（控制理论与控制工程专业论文）水处理效果评价装置的完善与功能扩展研究.pdf

摘要摘要水作为生命之源，其紧缺已成为一个全球性的问题。为了节约水资源，工业用水都进行处理后循环再利用，市场上也出现了种类繁多的水处理设备。为了检验这些设备的优良，便于用户对产品进行选型与使用，杨善让等人基于污垢监测模型，研制开发了水处理效果在线监测评价装置，对各种水处理技术做阻垢性能的评定。装置经过多年的试验考核和改进，可以说具有了国内一流的性价比。但是此装置功能的进一步扩展，实现缓蚀剂效果在线监测一直是本课题组努力的方向。另外，在对实验数据进行分析时，发现污垢热阻时间序列有些出现混沌性。通过研究发现成垢温度( 即实验管附近水浴的温度) 是导致此现象的最重要原因之一。针对这两个问题，我们研究开发了该装置金属腐蚀速率的在线监测部分和水浴温度控制部分。本文采用线性极化和弱极化测定方法，结合实际电路，在d e l p h i 7 0 平台上成功地实现了金属腐蚀速率和极化电阻的自动在线监测和实时数据显示。模拟了实验管附近水浴温度场的分布情况，并就其分布情况多点安装温度测点。采用了模糊控制和p i d 控制相结合的方法对水浴温度进行控制。在实验中对比了简单p i d 控制算法和模糊p i d 控制算法的控制效果。结果表明模糊p i d 控制算法要优于普通p i d 控制算法，改进后控制系统的效果较好，进一步提高了装置的测量精度。关键词：水处理腐蚀速率温度控制模糊p i d 控制a b s t r a c ta st h er e s o u r c eo fl i f e ，t h es h o r t a g eo ft h ew a t e rb e c a m eas e r i o u sp r o b l e ma l lo v e rt h ew o r l d i no r d e rt os a v ei t ，r e c y c l e dw a t e ri sp o p u l a ru s e da m o n gt h ep r o c e s so fi n d u s t r y t oa p p r a i s et h ee f f e c to fk i n d so fw a t e r - t r e a u n e n ti n s t r u m e n t so nt h em a r k e ta n dl e tt h ec o n s u m e re a s yt oc h o o s ea n du s e ，ao n - l i n em o n i t o r i n gd e v i c ef o rt h ew a t e r t r e a t m e n te f f e c t ，w h i c hb a s e do nt h ef o u l i n gm o n i t o r i n gm o d e l ，h a db e e nr e s e a r c h e db yp r o f y a n gs h a n r a n g i tc a na p p r a i s et h es c a l e i n h i b i t i n gp e r f o r m a n c eo fa l lk i n d so fw a t e r - t r e a t m e n tt e c h n i q u e e x p e r i m e n t a lt e s t e da n di m p r o v e dd u r i n gs e v e r a ly e a r s ，t h ed e v i c eh a st h eg o o de f f e c to np e r f o r m a n c e c o s tr a t i oi no u rc o u n t r yb u tt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h ed e v i c ef u n c t i o na n dt h ee f f e c to fo n l i n em o n i t o r i n gc o r r o s i o ni n h i b i t o rp e r f o r m a n c ea r et h em a i np u r p o s eo fo u rt e a m s a n dw h e nw ea n a l y z e dt h ee x p e r i m e n td a t a ，w ef o u n dt h a ts o m ef o u l i n gr e s i s t a n c et i m es e r i e sa r ec h a o t i c t h a tt h et e m p e r a t u r eo ff o u l i n gs e d i m e n t a r y ( t h ew a t e rt e m p e r a t u r ea r o u n dt h ee x p e r i m e n t a lt u b e s ) i so n eo ft h ei m p o r t a n tr e a s o n so ft h i sp h e n o m e n o nh a db e e nf o u n db yr e s e a r c h t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，a no n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rm e n t a lc o r r o s i o na n daw a t e rt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mh a db e e nd e v e l o p e d t h i sp a p e ra d o p t se l e c t r o c h e m i c a lm e a s u r i n gm e t h o db a s e do nt h el i n e a rw e a kp o l a r i z a t i o n w i t ht h ec i r c u i t s ，i tc a r ls u c c e s s f u l l ya c h i e v et h eo n l i n em e a s u r e m e n ta n dr e a l t i m ed a t ad i s p l a yo ft h ec o r r o s i o nr a t ea n dp o l a r i z a t i o nr e s i s t a n c eo nt h ep l a t f o r mo fd e l p h i 7 0 i ts i m u l a t e st h et e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no ft h ee x p e r i m e n tt u b ee n v i r o n m e n ta n ds e taf e wt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tp o i n t s t h ef u z z yc o n t r o la n dp i dc o n t r o lm e t h o dh a db e e nu s e da n dt h ee f f e c to fs i m p l ep i dc o n t r o la l g o r i t h m sa n df u z z yc o n t r o la l g o r i t h m sh a db e e nc o m p a r e di nt h ee x p e r i m e n t i ti ss h o w e dt h a tt h ee f f e c to fo u rd e v i c ei sb e a e rt h a nt h ef o r m e r , a n dt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo f t h i sd e v i c eh a db e e nf u r t h e rr a i s e d k e y w o r d s ：w a t e r - t r e a t m e n tc o r r o s i o nr a t et e m p e r a t u r ec o n t r o lf u z z yc o n t r o lp i dc o n t r 0 11 1 1 东北电力大学硕士学位论文拉丁字母符号主要符号表定压比热容，s ( k g k )管内径，m摩擦阻力系数流体的容积流量，m对流换热表面传热系数，w ( m 2 k 1比例增益长度，m努塞尔( n u s s e l t ) 数p r a n d t l 数热流密度，w m 2雷诺数污垢沉积层热阻，m 2 k w微分时间常数，s流体入口温度，k咋d厂g矗q，丹gm辟矗希腊字母符号瓦正r k流体出口温度，k微分时间常数，s污垢与流体间的界面温度，k污垢沉积层与管壁界面温度，k污垢层厚度变化前的流动压降，p a污垢层厚度变化后的流动压降，p a厚度，m污垢层厚度，m运动粘度，m 2 s导热系数，w ( m k 1沉积层的导热系数，w ( m k 1阻垢率：剥蚀效率密度，k g m 3冷却水密度，k g m 3隶属度函数肇印占4v五儿印p氏论文原创性声明本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文中依法引用他人的成果，均恐做出明确标洼藏碍到许可。论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。本人如违反上述声嘴，愿懑承担戳下责任和后果：1 交回学校授予的学位i 正书；2 学校可在裙关媒体上对作者本入静章亍为进行通缀；3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害，送牙公开道歉。4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。论文作者签名：鍪鱼莹闩期：虹土月! l 目论文躲识产投权弱声鹱本人在导爆撞导下绣完藏瓣论文及穗关熬羰务终燕，知浚产权 毽疆学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人枣棱届发表或馒赐学位论文或与该论文直接辐关戆学术论文或袋巢时，署名擎位仍然为东北电力学院。论文作者签名：差k 鱼鱼铷签名：蒯一，一日期：生叠年二l 月l 日同期：芝! 垡年兰月生日第1 章绪论第1 章绪论1 1 课题的背景及意义“全球水资源同益匮乏，合理分配用水，节约用水已成为当务之急”，这是联合国关于水资源和环境的国际大会向世界发出的警告。水资源问题的严重性和迫切性已经引起世界各国政府的重视，西方主要工业国家己经采取各种节约用水措施。例如，将工业用水中的大户循环冷却水进行处理后循环使用。一方面可节约工业用水近9 0 ，另一方面可以节约能源，延长生产设备的使用寿命，确保生产装置安全、稳定、长周期、满负荷、优质运行。循环冷却水在工业系统的运行当中由于多种因素的综合影响，会使本已不良的水质进一步恶化，产生更为严重的沉积物附着、菌藻微生物的大量滋生以及设备的腐蚀问题。随着各种阻垢技术的迅速发展，涌现出了各种各样的化学阻垢剂和物理法水处理技术。但是这众多的产品和技术中，效果良莠不齐、莫衷一是。针对这种情况，杨善让等人研制了水处理技术效果在线监测装置。它基于污垢热阻模型，用阻垢率来评判水处理效果的好坏。经多年实验检验，该装置具有很好的通用性和实用性【1 0j 。但是，对于设备的腐蚀问题，此装置没有在线监测手段，不能评价各种缓蚀剂的好坏。再者，在装置的运行、考校中，普遍存在着污垢热阻测量值在较大范围内波动的现象。从监测原理来分析，热阻监测技术应用的前提条件水槽水浴温度场均匀恒定很难达到是其中的一个重要方面( 波动范围为0 59 c ) 。水浴温度的控制研究对于提高整个装置的可靠性和准确性具有着重要意义，也会为进一步探究污垢的形成机理、研发更有效的抑垢、除垢技术奠定基础。本文针对这两方面的问题进行了研究。东北电力人学硕上学位论文1 2 缓蚀效果在线监测研究的意义和发展现状1 2 1 金属腐蚀的危害所谓金属腐蚀是指金属表面与周围环境介质发生化学作用或电化学作用而引起的金属变质或破坏。从破坏角度考虑，余属腐蚀亦是一种自然灾害，其破坏范围广，造成的经济损失大。美国最新的研究表明：在1 9 9 9 2 0 0 1 年，每年就因为腐蚀造成的国民经济直接损失达2 7 6 0 亿美元，占国内生产总值的3 1 。其中，燃煤电厂和核电站因腐蚀造成的直接损失分别为1 9 亿和4 2 亿美元。而在燃煤电厂中，循环冷却水系统的腐蚀是一个值得重视的问题【4 _ “。因此，切实有效的防止循环冷却水系统换热设备和管道的腐蚀，将其腐蚀速率降到标准要求以下，具有十分重要的实际意义。1 2 2 缓蚀效果监测的手段和发展现状在工业领域最为常见的是电化学腐蚀，即金属与水( 通常是循环水) 发生电化学作用引起的腐蚀。目前，工业中都是用加缓蚀剂的方法来减缓金属的腐蚀。而缓蚀剂效果的好坏是通过腐蚀速率来评价的，腐蚀速率小，缓蚀效果好。目前腐蚀速率的监测主要有以下几种手段：1 重量法重量法是根据腐蚀前后式样质量的变化来测定腐蚀速度，以此判断材料的耐蚀性能。试验方法是把预先加工和称重后的式样( 挂片) 悬挂于测试容器内或现场设备中，使其与介质相接触。并用单位时间、单位面积上金属腐蚀后的质量减少或质量增加表示腐蚀速率。从挂片测试中，我们还可以知道腐蚀类型，点蚀深度，垢和污泥的沉积情况等许多有用信息。2 电化学测试法是在电解质溶液中金属腐蚀过程的电化学基础上建立起来的。已广泛用来研究金属的腐蚀过程。这种测试方法除测定腐蚀速率外，还可以用来探讨电极过程动力学以及研究缓蚀机理等博。第1 章绪论( 1 ) 电阻法金属材料的电阻决定于金属本身的组织结构及几何形状等因素。因此，当腐蚀过程影响材料的组织结构、长度、横截面积时，均会使材料的电阻发生改变。所以，在防腐研究中，可以根据金属材料的电阻变化，分析设备的现有壁厚，进行现有腐蚀监控等。通过金属腐蚀前后质量变化与电阻的关系可以得出金属腐蚀的速率。( 2 ) 线性极化法线性极化法的原理是在腐蚀点位附近进行弱极化，利用腐蚀电流与极化曲线在腐蚀电位附近的斜率( 极化电位r p ) 成反比关系，求出腐蚀电流，再从腐蚀电流求出腐蚀速度。线性极化测量所施加极化值非常小，一般不超过1 0 m v 。( 3 ) 弱极化方法弱极化方法分为两点法和三点法。在弱化区选择2 个或3 个适当的极化电位，通过测量相应的极化电流密度与极化电位。经过推导可得到自然腐蚀电流密度和t a f e l 常数方程。其它还有很多方法，如光电化学法、恒电位一恒电流法、谐波分析法、斩波器法、电化学发射谱、电化学频率调制技术、电子自旋共振技术等都能评价缓蚀效果。在实际工业系统中，由于现场人员无法了解金属的腐蚀状态，无法客观评价实际循环水系统中缓蚀剂的缓蚀性能，缓蚀剂加药量控制缺乏科学性和准确性。因此，建立一套实时的腐蚀在线监测系统 1 0 - 1 2 】，对于评价金属腐蚀状况，评价缓蚀剂缓蚀效果的好坏并预测金属设备、装置及管材等的使用寿命，提高运行安全性具有极其重要的意义。1 3 温度控制研究的意义和发展现状温度作为国际单位制中七个基本量之一，在科学研究和生产实践的诸多领域都占有极为重要的地位，因此，对温度的高精度控制历来都受到各个行业的重视，受到人们的普遍关注。由于温度控制系统一般包括两个部分：温度传感器、温度控制器，因而如果选择了高精度的传感器，温度控制精度主要就决定于控东北电力大学硕士学位论文制器的控制算法了。传统的p i d 控制由于算法简单、稳定性好、可靠性高等优点，被广泛应用于工业控制领域，尤其适用于可建立精确数学模型的线性定常参数系统。当用计算机实现后，数字p i d 控制器更显示出参数调整灵活、算法变化多样的优点。但实际工业过程往往具有非线性、时变性等不确定因素，难以建立精确的数学模型，所以常规p i d 控制器难以实现有效控制1 1 3 , 1 4 ；在实际作业现场中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规p i d 控制器参数也往往整定不良，性能欠佳，对运行工况的适应性很差。长期以来，人们一直在寻求p i d 控制器参数的自动整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。随着各种先进的信息处理技术，包括模糊控制、神经网络、自适应控制、遗传算法、专家系统等在自动控制中的广泛应用，出现了许多新型智能控制算法和智能控制器。目前国内学者普遍将新型的控制算法应用到实际的温度控制中。程风华、王炜等人用模糊控制的方法，实现了对蒸汽温度的控制 1 ”。2 0 0 4 年3 月西安交通大学吴江涛，刘志刚等人采用模糊p i d 复合控制方法实现了高精度流体热物性测试用低温恒温槽的温度控制。既发挥了模糊控制反应快的特点，又发挥p i d 控制静态性能好的特点，在室温至2 5 0 的范围内，温度波动小于3 m k 1 5 m i n ，实际使用中可达l m k 1 5 m i n t l 6 - 2 0 。张春龙，刘国海，黄兆春研制了运用自适应控制算法研究出多路温度自适应控制系统该系统已经成功地应用于大庆石化公司、河津热电厂等单位的热处理过程中，在工程实践中有一定的实用性【2 “。崔庆渝在主机冷却水温度控制系统中应用了f o x b o r o 公司它就是一种自适应p i d 控制器“。神经网络在温度控制上的应用得到了广泛的关注，各种不同类型的网络如何在温度控制中发挥作用成为研究的热点之_ _ 2 3 , 2 4 1 。采用具有自学习能力的单神经元自适应智能控制算法来对温度对象实施控制，算法简单，易于实现，经仿真及实际应用证明，该控制方法具有较好的控制效果和应用前景 2 5 - 2 7 。总而言之，在温度控制领域，p i d 、模糊控制、自适应控制和神经网络方法都被广泛地应用和研究，并取得了良好的效果。因此，有理由认为，把它们有机的结合起来能够发挥它们的作用，并可以在温度控制的研究中取得新的成果【2 8 3 ”第1 章绪论目前，自动控制领域研究主要集中在两个方面：一是对新型控制方案的理论研究，二是各种理论模型在工程应用中如何得到较理想的效果。因此，对以上控制算法及其在温度控制上的应用研究3 8 1 ，也具有理论上和工程上的双重意义。1 4 本文所做的工作基于杨善让等人研制的水处理效果在线监测评价装置，开展了如下工作：1 在原有装置的基础上，实现了金属腐蚀速率的在线监测，扩展了装置的功能；2 对于水槽中温度场的分布状态进行了模拟：通过多组试验，确定出温度场的基本数学模型：3 基于所建立温度场数学模型，应用先进控制策略进行了温度控制的研究-4 应用d e l p h i 7 0 软件平台实现了对腐蚀速率和极化电阻的在线监测和水浴温度控制部分的编程。东北电力大学硕士学位论文第2 章水处理技术效果在线监测装置简介2 1 装置的监测原理2 1 1 污垢热阻在线监测模型根据文献【1 的定义，污垢热阻r ，：! 鱼二型( 2 1 )q式中，咒，为管壁与污垢之间的界面温度，可以准确测定，其测点可以根据测量的需要而选定。r 为污垢与流体之间的界面温度( 污垢表面温度) ，可通过下述管内对流传热关系的分析来确定。首先作如下假定：1 污垢沉积层沿管内壁圆周方向是均匀分布的，即污垢层厚度、热导率等沿圆周方向是不变的；2 热流密度沿周向、轴向均不变，就是说在假定1 和管段不长、管段两端温差不大的情况下，污垢表面温度沿周向和所研究管段的轴向都是恒定的；3 流体是常物性的，这在流体的管段入出i ：1 温差不大的情况下也是允许的。对图2 1 所示的管内流动，沿流动方向取微元体出，该微元控制体中流体与污垢对流换热热量应等于微元体中流体能量的增加，即h a d d x ( t , 棚= p 竿聆p d t ( 2 - 2 )该式可写为：面d t去c 瑚( 2 3 )积分求解得可推得1 n 生量+ 上一4 l ：0正一p v c 。dq婴盔簟皆胃扣一一一一一一一一i 一主一一一一一一一j 盔卜二i 尹fd图2 - 1管内流动微元分析对于光管来说，对流换热系数h 可通过g n i e l i n s k i 公式4 9 1 得对液帆= ( 静0 1 i ，( 仉p r f = 0 0 5 2 0 ) 。( 2 4 )( 2 5 )( 2 6 )式( 2 - 6 ) 中厂为管内湍流流动的摩擦阻力系数，其计算式为：厂= 等式中常数k 和口可根据r p 的范围按下式选择盗寿卜万一d唧一卧一隧一一卜一，砸咿竺钆啪一塑啡东北电力大学硕士学位论义当5 1 0 3 r p 3 1 0 4 时k f = 0 3 1 6a = 0 2 5当3 1 0 4 r 已 1 1 0 6 时k f = o 1 8 4a = 0 2式中r p 和一的取值范围为：r e = 2 3 0 0 1 0 6 ，p r = 0 6 1 0 5对于波纹管来说：当1 0 3 r e 2 x1 0 4 时n u ：0 0 7 8 9 5 r e o , 8 1 3 4 p r 0 4当2 1 0 4 r e 1 0 6 时n u ：0 0 7 r e o 8 3 7 9 p r 0 4流速y 可利用流量计直接测量流量而由下式得出：矿：竺蒯2式( 2 1 ) 中的热流密度g ，可以通过流体的能量平衡得到：( 2 7 )( 2 - 8 )( 2 - 9 )( 2 - 1o )( 2 - 1 1 )f 2 1 2 )( 2 1 3 )上式中的污垢层厚度哦可以通过流动压降进行估算：8 f = 0 5 ( 1 一鲁)( 2 - 1 4 )在一次近似中，占。可忽略不计，因为8 f 通常要比d 小很多，所以在本研究舞中4 取为0 。则( 2 1 3 ) 式简化为g 。面一g c 。p ( 一)( 2 1 5 )这样，只要测量出所研究管段流体出入口温度、流量和管壁温度，应用上述关系即可确定对应的污垢热阻。2 1 2 阻垢效果的在线实时评价原理测得了污垢热阻，单位面积污垢沉积质量坼可表示为：m e = p f k f 辟( 2 1 6 )式中，p f 、k f 分别为污垢层的平均密度和导热系数，将式( 2 - 1 6 ) 代入阻垢率定义式：1 7 = ( 未经处理水的垢质量一经处理水的垢质量) ，未经处理水的垢质量= 丛辨邓一p nk nr 惫髑p 田疗f o k f o对于那些不改变垢密度和导热系数的水处理技术，式( 2 - 1 7 ) 可简化为：叩= 警而对于那些可能改变垢密度和导热系数的水处理技术相应数据。2 2 装置的结构( 2 1 8 )则可通过垢样分析获取水处理技术效果评价台如图2 2 所示。实验台从结构上可分为：模拟换热器、水循环系统。末北电力大学硕士学位论文1 。模拟按热器管式模拟换热器是一个具有两根测试管、上盖可移 丌的长方体水槽，水稽下部平行安装了若干电搬热捧，以加热横斑的承受所需激度作为热交换的高温分艇。两根测试管可方便拆装更换，一般由同材料、同尺寸管段组成，测试管与水槽两端扳开嗣采用盘根结构嘲定，具有较好蛇密封憾。试验中，视试验工况黹要，两根管可以都作为试验铃，同时进行两种水质或不同工况的污垢热阻对比检测。也可以将其中一根作为试验管，流过处理过的欲模拟的实际换热器的冷却水或据其主要成分配箭的工业流体；勇一搬作比较管，流过不经处理的稻间液体，以比较各种阻垢技术或设备的阻垢效果。在对比试验中，为消除换热管初始状态的麓异，一般每次试验均使用新的试验管。翻2 - 2 瘩整理技术阻撅性能译徐台2 水循环系统为袋子对魄试验懿弱时蔓 行，装嚣设诗鸯嚣套穰嗣豹、要为独立爨隶骞羹环系统。每套系统由上位水箱、下位水箱、循环水泵、调节阀和循环管路组艘，其中上东籍霰要搽涯一定瓣稳定悉头，曩瓣嚣秀流速调节耱蓑要，上隶麓还具备定的流速调节功能。这两项璎求可以通过漩流高度调节管实现。上零麓痰安装豹滋滚警葜裹度可以瓿被舞降，糕疆实现滤速调节，滏爨弱承煮接由管道流入下水箱；在上水箱与被测管段入口之间的阀门微调即能获得精确豹求滚速度。下承袋装有冷龆器，以维持稳对较低数工艺承涅疫，爨证模拟换热器内的换热温差。冷却水源为自来水。第3 章金属腐蚀速率的在线监测研究3 1 系统的测量原理腐蚀速率测试理论是由曹楚南院士2 0 世纪7 0 年代末提出的。首先在线性极化区施加极化电位a e ，得到a e 。= l 血“和e 。= 一i 龃，i 的阳极和阴极极化电流密度，。和。，求出极化电阻r ，然后在弱极化区施加极化电位a e ：，得到e 。= 陋e ：l 和e 。= 一陋e ：i 。该极化电位下的阳极和阴极极化电流密度，。和d ，主要计算公式为：r ，= 2 i 衄。i + ) ( 3 - 1 )砩厄。丽l 屿k = 捣由腐蚀电流，一与被测金属的电化学当量计算出年腐蚀深度 4 p 】，= k a j 。( ”d )( 3 - 2 )( 3 - 3 )( 3 4 )式中，k ：常数0 0 0 3 2 7 ，4 ：金属原子量q ) ，聆：得失电子数，d ：被测金属的密度( g c m 3 ) 。3 2 系统的硬件组成该系统的构成如图3 - 1 所示，主要由测量探头，恒电位控制电路，毫伏发东北电力大学硕士学位论文生电路，基于p c i 总线的数据采集卡k p c i 8 1 5 和开关量输入继电器输出卡k p c i 8 4 7 组成。一图3 - 1系统的硬件组成框图1 三电极为了精确测定研究电极的电位，本系统采用三电极电解池作为测量探头。其中辅助电极c e 、研究电极w e 、参比电极r e 均用2 0 碳钢做成。面积为o 0 9 c m 2 并制成探针形式，以适合现场测量。同种材料探针式三电极可以互换，电极排列呈等边三角形分布，这样三个电极互换时相对位置不变，为了尽量减少溶液电阻引起的欧姆电位降的影响，应使三个电极相互靠近得更紧凑些( 我们用的三电极之间的相互距离均为1 5 m m ) 。2 弱信号电路毫伏发生电路、恒电位控制电路、电流电压转换电路分别如图3 2 、图3 3 、图3 - 4 所示。3 k p c i 8 1 5 和k p c i 8 4 7 本系统采用基于p c i 总线的插卡式的数据采集卡k p c i 8 1 5 ，来完成a d 转换与计算机的接口作用。它支持单极性和双极性模拟信号输入，信号输入范围可以为0 5 v 、o 1 0 v 、+ 5 v 和1 0 v ，提供3 2 路单端1 6 路双端模拟输入通道，8 路独立的a d 输出通道，采样频率可达到1 0 0 k s 。本控制系统通过电流电压的输出端与采集卡a d 连接，并通过简单的设置便可完成系统软件与数据采集卡的通讯。采样电流i 通过电流电压转换转换成o 5 v 的标准电压，通过模拟量输入丌关量输出采集卡k p c i - 8 1 5 对其进行采集。k p c i 8 4 7 是8 路开关量输入继电器输出卡。计算机通过k p c i 一8 4 7 对各毫伏极化电位选通和断开的控制。给定电位7图3 - 2 毫伏发生电路图3 - 3 恒电位控制电路东北电力大学硕士学位论文3 3 系统的工作过程图3 - 4 电流电压转换电路通过丌关量输入继电器输出卡k p c i 8 4 7 控制选取极化电位信号及其继电器k ，的开闭情况，当开始测量腐蚀电流时，控制k ，的a 、c 触点闭合，b 、c 触点断丌，主放大器本身构成闭环负反馈，电解池中无极化电流，研究电极相比参比电极的电位( 自腐蚀电位仇。) 经过阻抗变换器4 及放大器4 进入采样保持器l f 3 9 8 ，此时l f 3 9 8 处于采样跟随状态，输出稳定后，使l f 3 9 8 处于保持状态，即输出电平保持在腐蚀电位上，然后控制a 、e 闭合，在a 输入端上施加给定信号衄。，随后将k ，的b 、c 闭合，形成负反馈回路，在r e 与w e 之间形成恒定的极化电位，此时对电流i 进行采样，得到，。，并将其存在程序的数据库中。如上，分别施加给定电位e 。、a e o 、玩，可得到j 。、，。、，。根据公式，由程序进行数据处理计算，其结果存于数据库中，并将极化电阻、腐蚀速率实时地显示在界面上。3 4 系统的软件设计本系统利用d e l p h i 7 0 编程语言来实现对硬件的控制、数据的实时显示与历史数据查询等功能。图3 - 5一个周期t 作流程东北电力大学硕士学位论文图3 - 6 装置监测主界面图3 7 系统界面1 6 根据设定的时间，计算机向k p c i 8 4 7 和k p c i 一8 1 5 发送指令，控制、测量、转换后再把数据上传给计算机，这就是一个工作周期。系统流程图如图3 5 所示。在进入水处理技术效果在线监测装置监测界面图3 - 6 后，点击缓蚀监测，即可进入图3 7 所示的界面。3 5 系统性能的研究为了测试此系统监测效果，我们于2 0 0 4 年1 2 月2 号到3 号与p s l 型恒电位恒电流仪作了几组比较实验。在装置的两套相同的、互为独立的水循环系统中，分别用此系统和恒电位仪对金属腐蚀情况进行监测( 数据记录的时间点是一致的) 。为加快结垢速度以缩短实验时间，我们采用了自来水中加试剂氯化钙和碳酸氢钠配制成硬度为1 2 0 0 m g l ( 以c a c 0 3 计) 的实验工质，实验中恒温水浴设为4 5 。c ，实验管初始流速约为0 7 2 m s 其采样周期均为2 0 m i n 。其中一组极化电阻和腐蚀速率值如图3 8 和图3 - 9 所示。由图可见，实验初期，由于电极表面粗糙度大，腐蚀电流密度较大，极化电阻比较小，循环水当中的金属腐蚀情况也不稳定。随着时间推移，在金属表面形成氧化膜，腐蚀速率下降，极化电阻趋于平稳，表明金属腐蚀也趋于平稳：但随着氧化膜被破坏，腐蚀速率还会上升。自动监测和电位仪测得的两个重要参数的基本趋势是相吻合的，总体误差不超过1 0 。分析引起误差的原因，归结为以下几个方面：( 1 ) 恒电位仪测量时，由于显示数据的不稳定，造成人为读数上的误差，从而计算结果可能不能表征金属腐蚀的真实状态。( 2 ) 电压电流转换电路有零漂现象，模拟量采集卡所采集的信号与真实值有偏差。( 3 ) 电流信号偏小，易受外界的干扰。小结1 实现了金属腐蚀速率的自动在线测量，完善了原有装置的功能，实现了阻垢、缓蚀效果的同周期监测与评价。2 此监测系统原理简单明了，测量速度快，测量精度高，性能稳定。东北电力大学硕士学位论文3 实用性强，如果将本系统应用于工业现场中，操作人员可根据测量结果调整缓蚀剂的加药量。，8 0 07 0 06 0 0，、5 0 04 0 023 0 02 0 01 0 00廿吕j一蕾=21 5o 50o2 0 04 0 0t ( m i n ) 6 0 08 0 0图3 - 8 极化电阻的比较2 0 04 0 06 0 08 0 0t ( m i n )图3 - 9 腐蚀速率的比较1 8 第4 章水浴温度场模型的研究及控制方案的确市第4 章水浴温度场模型的研究及控制方案的确立4 1水浴温度场温度测点的设置及其模拟效果装置的水槽尺寸为1 5 m 0 3 m 0 2 5 m 。其截面图如图4 1 所示。电加热管放热，循环水从冷却管内流过，通过冷却管与水浴进行热交换。作者认为由于水槽体积较大，原有装置仅仅利用两个测点来确定整个水浴温度的做法是不合理的。为了更进一步地了解水槽内温度场的分布情况，我们利用安装在不同位置的1 2 个p t l 0 0 热电阻来初步测量在加热棒加热时水槽内各测点的温度。为了说明热电阻的安装位置，我们建立了如图4 2 所示的坐标系。将水浴平均分成6等份，其截面分别记为：截面一、截面二、截面三、截面四、截面五。冷却管加热管uu、oo 旷。、图4 - t 水槽截面图z f m l图4 - 2 水槽坐标系东北电力大学硕十学位论文用于测量水浴温度的热电阻置于以下坐标处：测点1 ：( 0 7 5 0 ，0 0 3 0 ，0 2 0 5 ) ：( 图中三1 低位) ；测点2 ：( 0 7 5 0 ，0 1 0 0 ，o 2 0 5 ) ：( 图中三1 中位) ；测点3 ：( o 7 5 0 ，0 2 0 0 ，0 2 0 5 ) ：( 图中三1 高位) ；测点4 ：( o 7 5 0 ，0 0 3 0 ，0 1 6 5 ) ：( 图中三2 低位) ；测点5 ：( 0 7 5 0 ，0 1 0 0 ，0 1 6 5 ) ：( 图中三2 中位) ：测点6 ：f 0 7 5 0 ，0 2 0 0 ，0 1 6 5 ) ：( 图中三2 高位) ；测点7 ：( 0 7 5 0 ，0 1 0 0 ，0 1 2 5 ) ：( 图中三3 中位) ；测点8 ：( 0 7 5 0 ，0 2 0 0 ，0 1 2 5 ) ：( 图中三3 高位) ；测点9 ：( 0 2 5 0 ，o 2 0 0 ，0 1 2 5 ) ：( 图中一高位) ；测点1 0 ：( o 5 0 0 ，0 2 0 0 ，0 1 2 5 ) ：( 图中二高位) ：测点1 1 ：( 1 0 0 0 ，0 2 0 0 ，0 1 2 5 ) ：( 图中四高位) ；测点1 2 ：( 1 2 5 0 ，0 2 0 0 ，0 1 2 5 ) ：( 图中五高位) 。各点温度值如图4 3 、4 - 4 、4 5 、4 6 所示。可以看出，测点1 和测点4 的温度与其余l o 个点的温度相差很大。根据热力学知识可得，由于电加热管在水槽的底部，加热时候形成对流，热水上升，冷水下降，造成加热管底部的水始终要比其它测点的温度低很多。根据装嚣的监测原理，我们只需保持冷却管周围温度场恒定即可。我们将测点1 、测点4去掉。因为其余l o 个测点温度没有很大的相对偏差，故而将它们的平均值均作为水浴温度值。图4 - 3 测点1 、测点2 、测点3 的温度第4 章水浴温度场模型的研究及控制方案的确市图4 - 4 测点4 、测点5 、测点6 的温度图4 - 5 测点3 、测点6 、测点9 的温度2 1 图4 - 6 测点9 、测点1 0 、测点1 1 、测点1 2 的温度以该装置为物理原型，以封闭腔体内部复杂结构大空间自然对流为物理模型，对水浴加热槽的中上部水浴温度场进行了数值模拟。如图4 7 所示。为简明起见，这里从众多工况中任选一工况( 水浴温度4 0 。c ，冷却管内流速0 7 0 t r d s )对各测点温度进行比较分析。图4 7 水浴温度场的模拟第4 章水浴温度场模型的研究及控制方案的确立表4 1 水浴温度模拟值、测量值及其比较温度测点测最值( k )模拟值( k )绝对误著( k )相对误差( )23 1 2 6 33 1 2 7 7o 】40 0 433 1 3 1 23 1 3 3 702 50 0 853 1 3 1 63 1 2 3 20 ，8 40 2 763 1 3 1 03 1 3 4 30 _ 3 30 1 l73 1 3 0 83 1 2 8 2o 2 60 0 883 1 2 ，8 43 1 3 0 90 2 50 0 8g3 1 3 0 73 1 3 4 50 3 801 21 03 1 2 9 33 1 2 9 10 0 20 0 11 l3 1 3 0 73 1 1 3 11 7 60 5 61 23 1 3 3 53 1 2 7 20 6 3o 2 0余下1 0 个测点的温度的模拟值和测量值如表4 1 所示。由表可看出：各测点温度( 包括测量温度和模拟温度) 相差不大，模拟值微高于测量值，但模拟值与测量值相对误差 1 ，表明模拟准确性比较高。4 2 水浴温度数学模型的确立工业中的温度控制对象一般的都是惯性环节或者是带延时的惯性环节。我们用阶跃响应的方法来确定对象的传递函数。测试对象动态特性的节约扰动实验方法很简单，即在系统处于稳定工况下，通过手动或遥控装置使调节机构作一次阶跃变化，与此同时，记录下扰动量和被调量的变化过程 5 0 , 5 1 ，然后通过求特征参数来求得传递函数。本水浴温度数学模型的确立就是应用的这种方法。在系统没有加热的情况下，水槽处于室温状态。当两实验管流速都为o 7 0 m s ，平衡状态温度为1 9 1 7，输入幅值2 7 v 的阶跃电压信号时，响应曲线如图4 - 8 所示。东北电力大学硕士学位论文4 54 0一3 5氲3 0赠2 52 01 505 0 0 01 0 0 0 01 5 0 0 02 0 0 0 02 5 0 0 0时间t ( s )图4 - 8 输入2 7 v 电压时的阶跃响应曲线由图可以得到系统的传递函数形式为：g = 击( 4 _ 1 )根据文献【5 2 】所提的方法进行系统的各特征参数的求取。由于做曲线的切线比较麻烦，而且也不准确。我们把曲线拟和成方程，以此来简化计算。拟和的方程为：t = 4 0 7 4 2 1 2 6 e 5( 4 - 2 )其中丁代表温度( ) ，t 代表加热时间( s ) 。从采集的数据表中可以得到丁( o 。) = 4 0 7 4 。c ，t ( 0 ) = 1 9 1 7 。c所以常数k ：( 4 0 7 4 - 1 i 9 1 - 7 ) x 一0 0 2 5 ：0 1 9 9 7 ( 由于这里的铂电阻的测量范围为上0 2 0 0 ，所以稳态电压值为o 0 2 5 to丁( 正) = o 6 3 2 ，( ) = 0 6 3 2 x 4 0 7 4 = 2 5 7 4 80 c第4 章水浴温度场模型的研究及控制方案的确立根据式( 4 2 ) 可求得：正= 1 3 3 7 s传递函数形概g ( s ) = 黑同理。在两管流速不变的情况下，( 1 ) 当初始平衡状态温度为1 8 7 6 。c 、输入阶跃电压信号为2 1 4 v 时，得到的传递函数形式为：g ( s ) = 吴娶等；( 2 ) 当初始平衡状态温度为1 7 5 2 。c 、输入阶跃电压信号为3 4 8 v 时，得到的传递函数形式为：g ( 。) ：型! ! 。2 1 5 3 5 + l由此可见，水槽的温度特性与所处的温度环境有密切关系，模型参数着随工作状态的不同而不同。同时，当两实验管流速变化时，携带走得热量也不同，模型参数也要变化。鉴于此，我们进行系统控制的时候采用了模糊p i d 控制算法。4 3 模糊p i d 控制4 3 1 模糊控制概述在生产实践中，人们发现有经验的操作人员虽然不懂被控对象的数学模型，但却能十分有效地对系统执行控制。正如一个汽车司机，不懂汽车的数学模型而能很好的驾驶汽车一样。这是因为操作人员对系统的控制是建立在直观的经验上的，凭借在实际中取得的经验采取相应的决策就可以很好的完成控制工作。人的经验是一系列含有语言变量值的条件语句和规则，而模糊集合理论又能十分恰当地表达具有模糊性的语言变量和条件语句。因此，模糊集合理论用于描述人的经验就有着独特的优势。可以把人的经验用模糊条件语句表示，然后用模糊集合理论对语言变量进行量化，再用模糊推理对系统的实时输入状态进行处理，产生相应的控制决策。这也就是模糊控制器的工作过程【53 1 。一个模糊控制器的结构原理如图4 - 9 所示。h y i n g 教授提出了采用模糊控制的两个准则【5 4 】：东北电力大学硕七学位论文( 1 ) 被控系统模型未知，但已知其为高度非线性、时变或有时延：( 2 ) p i d 控制不能产生满意的控制性能。要设计一个模糊控制器，通常有以下五个步骤”5 j ：( 1 ) 确定模糊控制系统结构：该步骤所完成的工作就是确定模糊控制器的输入量和输出量。( 2 ) 精确量的模糊化：即实现输入量的精确量的模糊化，通过量化因子将精确量变化的范围( 基本论域) 模糊化成在模糊集论域范围内。( 3 ) 模糊控制算法的设计：通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，并计算模糊控制规则决定的模糊关系。( 4 ) 输出信息的模糊判决：完成从模糊量到精确量的转化。( 5 ) 查询表的建立。 銎ll图4 - 9 模糊控制器的结构原理图4 3 2p i d 参数模糊自整定控制器设常规p i d 控制器数学模型表达式为：喝蝎丁善k 咖粤似帅( k _ 1 ) )( 4 - 3 )i = l1第4 章水浴温度场模型的研究及控制方案的确立( 4 - 4 )( 4 5 )t 为控制器米样周期。对于给定的过程，通过调整k 。、k 和k 。三个参数可以产生不同的相应曲线。在一些常规p i d 参数的整定方法中，通常将积分时问常数正和微分时间常数毛取为固定的比例关系，如在z n 法中，正= 4 。因此，在这可以设定：i = 口其中口的取值见图4 - 1 3 。又k d = k 。所以可得到：耻去= 笠a k d( 4 _ 6 )1 口、。假定k 。和k d 分别在 彭，。，k 。 * 1 1 k d k d 一 的范围内变化，则可通过线形变化可将k 。、k 。化为：，一kpkp。kp2k p 一! - k 1 2 p , ! 岛。：娑( 4 - 7 )“k d 一k d 。经变换后k ，和k 。均在【o ，1 的范围内变化，而k ，和k 。的变化范围可由建立在不同过程的大量仿真结果的经验公式决定：k p 。= 0 3 2 k i lk p 。= 0 6 k k d 。= 0 0 8 k p 气k d 一= 0 15 k 气( 4 - 8 )( 4 9 )其中k 。和0 分别为系统在纯比例控制作用下处于等幅振荡时的临界增益和振荡周期。综上，若模糊调整机构采用e 和a e 为输入，k 。、k 。、口为输出，获得f l c 的输出值后，p i d 控制器的参数可确定为1 5 6 , 5 7 1 ：k p = 限p 。一k p 。j 置p + 足p 。( 4 _ 1 0 )k d = ( k d 一一k d 。) g d + k d 。( 4 1 1 )d生五即j |=k东北电力人学硕士学位论文k ：墅1a k d此时模糊控制器的结构图如图4 1 0 所示。( 4 1 2 )图4 1 0 增益调整型模糊p i d 控制器结构图设e 的基本论域为 一3 ，+ 3 】，模糊论域的集合为： - 3 ，2 ，- 1 ，0 ，1 ，2 ，3 )p 的基本论域为 一0 3 ，+ o 3 】，模糊论域的集合为： 32 ，一1 ，0 ，1 ，2 ，3 )k 和k 。的语言值分为2 个档次：i s 0 ，1 ：口的语言值分为4 个档次 s ，糊论域为 2 ，3 ，4 ，5 。b ，基本论域都为【o ，1 ，模糊论域为m s ，m ，b ) ，基本论域都为 2 ，5 】，模e 和p 的量化因子为：k 。= 1 ，k = 1 0 。在计算机采样时，采用四舍五入的方法对采样后的值进行量化。k p 和k 。的比例因子为k 2 1 ；口的比例因子为k 。= 1 。输入量e 和e 的模糊子集