废液中和控制系统设计.doc

课程设计说明书 第12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控制目 录1 绪论11.1 课题背景和研究意义11.2 PH中和过程控制方法11.2.1常规线性PID控制方法11.2.2过程增益的非线性补偿控制21.2.3智能控制方法32 PID控制器参数的自整定方法43 PID控制器的设计及仿真43.1 pH中和过程的动态模型43.2 PID控制器的设计53.2.1pH过程控制系统设计53.2.2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121 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，水是酸性的。现代化生产往往产生大量的工业废水，其pH值一般偏低或偏高，水呈现酸性或碱性，直接排放会对地球的生态环境及人类及动植物的生存造成直接威胁，因此必须对其进行处理，使水表现为中性，达到排放指标才可以排放。1.2 PH中和过程控制方法 1.2.1常规线性PID控制方法比例积分微分控制的简称是PID控制。PID控制是在工业过程中历史最久、生命力最强、应用最广的基本控制算法。比例(P)控制：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。积分(I)控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”1。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分(D)控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现震荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件环节或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调2。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。总体来说，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。计算机过程控制的基本控制算法也仍然是PID控制，据估计工业控制中PID占90%以上。PID控制方法简单易实现，广泛的应用于控制领域。但是由于pH中和反应过程中，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。一种改进的PID控制方法是增量式三区段非线性变增益PID控制，能够在一定程度上克服中和反应中时滞和严重非线性对系统的影响，控制结果优于常规的PID控制器，如何划分区段是这一方法的难点，划分不当依然难以实现有效控制。1.2.2过程增益的非线性补偿控制大部分工业过程的静态特性都具有非线性，即对象的增益随着诸如被调量、调节量、负荷等的变化而变化。在非线性严重时，采用固定增益的调节器很难适应。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3。为了控制回路能正常工作，就必须根据最坏的操作条件来整定控制器，这当然要以降低回路控制性能为代价降低控制器性能我们可以采用补偿原理，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便，校正为一个线性系统。对于pH控制，我们采用变增益调节器，偏差函数的调整系数有两个，即增益和低增益区的宽度z，在适当调整增益和z以补偿pH值的非线性，使之保持近似不变。对于变化多端的非线性特性，只用变增益的非线性调节器来补偿还是比较粗糙的，因为它只有两个调P参数，对于控制要求比较高的系统，恐怕很难得到满意的效果。函数变换器可以实现各种复杂形状的曲线，因而能够精确地进行补偿。在一个希望获得高精度的pH值控制系统中，如果将函数变换器置于pH变送器与线性调节器之间，根据过程的静态特性曲线计算并调整函数变换器的输出曲线，使之与过程静态特性正好抵消，最终将非线性系统转换为线性系统4。1.2.3智能控制方法目前随着智能控制技术的迅速发展，智能控制方法越来越多的应用于pH值控制问题。主要有以下几种方法：专家系统控制方法。专家智能控制具有根据专家经验对现场情况分析判断的能力，并在此基础上自行组织最佳控制策略，实现最优控制。马浩采用专家系统方法对锅炉补水进行pH值控制，庞全则把专家智能控制技术应用于提炼烟碱的过程，周福章等也在pH值控制中使用了专家系统，一般专家系统控制由三部分组成:知识库、数据库、推理系统。因此建立专家智能控制系统，需要大量的系统信息和相关的专业知识，包括有关中和特征、当量计算等与pH值控制有关的基本化学方程式、计算公式、曲线。系统信息库装载着废水中和系统的基本物理结构、参数信息，如中和池容积、单位时间流量、加中和剂泵的扬程流量、中和剂性质等，还有生产历史资料等，因此建立专家系统比较困难，过程繁琐5。模糊控制方法。自从1965年美国加利福尼亚大学控制论专家Zadeh提出模糊数学以来，其理论和方法日臻完善，并且广泛的应用于自然科学和社会科学的各个领域。把模糊逻辑应用于控制则始于1972年。该控制法针对pH中和过程，提出了一种基于T2S模型的模糊预测控制算法，以实现系统的滚动优化控制。T2S模糊模型的前件和后件参数分别采用模糊C均值聚类(FCM)和正交最小二乘法(OLS)进行离线或在线辨识。在每一个采样时刻以当前辨识出的T2S模型为基础实现系统的局部动态线性化，再根据线性化模型对pH过程实施广义预测控制(GPC)，得到当前的控制量。仿真表明了该控制方法具有较小的超调性质，且在扰动作用下能快速跟踪到设定值，具有很强的鲁棒性。模糊控制的特点主要有两点：能够将一些人类经验结合起来。通过成员函数，模糊逻辑可以表达非线性。一些学者也将其应用于pH值控制问题。可以通过模糊方法建立对象的模型用于模型预报控制，还可以把模糊方法与传统控制方法相结合起来进行控制，但不管哪种形式，利用模糊技术都要进行模糊推理，建立模糊规则和分类方法，并且需要一些经验知识，因此限制了该方法的应用神经网络方法。人工神经网络技术源于对脑神经的模拟，具有很强的适应于复杂环境和多目标控制要求的自学习能力，也具有以任意精度逼近任意非线性连续函数的特性。这为解决控制系统的非线性和不确定性问题提供了一条新的途径6。目前，人工神经网络技术己经渗透到了自动控制的各个领域，包括系统辨识、非线性系统的控制、智能控制、优化计算及控制系统的故障诊断与容错控制等。2 PID控制器参数的自整定方法PID控制器被广泛应用主要是因为它结构简单、在实际中容易被理解和实现，而且许多高级控制都是以PID控制为基础的。但PID参数的整定一般需要由经验丰富的工程技术人员来完成，既耗时又耗力，加之实际系统千差万别，又有滞后、非线性等因素，使PID参数的整定有一定的难度，致使许多PID控制器没有整定得很好，这样的系统自然无法工作在令人满意的状态。为此人们提出了自整定PID控制器。将过程动态性能的确定和PID控制器参数的计算方法结合起来就可实现PID控制器的自整定。自整定的含义是控制器的参数可根据用户的需要自动调整，用户可以通过按动一个按钮或给控制器发送一个命令来启动自整定过程。自整定过程包括三个部分：过程扰动的产生；扰动响应的评估；控制器参数的计算。这同经验丰富的操作人员在手动整定PID控制器时使用的步骤是一样的。过程必须以某种方式产生扰动，如给过程对象输入阶跃、脉冲或正弦信号，以便确定过程的动态特性。扰动响应的评估包括过程模型或响应的简单特性的确定。3 PID控制器的设计及仿真3.1 pH中和过程的动态模型下面以图1所示的溢流式中和反应池为例来深入分析其对象动态特性。图1 溢流式中和反应池中和反应池广义对象的动态数学模型，具体如图2所示。 图2 中和反应池的数学动态模型无论是中和滴定曲线，还是操纵变量(中和剂流量)对被控变量(反应池混合液的pH值)的动态阶跃响应，从不同侧面反映了pH过程严重的非线性。同时，因pH测量变送器存在较大的纯滞后与一阶滞后，使得pH值的控制系统要比压力、流量、液位、温度等参数的控制系统复杂得多。3.2 PID控制器的设计3.2.1pH过程控制系统设计对于pH中和过程，最简单的控制方案即为单回路PID控制系统。它是根据pH值来改变调节液(中和剂)的流量来实现pH值的控制。该方案仅适用于被调液与中和液pH值变化范围不大，中和器具有充分混合并配有很灵敏的pH值测量系统的场合。由于中和曲线通常在pH=7附近具有最大的灵敏度，即中和剂对pH值的通道增益最大，因而控制系统极易在pH=7附近产生等幅振荡。为避免出现等幅振荡，可引入调节死区，即在pH=7附近不改变中和剂的流量。但带来的问题是控制系统的控制精度下降，中和剂消耗增大。对于上述单回路控制系统，当中和液控制阀前压力变化较大时，可引入中和液流量的副回路控制以提高控制性能。3.2.2引入非线性变换的线性化PID控制上述单回路PID控制系统获得了广泛的应用，然而，一个主要的限制是要求PH值设定在7附近；否则，其控制回路非线性补偿环节的有效性不再存在。为了进一步增强控制系统的稳定性与适用性，从根本上克服广义对象的非线性，需要对该过程的非线性进行深入分析。若采用酸碱平衡浓度x而不采用pH值作为被控输出，则由对象的动态模型可知，能基本上克服控制回路的非线性。基于上述思想构造的控制结构如图3所示，其中D表示所有影响混合液pH值的扰动，如被调液流量与pH值、中和液pH值等。u为控制器控制输出，对单回路控制而言，即为控制阀控制信号；而对包含有中和液流量副回路的串级控制系统而言，即为中和液流量设定信号。图3 非线性变换串级控制系统方框图对于混合液平衡浓度x而言，一方面与pH值存在严格的对应关系：x为0时，酸碱平衡，pH值为7；若x0，则混合液呈酸性，pH值0，则混合液呈碱性，pH值7。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。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。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。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。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。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。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。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。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。参考文献1 王树青等.工业过程控制工程.化学工业出版社，2002，8.237-2442 邵惠鹤.工业过程高级控制.上海交通大学出版社，2002，3.113-1243 张晓华.控制系统数字仿真与CAD.机械工业出版社，2003，8.82-874 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):249-2535 戴鹏.pH值的控制方法研究，天津大学自动化学院，2007，30(10):58-606 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):2-57 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