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 -=τ
4 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）。

此外，在满足ψ主要指标的条件下，还应尽量满足系统的稳态误差、最大巧若拙动态偏差（超调）和过渡过程时间等其它指标。

由于不同的过程控制系统对控制品质的要求有不同的侧重点，也有用系统响应的平方误差积分、绝对误差积分、时间乘以绝对误差的积分分别取极小作为指标来整定调节器参数的【8】。

调节器参数整定方法很多，工程实际中常采用工程整定方法，它主要依靠工程经验，直接在过程控制系统的实验中进行，且方法简单、易于掌握，相当实用，从而在工程实际中被广泛采用。

调节器参数的工程整定方法，主要有临界比例度、反应曲线法和衰减曲线法。

这里使用临界比例度法进行整定。

这是一种闭环整定方法。

由于该方法直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性，因而方法简单，使用方便，获得了广泛的应用。

具体步骤如下：
1.先将调节器的积分时间I T 置于最大（I T =∞），微分时间D T 置零（D T =0），比例带δ置为较大的数值，使系统投入闭环运行。

2.待系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃扰动，并减小δ，直到系统出现如图 所示的等幅振荡，即临界振荡过程。

记录下此时的K δ（临界比例带）和等幅振荡周期K T ，
如图9所示。

图9 临界振荡过程图
3. 根据所记录的K δ和K T ，按表2－1 给出的经验公式计算出调节器的δ、K T 、
D T 参数。

需要指出的是，采用这种方法整定调节器参数时会受到一定的限制，如有些不能
应用此法。

再如某些时间常数较大的单容过程，采用比例调节时根本不可能出现等幅振
荡，也就不能应用此法。

表2－1 调节规律表： 整定参数
调节规律
δ（%） I T D T P
2K δ PI
2．2K δ 0．85K T PID
1．7K δ 0．5K T 0．125K T
另外，随着过程特性不同，按此法整定的调节器参数不一定都能获得满意结果。

实践证明，对于无自衡特性的过程，按此法确定的调节器参数在实际运行中往往会使系统
响应的衰减率偏大（ψ>0.75）。

而对于有自衡特性的高阶等容过程，按此法确定的调节
器参数在实际运行中大多会使系统衰减偏小（ <0.75）。

因此，用此确定调节器参数还需要在实际中作一些在线修改。

5 废液中和分程控制系统的改善
上面的废液中和分程控制是一个单回路反馈的控制系统，系统的反馈通道滞后时间较长，反馈不及时，不能及时控制废液中的PH值，为此，需要对以上的单回路反馈系统进行改善。

废液流入液体槽的PH值是一定的，由此可联想到采用前馈-反馈复合控制。

如图10所示废液中和控制采用前馈-反馈复合控制的流程图。

图10 所示废液中和控制采用前馈-反馈复合控制的流程图
在前面的所设计的废液中和控制系统中，由于废液输入的流量是一定的，系统控制中所引入的干扰F(s)就是流入废液的PH值，为了使调节器能及时调节因干扰引起的扰动，采用前馈的方式，将干扰信号直接变送给调节器，起到实时控制的目的。

当然，要实现前馈控制必须满足一定的条件：⑴干扰信号是可测、便于变送；⑵过程控制通道的时间常数大于干扰通道的时间常数、反馈控制不及时而影响控制质量。

以上系统可简化成，如图11前馈-反馈复合控制系统框图
图11 前馈-反馈复合控制系统框图
在给定输入X(s)与干扰输入F(s)对系统输出Y(s)的共同影响为
)()()(1)()()()()()(1)()()(s F s G s G s G s G s G s X s G s G s G s G s Y o c o B F o c o c ++++= （5-1）
如果要实现对干扰F(s)的完全补偿，则上式的第二项应为零，即
0)()()(=+s G s G s G o B F 或)(/)()(s G s G s G o F B -= （5-2）
可见，前馈-反馈复合控制系统对于干扰F(s)实现完全补偿的条件与开环前馈控制的相
同。

所不同的是干扰对输出的影响却只有开环前馈控制的)()(1/1s G s G o c +。

这充分说明，经过前馈补偿后干扰对输出的影响已经大大减弱，再经过反馈控制则又进一不缩小了
)()(1s G s G o c +倍，这就充分体现了前馈-反馈复合控制的优越性。

此外，由式（3-1）可得复合控制系统的特征方程式为
1+Gc(s) Go(s) =0 (5-3)
由式（5-3）可知，符合控制系统的特征方程式只与Gc(s)、Go(s)有关，而与GB(s)无
关。

这就表明加不加前馈补偿器与系统的稳定性无关，系统的稳定性完全由反馈控制回
路决定。

总结
从工业废液的处理来看，远不止本设计的这么简单。

我仅仅是从过程控制系统的角度出发，从系统的结构模型的控制方案下手，简化了具体的设计。

首先，由于要分别控制酸液和碱液的流入，我采用了分程控制的方法，在分程控制中为使调节器能控制多个阀门，使用了阀门定位器，这些是实际中必须采用的。

通过对测量元件、变送器、调节阀和调节器的选择，来设计中和过程的分程控制系统。

由于该中和分程控制系统只相当于一个单回路反馈的控制系统，而且系统控制通道的时间常数较大及容量滞后也较大，系统的反馈不能及时将反馈信号送给调节器，导致调节不及时，影响控制质量。

为此，采用前馈-反馈复合控制系统，利用前馈反应的优越性来弥补以上不足。

而且前馈控制的引入，并没有影响系统的稳定性，反而增大了系统的抗干扰能力。

致谢
通过这次课程设计，我学到了很多新的知识。

非常感谢这次课程设计的指导老师付老师，在他的悉心教导下，我才能很好的完成这次课程设计。

还有一些参考文献也起到了很大的作用，更重要的是我从这次课程设计中学会了以前不曾用过的学习方法，真是让我受益匪浅，对我以后的其他课程设计乃至毕业设计都留下了宝贵的经验，同时也打下了坚实的基础。

为了要面对走向社会的那一天，只有不断地学习、实践，才能赶上社会的步伐，不会被丢下。

因此，现在所做的这些都是对我的一种磨练，一种知识的积累、储备过程，可以把这些作为最基础的、最根本的东西，只熟练掌握了这些基础，才能立于不败。

参考文献
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