pH 中和过程PID控制课程设计.pdf

发布时间：2022-06-01 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.24M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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PH 值控制系统设计——重庆大学 06 级自动化六班范兴容同学过程控制课程设计报告 PH 值控制系统设计 1 工艺说明 1.1 课题背景及意义在许多现代化工业中，如制药、造纸、电镀、锅炉给水、废水处理等化工过程中，由于 PH 值对溶液的物理、化学性质都有很大的影响，存在着 PH 值的测控问题。在工业生产中必须使 PH 值严格控制在特定范围内，否则可能会造成产品质量下降，原料浪费，生产不能顺利进行，企业的竞争力下降，甚至造成环境污染等不良后果。故 PH 值控制问题在工业中占有举足轻重的地位。因此，无论是对工业生产过程控制而言，还是生态环境保护而言，对 PH 值进行有效控制具有重要的意义！因此，本次课题根据老师提供的资料及《过程控制系统与装置》教材进行 PH 值控制系统的研究和设计。 1.2 课题研究目的 PH 值的控制问题一直被公认为最难控制之一，因为酸碱反应过程是一个典型的非线性过程。PH 值较低或较高时，PH 值变化非常缓慢；而在中性时（PH 值在 7 左右时），加入试剂的微小变化都会引起 PH 值的很大变化，非线性特性非常明显（如图 3）。此外，实际酸碱反应过程中还存在混合、测量等纯滞后环节，而且延迟时间一般很长，就更加增加了控制难度。由此可见，PH 值酸碱反应过程的控制系统是一个非线性系统，如何处理非线性是 PH 值控制系统设计问题的关键。由于 PH 值的非线性特性，用常规的线性控制方法——PID 控制算法无法对反应的变化过程做快速的、精确的反应，在控制过程中很容易引起振荡现象，很难对系统实现最优控制。此外，各种快速酸碱反应包括强酸强碱、强酸弱碱、强碱弱酸、弱酸弱碱四种反应。其中非线性最强的是强酸强碱之间的反应。因此，本课题主要针对一阶强酸强碱的反应过程进行研究和设计。通过分析 PH 值过程的机理特性，设计了一种分段式变增益 PID 控制算法，根据无任何干扰、考虑酸性液体流量波动干扰以及流量波动干扰和蒸汽复合干扰的情况，分别利用 MATLAB 仿真技术对基于 NPID 的 PH 值控制系统进行了仿真研究。本课题的研究，对于 PH 值的控制问题找到了一条切实可行的解决方案，方法简单易工程实现，具有一定的经济效益和社会效益。 1.3 参数变量和检测方法说明 1.3.1PH 值检测方法说明在化工过程（如锅炉给水、废水处理等）中，PH 值是一个非常重要的参数，对其进行准确的测量有重要的意义。由于 PH 仪的对数特性，其敏感度在各 PH 点是不同的，高浓度（PH 很大或很小）灵敏度低，而在低浓度区（中和点附近）则很灵敏。同时，最灵敏的曲线是强第 1 页共 19 页

PH 值控制系统设计——重庆大学 06 级自动化六班范兴容同学过程控制课程设计报告酸强碱反应曲线。在这种情况下，为控制 PH 值到 7 0.5 ，则酸碱的精度要高于如果初值 PH 值是 6 或者 8，则浓度须调整到 10 28% ，容易满足要求。但如果初值 PH 是 4 或者 10，则浓度必须调整到 4  剂浓度的相对精度为 0.28% 。  。  ，即试剂浓度的相对精度为  ，即试 2.8 10 6  0.99 10 2.8 10 2.8 10    6  6  6  因此，选择 PH 测试仪时要根据实际情况选择，同时也考虑经济成本，使其性价比尽量最高。本课题建议可以采用 PTH-10 型工业 pH/ORP 测试仪【11】，具体的检查方法可以参见文献[11]的使用说明。 1.3.2 流量检测方法说明在生产过程中，流量是需要经常测量和控制的重要参数之一。而测量流量的目的是为了正确指导工艺操作、进行成本核算、保证产品的质量和设备安全。因此，流量测量是生产过程自动化检测和控制的重要环节。现在，常见的流量计有差压式流量计、电磁流量计、涡街 m  q q 转换成差压信号 v 流量计、质量流量计。本课题建议可以采用差压式流量计，其检查方法以及思路如下：节流装置把流体流量  送差压变送器（差压计），差压变送器将差压信号转换为国家规定的标准信号（如 I 4 ~ 20 ）输出或者显示流量大小（如图 1）。具体的检测方法可以参阅文献[10]第 0 132 页。，引压导管把节流装置产生的差压信号传 P K q   1 m mA DC  2 图 1 差压式流量计的组成框图 2 PH 值过程建模、控制器的设计及广义对象建模本课题以一个具有良好搅拌的中和池为被控对象，通过 PH 传感器得到溶液的 PH 值与微机设定的 PH 值进行对比，然后执行器打开阀门放入碱液到中和池中和调节溶液 PH 值，直到达到理想的状态，PH 控制示意图如图 2 所示。 Xa FA FB Xb 设定值微机 V PH C1+C2 图 2 PH 值控制系统示意图第 2 页共 19 页

PH 值控制系统设计——重庆大学 06 级自动化六班范兴容同学过程控制课程设计报告其中，     AF t ——入流酸的流量，单位:升/分钟，认为是常数； BF t ——入流碱的流量，即控制量，单位:升/分钟； aX ——入流酸的浓度，单位:当量浓度(N)，认为是常数； bX ——入流碱的浓度，单位:当量浓度(N)，认为是常数； 1C ——出流酸的总浓度，单位:当量浓度(N)； 2C ——出流碱的总浓度，单位:当量浓度(N)； V ——中和池容积，常数，单位:升。在上述参数中，   F t X X C C 是可测量且已知的。通过控制   BF t 来达到控制 PH , , , , A a b 1 2 值的目的。 2.1 强酸强碱系统过程动态模型的建立 C 由于强酸和强碱完全电离，故 1  H , C 2      OH    ,则流出容器的酸的总量=   F t A    F t C B 1   ；      流入容器的酸的总量= 容器中总酸的变化量= a   F t X ； A 1dCV dt ；则流入溶液的酸的总量与流出容器的酸的总量之差为容器中总酸的变化量 F t X A   a   F t A     F t C V B    1   dC 1 dt …………………（1）同理，则流入溶液的碱的总量与流出容器的碱的总量之差为容器中总碱的变化量 F t X B   b   F t A     F t C V B    2   2 dC dt …………………（2）故公式（1）和（2）构成了 PH 值过程的数学模型。为了描述 PH 值过程的非线性特点，主要针对一元强酸与一元强碱的反应过程来描述 PH ia H    ，则由 PH 值过程。由于对于一元强酸来说，  过程的静态模型方程可得到一阶强酸强碱的反应的滴定曲线方程为 ia H    ，对于一元强碱来说，  1 1   C C 1  2  10  PH  10 PH 14  ………………………………（3）令   y t  C C 1  ，则 2   10 y t   PH  10 PH  ………………………………（4） K W 根据  1 2 式，     y t  C C 1  得 2 V   dy t dt   X a      y t F t A    X b      y t F t B  ……………………（5）第 3 页共 19 页

PH 值控制系统设计——重庆大学 06 级自动化六班范兴容同学过程控制课程设计报告对式（5）进行近似离散化，即令   dy t dt  y k  1   T  y k  得  y k  1   1     T V  F k A      y k   X T b V  F k B   T V 其中，T 为采样周期。根据式（4）解得  F k y k B     X T a V  F k A  …………（6）  PH k   log 10   y k   2   4 K W    y k K 2 W ……………………（7）根据式（6）和（7），利用 MATLAB 编程（源程序见附录 1）绘制出一种一元强碱滴定一元强酸的 pH 特性曲线如图 3 所示。其中上述参数的取值如表 1。表 1 一元强碱滴定一元强酸参数表参数中和池体积V 入流酸的浓度 aX 入流酸的流量 AF 取值 1000L 0.4N 0.5L/min 参数取值水离解常数（ WK ） 10-14(25℃) 入流碱的浓度 bX 0.02N 图 3 一元强碱滴定一元强酸的 PH 特性曲线从图 3 中和过程的静态特性，可以看到它严重的非线性，过程的增益即单位酸性流量所引起的 pH 值变化，随着要处理的流入液体的流量而变化。它的非线性主要表现在:在中性点 7 附近，此处特性曲线的增益很大，就是说，此时添加的反应剂微有变化，就能引起 pH 值较大幅度的变化，而当 pH 值远离中性点 7 时 pH 值的特性曲线的增益变小，这时要加入大量的反应剂才能造成 pH 值的少量变化。第 4 页共 19 页

PH 值控制系统设计——重庆大学 06 级自动化六班范兴容同学过程控制课程设计报告综上所述，中和过程的数学模型建立在一些假设条件之上，是一种理想模式下的数学模型，因此在实际工程中把本课题设计的数学模型作为控制算法设计的基础，通过实际的工程情况和需要来更加完善 pH 值的数学模型。 2.2 控制器的设计根据图 3，我们知道 PH 过程具有严重的非线性，当废液 PH 值增大时，由于过程增益变小，在已整定好的控制回路比例增益作用下，过渡过程将会出现过阻尼；而在 PH 值接近中性时，过程增益增大，系统可能出现振荡甚至出现不稳定。因此，本课题根据对象的特性，采用补偿原理对过程的非线性特性进行补偿。补偿原理就是设法使系统中某一环节具有与对象增益相反的非线性特性，使之与原来非线性特性相补偿，最后使系统的开环增益保持不变，校正为一个线性系统。对于 PH 控制，我们采用变增益调节器，即 NPID，它是由常规的 PID 算法前面串入一个非线性补偿环节(如图  4)构成。此时，控制器的比例系数 K 应为偏差函数   e k ,实现了变增益。这里，偏 f e k 差函数的调整系数有三个，即增益 1ZK 、 2ZK 和低增益区的宽度 Z ，在适当调整 ZK 和 Z 以补偿 PH 值的非线性，使之保持近似不变。    / f(e) KZ2 e Z KZ1 图 4 非线性补偿环节故我们可以根据 PH 值对象的特性设计一个非线性补偿控制器，非线性补偿环节分为三段（图 4 所示），每段将执行不同的操作，即：   f e k          K e k  Z 1   e k 0.2    K e k  Z 2    Z e k  Z e k    Z e k  Z    Z   Z  ………………（8）   Z   0.2   Z   0.2 综上所述，本课题设计的控制器为 NPID，即：   f e k    K P      1  1 T s i  T s d N T s d     1  ………………………………（9）其中， N   时，则为纯微分运算。在实际中，N 不必过大，本课题取 445.58 N  。第 5 页共 19 页

PH 值控制系统设计——重庆大学 06 级自动化六班范兴容同学过程控制课程设计报告 2.3 广义对象建模广义对象包括中和池、PH 传感器、执行器、PH 滴定曲线。本课题 PH 传感器、执行器的传递函数取为 1，中和池考虑为纯迟延 se  。因此，在广义对象建模中，PH 滴定曲线就成为重点了。我们采用如图 4 的三段折线来近似。方法如下：第一，采用分段折线法来近似 PH 值被控对象的特性曲线，即 PH      其中， 0PH 为强酸的 PH 值； K X PH 1   K X n  n K X 2    2 3 0 PH  1  PH  X n s   n s X n s   n 2  0    n s X   2 1PH 为中性点 7 处的 PH 值； 2PH 为强碱的 PH 值； X 为过程流量值， n 为中性点 7 处的流量值； s 为 PH 值高增益区的宽度，是一个很小的系数； K K K 分别为被控对象三段折线的增益系数。 1 , , 2 3 ……………………（10）  0, PH 1  7, PH 2  12, n 1,  PH 根据 PH 值特性曲线（如图 3），本课题近似取参数为 0 0.2 s  ，通过 MATLAB 中 Simulink 工具得到 PH 值特性曲线的三段式折线（如图 5 所示）。图 5 PH 值特性曲线的仿真图根据图 5 PH 值特性曲线的，我们很容易得出被控对象的增益系数分别为 0.368,  。 6.2, 0.2 K K  2 3 K 1  此外，通过根据老师提供的广义被控对象 G PH process   T s 1 K e 1  1  s  T s 2   1 以及管道动态特性第 6 页共 19 页

PH 值控制系统设计——重庆大学 06 级自动化六班范兴容同学过程控制课程设计报告传递函数 G drum level  K T s 3 3    1 示。进行仿真分析，其中对象参数 1 T T , 2 , ,  表 2 对象参数设置范围 T K K 3 , , 1 设值范围如表 2 所 3 序号\参数（1） 1T 20 （2）（5 10 20 30 50） 2T 5 5  0.2 0.2 3T 1K 3K 15 （0.5 1 2 5） 10 15 1 1 10 10 （3） 20 5 （0.2 0.35 0.5） 15 根据上述控制器的设计以及广义对象建模的过程，我们很容易得到 PH 控制框图（如图 6 所示）。 R + e － NPID 控制器 u 广义对象 OH 图 6 PH 控制框图其中 R 是给定输入值，pH 是输出值，e 是输入值与输出值的偏差，u 为中间变量。仿真框图主要由 NPID 控制器和广义对象两大模块构成，两者又分别由相应的子系统构成。 3 NPID 参数整定以及基于 MATLAB 系统仿真 3.1 NPID 参数整定设计一个品质好的 PID 控制器，要根据控制对象特性选择合适的控制规律。在控制器的参数整定中一个非常重要的问题就是控制器参数采样时间、比例系数、积分时间、微分时间的整定。本课题采用《过程控制系统》第七章第 146 页介绍的经验凑试法。它不需要进行试验和计算，而是根据运行经验和先验知识，先确定一组调节参数，然后人为加入阶跃扰动，观察被控参数的响应曲线，并按照调节器各参数对调节过程的影响，逐次改变相应的整定参数值，一般先比例度 PK ，再积分时间 iT ，微分时间 DT 的顺序逐一进行整定，直到获得满意的控制品质为止。经验凑试法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。参数设置的经验规则如表 3。第 7 页共 19 页

PH 值控制系统设计——重庆大学 06 级自动化六班范兴容同学过程控制课程设计报告表 3 经验试凑法参数设置参数类型设置规则 PK iT DT 首先把 PK 参数设置大些（如 30%），以避免出现超调和振荡，运行后视响应情况再逐步调小，以加强比例作用的效果，提高系统响应的快速性，以既能快速响应，又不出现超调或振荡为最佳。 T D , 先置 T 0, i   系统投运后先把 PK 参数调好，使过渡过程达到 4：1 的衰减比，之后将 PK 放大 10%~20%，再把 iT 参数由大到小逐步加入，观察系统响应，直至获得 4：1 衰减过程。 0 先置 DT  即去除微分作用，系统投运后先调好 PK 参数和 iT 参数， PK 、 iT 确定后，再逐步增加 DT 参数，加微分作用，以改善系统响应的快速性，观察系统过渡过程曲线，直到获得满意的过度过程为止。本系统由于酸碱流量控制系统与闭环控制对象的传递函数一样，故参数整定方法一样。通过表 3 的整定步骤对系统 NPID 控制器参数分别进行了整定，其整定参数结果如表 4。表 4 NPID 参数整定结果 NPID 参数参数整定结果 1ZK 4.5 2ZK 4.5 Z 5 PK 18 iT 235.38865 DT 1.067 3.2 基于 MATLAB 系统仿真本课题以魏老师提供的原文件 phcontrol.mdl 为基础模板，结合自己设计的 NPID 控制器，对所给课题任务分别进行了系统仿真。 3.2.1 不考虑任何干扰的系统仿真在不考虑任何干扰的情况下，PH 值控制系统基本仿真框图如图 7。第 8 页共 19 页

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