第一章绪论
第一章 绪论
1.1 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pH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。
1.2 国内外的动态及发展趋势
1.2.1 国外的研究
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，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。
1
第一章绪论
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
2
第一章绪论
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。 1.2.2 国内研究概况
在国内，近年来不少关于pH值控制的理论研究和实际应用采用了先进控制方法。1998年，商建东、陈康宁提出工业生产过程的新型智能pH值模糊控制器。介绍了一种基于知识库的智能pH控制系统，并研究了在农药生产中的应用，在控制中需需要做的实验形成经验数据。杨翠荣、庞泉、张玉清研究了智能pH值控制器，主要是pH值的模糊算法与神经网络结合的控制算法，对象仅用于给定的中和反应过程，并进行了理论分析和数字仿真，但因其算法复杂，难于在实际工程中实现。孙西、金以惠在谷氨酸结晶过程中的pH控制问题中提出双线性自适应pH值控制，以双线性作为过程的机理模型，基本从本质上反应了该pH值中和过程。2003年，赵彦华、麻红昭在废水中和处理中，采用变增益PID调节结合模糊前馈控制。王伟采用多模型自适应控制来控制CSTR中的pH值。 1.2.3 pH控制系统的发展趋势
传统的酸碱废水是由人工进行调节的工艺，经过人工分析，不断由人为地加入调节剂，化验分析，化验分析后，才能排掉废水。这样进行调节周期长，加酸或加减的量不能把握，而且占地面积大，能耗高，且手工配药无法在密封的环境下进行，有剧毒的化学物质严重危害着操作者的身心健康，因此可以看出手动控制安全可靠性差，工作效率低，很难满足实时控制系统的要求和符合合格排放标准。
所以采用pH值自动控制系统取代人工调节是今后发展的必然趋势，从国内外研究的pH值自动控制系统中的控制来看，多数控制方法采用单回路控制器或简单的PID算法，这很难适应今后工业生产过程的大型化和复杂化，无法满足生产控制的安全、平稳、优质、高效等方面的要求。所以急需现代控制理论技术、仪表技术、电子技术等多种技术结合起来，研制成能适合各种化学工程与工业场合的高精密通用的pH值全自动控制系统。
3
淮安信息职业技术学院毕业设计论文
4