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摘 要
蒸馏水机的运行过程十分复杂，其热交换回路中主蒸汽压力、温度与原料水的压力、温度、流量耦和紧密，且呈现非线性关系，依据传统的方法很难建立一个精确的数学模型。本文以化工热交换原理为基础，从双效蒸发器入手，建立其数学模型。
在蒸馏水生产过程中需要控制两个重要参数：一是蒸馏水在出口处的电导率，另一是蒸馏水在出口处的温度。电导率一般通过调节原料水的阀门开度来控制；出口温度一般通过调节进入热交换器的蒸汽流量来控制。这是一个典型的双入双出的控制系统。由于蒸馏水机系统本身具有大滞后、非线性、时变、强干扰等特性，造成双入双出的控制系统是一个强耦合的控制系统。在本设计中，我们采用了简化解耦的设计方法，对双入双出的控制系统进行解耦。由于纯汽输出回路和冷却水回路都是热交换回路的强烈干扰源，这样常规的PID控制就不能很好的保证经过解耦后的双入双出控制系统的精度。鉴于此，本文采用由PID控制器和专家控制器一起组成自整定PID控制器进行控制。
结合蒸发过程实际，在研究专家系统的基础上，本文建立了比较完善的知识库，并且对知识库进行了量化处理，采用正向推理机制，启发式搜索方式，交互式人机接口开发设计了适用于医药用蒸馏水生产过程的专家系统。
【中文关键词】多效蒸馏水机 数学模型 PID控制 专家系统
Distilled water machine's work process is very complicated. The main steam pressure, temperature of its hot exchange loop and the pressure, temperature, liquid quantity of raw material water connect closely and present nonlinear relation. In terms of traditional methods, it's very hard to establish a precise mathematics model. regarding hot exchange principle of chemical engineering as the foundation, we start from double-function evaporation equipment in this paper, then process it.
During the process, we need to control two important parameters:one is the electric conductivity rate of distilled water at exit; another is the temperature of distilled water at exit. Electric conductivity rate generally is controlled by regulating the raw material water's valve door, while export temperature generally is controlled by regulating steam quantity passed into the heat exchanger. This is a typical control system with double inputs and double outputs. Because the distilled water machine has the characteristics of serious delay, nonlinear, strong interference etc., this system is a closely coupling system. In this design, we adopt simplified method to remove the coupling of this system with double inputs and double outputs. Because the pure vapor output loop and cool water loop are all hot exchange loop's strong interference resource, common PID can't achieve satisfactory effect. For this reason, this paper adopt PID controller composed of PID controller and expert system to control the system.
Combined the actual evaporating process, on the basis of expert system, this paper establish the perfect knowledge warehouse and adopt forward-reasoning mechanism, inspiring research method, exchange person-machine junction to design an expert system applicable to the distilled water production.
【English Linchpin Word】Multi-effect distilled water machine; Mathematic Model; PID control; Expert system;
目 录
第一章 绪论... 5
1.1 蒸馏水机现状... 5
1.2 控制技术在蒸馏水机中的应用... 5
第二章 方案论证... 7
2.1工艺过程... 8
第三章 PLC硬件系统的设计... 9
3.1 PLC-FP3的选择... 9
3.2 I/O分配... 9
3.2.1由安装在底板上的位置确定地址... 9
3.2.2用编程工具设定地址... 10
3.3 CPU单元... 12
3.3.1 FP3-CPU单元的特殊功能... 14
3.3.2 FP3-CPU单元的指令系统... 19
3.3.3 存储区分配... 21
3.3.4 蒸馏水机中I/O输入、输出回路设计... 23
3.4 A/D单元... 25
3.4.1、占用I/O点及I/O分配... 25
3.4.2、共享存储器... 26
3.4.3、技术参数... 27
3.4.4 蒸馏水机A/D输入回路设计... 28
3.5 D/A单元... 29
3.5.1、占用I/O点及I/O分配... 30
3.5.2、共享存储器... 30
3.5.3、技术参数... 31
3.5.4 蒸馏水机D/A输出回路设计... 31
3.6 PLC外接检测元件的选用... 32
3.6.1 温度传感器... 32
3.6.2压力传感器... 34
3.6.3 二位三通电控换向阀... 34
3.6.4 液位传感器的选用... 35
3.6.5 电动调节阀的选用... 36
第四章 专家控制算法... 38
4.1专家控制系统的概念和特征... 38
4.2 专家控制系统的分类... 40
4.2.1基于规则的专家整定和自适应控制器... 40
4.2.2 专家监督控制系统... 41
4.2.3 实时专家智能控制系统。... 42
4.3 专家控制系统的基本思想和结构... 42
4.3.1 专家控制的基本思想... 42
4.3.2 专家控制的知识表示... 43
4.3.3 专家控制系统的组织结构... 45
4.4专家系统结构设计与实现... 46
4.4.1 软件的设计与实现... 47
4.4.2建立专家系统的知识库... 47
4.4.3专家系统推理机的设计... 48
4.4.4人机接口设计... 49
第五章 PID控制算法... 51
5.1控制算法的确定... 51
5.1.1数学模型的建立... 51
5.1.2控制算法... 51
5.1.3 PID参数的整定... 52
5.2系统采样周期的确定... 54
5.2.1香农采样定理... 54
5.3数字滤波方法的选择... 55
5.3.1数字滤波的优点... 55
5.3.2数字滤波的几种方法... 55
总 结... 57
参 考 文 献... 58
附 录... 59
程 序 清 单... 59
第一章 绪论
1.1 蒸馏水机现状
随着我国医药行业的迅猛发展，其对基础生产设备---蒸馏水机的需求也在不断的扩大，传统的蒸馏水机完全靠手动操作，不仅工作人员工作环境差，而且调节精度不高，很难实现实时在线监控。当生产完毕采样检测产品质量时，若出现问题只能废掉，造成极大浪费，因而许多医药企业提出对蒸馏水机进行无人看管，由中央控制室遥控操作进行在线产品质量检测。目前，国外医药生产企业所使用的蒸馏水机大都实现了中央控制室控制在线产品质量监测，但国外产品价格昂贵，使国内医药企业望而却步。
研制出一种高效多功能全自动的蒸馏水机将是医药生产行业保证产品质量的前提条件。就医药行业而言，保证其基本原料蒸馏水产品的质量，对人们的身体健康乃至生命至关重要，其社会效益不言而喻。
目前，蒸馏水机市场形成手动继电器，半自动控制和PLC半自动控制三大系列，国内许多制药设备生产企业的蒸馏水机多为手动操作和半自动控制方式。我们认为时至今日尚未实现全自动控制的主要原因有二：一是蒸馏水机的热交换回路与冷却水回路、纯气输出回路、质量保证回路耦合紧密且许多项呈非线形，其数学模型含有不确定项，因而难以建立精确的数学模型，故许多经典的控制算法无法使用。许多科研单位目前正在就此对象的模式识别方面进行研究。其二是实现蒸馏水的质量检测需要许多分析仪器并且价格较高，而且前应用的离线采样检测分析方法当发现问题时却为时已晚，造成大量浪费。因而研制出一种低成本又能适用于在线产品质量检测的分析仪器成为当前研究的另一方面。
就国外而言，蒸馏水机全自动测控系统已基本成熟，其控制方面采用模糊控制，因而基本不依赖于精确的系统建模，但成本较高，对于还在发展中的我国医药行业难以承受。而蒸馏水做为医药行业的基本原料保证其质量的意义不言而喻，故研制适于我国国情且有自主知识产权的全自动蒸馏水机控制系统势在必行。
1.2 控制技术在蒸馏水机中的应用
蒸馏水机的数学模型较为复杂，其热交换回路中主蒸汽压力、温度与原料水的压力、温度、流量之间耦合紧密，且呈非线形关系。另外纯气输出回路和冷却水回路都是热交换回路的强烈干扰源，难以建立精确的数学模型，研究设计出一种不依赖精确的数学模型有适合于耦合紧密的非线形系统的控制方法是本项目的技术关键。
在一个工业过程中，往往有两个以上的被控制变量，也需要由两个以上的操纵变量构成多变量控制系统，在多变量控制系统的设计中就不止一种可能的控制方案，因此，选定最合适的控制方案是解决问题的关键。所谓控制方案的设计就
是在所有可能的测量变量即输出变量中应用哪些操纵变量来构成多回路控制。
计算机作为控制工具进入控制系统使得许多性能更好的系统得以实现，对化工过程也是如此。在化工过程中使用计算机进行控制，一方面能实现人们对程控的要求，另一方面能发挥计算机快速计算的特点来实现一些较为复杂的控制以达到更好的控制效果。
