废液中和控制系统设计概要.doc

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 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 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，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 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”。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。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