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1、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值的控制在化工生产过程中并非易事。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p
2、H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。以及通过继电器整定方法自动地改变控制器整定参数的方式与方法，给出了系统的控制框图，并进行Matlab仿真研究。关键词 pH的中和；非线性控制；PID控制；继电器反馈整定各类材料AbstractPH in the course of the process of industrial production is very common， a large number of chemical processes require a chemical reaction to its pH value in the process
3、of control.It is widely used in their chemical， biological technology， sewage treatment， power generation industry， it is very important to contral this process.As the pH of the highly nonlinear process and the lag has been difficult to control the industry. The control of PH in the chemical product
4、ion process is not easy. This paper analysis the problem and do a simple description of the model to the pH of the mechanism and counteract process of the acerbity and the alkali. It introduced the process of the trait of changes the in the neutralize of pH of the acerbity and the alkali， and introd
5、uced several control methods， including conventional PID control， compensation control， as well as more advanced methods of intelligent control. This paper analyzes the curves of the pH of the non-linear characteristics， and describes theory and methods of the process in recent years the control of
6、the pH applied to nonlinear control， and then in accordance with the characteristics of the control of the pH of focusing on the use of non-linear of the the neutralize process of PH of the PID control design. This design can deal with the process of the non-linear pH better. As well as through the
7、automatic tuning method of the relay of PID controller to change the ways and means of parameters， given the control system block diagram.Make the matlab simulation and reach a conclusion. Keywordsthe neutralize of PH， nonlinear control， PID control， the feedback tuning of the relay各类材料目 录摘要IAbstrac
8、tII第1章 绪论11.1 PH中和过程PID控制的概述11.1.1 课题背景和研究意义11.1.2 PH中和过程控制的研究现状及主要的成果21.2 PH中和过程控制方法及发展历程31.2.1 PH控制方法发展历程31.2.2 PH中和过程控制方法3第2章 PID控制器参数的自整定方法92.1 PID参数整定方法简介92.2 继电反馈控制基本原理112.2.1 非线性控制法的一些基本知识112.2.2. 继电反馈用于PID参数自整定的思想162.3 PID参数自整定192.3.1 继电反馈控制的规则整定方法192.3.2 基于非线性反馈控制的自整定方法202.3.3 基于辨识二阶加纯滞后参数的
9、自整定24第3章 PID控制器的设计及仿真333.1 pH中和过程333.1.1 pH中和过程的滴定曲线333.1.2 pH中和过程的动态模型343.2 PID控制器的设计363.2.1 pH过程控制系统设计363.2.2 引入非线性变换的线性化PID控制37结论42参考文献43致谢45附录146附录250附录354附录467各类材料第1章 绪论1.1 PH中和过程PID控制的概述1.1.1 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。p
10、H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。在现代化生产中，对水质也有严格的要求，如果水的pH值达不到要求，会造成生产不能顺利进行、原料的浪费，使生产效率下降，成本增加，同时可能会造成产品质量下降，使企业竞争能力下降，例如：在啤酒生产中麦汁过滤和洗涤环节，要求洗槽水的pH值控制在5.2-5.4，从而保证麦汁的过滤数量和速度，如果pH值过高，则会把麦
11、槽中的不良气味带入麦汁中，最终造成品酒中含有麦糟的味道。另外还会腐蚀生产设备，包括管路、锅炉等，降低设备寿命，并有可能影响生产，甚至产生危险。例如在热电厂现场调研中发现，热力发电厂中的除盐水处理环节，要求进入除盐水箱的补水的pH值控制在8.5-9.2之间，pH值过低会腐蚀铁质管路，过高则会腐蚀铜质管路及设备。在化工过程(如锅炉给水、废水处理等)中，pH值控制在期望的范围内是非常重要的。在过程工业中往往要求含有一定酸度(或碱度)的溶液去参加化学反应；另外，在污水处理过程中要求确保处理后污水的pH值在允许的范围内，以免污染环境。pH中和过程控制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
12、程中的pH值进行控制，如农药和医药生产、废水处理中的重金属回收及废水排放前的中和处理、化学工业中的酸碱中和等。它对溶液的性质、化学反应速度、生成物的成分、性质及微生物的生长和新陈代谢等，均有很大影响；对于提高生产效率、产品质量、工厂设备的安全防护及环境保护是一个关键因素。所以pH中和过程是化工行业的一个基本工序，实现该过程的自动控制可以有效地保护环境，对该课题的研究意义重大。但由于酸碱中和反应中pH值呈现严重的非线性，加之反应大多发生在容器和循环管路中，使得系统存在较大时滞，给pH值控制不仅带来极大困难，而且浪费大量的中和剂。pH值滴定曲线是非线性曲线，在中和反应过程中，不同的工作点增益相差很
13、大，并且在实际反应过程中还存在着混合、测量等纯滞后因素，增加了控制过程的难度。为此pH值被公认为最难的控制变量之一。因此可以看出，不论是对生态环境而言，还是对工业生产而言，对pH值进行有效地控制都是至关重要的。1.1.2 PH中和过程控制的研究现状及主要的成果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了。另外，实际中和反应过程中还存在混合、测量等纯滞后环节，而
14、且延迟时间一般很长，就更增加了辨识和控制的难度。可见pH值中和过程的辨识和控制问题是一个非线性的纯滞后系统，如何处理纯滞后与非线性是解决这一问题的关键。非线性和大滞后问题在控制领域中也广泛存在，都是控制领域中尚未有效解决的问题，因此对这一课题的研究不仅对pH中和过程的辨识和控制有重要意义，对其他的非线性大滞后系统也有着普遍的意义。在过去几十年中，pH值一直被认为是工业工程控制中最难控制的变量之一，随着现代控制理论的不断发展，使得pH中和过程控制方面的研究工作取得了许多新的进展。特别是在计算机普及应用以后，许多控制理论都相继应用于实验室pH过程的控制9,11,12。pH中和过程的非线性突出表现为
15、：在中和点附近灵敏度过高，而在远离中和点处灵敏度又很低。另外，pH 过程具有较大的滞后性。国内外的研究认为直接的线性PID控制一般不适合pH的控制，因为传统的PID控制或者基于线性系统理论的先进控制技术的控制器效率都非常低。近年来非线性控制理论日益发展并完善起来，并应用到pH 中和过程控制中9。1.2 PH中和过程控制方法及发展历程1.2.1 PH控制方法发展历程早在20世纪50年代，pH值控制就成为人们研究的对象。最初多采用常规的PID算法，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。为此，F G Shinskey在1973年用增益自适应的PI控制器来解决中和点附近的高增益这一难题，但只是应用分析化学的方法，针对某一典型的中和过程进行控制。R. Papa 和X.Hu 设计了模糊PI 控制器，用模糊方法作为两个PI 控制器的软开关，实质仍然属于PID 控制，也没有从根本上解决中和点附近的高增益这一难题。由于模糊神经网络是用神经元网络来构造模糊系统，其既具有模糊系统善于表达人的经验性知识，又具有神经元网络的根据输入输出样本来自动设计和调整模糊系统的设计参数，实现模糊系统的自学习和自适应功能的特性，有高度鲁棒性。将模糊神经网络模型用于pH 值中和过程
