课程设计说明书 第I页 废液中和控制系统设计 摘 要 pH 过程在工业生产中非常普遍，大量化工过程都需要对其化学反应过程中的 pH 值进行控制。其广泛存在于化工、生物工艺、污水处理、发电等工业中，对这一过程 进行良好的控制有着十分重要的意义。 由于 pH 过程的高度非线性和滞后性，一直是控制界的难点。pH 值的控制在污水 处理过程中并非易事。本文针对这一问题进行了研究分析，对 pH 值中和过程的机理 模型做了简单描述。介绍了酸碱中和过程 pH 值的变化特性，并介绍了几种控制方法， 包括常规的 PID 控制、补偿控制，以及比较先进的智能控制方法。本文主要分析了 pH 值曲线的非线性特点，并介绍了近年来应用于 pH 过程控制的非线性控制理论和方法， 然后根据 pH 值控制的特点重点介绍了对 pH 过程使用非线性 PID 控制设计。这种设计 能较好的处理 pH 过程的非线性。 关键词 pH 的中和，非线性控制，PID 控制 课程设计说明书 第II页 目 录 1 绪论.1 1.1 课题背景和研究意义 1 1.2 PH 中和过程控制方法.1 1.2.1 常规线性 PID 控制方法1 1.2.2 过程增益的非线性补偿控制.2 1.2.3 智能控制方法.3 2 PID 控制器参数的自整定方法4 3 PID 控制器的设计及仿真4 3.1 PH 中和过程的动态模型4 3.2 PID 控制器的设计.5 3.2.1pH 过程控制系统设计5 3.2.2 引入非线性变换的线性化 PID 控制6 总 结.10 致 谢.11 参考文献.12 课程设计说明书 第1页 1 绪论 1.1 课题背景和研究意义 水是人类生存的必要条件之一，也是现代化生产中必不可少的要素之一。水质的 好坏直接影响人类的生存和现代化生产的顺利进行。pH 值作为表征水的酸碱特性的指 标，是评价水质是否合格的重要标准之一。pH 值是水中H离子浓度的负对数， pH=7，表示水是中性的，PH7，水是碱性的，pH7。另一方面，与中和液流量近似成正比，从而使上述控制回路成为一个线性系 统，而且与工作点无关(这一点与带有不灵敏区的非线性控制器完全不同)。根据图 3 进 行 Matlab 仿真实验，如图 4 所示。 课程设计说明书 第7页 图 4 pH 中和过程 PID 控制 Matlab 仿真图 从仿真图可知当开关接到继电器整定部分调节系数得到稳定的输出波形 5 所示。 30405060708090100110 -4 -3 -2 -1 0 1 2 x 10 -4 图 5 振荡曲线 根据下图可知继电特性的幅值 d。通过继电反馈调节得到 pH 中和过程的输出曲线 如图 6 所示。 课程设计说明书 第8页 30405060708090100110120 4 5 6 7 8 9 10 图 6 继电反馈整定控制 pH 输出 根据图可知被控对象输出的振荡幅值 a，则可根据基于继电反馈控制的 Ziegler- Nichols 整定规则计算出 PID 控制器的参数 Kp、Ti、Td。再将开关接到 PID 控制器的一 端，经 PID 控制的 F2输出即被控对象输入曲线如图 7 所示。 1000110012001300140015001600170018001900 0. 295 0.3 0. 305 0.31 图 7 PID 控制的中和液输入曲线 控制 pH 中和过程得到输出曲线如图 8 所示，仿真结果显示中和过程 pH 值最终被 控制在 7。 课程设计说明书 第9页 110012001300140015001600170018001900 5.5 6 6.5 7 7.5 图 8 pH 中和过程 PID 控制输出曲线 图 9 给出了该系统的误差分析图。由此可见，该控制方案可广泛适合于各种 pH 中 和过程，既适用于需要对混合液 pH 值进行定值控制的场合；也适用于对混合液 pH 值 实行宽范围控制的场所7。 1100120013001400150016001700180019002000 -6 -4 -2 0 2 4 x 10 -6 图 9 误差分析曲线 前面以 pH 中和过程为例，详细讨论了广义对象非线性的补偿措施，其中包括流量 比值的引入、变增益控制器、基于对象模型的线性化变化变换等，以最终使控制回路 成为一近似的线性系统。不过，不少情况下很难找到合适的实现控制回路线性化的方 法，此时，当控制精度要求较高时，可考虑采用 自适应控制、完全的非线性控制等先进控制策略，以进一步提高控制系统的性能。 课程设计说明书 第10页 总 结 早在 20 世纪 50 年代，pH 值控制就成为人们研究的对象。pH 值的控制问题是控 制领域中的难题之一，因为 pH 中和过程是一个典型的非线性系统。pH 较低或较高时， pH 变化非常缓慢；而在中性时，即 pH 在 7 左右时，加入试剂的微小变化都会引起 pH 值的很大变化，即随着溶液 pH 值的变化，pH 值相对于加药量变化的增益也随之发 生显著变化，非线性特性非常明显。最初多采用常规的 PID 控制，PID 控制的优点是 原理简单，使用方便，鲁棒性强。也就是说，其控制品质对过程特性的变化灵敏度比 较低，调节器参数调整比较容易；具有无余差功能，精度较高；适应性广，可用于各 类工业过程的控制，并以商业化。但由于反应过程中，中和点附近的高增益使得常规 的 PID 控制器参数调整非常困难，因为控制器只能采用很小的比例增益，否则系统不 稳定；而比例增益过小，又使系统的动态特性变坏，存在一定的缺陷。在参数整定部 分按照本课题要求采用基于继电反馈的 PID 参数自整定方法过程简单实用，其完全在 闭环条件下完成，因而对扰动不灵敏；另一方面，由于振荡幅度可控，因而可广泛应 用于大多数工业过程。通过仿真曲线可知设计结果令人满意。 课程设计说明书 第11页 致 谢 从开始了解课题，做理论研究，仿真和论文撰写，期间我因为个人问题和老师交 流方面遇到了不小的困难。多亏了老师能够准确的指明我的问题，并且每一个步骤都 受到了老师精确并且耐心的指导。老师诚挚正直的为人、严谨治学的作风、孜孜不倦 的工作热情和富于创新的精神，深深的影响着我，是我学习的导向和前进的动力。在 此，向老师表示由衷的感谢，感谢您的鼓励和教诲。感谢大家在我学习期间和本文的 成文过程中，以各种形式给予了我关心与帮助，使我学会了很多有用的知识，是我在 学习上最好的榜样。在此我要对老师致以崇高的敬意，您的学生衷心感谢您！并且感 谢在本次课程设计过程中给予我极大帮助的学长，在各方面给我的帮助和鼓励。在此 对你们表示衷心的感谢。 感谢朝夕相处、并肩学习的兄弟姐妹、同学和朋友，是他们营造了一个温暖的集 体和优越的学习环境，使作者能够始终保持轻松愉快的心情，笑对困难，无论何时都 充满信心。并且在毕业设计过程中，他们给我提供了大量的宝贵信息和意见。 感谢我的父母，养育我成人，供我完成学业，而父母的言传身教更是我一生中最 重要的财富之一。 最后，再次向所有给予我关心和帮助的老师和朋友们表示感谢。 课程设计说明书 第12页 参考文献 1 王树青等.工业过程控制工程.化学工业出版社，2002，8.237-244 2 邵惠鹤.工业过程高级控制.上海交通大学出版社，2002，3.113-124 3 张晓华.控制系统数字仿真与 CAD.机械工业出版社，2003，8.82-87 4 孙志毅.非线性系统控制理论与方法.太原型机械学院学报，2003，24(4):249-253 5 戴鹏.pH 值的控制方法研究，天津大学自动化学院，2007，30(10):58-60 6 何献忠.pH 中和控制过程的非线性控制，湖南工业大学，2008，8(2):2-5 7 赵刚.pH 值的计算机控制系统.安徽电子信息职业技术学院报，2004，24(7):56-58 课程设计说明书 第13页