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1、精选优质文档-倾情为你奉上西 京 学 院本科毕业设计(论文)题目: 基于单片机的PH值控制器的设计教学单位： 机电工程系 专 业： 自动化 学 号： 姓 名： 王 千 指导教师： 杜学然 2012年5月专心-专注-专业摘要 pH值控制过程广泛存在与石油，化工，制药，造纸，废水处理及给水处理中，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，经济效益下降，甚至造成环境污染，因此将pH值控制在一定的范围内有着非常重要的意义。 本文首先分析了pH控制过程的机理模型和实际的控制要求，建立了静态模型和动态模型，得出了pH值过程的非线性特性曲线。然后根
2、据pH值过程的非线性特点，采用分段折线来近似其非线性特性曲线，设计了分段式变增益PID控制算法以补偿pH值过程的非线性。并应用Matlab软件对pH控制过程进行了仿真，与常规的PID控制进行了仿真对比，结果表明，分段式变增益PID控制方法解决了pH值过程的非线性问题，同时使系统的控制效果明显改善，上升时间、稳定时间显著缩短，超调减小，系统的抗干扰性能也得到了提高，实现了pH值过程的优化控制。最后，基于AT89S51单片机设计了pH值控制器，完善了软件设计，实现了数据采集、数据处理、数据显示、键盘控制等功能。、 通过对所研制控制器的测试，验证了所设计的算法可行性，今后对pH值控制系统的改进提供了
3、一种新的设计思路。关 键 词：pH值；过程控制；变增益；PID控制；单片机 Abstract pH control process widely in petroleum, chemical, pharmaceutical, paper,wastewater treatment and water treatment, the pH value in the industrial production must be strictly controlled within a specified range, otherwise may cause the decline in product
4、quality, raw material waste,production can not becarried out smoothly, economic decline, or even cause environmental pollution, so the pH within a certain range of great significance. This article first analyzesthe pH control mechanism of the process model and the actual control requirements, the es
5、tablishment of static and dynamic models, and obtained thenonlinear characteristic curve of the pH value of the process. According to thenon-linear characteristics of the pH value of the process, the segmented polylineto approximate the nonlinear curve, segmented variable gain PID control algorithm
6、designed to compensate for the pH of the process of non-linear.Matlab software and application of pH control process simulation, the simulationcompared with the conventional PID control, the results show that the segmentedvariable gain PID control method to solve nonlinear problems of the pH value o
7、fthe process, while making the system control improved significantly, the rise time, settling time was significantly shorter, super-reduced small, anti-jammingperformance of the system has also been improved to achieve the optimal control of the pH value of the process. Finally, a pH value of the co
8、ntroller wasdesigned based on AT89S51 microcontroller, improve software design, data acquisition, data processing, data display, keyboard control and other functions.Test the developed controller, verify the feasibility of the design algorithm and theimprovement of the pH control system in the futur
9、e to provide a new design ideas. Keywords: pH value; process control; variable gain; PID control; microcontroller 目录1 绪论1.1 课题的选题背景和意义 在许多现代化工业中，如制药、发酵、造纸、废水处理及给水处理等过程中，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，另外强酸强碱还会腐蚀生产设备，降低设备寿命，并影响生产
10、，甚至产生危险，故pH值的控制问题在工业过程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，还是对生态环境的保护而言，对pH值进行有效控制具有重要的意义。 在现代的工业生产过程中，比如在造纸厂产生的废水处理，要把pH值控制在中性值7左右，才符合生产需要：在发酵过程中，微生物在一个最优的pH值范围内生长速率最快：提取重金属时控制pH值，使金属的溶解性最小：在啤酒生产过程中麦汁过滤和洗涤环节，要求洗槽水的pH值控制在5.25。作者经查证发现在废水处理的除盐水环节。要求进入盐水补水的pH值控制在7.58.0之间，pH值过高会腐蚀铜质管路，过低则会腐蚀铁质管路及设备。 因此，课题通过查阅国内外
11、pH值控制的研究现状及应用技术，针对以上所描述的工业生产过程的pH值的控制问题进行了研究和设计。1.2 课题研究目的 pH值的控制问题一直是控制领域中的难题之一，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，即pH值在7左右时，加入试剂的微笑变化都回引起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。另外，试剂酸碱反应过程中还存在混合，测量等滞后环节，而且延迟时间一般很长。就更增加了控制的难度，可见pH值酸碱反应过程的控制系统是一个非线性系统，如何处理非线性是解决这一问题的关键。 由于p
12、H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震荡现象，很难对系统实现最优控制。因此本课题通过分析pH值过程的机理特性，结合改进的数字PID控制算法，设计了一种设计了一种分段式变增益PID控制算法，利用MATLAB仿真技术对pH值控制系统进行了仿真研究并与常规的PID控制算法进行了仿真对比，最后基于AT89S51单片机搭建了硬件设计了pH值控制器。1.3 国内外的研究动态及发展趋势1.3.1 国外研究概述 国外对pH过程的研究较早，对pH值控制的研究国外早在50-60年代就已经开始了，可见关于pH值的检测与控制并非一个新课题
13、，但要取得良好的控制效果却并非易事。原因正如上述所述的，酸碱反应的pH值滨化通常是高度非线性的，这一严重的非线性给pH值的控制带来了极大的困难。 Shinskey过程控制系统应用，设计和整定对pH控制过程的基础知识进行了详细的叙述。1973年Shinskey F.G.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并取得较为满意的结果，并给出怎样设计一个实际的pH控制系统的方法。1983年Gustafsson T. K .对pH值中和过程应用非线性自适应的控制策略进行了研究，将非线性控制器的设计加入缓冲液的pH值中和过程，提出“输入输出修正线性化”方法。为了估计缓冲液的变化，非线性自适
14、应控制器具有参数间接估计与直接估计的结构，一换的是设计方法和算法都很复杂。另外，Lin和Yu提出了自整定控制方案，定时估算反应物的浓度、缓冲剂与电离数等未知参数，并用一步超前控制律进行了控制。他们的控制策略能够获得良好的动态性能，并且对模型误差具有鲁棒性，但是当中和曲线发生较大变化时控制性能明显下降。Astrom.K. J.和Wittcnmark B.进行了强酸强碱系统的自适应控制器的研究。R .papa等人比较了基于模型的pH控制器和无模型的pH控制器的优劣，包括带有最小方差估计器的自适应控制器、具有模糊控制器的自适应控制器及具有模糊开关的模糊PI控制器，比较它们的控制效果，指出具有模糊开关
15、的模糊PI控制器，比较它们的控制效果，指出具有模糊开关的模糊PI控制器有良好的性能。基于多模型的控制方法也是目前研究的主流之一，Omar Galan 分析了基于多线性模型的多种自适应机制，并与标准的PI控制器和自调整PI控制器相比较，得出多模型线性控制。Sung和Lee使用设定值变动的方法来辨识模型曲线以补偿pH过程的非线性和时变特性。关于pH值控制的理论研究和实际应用方面，Dumont在1990年提出基于拉盖尔的自适应预测控制器，应用于漂白剂的提取。这种控制方法使用拉盖尔或者标准正交基模型，与预测控制使用的自回归滑动平均模型相比，需要较少的信息，但是很难确定拉盖尔模型的时间范围，同时也需要很多可调整参数来瞒住模型的准确度。 还用很多学者研究非线性过程辨识和建模，对pH过程的辨识和建立模型有很大的借鉴作用。对于pH过程模型的研究成果最多的是芬兰Waller和Gaustafasson的研究小组，Gaustafasson T. K.从酸碱反应的动力学模型出发，对中和过车的pH控制进行了系统的探讨，利用
