 C 2(A10xAxA)2 kCA0(1 xA xA)2
图解法
多个串联连续操作釜式反应器（N－CSTR） 如：恒温恒容不可逆反应 若已知CA0 、CAN 、N，求VR需用试差法。 容易自动控制，操作简单，节省人力。 例题讲解。 4、过点(CAN-1,0)以-1/τN为斜率作直线,与曲线交点为第N釜操作点CAN. 2、从起点CA = CA0出发，以-1/τ1为斜率作直线，交曲线于一点，即第 0 = FA0 Δτ - FA0 （1-xA’）Δτ-(- rA ) VR Δτ 容易自动控制，操作简单，节省人力。 为什么要采用N－CSTR代替1－CSTR？ 按不同的反应动力学方程式代入依次逐釜进行计算，直至达到要求的转化率为止。 容易自动控制，操作简单，节省人力。 多个串联连续操作釜式反应器（N－CSTR） 在连续操作釜式反应器内，过程参数与空间位置、时间无关，各处的物料组成和温度都是相同的，且等于出口处的组成和温度。 [A的积累量]=[A的进入量]-[A的离开量]-[A的反应量] n-CSTR的基础设计式
VR=ΣVRi
i
检验：i=1 n=1
CA0CA1 CA0xA
(rA)1 (rA)
求解方法
解析法
➢ 按不同的反应动力学方程式代入依次逐釜进行计算，直至达到要求的 转化率为止。
例题讲解。
图解法
➢ 适用于级数较高的化学反应，特别适于非一、二级反应，但只适于（rA）能用单一组分表示的简单反应，对复杂反应不适用。
磁力搅拌反应釜设计
磁力传动搅拌反应釜的设计１．２．１国外磁力搅拌釜研究现状德、英、日、美等国对磁力传动技术研究较早，最早的磁力传动搅拌釜产品出现在上世纪６０年代初期，当时联邦德国已经研制出了小型磁力搅拌反应釜的实验装置，随后的７０年代，美国，日本等国相继有此类产品出现。
德、英、日、美等国家，在磁力传动技术方面发展速度最快，磁力驱动泵是最早应用磁力传动技术的领域。
上世纪４０年代，英国人第一次利用磁力传动技术解决了危险．性介质的泄漏问题，但是在以后的３０多年里，由于磁性材料发展十分缓慢的原因，磁力驱动技术发展也十分缓慢，直到１９８３年钕铁硼（ＮｄＦｅＢ）的出现，这种高性能永磁材料为磁力驱动搅拌釜的快速发展提供了理想的材料１２｜。
２０世纪末，美国ＭａｇｎａＤｒｉｖｅ公司利用磁力传动技术完成了对风机水泵旋转负载调速，大大提高了传递功率和效率，降低了系统的运行费用。
由以上分析可知，磁力传动技术开始只应用于磁力泵和搅拌釜上，经过近一个世纪的不断完善和发展，国外磁力传动技术己是越来越成熟，应用范围也扩展到工业的各个领域。
自磁力传动反应釜上世纪３０年代出现以来，各发达国家很多公司都在生产和研究此类产品。
经过几十年的发展，现在市场上已经有一批技术成熟的产品。
如美国Ｐａｒｒ公司研制生产的系列反应釜产品。
图１．４ｐａｒｒ公司产品Ｆｉ９１．４Ｐａｒｒ’Ｓｐｒｏｄｕｃｔ如图１．４是该公司生产的ｓｅｒｉｅｓ４５２０１ＬＧｅｎｅｒａｌｐｕｒｐｏｓｅｂｅｎｃｈｔｏｐｒｅａｃｔｏｒｓ磁力搅拌反应釜，将高性能磁力材料与先进磁耦合技术设计相结合，具有高扭矩、长寿命、高温高压下密封性好的优势，釜盖与釜体的连接结构采用省力快开的结构，更省力、更４磁力传动搅拌反应釜的设ｔ对承压元件简体（厚壁圆筒）、封头及釜盖的开孔应力集中问题进行应力及变形分析。
然后，对釜体进行了设计。
根据釜体的工作环境要求，合理地选择釜体各元件的材料，并依据上述的应力及变形分析，选择相应的设计准则，确定筒体及封头的几何参数。
基于PCS7的搅拌反应釜连续反应控制系统设计
化 工 生 产 是 过 程 控 制 技 术 应 用 的典 型 领 域 ， 而
一
开放 型过 程 控制 系 统 ｆ ２ ＿ ３ Ｉ 。Ｓ ＭＰ Ｔ 一 １ ０ ０ ０包 括 多种 生 产
反应 釜是化 工生 产 中实现化 学反应 的主要设 备之 工艺过程 的仿真系统 ， 含有省煤器 、 汽包 、 炉膛 、 减温 泵 与 风 机 等［ ４ １ ， 可 以很 好 地 模 拟 反应 釜 生 产 环 境 。 带 搅拌 釜 式反 应 釜 系统 （ Ｃ Ｓ Ｒ Ｔ） ， 是 一个 高 分 子 聚 器 、
基金项 目： 广西大学“ 大学生创新创业训练计划 ” 资助项 目（ ２ ０ １ ６ １ ０ ５ ９ ３ １ ４ ６ ） 作者简介 ： 陈 军（ １ ９ ９ ６ 一 ） ， 男， 江西抚州人 ， 本科在读 ， 研究方 向 ： 过程控制工程 。 通讯作者 ： 易 丐（ １ ９ ８ ６ 一 ） ， 男， 硕士 ， 工程师 ， 主要研究方 向 ： 智能控制与检测 ， 过程控制 工程 。
１ ３
Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． １ １ ， ２ ０１ ６
是 反 应 物 Ｂ， Ｆ Ｉ １ ２ ０ ３为 进 料 流量 ， Ｆ Ｖ １ ２ ０ ３是 进 料 阀 ；
性 与独立性 ； （ ２ ） 所 选 被 控 变 量 能 满 足 生 产 工 艺 稳
１ ． ２ 工 艺 流程 分 析
反 应 过 程 主要 有 三股 连 续 进 料 。第 一 股 是 反应
Ｆ Ｉ １ ２ ０ １ 为进料流量 ， Ｆ Ｖ １ ２ ０ １ 是进料阀 ； 第 二股 点， 控制性 能高 ， 稳定性好 ， 是一种全集成 自动化 的 物 Ａ，
利用matlab对连续搅拌反应釜机理建模-概述说明以及解释
利用matlab对连续搅拌反应釜机理建模-概述说明以及解释1.引言1.1 概述连续搅拌反应釜是化工领域常见的反应设备，其在化学工程中具有重要的应用。
通过对连续搅拌反应釜的研究与分析，可以深入了解复杂的化学反应机理和反应过程，从而实现对反应条件的优化和控制。
本文将利用Matlab对连续搅拌反应釜的机理进行建模，并探讨该模型的验证与应用。
通过建立数学模型，可以帮助工程师和研究人员更好地理解反应过程中的物质转化规律，进而实现对反应釜的优化设计和运行控制。
通过本文的研究，将有助于提高连续搅拌反应釜的反应效率和产品质量，推动化工领域的发展，为相关行业提供更加可靠和有效的解决方案。
1.2 文章结构:本文共分为三个主要部分，分别是引言、正文和结论。
在引言部分，将会概述本文的研究背景和意义，介绍文章的结构和目的。
正文部分将着重介绍连续搅拌反应釜的基本原理，以及利用Matlab 进行机理建模的方法和过程。
同时，将会详细讨论模型验证与应用的重要性和效果。
结论部分将总结研究的成果和收获，同时也会讨论研究的局限性和不足之处。
最后，展望未来研究的方向和可能的发展趋势。
1.3 目的：本文旨在利用Matlab软件对连续搅拌反应釜进行机理建模，以探索反应过程中的动态行为和特性。
通过建立数学模型，我们可以更好地理解反应的动态过程，预测反应物的转化情况以及产物的生成速率，探究影响反应效率和产物选择性的因素。
通过对模型的验证和应用，我们可以优化搅拌反应釜的操作条件，提高反应效率和产物质量，为工业生产提供重要的理论支持和技术指导。
通过本研究，还可为未来深入探讨反应机理和优化工艺提供基础。
2.正文2.1 连续搅拌反应釜的基本原理连续搅拌反应釜是一种常见的化工反应设备，其主要工作原理是通过搅拌将反应物料充分混合，从而提高反应速率和产物收率。
在连续搅拌反应釜中，反应物料被持续地输入，同时产物被持续地输出，使得反应过程能够连续进行。
这种反应器通常具有良好的温度控制和搅拌效果，适用于各种液相或气液相反应。
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吉林化工学院毕业设计说明书连续搅拌反应釜系统的控制器设计与仿真Controller Design and Simulation for CSTR学生学号：11510210学生姓名：严新宇专业班级：自动1102指导教师：王野职称：工程师起止日期：2015.03.09～2015.06.26吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology摘要连续搅拌反应釜（CSTR）是发酵、化工、石油生产、生物制药等工业生产过程中应用最广泛的一种化学反应器，其控制质量直接影响到生产的效益和质量指标。
对连续搅拌反应釜通过控制内部的工艺参数，如温度、压力、浓度等稳定，保证反应的正常运行。
本文针对连续搅拌反应釜的数学模型，应用泰勒展开得到了线性状态空间表达式，在此基础上设计了LQR控制器，仿真结果表明，控制效果令人满意。
本设计将CSTR的非线性动态模型进行了输入输出线性化，得到CSTR线性状态空间模型。
设计出连续搅拌反应釜的极点配置控制器并对系统进行仿真。
设计出连续搅拌反应釜的LQR控制器并对其系统进行仿真。
并对两种控制方法的控制效果进行了比较。
关键词：连续反应搅拌釜；LQR控制器；MATLAB仿真AbstractContinuous stirred tank reactor (CSTR) is the most widely used in fermentation, chemical engineering, petroleum production, bio pharmaceutical and other industrial production process as a chemical reactor, control the quality directly affect the production efficiency and quality index. For continuous stirred tank reactor by controlling the process parameters, such as temperature, pressure, concentration and so on, ensure the normal operation of the reaction. In this paper, based on a continuous stirred reactor mathematical model, the application of Taylor expansion is obtained for the linear state space representation, on this basis, design the LQR controller. Simulation results show that the control effect is satisfactory.In this paper, the nonlinear dynamic model of CSTR is linearized, and the CSTR linear state space model is obtained. The pole assignment controller for continuous stirred tank reactor was designed and the simulation of the system was carried out. The LQR controller of the continuous stirred tank reactor is designed and the system is simulated. The control effect of the two control methods is compared.Key Words: Continuous Stirred Tank; LQR Controller; MATLAB Simulation目录摘要 (I)Abstract ......................................................................................................................................................... I I 第1章绪论 (2)1.1 课题背景及目的意义 (2)1.2 国内研究现状 (2)1.3 国外研究现状 (3)1.4 连续反应搅拌釜的控制技术 (4)1.5 仿真技术 (4)1.5.1 数字仿真概述 (4)1.5.2 MATLAB仿真软件 (8)1.6本设计的主要研究内容 (10)第2章连续搅拌反应釜的数学模型 (12)2.1 连续搅拌反应釜结构 (12)2.2 连续搅拌反应釜仿真模型的建立 (14)2.3 非线性模型的线性化 (17)第3章极点配置控制器的设计与仿真 (19)3.1 极点配置 (19)3.2 极点配置控制器的设计 (19)3.2.1 极点配置控制算法 (19)3.2.2 CSTR极点配置控制器设计 (20)第4章LQR控制器的设计与仿真 (25)4.1 LQR控制器的介绍 (25)4.2 LQR控制器的原理 (25)4.3 LQR控制器的设计 (26)4.4 两种控制器效果对比 (29)结论 (31)参考文献 (32)附录Ⅰ线性化程序 (33)致谢 (35)第1章绪论1.1 课题背景及目的意义连续搅拌反应釜是化工生产中的常用设备，同时又是典型的非线性被控对象。
在发酵、化工、石油生产、生物制药等工业生产过程中，发生反应的反应器起着非常重要的作用，也是工业生产过程中必不可少的工具，其操作状况直接影响着生产的效率和质量标准，近年来，非线性系统的控制理论也受到了广泛关注。
由于化学反应类型不同，物料的相态不同，反应条件差别很大，按照反应器的进出物料的状况，可将反应器分为间歇式、半间歇式、和连续式，连续反应器是工业生产过程中最常用、最普遍采用的以上方式，连续反应器为了保证反应的正常进行，需要对反应器中的某些关键工艺参加如温度、压力、浓度灯进行控制使系统稳定，通常的控制使采用定值控制，从反应器的传热来分，又可分为绝热式和非绝热式反应器，按操作方式分，又可分为连续操作，间歇操作和半间歇操作。
从结构上分有釜式、管式、固定床和流化床等；釜式反应器又是工业上广泛采用的一种形式，可采用进行匀相反应，也可进行多相反应，如液固、气液、液液及气固液灯反应，釜式反应器内部有搅拌装置，可以使反应器中反应区的反应物料的浓度均一。
连续搅拌反应釜内完成化工过程的特征参量一般为温度、浓度表现了化工过程本身的属性，这些属性都是化工生产过程质量生产好坏的重要标志，因此，通过测量并校正控制这些反应特这参数是化工生产过程质量的重要保证。
1.2 国内研究现状1．连续搅拌反应釜系统的建模方面徐用懋、范顺杰等运用动力学、相平衡和物料平衡原理，针对三井油化Hypol 工艺建立了连续搅拌反应釜过程的机理模型，他们所建的模型较为成功地对聚丙烯熔融指数的进行了预测，然后利用工业现场数据，得出了反应浆液丙烯的浓度、丙烯转化率和反应物的聚合反应热等重要参数；罗正鸿对连续搅拌反应釜系统的稳态进行机理建模，并分析研究了聚丙烯分子量和丙烯转化率与操作条件的变化之间的关系；使用结构逼近式混合神经网络，更好地对系统各变量之间的关系进行了描述，建立了连续搅拌反应釜系统的高精度数学模型；陈欠平通过对实际工业设备的研究，运用聚丙烯液相本体法建立了连续搅拌反应釜的动态和稳态数学模型，并通过仿真分析来研究连续搅拌反应釜系统输出与操作条件变化的关系；利用神经网络对连续搅拌反应釜系统进行机理建模使模型的精度得到了提高；针对工厂实际的连续搅拌反应釜系统，杨爱新对该对象进行动态机理建模，建立的模型符合现场实际的情况，同时利用该模型来研究当操作条件改变时，聚合物体积浓度百分比、反应物浓度、反应速率、冷却水出口温度以及反应体系温度的变化。
2．连续搅拌反应釜系统的控制方面雷佳等充分利用遗传算法的寻优特性，提出了一种与PID控制相结合的遗传寻优算法，明显地提高了控制效果；以工业现场实际情况为背景，通过改进跟踪微分器，设计了一种二阶白抗扰控制方法，明显提高了工业现场连续搅拌反应釜的控制效果；朱学峰根据连续搅拌反应釜系统的非线性特性，提出了基于混合模型的非线性预测控制策略，此混合模型由非线性和线性两个部分组成，通过其仿真也可看出实际输出与模型输出误差较小；吴伟林提出了一种基于神经元网络的自适应控制方法，该方法有效改善了反应釜温度的大时滞问题，能够对反应釜温度进行有效地控制；刘士荣应用了一种模糊逆模一PID与神经网络相结合的复合控制策略，对反应釜温度控制获得了良好的控制效果；韩光信等提出了应用于连续搅拌反应釜的非线性鲁棒控制，对开车过程进行了优化；针对连续搅拌反应釜系统，贾爱民提出了一种鲁棒控制算法，该算法具有较强的适应性能和较强的抗干扰能力，能够满足实时控制的要求。
连续搅拌反应釜内化工反应过程的复杂性，使得采用一种简单的控制方式都很难达到理想的控制效果。
伴随着控制理论的发展，越来越多的先进控制方法被应用到连续搅拌反应釜系统并取得了满意的成果。
目前很多先进的反应釜控制技术就是将几种控制方法相结合，通过取长补短以期得到更加令人满意的控制效果。
随着连续搅拌反应釜控制技术的不断深入和发展该系统的控制效果也会得到进一步地改善和提高。
1.3 国外研究现状1．连续搅拌反应釜系统的建模方面Gupta等于1992年提出了基于聚合多粒子模型的连续搅拌反应釜系统模型，根据该模型我们可以得出产率、聚合变化趋势以及聚合产物的分子量，同时也指出了聚合分散度与产率随着反应停留时问增加而变化的趋势，依据这一趋势他们解决了模型计算时间长的问题，提出了一种改进的模型计算算法。
根据实际生产状况，Pinto 和Mattos建立了溶剂法连续搅拌反应釜系统的丙烯聚合稳态数学模型并对该模型进行仿真研究，结果表明实际生产数据与该模型的计算输出误差很小，Soare对多个反应釜串联的烯烃聚合建立了动态数学模型，对模型的仿真研究验证了该模型的合理性；通过使用模糊聚类的方法，动态地建立了连续搅拌反应釜系统的数学建模，提高了模型的精度；Zacca等对丙烯聚合反应进行动态数学建模，通过计算得出了物性传递等参数，而且利用这些参数对该模型进行仿真分析。
2．连续搅拌反应釜系统的控制方面Minesh利用径向基函数神经网络来在线控制连续搅拌反应釜系统，此算法有极强的适应性；S.S.Ge提出了神经网络自适应控制，用多层神经网络构造隐式反馈线性控制（IFLC），其优点是跟踪误差小，对一般非线性系统有良好的控制性能；M.Jalili 设计了一种基于对象神经模糊模型的预测控制方法，解决了温度大时滞问题；采用了控制效果良好的非线性PID控制器，该方法应用局部模型网络通过门处理来变换非线性模型。