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1、过程控制系统课程设计一、设计任务书1. 题目PH 控制系统2. 设计要求设计义某化工过程中废液中和的pH 控制系统；对控制系统稳定性进行分析；对控制系统的参数进行整定；控制系统 Simulink 仿真。3 . 仪器设备A3000 现场控制系统，pH 控制系统。二、基本原理pH 控制系统子工业，尤其是化工等行业，应用非常广泛。利用pH 控制可以实现化工过程的正常生产过程、造纸厂等化工厂废液达标排放等。1. pH的特点PH 控制系统的主要方式有：有一种碱（或酸）滴定另一种物质使 pH 值保持在某一值上；对两种分别呈酸性和碱性物质的流量进行控制使pH 值保持在某一值上；控制两种物质使混合溶液保持在一
2、定的pH 值上。PH 控制和其他控制参数的不同主要有以下两点：PH 滴定曲线的高度非线性；滴定过程的测量纯滞后特性。图 01 为典型的酸碱滴定特性曲线。从图 01 知，溶液的 pH 值随中和流量非线性变化。图 01 典型的酸碱滴定特性曲线显然在控制系统中将pH 值的变化转化为中和反应酸碱的控制流量变化，是根据滴定特性曲线进行的。将滴定特性曲线转化为酸碱流量变化规律的方法主要有三种：利用非线性阀补偿过程的非线性；采用三段式滴定调节器，用三条相接的线性段代替非线性滴定曲线；采用滴定曲线的非线性调节器精确描述滴定曲线。随着技术的进步， 利用非线性阀补偿滴定曲线非线性用的越来越少；而基于计算机功能元器
3、件或计算机的第二种方法和第三种方法应用越来越多。对滞后的补偿常采用以下三种方法：微分 Smith 补偿方法，由于该方法本身适应能力较差，较少使用；改进的 Smith 补偿方法；自适应方法，应用较多的是增益自适应的Smith 法。为了提高控制系统的误差跟踪能力，pH 控制系统经常采用的控制策略是PI 或PID，不能采用 P调节。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 2. 三段式非线性调节器和采用滴定曲线的非线性调节器（1
4、）三段式非线性调节器实际中，酸碱中和后通过pH 计测得 pH 值的大小，控制系统当前pH 值大小折算成溶液中酸碱量的多少，并调节系统酸碱流量的大小实现要求的pH 值。可见，在控制中滴定曲线用了来将pH 值的变化转化为酸碱量的变化。所谓非线性调节器即是用三段相接的直线构成的折线近似滴定曲线，如图02（a）所示。图02（b）为图 02 的滴定曲线转换为完全中和时的三段式线性调节器。（2）采用滴定曲线的非线性调节器采用滴定曲线的非线性调节器，即将滴定曲线说描述的函数关系利用现代的非线性函数器或计算机精确描述出来，尤其是计算机可利用查表或程序等手段叫精确地描述。3.PH 滴定曲线的跟一般情况实际的酸碱
5、中和既同酸碱流量有关有和浓度等有关，一般情况下酸或碱的滴定特性不同，如图03 所示。该滴定曲线经常应用在化工厂的废液处理中。针对废液的酸碱程度及浓度的变化，控制NaOH 和42SOH实现对废液的中和，废液中和处理系统简图如图04 所示。图03 pH 滴定曲线的一般情况图 04 废液中和处理系统简图对这种情况，处理中可采用直线近似代替滴定曲线的具体方法，和典型滴名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - sesG3)(定曲线处
6、理中三段式直线代替滴定曲线类似。三、设计过程（一）化工过程 pH 控制系统 Simulink 仿真化工过程简图如图05 所示。图 05 某化工过程简图1. 系统辨识系统中酸碱控制系统采用相同的阀门等控制元件，其传递函数为：pH 计检测传递函数为：经滴定实验确定滴定曲线及三段式折线如图06示。图 06 滴定曲线及三段式折线折线坐标：左段直线端点坐标（0.1，11.7） ， （1.43，10.75） ；中段直线点坐标（1.43，10.75） ， （1.57，3.35） ；左段直线端点坐标（ 1.57，3.35） ， （2.5，2.5） 。1s92)( sG名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载
7、- - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 2. 系统控制参数整定由于酸碱流量控制系统的开环被控对象传递函数一样，故参数也整定一样。采用试误法整定控制参数。参数整定Simulink 框图如图 07（a）所示，其中比例积分模块 PI5 的结构如图 07（b）所示。当 Kp=5，Ki=1 时，系统阶跃响应如图07（c）所示，图中上半部分为阶跃响应，下半部分为阶跃输出。（a） 参数整定 Simulink 框图（b） 比例积分模块结构框图（c） 参数整定阶跃响应图 07 参
8、数整定图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 3. 滴定曲线在控制中的应用滴定曲线在控制系统仿真中的应用有两个；一是实现溶液流量比转换为PH 值；另一个是实现PH 值转换为溶液流量比。这两个应用均为Simulink中曲线查询功能实现。首先，在滴定特性曲线上取若干点，并给定坐标值；然后将这些坐标值输入到查表功能模块中。填入数据如图08 和图 09 所示。图 08 溶液酸碱比转化pH 值时查表模块部分填入数据图 09 pH
9、 值转化溶液酸碱比时查表模块部分填入数两个模块实现的功能可用图10 仿真。(a) 溶液酸碱比转化pH 值（ b）pH 值转化溶液酸碱比图 10 模块功能仿真验证名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 仿真结果如图 11 所示。设碱的流量设定值为10，PH 设定值为 7，系统所受干扰为幅值为0.1 的随即干扰，系统仿真框图和仿真结果如图12 所示，图中由上至下依次为碱流量设定值波形，碱流量控制系统所受干扰波形，碱的实际流量
10、波形，实际PH 值波形，酸流量波形，酸流量控制系统所受干扰波形和PH 值设定值波形。（a）溶液酸碱比转化pH 值（b）pH 值转化溶液酸碱比图 11 模块功能仿真结果（a） pH 控制系统Simulink 仿真框图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 四、设计小结通过这次课程设计，我们进一步巩固了课堂上所学的理论知识，并应用于实践，了解了过程控制系统设计的相关步骤。在设计过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈
11、的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在进行课程设计时，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。当然，这次的课程设计的顺利完成与我们整个小组的努力是分不开的，这就需要我们有良好的团队合作精神，只有彼此都付出，彼此都努力维护才能将课程设计做的更加完美，而团队合作也是当今社会最提倡的。所以在以后的学习中，我们要继续努力，不仅要有出色的个人能力，更要有良好的团队意识。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -