釜,是连续流动反应器，或简称全混流反应器，是化工工业生产过程中必不可少的生产工具，其操作状况的好坏直接影响生产质量和效率。为保证连续搅拌反应釜内部的反应正常进行，需要通过控制其内部的工艺参数，如温度压力浓度等稳定。连续搅拌反应釜内部的控制质量将会直接影响到生产的效益和质量指标，因此设计的任务就是在保证系统稳定的条件下，通过优化操作条件和方法，改善产品的质量，提高产品的数量。在实际过程中，经常受到外部和内部因素的影响，如反应物浓度变化副反应温度和外扰等，并且的化学反应过程是个非线性时变有纯滞后的过程，对这类系统难以建立精确的数学模型。年，卡尔曼发表了他著名的用递归方法解决离散数据线性滤波问题的论文。从那以后，得益于数字计算技术的进步，卡尔曼滤波器已成为推广研究和应用的主题，卡尔曼滤波器由系列递归数学公式描述。它们提供了种高效可计算的方法来估计过程的状态，并使估计均方误差最小。卡尔曼滤波器应用广泛且功能强大它可以估计信号的过去和当前状态，甚至能估计将来的状态，即使并不知道模型的确切性质。本文介绍了卡尔曼滤波的基本理论，并且提出了种基于卡尔曼滤波的控制器的设计，有效解决了系统的预测估计。基于卡尔曼滤波器的算法和模型的建立较为精确地实现了系统状态的估计，进而使操作者制定出合理的控制方案，提高生产效益和质量指标。本文的研究内容为了提高控制器的控制性能，获得良好的社会经济效益和高品质的产品，因此，非线性系统状态的预测估计显得也就格外的重要，基于此，在本文我们主要研究了介绍了连续搅拌反应釜的结构及工作原理，并在此基础上，根据能量守恒定律有系列的非线性微分方程建立了该系统的理想动态特性假设系统的所有状态都可实时准确地测量，基于此假设条件，将非线性系统进行线性化处理，进而设计系统的状态反馈控制器介绍了卡尔曼滤波器的原理及算法的实现，针对状态不可测的情况下设计卡尔曼滤波，通过实时测量的反应温度和冷却温度来估计各组分的浓度值，根据估计出的状态值来设计系统的状态反馈控制器。东北电力大学本科毕业设计论文第章非线性系统非线性系统的物理描述连续搅拌反应釜，简称是化工生产的常用设备，是种复杂的非线性化学反应器系统。图所示为带冷却套的连续搅拌反应釜。图连续搅拌反应釜其化学反应是由环戊二烯,组分生成主产品环戊烯,组分和副产品二环戊二烯,组分,以及由环戊烯,组分继续反应生成的副产品环戊酮,组分。化学反应方程如下,在此反应中假设物料的混合是完全的，反应器被持续冷却，且流出物料的体积流量等于进入物料的体积流量。同时为不失般性，假定反应釜中发生的是级不可逆放热反应。基于能量守衡定律，该的理想动态特性可以由以下非线性微分方程描述东北电力大学本科毕业设计论文,上述非线性方程中和分别表示物质和的浓度，和分别为反应温度和冷却温度。为了建立状态空间模型，取作为系统的四个状态，取物料进给率和冷却套中的散热量为系统的控制输入。控制输入是在定范围内变化的，反应器的进给料来自上设备，其温度和浓度是波动的，作为外部的干扰。反应速度依赖于反应温度和并且遵循准则为了获得组分的最大产出率确定系统的稳态工作点如下该系统的物理和化学参数如下表所列表的稳态参数东北电力大学本科毕业设计论文参数意义参数对应值的反应时间常数的反应时间常数的反应时间常数的反应激活能量的反应激活能量的反应激活能量的反应热的反应热易测量性和随机干扰的存在，针对系统设计卡尔曼滤波。通过反应温度和冷却温度估计出两组份的浓度值。实现卡尔曼滤波在线估计的程序如下以上程序是定义全局变量状态的初始值和协方差初始值，它们的值是任意给得，因为随着卡尔曼的工作，会逐渐的收敛。但是对于，般不要取，因为这样可能会使卡尔曼滤波过程认为给定的是系统最优的，从而使算法不能收敛。,东北电力大学本科毕业设计论文其中和对应的是实际模型的输出反应温度和冷却温度。测量噪声是均值为零，协方差为的白噪声，可以通过改变其协方差的大小来观测卡尔曼滤波的效果。加入使能子系统的卡尔曼滤波模型的结构图如图所示图卡尔曼滤波模型结构图图中和为加入的系统噪声，和分别为均值为，协方差为和的白噪声。实际的干扰进料浓度进料温度情况如图所示，其中为均值为，协方差为的随机干扰为均值为，协方差为的随机干扰。东北电力大学本科毕业设计论文实际系统干扰图实际系统干扰设置浓度和的初始值均为零。进行卡尔曼滤波后的仿真结果如下，图为估计出的组分的浓度虚线和实际的组分的浓度实线的比较图为估计出的组分的浓度虚线和实际的组分的浓度实线的比较。东北电力大学本科毕业设计论文图组分浓度估计值与实际值的比较图组分浓度估计值与实际值的比较由仿真结果可以看出，经过段时间后卡尔曼滤波估计出的浓度值跟踪上实际的浓度值，可见估计效果明显。但在对组份浓度的估计过程中卡尔曼估计值在刚开始时出现负值，原因是卡尔曼最优估计没有考虑关于干扰和状态的已知信息。基于卡尔曼滤波的状态反馈控制器设计利用卡尔曼最优估计方法估计出的状态设计状态反馈控制器。这里基于第章对状态反馈控制的研究,从而得状态反馈最优矩阵如下东北电力大学本科毕业设计论文,系统的状态反馈仿真模型如图所示图基于卡尔曼滤波的状态反馈模型结构图经过状态反馈后，卡尔曼滤波的算法中应该把状态矩阵程序中用表示换成，为输入矩阵程序中用表示。设置浓度和的初始值均为零。卡尔曼滤波后状态反馈前后的仿真结果如下图和所示图状态反馈前后组分浓度的阶跃响应曲线东北电力大学本科毕业设计论文图状态反馈前后组分浓度的阶跃响应曲线在图中表示状态反馈前物质浓度的估计值，表示状态反馈后物质浓度的估计值。在图中表示状态反馈前物质浓度的估计值，表示状态反馈后物质浓度的估计值。将两幅图中状态反馈前后的响应曲线对比可以看出经过状态反馈后系统阶跃响应的调节时间变短，响应速度加快，能快速达到稳定状态，且无明显的超调，可以看出合理的选取加权矩阵和能使控制器的性能达到最优东北电力大学本科毕业设计论文结论连续搅拌反应釜是发酵化工工业石油生产生物制药中广泛应用的化学反应器，其操作状况直接影响到生产过程的质量和生产的效率，而且系统中存在的不确定性和扰动的影响时，对生产过程会产生很大的影响。因此研究在不确定或者扰动存在时，对系统的输出进行有效地预测估计是非常的必要的。在此意义下，本文做了如下的研究工作介绍了连续搅拌反应釜的结构及工作原理，并在此基础上，根据能量守恒定律有系列的非线性微分方程建立了该系统的理想动态特性假设系统的所有状态都可实时准确地测量，基于此假设条件，将非线性系统进行线性化处理，进而设计系统的状态反馈控制器介绍了卡尔曼滤波器的原理及算法的实现，针对状态不可测的情况下设计卡尔曼滤波，通过实时测量的反应温度和冷却温度来估计各组分的浓度值，根据估计出的状态值来设计系统的状态反馈控制器。通过由浅入深循序渐进的方式，我们完成了基于卡尔曼滤波的控制器的设计仿真，由此证明了卡尔曼滤波的广泛的实用性，经过对基于卡尔曼滤波控制器的预测估计的状态值与实际值作比较，我们可以看到经过短暂的时间后卡尔曼估计的状态值能够跟踪上实际的状态值，预测估计的效果很是明显。而且再经过状态反馈后，系统的阶跃响应调节时间变短，响应速度加快，能快速达到稳定状态且无明显超调，可见基于卡尔曼滤波的控制器可以达到理想的性能。东北电力大学本科毕业设计论文致谢本论文在张虹老师的悉心指导下顺利完成，在此表示衷心感谢。在这学期准备毕业设计的过程中，老师在学业上的精心指导，生活上的热心关怀，都使我感受到这段时光的弥足珍贵，将是我人生中最璀璨最值得感恩的历程。特别是张老师渊博的知识，严谨治学的态度对待科研的实事求是，勤勤恳恳的研究作风对待学生兢兢业业，诲人不倦的教导对待科学精益求精的深度都深深地影响着我，在我未来的人生旅途中将受益匪浅。在此谨向张虹老师致以深深的感谢,论文就要接近结尾了，我的本科学习历程也要达到终点了，衷心感谢在这四年里理解支持和帮助我的老师亲人和朋友,正是由于你们的陪伴，我大学四年的时光才不会感到孤单，也因此收获颇丰。我在我们的大学收获了老师谆谆教导的知识，收获了老师无微不至的关怀，收获了纯真质朴的同学之情，收获了同学之间的相互帮助和相互勉励，收获了共同学习共同进步的快乐，我想这些都将是我今生最为珍贵的财富，在此我要向我的老师亲人和朋友致以最诚挚的感谢,再过不久，我就要毕业了，我要感谢母校，与我朝夕相处四年的母校，我正是因为在这里汲取营养才有了今天的我，今天充满自信迎接机遇和挑战的我。在此我真诚地祝愿母校茁壮地成长，秉承勤奋严谨求实创新的校训，发展成为国内流国际知名的大学,明天前进的号角又已经吹响，我将以百倍的激情去迎接即将来临的机遇和挑战。在此，谨向关心支持帮助过我的老师家人同学和朋友们致以深深的敬意和诚挚的谢意,东北电力大学本科毕业设计论文参考文献徐宁寿随机信号估计与系统控制北京北京工业大学出版社李勇辅助现代工程数字信号处理西安西安电子科技大学出版社年月魏巍控制工具箱技术手册国防工业出版社，姚天任，孙洪现代数字信号处理武汉华中科技大学出版社余英林，谢胜利，蔡汉添信号处理新方法导论北京清华大学出版社，李大威卡尔曼滤彼在组合导航中的应用研究中北大学硕士学位论文王钦若连续搅拌反应釜推理控制的研究，浙江大学硕士学位论文，韦巍连续搅拌釜的计算机实时在线状态估计，浙江大硕士学位论文，胡跃明非线性控制系统理论与应用国防工业出版社，程代展非线性系统的几何理论科学出版社，魏诺非线性科学基础与应用科学出版社，张宇河，金钰计算机控制系统北京理工大学出版社王华在电信工程中的应用中国水利水电出版社，薛定宇控制系统计算机辅助设计语言及应用清华大学出版社，王志贤最优状态估计与系统辨识西安西北工业大学出版社，张贤达现代信号处理北京清华大学出版社，余英林，谢胜利，蔡汉添信号处理新方法导论北京清华大学出版社,本科毕业设计论文基于卡尔曼滤波器