过程控制原理课程设计_废液中和控制系统设计

废液中和控制系统设计摘要PH过程在工业生产总值中非常普遍，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、发电等行业中、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，一直是控制届的难点。

PH值的控制在化工生产过程中并非易事了。

酸碱中和过程通常呈现非线性和滞后性，给PH值控制不仅带来极大的不确定性，也浪费了大量的中和剂，为此PH值被认为是最难的控制变量之一。

近年来，人们尝试不断运用新的控制方法解决这一难题，因此对PH的控制问题研究具有非常重要的意义与应用加值。

本文针对这一问题进行了研究与分析，对PH值中和过程做了简单描述。

介绍了酸碱中和过程的变化特性，并介绍了常规的PID控制，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PH过程控制的非线性控制理论和方法，然后根据PH值可控制分特点重点介绍了对PH过程使用非线性PID控制设计。

关键词：PH值控制, 分程控制, PID控制,目录1绪论 (1)1.1课题描述 (1)1.2基本工作原理及模型图 (1)2 废液中和分程控制系统的方案确定 (1)2.1控制参数的选取 (2)2.2控制参数的选择 (2)2.3常量仪表的选择 (3)2.3.1 常量原件及变送器的选择 (3)2.3.2 调节阀的的选择 (3)2.3.3 调节器的选择 (5)3 废液中和过程的分程控制系统 (6)3.1系统流程图 (6)3.2被控对象的数学模型G O(S) (7)4 调节器参数的整定 (8)5 废液中和分程控制系统的改善 (10)总结 (12)致谢 (13)参考文献 (14)1绪论1.1课题描述在工业废液中和过程控制中，由于工业生产中排放的废液来自不同的工序，有时呈酸性，有时呈碱性，因此，需要根据废液的酸碱度，决定加酸或加碱。

通常，废液的酸碱度用PH值的大小来表示。

当PH值小于7时，废液显酸性；当PH值大于7时，废液显碱性；等于7时，即为中性。

工业要求排放的废液要维持在中性。

图1所示为废液中和过程的控制模型【1】。

1.2基本工作原理及模型图本课程设计的控制模型：图1 基本控制模型图2 废液中和分程控制系统的方案确定对于简单控制系统，控制方案的确定主要包括系统被控参数的选择、测量信息的获取及变送、控制参数的选择、调节规律的选取、调节阀（执行器）的选择和调节器正、反作用的确定等内容。

在工程实际中，控制方案的确定是一件涉及多方面因素的复杂工作。

它既要考虑到生产工艺过程控制的实际要求，又要满足技术指标的要求，同时还要顾及客观环境以及经济条件的约束【2】。

一个好的控制方案的确定，一方面要依赖于有关理论分析和计算，另一方面还要借鉴许多实际工程经验。

因此，我这里的设计仅仅是从书本的角度出发，联系一点点的实际。

2.1 控制参数的选取根据工业中废液处理的要求，废液为中性，可直接取废液PH值作为直接被控参数。

2.2 控制参数的选择从该废液处理过程可以看出，液体槽的输入量有三个，废液、酸液和碱液。

其中废液中的PH值是生产的工序过程决定的，不可变的，为使液体槽中的废液成中性，必须控制酸液和碱液流量，以调节PH值。

因此，要求分别控制酸液和碱液的输入量。

这是两种不同控制介质的生产过程，可由分程控制的思想来实现，如图2为废液中和分程控制的系统框图【3】。

图2废液中和分程控制的系统的框图分程控制是根据工艺要求，将调节器的输出信号分段，去分别控制两个或两个以上的调节阀，以便使每个调节阀在调节器输出的某段信号范围内全行程动作。

分程控制系统本质上是属于单回路控制系统，因此，单回路控制系统的设计原则完全适用于分程控制系统的设计。

但是它与单回路控制系统相比，由于调节器的输出信号要进行分程而且所用的调节阀较多，所以在系统设计上也有一些特殊之处。

比如：调节器输出信号的分程需要阀门定位器来实现；多个调节阀的动作选择。

2.3 常量仪表的选择根据生产工艺及普遍使用的要求，宜选用DDZ-Ⅲ型仪表【4】。

2.3.1 常量原件及变送器的选择测量废液中的PH值选用工业中应用广泛的PH酸碱度计PH计是一种常用的仪器设备，主要用来精密测量液体介质的酸碱度值，配上相应的离子选择电极也可以测量离子电极电位MV值，广泛应用于工业、农业、科研、环保等领域。

人们根据生产与生活的需要，科学地研究生产了许多型号的酸碱度计：按测量精度上可分0.2级、0.1级、0.01级或更高精度。

按仪器体积上分有笔式（迷你型）、便携式、台式还有在线连续监控测量的在线式。

在该设计中，我选择测量精度为0.2级的台式2.3.2 调节阀的的选择从价格方面来讲，这里选择气动执行器。

由于气动执行器具有一系列优点，绝大部分使用电动调节仪表的系统也使用气动执行器。

为使气动执行器能够接受电动调节器的控制信号，必须把调节器输出的标准电流信号转换为20-100Kpa的标准气压信号。

这个工作是由电/气转换器完成的。

图3力平衡式电/气转换器的原理图1-杠杆 2-线圈 3-喷嘴 4-弹簧 5-波纹管 6-支点 7-重锤 8-气动功率放大器该电/气转换器的工作原理省略。

由于控制介质不同，需要设计分程控制，使用两个调节阀（调节阀A和调节阀B）。

根据工艺要求，两个调节阀不能同行动作，只能异向动作，调节阀A选择气闭式，调节阀B选择气形式【5】。

其动作示意图如4所示。

图4 阀门气开气闭示意图由图4可知，当调节器输出信号大于0.02Mpa时，阀A由全开状态开始关闭，阀B 处于全闭状态；当信号达到0.06Mpa时，阀A全闭，阀B开是打开；当信号达到0.1Mpa 时阀B全开。

调节器输出信号只能是一个，为了使调节器输出信号能分段，通常是采用阀门定位器来实现的。

它将调节器的输出信号分成几段，不同区段的信号由相应的阀门定位器将其转换为0.02-0.1Mpa的压力信号，使每个调节阀都作全程动作。

图5所示带阀门定位器的气动执行器框图。

图5 带阀门定位器的气动执行器框图由图可见，借助于阀杆位移负反馈，使调节阀能按输入信号精确地确定自己的开度。

（1）流量特性的平滑衔接在有些分程系统中，把两个调节阀作为一个调节阀使用时，要求从一个调节阀向另一个调节阀过渡时，其流量变化要平滑，但由于两个调节阀的增益不同，存在着流量特性的突变，对此必须采用相应的措施。

对于线性流量特性的调节阀，只有当两个阀的流通能力很接近时，两阀衔接成直线才能用于分程控制系统。

阀开度阀开度图6 分程控制系统图对于对数流量特性的调节阀，需通过两个调节阀分程信号部分重叠的办法，使调节阀流量特性衔接线性化，达到平滑过渡。

如图6所示为线性特性和对数特性。

（2）调节阀的泄露量在分程控制系统中，必须保证：在调节阀全关时，不泄露或泄露量极小。

若大阀的泄露量接近式大于小阀的正常的调节量时，则小阀就不能发挥其应有的控制作用，甚至不起控制作用。

2.3.3 调节器的选择废液中和控制过程是一个控制通道时间常数较大且容量滞后也较大的广义过程控制，根据生产的工艺要求，当工艺允许有静差时，应选用PD 调节；当工艺要求无静差时，应选用PID 调节。

调节器正、反作用的选择：对于调节阀A 来说，调节阀A 为气闭式，故Kv 为负；当被控过程输入的酸液增加时，导致中和液的PH 值下降，故Ko 为负；测量变送器的Km 通常为正。

为使整个系统中各环节静态放大系数的乘积为正，则调节器的Kc 应为正，故选用反作用的调节器；对于调节阀B 来说，调节阀B 为气形式，Kv 为正；当被控过程输入的碱液增加时，中和液的PH 值会上升，故Ko 为正；同样，测量变送器的Km 通常为正，所以调节器的Kc 应为正，选用反作用的调节器。

通过上面的分析可知：即使在分程控制中，对于不同方式的调节阀，其调节器的选用是一定的，这里我使用反作用的调节器于该控制系统中。

3 废液中和过程的分程控制系统3.1 系统流程图在工业废液中和过程控制中，由于工业生产中排放的废液来自不同的工序，有时呈酸性，有时呈碱性，因此，需要根据废液的酸碱度，决定加酸或加碱。

通常，废液的酸碱度用PH值的大小来表示。

当PH值小于7时，废液显酸性；当PH值大于7时，废液显碱性；等于7时，即为中性。

工业要求排放的废液要维持在中性。

由于控制介质不同，需要设计分程控制系统。

图2-6所示为废液中和过程的分程控制系统流程图。

图7 废液中和过程的分程控制系统流程图图中，PH 计是废液氢离子浓度测量仪。

PH 值愈小，PH 计的输出电流愈大。

设PH 值等于7时，输出电流为I*H 。

当PH 计的输出电流IH>I*H 时，废液为酸性，此时分程控制系统中的PH 调节器的输出信号使调节阀B 打开，调节阀A 关闭，加入适量碱，使废液成中性；反之，当IH<I*H 时，废液成碱性，调节器输出信号使调节阀B 关闭、调节阀A 工作，加入适量的酸，使废液成中性。

3.2 被控对象的数学模型Go(S)【6】这里我采用响应曲线法来确定其数学模型。

响应曲线法是指通过操作调节阀，使被控过程的控制输入产生一阶跃变化或方波变化，得到被控量随时间变化的响应曲线或输出数据，再根据输入-输出数据，求取过程的输入-输出之间的数学关系。

由上面的分析可以推断出被控过程是一阶惯性+纯滞后环节的过程。

如果过程的阶跃响应曲线在t=0时斜率为零，随后斜率逐渐增大，到达某点（称为拐点）后斜率又减小，如图8所示，即曲线呈现S 形状，则该过程可用一阶惯性+时延环节近似。

图8 作图法确定一阶惯性+纯滞后环节参数但在阶跃响应曲线上寻找拐点D 以及通过该点做切线，往往会产生较大的误差，为此，可采用理论计算法求取To 和τ，其步骤是先将阶跃响应y(t)转化为标幺值yo(t)【7】,即)()()(∞=y t y t y o 则相应的阶跃响应表达式为0)(=t y o τ t 和 To t e t yo τ---=1)( τ≥t在图8中，选取两个不同的时间点21t t 和（21t t <<τ），分别对应yo(t1)和yo(t2). 这里取393.0)(1=t y o 和632.0)(2=t y o ，则联立求解可得)(212t t T o -=212t t -=τ4 调节器参数的整定调节器参数的整定是过程控制系统设计的核心内容之一。

它的任务是：根据被控过程的特性确定PID 调节器的比例度δ，积分时间常数I T 以及微分时间常数 D T 的大小。

在简单的过程控制系统中，调节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率9.0~75.0=ψ（对应衰减比为4：1-10：1）为主要指标，以保证系统具有一定的稳定裕量（对于大多数过程控制系统来说，系统过渡过程的瞬态响应曲线达到4：1的衰减比状态时，则为最佳的过程曲线）。