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本文介绍了PH值的灰色预测模糊控制系统的设计方法,pH值中和反应本身具有严重非线性,常规PID对pH值进行控制难以取得理想效果,故在常规PID的基础上,采用模糊推理思想,根据不同的E、EC对pH值的PID参数进行在线修正,经过验证,PH值的灰色预测模糊控制系统可以取得更好的控制性能。
【关键词】PH值 灰色预测 模糊控制 系统设计
1 引言
PH值的灰色预测模糊控制是工业控制中广泛存在的,从污水处理、集成电路蚀刻、冷却塔、锅炉供水、制药厂的生化反应等都需要对pH值进行控制,化工行业产生的废水在排放前须进行中和处理,使废水pH值达到工业废水排放标准后方可排放。
2 基本原理
PH值的灰色预测模糊控制系统调控体系子工业,特别是在化工企业的运用,更是常见。使用PH值的灰色预测模糊控制系统可以运用到企业的生产环节和造纸厂的污水处理环节等。
2.1 pH的特征
PH值的灰色预测模糊控制系统的主要途径有:其一,把酸或者碱加入到另一中物质中,确保其PH值稳定;保证酸性物质或者碱性物质的PH值稳定。其二,把酸、碱两种物质掺杂在一起,调整其PH值并让其保持稳定。PH值调控和别的调控参数的区别体现在下面两个方面:PH滴定曲线的高度不具备线性特点;滴定过程的检测结果有一定滞后性。
图1为标准的酸碱滴定特征曲线。
从图1知,溶液的pH值接近中性值的程度呈现非线性变化。很明显,在调控体系中,让pH值越来越接近中性值得过程为中和反应。酸碱物质的添加量,需要按照滴定特性曲线来不断调整。在以往的检测过程中使用的方法主要有三种:按照滴定特性曲线添加酸碱物质;借助非线性阀补偿过程的非线性;使用三段式滴定调节器。用三条连接的线段取代非线性滴定曲线;使用滴定曲线的非线性调节器准确描绘滴定曲线。由于科技的提升,使用非线性阀补偿滴定曲线非线性方法的检测已经很少;而在计算机功能上建立的第二、三中方法逐渐增加。针对检测结果的滞后性常使用下面几种方式进行补偿:
使用微Smith进行补偿,但是这种办法使用范围太小;改善后的Smith补偿方法;增益自适应的Smith法,这是当前最为流行的一种办法。
为了提升对调控体系内的误差的监控程度,PH值的灰色预测模糊控制系统最常使用的调整手段是PI或PID,而不是使用P进行调节。
2.2 三段式非线性调节器和采用滴定曲线的非线性调节器
2.2.1 三段式非线性调节器
在检测过程中,酸碱溶液掺杂之后通过pH计检混合物的PH值,使用调控体系把pH值转换为溶液的酸碱比,并调节体系酸碱溶液添加量的多少来获取想要的pH值。可见,在调控中根据滴定曲线完成了pH值和酸碱比之间的相互转化。所说的非线性调节器,其本质是一个三段连接的直线组成的折线,和滴定曲线非常接近。
2.2.2 使用滴定曲线的非线性调节器
使用滴定曲线的非线性调节器,也就是借助滴定曲线和现代函数所描绘的函数展现非线性函数关系。特别是使用计算机,可以准确完成查表程序。
3 PH值的灰色预测模糊控制系统滴定曲线的常见状态
三段式非线性调节器和采用滴定曲线的非线性调节器: 在酸碱中和过程中,溶液的酸碱度不但和添加的酸碱溶液的多少有关,也和添加的酸碱溶液的酸碱度有关。正常状态下,酸和碱的滴定特征存在区别,针对酸液的酸碱度高低和变化,调控NaOH和42SOH完成对PH滴定曲线的绘制,这就是PH滴定曲线的常见状态。
4 设计过程
4.1 PH值的灰色预测模糊控制系统体系识别
体系中酸碱调控体系使用同样的开关控制元件,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2
折线坐标:上半段直线起点坐标(0.1,11.7),(1.43,10.75);中间竖线起点坐标(1.43,10.75),(1.57,3.35);下端直线起点坐标(1.57,3.35),(2.5,2.5)。
4.2 PH值的灰色预测模糊控制系统体系控制参数整定
因为酸碱流量调控体系开关调控的对象被整定的一致,其参数也如此设置。使用排除法确定调控参数。参数设定Simulink如图(a)所示,其中比例积分模块的构成图如(b)所示。当Kp=5,Ki=1时,体系将会出现阶段性变化,如图3所示,图中上半段为阶段性变化,下半段为阶段性输出。
滴定曲线在调控体系中的模拟使用包含两部分;一是把溶液流量比转化为PH值;另一个是反转上述过程。这两种方式都是Simulink中曲线搜查功能的完成。
首先,在滴定特性曲线挑选一些点,确定它们的坐标;之后把这些坐标值代入到查表功能模块中。
两个模块完成的过程可用图4进行模拟。
仿真结果如图5所示。
5 结论
采用PH值的灰色预测模糊控制方法,在工业中实际应用发现,PH值的灰色预测模糊控制系统具有比较好的控制精度,在动态性方面表现出色,能够达到良好的控制效果。
参考文献
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作者单位
江苏师范大学电气工程及自动化学院 江苏省徐州市 221116