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东北大学硕士学位论文摘要 污水处理过程p h 值控制的研究 摘要 近年来我国已经成为世界工业生产大国，钢铁、铜、锌等年产量均位于世界前列， 但生产中的废水处理存在很大的问题，废水中含有大量的酸碱溶液，如直接排放，不仅 污染水源，而且有害人民身体健康，因此必须进行处理。废水处理中的p h 值控制是其 关键部分，直接影响后续废水处理的质量。然而由于p h 对象本身具有时滞和非线性， 一直是工业上控制的难点。 本文以江西德兴铜矿工业水处理站的废水处理过程为背景，查阅了大量国内外相关 文献，对酸性条件下废水p h 值处理的控制技术进行了探讨和研究。文中结合工厂现有 设备及控制现状，根据p h 特性，将原有p i d 算法改进为自适应非线性p i d 。在此基础 上，针对系统存在的多扰动，大惯性及滞后特点，将系统的控制方案由单闭环控制改为 前馈串级控制，并在输入端引入滤波器来减小超调，改进后系统的仿真效果较好，具有 实用价值，可在现场实施。 工业现场存在滞后现象，给控制带来了一定困难，增大控制周期是克服滞后的一种 方法，如果能在控制系统中引入对未来输出的预测将更能提高控制质量。现场有经验的 工人常根据输出量的历史趋势来判定未来输出量的变化情况，基于这种思想，采用最小 二乘法根据输出量的历史趋势进行滚动递推预测，方法简单，对现场条件要求不高，与 自适应p i d 结合，仿真结果表明对控制效果具有一定的改善作用，但由于这种预测属于 线性预测，精度低，所以为了提高预测效果，采用非线性方法，将线性系统与前馈神经 元网络相结合，多步递推预测，预测中考虑了控制量对预测的影响，仿真表明其预测的 控制效果优于基于历史趋势的线性预测效果。这两种预测对控制均可起到辅助作用，现 场可根据自身条件进行选择。 关键词：p h ；p i d 控制：滞后；串级；预测 一i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho np hc o n t r o lf o raw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s a b s t r a c t c h i n ah a so c c u p i e da l li m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ew o r l di n d u s t r y 1 1 1 ea n n u a lo u t p u to fi r o n a n ds t e e l ，c o p p e ra n dz i n ci sm o r et h a no t h e rc o u n t r i e s ，b u tw a s t e w a t e rm a d eb ym a n u f a c t u r e h a sb e c o m eab i gp r o b l e m t h e r ea l eal o to f a c i da n db a s ei nt h ew a s t e w a t e r t h e yh a v et ob e d e a l t 、 ，i 也b e c a u s et h e yn o to n l yp o l l u t ew a t e rb u ta l s ot h r e a t e np e o p l e sh e a l t h t h ep h c o n t r o li st h ec r i t i c a li nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t i td i r e c t l ya f f e c t st h eq u a l i t yo ft h ef o l l o w i n g w o r k s t h ep hh a st h ec h a r a c t e r so ft i m e d e l a ya n dn o n l i n e a r i t y , s oi ti sad i f f i c u l tp o i n ti n c o n t r o lf i e l d s b a s e do nt h er e s e a r c ho f al o to f c o r r e l a t i v el i t e r a t u r ea n dt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s o fd e x i n gc o p p e rm i n e ，t h et h e s i sc o n c e l t l sw i t had e e ps t u d ya n de x p l o r a t i o no np h t r e a t m e n to fa c i dw a s t e w a t e r a c c o r d i n gt os i t ee q u i p m e n t sa n dp hc h a r a c t e r s ，a d a p t i v e n o n l i n e a rp i di sd e s i g n e di n s t e a do ft r a d i t i o n a lp i d af e e d f u r w a l da n dc a s c a d ec o n t r o l s c h e m ec o m b i n e dw i mi n p u tf i l t e ri sp r o p o s e da g a i n s ts y s t e m sd i s t u r b a n c e 1 a r g ei n e r t i aa n d t i m e d e l a y t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h i ss c h e m ei sb e t t e r t u n e - d e l a ye x i s t si nt h es i t ea n di s d i f f i c u l tt ob ec o n t r o l l e d am e t h o dt oc o n q u e r t i m e d e l a yi st op r o l o n gc o n t r o lp e r i o d i fp r e d i c t i o ni sa l s ob r o u g h t ，t h ec o n t r o lq u a l i t yw i l l b ei m p r o v e dm o r e t h eo u t p u ti nf u t u r ec a nb ep r e d i c t e db ye x p e r i e n c e dw o r k e r st h r o u g h h i s t o r i c a ld a t a , s ol e a s ts q u a r e si su s e df u rp r e d i c t i n g t h i sm e t h o di ss i m p l ea n de a s i l y i m p l e m e n t e d t h es i m u l a t i o ns h o w st h a ti tw o r k sw e l lw i t ha d a p t i v ep i d b u tt h em e t h o di s l i n e a la n dp r e d i c t i v ea c c u r a c y ，sn o th i 班t oi m p r o v ep r e d i c t i o n , an o n l i n e a rr e c u r s i v e m u l t i - s t e p sm e t h o do fa n o n l i n e a rd y n a m i cm o d e lp r e c e d e db yal i n e a ld y n a m i cm o d e li su s e d i ti n c l u d e st h ee f f e c tm a d eb yc o n t r o lv a r i a b l ea n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti sb e 。| t t e rt h a nl i n e a l p r e d i c t i o n n l et w om e t h o do fp r e d i c t i o nc a nw o r ki nc o n t r o ls y s t e ma n dc a nb ec h o s e nb y s i t e k e y w o r d s ：p h ；p i dc o n t r o l ；t i m ed e l a y ；c a s c a d ec o n t r o l ；p r e d i c t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：彻玉东 签字日期： 叠7 d 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：嘲玉东 导师签名 签字日期：如7 。 签字日期： 炒7 d 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 水污染现状 水是人类生存、养息、发展的根本条件。然而，人类社会在工业化的进程中不仅大 量消耗水资源，而且同时排出污水，污染江河湖泊，危害环境。英国及美国都曾在1 9 世纪发生因饮用水资源遭工业废水污染而引起的霍乱，二十世纪工业的迅速发展和城市 人口剧增更带来了不少河流水质恶化、生物绝迹的恶果。有资料表明目前第三世界国家 每年因水污染而造成2 0 0 万人口的死亡；全世界有1 0 0 多个国家缺水，其中严重的有4 0 多个，水资源的缺乏及水环境的污染已为制约社会发展的重要因素【1 】。 社会的快速发展使水资源越来越不能满足人类的需要，主要表现为可供水的资源量 不足和水质恶化导致的环境污染这两方面。我国改革开放二十多年来，国民经济及城市 建设得到了高速发展，但也同时带来了水污染控制及水环境保护的问题。2 0 0 0 年，全困 污水排放量约4 1 6 亿吨，其中4 5 来源于城市生活污水，5 5 为工业废水。我国七大水 系，湖泊，水库，部分地区地下水受到不同程度的污染，七大水系的水质继续恶化，水 资源的严重匮乏已成为制约我国国民经济可持续发展的一。个重要因素。因此，合理丌发 利用水资源、保护环境已成为我国的基本国策。虽然近2 0 年工业废水处理事业有了较 大的发展，但是仍难以满足社会发展的需要。我国污水处理事业起步较晚，落后于发达 国家将近3 0 4 0 年，这些差距表现在工艺技术，设备制造，运行管理等各个方面。此 外，运行经费不足，缺少设计经验，设备使用不当，控制效率低，有经验的工艺及自控 技术人员的缺乏都制约了水处理的发展。政府部门越来越重视环境在经济发展中的分 量，要实现经济的可持续发展，就必须解决经济发展中的环境污染问题，而水环境的整 治又是重中之重。可以预见污水，废水的处理将是我们一直面临的重要问题。 1 2 废水处理自动控制的意义 随着现代科学技术的发展，世界各国在发展工业生产的同时，愈发认识到保护水资 源的重要性。如美国，其水库一般建于远离居住区的地方，禁止人及家畜靠近，并加强 对水资源附近工厂的管理，为保证水质，厂内采用先进的设备，投资成本较高。其水质 均好于我国地表水水质标准中的二类水质i 2 l 。 我国目前的水资源保护和水污染治理情况很不理想。我国排入水体的总污染量目前 还没有得到有效控制，7 5 以上的废水未经有效处理就直接排入水体1 3 1 。废水中含有大 量的固体污染物、需氧污染物，有毒污染物、生物污染物等。因此，防止水体污染已经 一1 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 成为我国政府十分重视的大问题，为此我国有关部门制定了废水排放标准，要求必须对 废水进行综合治理，使其达到允许排入水体的标准，以降低或消除对水体水质的不利影 响。 近年来我国已经成为世界工业生产大国，钢铁、铜、锌等年产量均位于世界前列， 但生产中的废水处理存在很大的问题，废水中含有大量的酸碱溶液，如直接排放，不仅 污染水源，而且有害人民身体健康，危害农业和工业生产，因此必须进行处理，否则危 害巨大，工业废水的处理已成为一个很重要的课题。传统的废水处理系统采用人工处理， 运行成本高，经济效益差，且处理效果不佳。采用计算机控制技术，可实时显示数据， 并对数据进行处理，控制器根据检测到的数据做出相应的调整来控制废水处理的效果。 这样不仅实现废水处理工艺的半自动、全自动监控，提高废水处理厂的技术管理水平， 合理使用和分配处理设备，而且用计算机代替人工操作，减少事故，保证安全，降低劳 动强度，节约人力，甚至可以完成许多人工难以完成的任务，提高生产的可靠性。 1 3 国内外废水处理的技术研究 现代废水处理普遍采用计算机控制。欧美国家的工厂废水处理广泛采用计算机进行 数掘记录和运行过程控制，甚至实现全自动化无人值守控制模式。如美国爱阿华水厂， 在七十年代初丌始研究微机自动控制水厂投加药剂，1 9 7 5 年应用直接数字式计算机控制 自动加矶，运转一年就降低矶耗2 0 ，并且提高了管理水平和稳定了水质。此外，苏联 莫斯科水厂、同本东京朝霞水厂等也先后用计算机自动控制水厂工艺，取得较理想效果 【4 】。现在，美国的很多大中型废水处理均由一套集散型的自动控制系统进行控制。在厂 区范围内设有若干台现场计算机，对整个水处理过程实行多环路控制，其中包括沉淀、 过滤及反冲洗、臭氧处理、化学药剂投放、泵房等。设在中心控制室内的计算机主机从 各个现场计算机中收集数据，并提供图表显示、曲线、各个设备动作记录、设备故障报 警等。在自动控制系统发生故障时，每一个自动控制过程都可切换成手动控制1 2 l 。 国内废水处理基本仍是手工操作，还较落后，但有些城市的废水处理引进了全部或 局部计算机控制，取得了一定的经验和效果。目前，国内废水处理的控制水平基本分为 三种情况： ( 1 ) 人工操作 采用常规分散仪表对废水处理过程中的液位、流量、温度、浊度、p h 值等性能指 标进行离线或在线采集，根据数据得出控制要求，操作员在现场控制主要设备，如阀门 的开闭，电机的启停，鼓风量的调节等等，这种控制方式下，控制完全由工人在现场操 作，工艺参数的可靠性不高，废水处理后出水质量难以保证，稳定性差，人工操作劳动 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 强度大，主要设备和装置不能工作在最佳状态。这种控制方式由于投资少，主要在一些 小型废水处理场合应用。 ( 2 ) 半自动控制 通过数据采集器等手段采集局部过程量送入控制室，一般在控制室设有工艺模拟显 示屏或上位机，在模拟屏或上位机上显示液位、流量、温度、浊度、p h 值等过程参数 和电机、阀门运行状态，对生产过程进行监控，上位机操作人员可以在模拟屏或操作台 上遥控部分设备的启停，而某些设备控制就需要联系现场操作人员，由现场操作人员手 动控制，生产中的数据部分需要人工记录。这种控制方式需要人工的频繁介入，中间存 在人为联络的延迟，使出水质量会有较大的波动，工人的劳动强度也较大，国内中小型 废水处理较多采用。 ( 3 ) 全自动控制 采用计算机控制技术与多层次的网络结构对废水处理的全程生产工序进行无人值 守全自动控制。生产过程中的各种信号通过相应的变送器送入下位机，般下位机采用 可靠的p l c 作为控制单元，运用先进的控制算法，实现现场设备的实时控制。作为上位 机的工业控制计算机采用t c p i p 协议和标准数据库，挂在以太网上，实现信息的集成 管理和远程控制。上、下位机之问通过网络传送采集参数和远程控制参数。这种控制方 式是自控技术的发展方向，国外国内的大型废水处理厂都在使用。 1 4 废水处理的工艺流程 课题来源于北京矿冶研究总院与江西铜业集团公司签订的德兴铜矿工业废水处理 站仪表、控制系统设计集成。 德兴铜矿位于江西省德兴市泗洲镇境内，建立于1 9 5 8 年，是中国第一大露天铜矿， 经过数次现代化改造，其目前的生产能力达到只处理量9 万吨。德兴铜矿工业水处理站 建于1 9 8 7 年，该厂的设计能力为酸性废水8 6 0 0 吨日，碱性废水2 0 0 0 0 2 5 0 0 0 吨日，酸 性废水来自露天采场和废石场，它主要是由于降雨形成细菌氧化作用和地下水流经硫化 矿和废石造成的，其p h 值在i 左右；碱性废水来自选矿厂和尾矿，它主要是由于德兴铜 矿采用的铜浮选工艺是在碱性状态下进行的，在浮选过程中加入了石灰和浮选药剂，其 p h 值在1 0 左右。工业水处理站自投产以来始终未达产，目前其处理能力与设计能力相差 3 3 ，远不能满足德兴铜矿的需要。德兴铜矿的废水在国家初级排放标准方面( n p d s ) 超标，另外由于其结钙严重，使维护工作量高，每月必须清除一次，并导致工业水处理 站的自动化系统失效。上述问题己引起江西铜业股份有限公司( j c c ) 和德兴铜矿的高度 重视，彻底解决这些问题势在必行。北京矿冶研究总院承担了这个项目的主体工程，其 一3 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 自动化所承担了此项目的自动化过程控制。 工业水处理站的废水处理工艺流程如图1 1 所示： 图i ，1 德兴废水处理l ：艺流程幽 f i g t 1w a s t e w a t e r t r e a t m e n tp r o c e s s 来自石灰车b j 的石灰经石灰乳制备系统流入石灰乳槽中，作为处理酸性废水的中和 剂。酸性废水和碱性废水流入1 撑反应槽( 内设搅拌、暴气、p h 检测装置) ，同时投加配 制好的石灰乳进行中和，废水经1 # 反应槽处理后直接流入2 群反应槽，使反应更加充分， 中和处理后的废水进入迷宫式混合槽，在迷宫式混合槽内同投加的絮凝剂相融合，废水 中的蕈金属离子沉淀，澄清的废水经分配槽流进2 个浓密池中进一步沉淀分离，分离出 的清水外排。 工艺控制的重点是2 毒反应槽出口处的废水p h 值，要求其p h 值在6 5 8 5 之问， 以不造成环境污染。现场对l 撑反应槽与2 群反应槽的流程控制如图1 2 所示：酸性废水直 接流入l 群反应槽，碱性废水和石狄乳通过明渠流入1 # 反应槽，并与酸性废水进行中和。 石灰乳的流量出1 0 个丌关阀控制，开关阀通过调整占空比实现从0 1 0 0 的变化。通 过现场观测，发现稳态时2 群反应槽比1 # 反应槽的p h 值高出1 l 左右，这样1 # 反应槽 的p h 控制量在6 7 5 之间。现场采用普通p i d 单闭环控制，以1 群反应槽出口处的p h 值为被控量，通过测量其p h 值来调整石灰乳的加药量，但控制效果不理想，输出波动 量大，而且p h 测量点与石灰乳的添加点之间的滞后时间在1 5 2 0 分钟，给p s 值的控 制带来了很大困难。 4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 石 灰 乳 1 5 本文的主要工作 l # 反应槽2 # 反应槽迷宫反应槽 圈1 2p h 中和反应控制幽 f i g i 2c o n t r o lo f p hn e u t r a l i z a t i o n 本课题以江西德兴铜矿工业水处理站为实例，围绕废水在反应槽中进行中和反应的 控制方案开展研究，并基于现场控制设备对控制系统进行改进。 本文主要工作为： ( 1 ) 在查阅大量国内外关于p h 控制的文献基础上，阐述了p h 的含义、特性及其处理 的原理和控制方法的发展，对控制的重点和难点进行简要说明，并建立了被控对象的数 学模型，同现场曲线及理想数据进行对比，表明此模型具有一定的可靠性； ( 2 ) 结合被控对象特性，对原p i e ) 控制算法进行改进，采用p i d 自适应非线性补偿法， 通过和原p i d 控制效果仿真比较，改进后的p i d 控制算法更加符合控制要求。根据现场 条件，对原控制方案进行改进，将单闭环系统改为前馈串级控制，并在输入端引入滤波 器。用串级控制来改善对象的动态特性，提高系统抗扰动能力；用前馈补偿来提高系统 对扰动的响应速率；用滤波器来使系统响应平缓，减小超调；仿真表明此控制方案比原 方案的控制效果有了较大提高。 ( 3 ) 由于现场存在滞后现象，给控制增加了难度，增大控制周期是克服滞后的一种方式， 如果能引进对未来输出的预测将更能提高控制质量。这里设计了两种预估器，希望通过 预估器来减小滞后作用的影响。一种是基于历史数据的递推最小二乘法预测，这种方法 简单实用，易于编程实现，对时滞和惯性系统能起到预测作用，但这种预测属于粗略预 ，一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 测。另一种是线性模型与前馈神经网络相结合的多步递推预测，用线性模型来获得系统 的主要线性特性，用前馈网络模型近似余下的非线性特性，并且考虑了控制量对预测的 影响，仿真表明此预测控制效果优于前者。 一6 一 东北大学硕士学位论文第二章p h 特性分析及常用控制方法 第二章p h 特性分析及常用控制方法 在过程控制中，有些被控对象很容易控制而有些却很难控制，有些调节过程进行得 很快而有些却进行得非常慢，这些差别归根到底都在于控制对象本身和它们的动态特 性。虽然控制系统中的调节器等其它环节也对控制起到一定作用，但是这些环节的存在 很大程度上取决于被控对象的特性和要求。控制系统的设计方案和调节器参数的整定都 是依据被控对象的控制要求和动态特性来进行的，所以了解对象的动态特性是对其进行 自动控制的基础，只有深入地分析所要控制对象的特性，才能针对对象提出有效的控制 方法，得到良好的控制品质。下面对本文所要控制的p h 对象的特性进行具体分析。 2 1p h 的含义和特性 p h 的概念是1 9 0 9 年丹麦科学家索伦森提出的l5 1 。p h 值是溶液的酸度标度单位，更 精确的说，是溶液中氢离子活性的一种量度，所以p h 值是表征溶液酸碱度的一个重要 参数。 p h 值的定义为： p 日= 一l g h + 】( 2 1 ) 式中，【日+ 】代表氢离子浓度。p h 值的概念适用于溶液中的【日+ 】浓度小于或者等于 l m o l l 的情况。 水分子按照化学方程式h 2 0 t t + + o h 一离解。在化学平衡的状态下，氢离子 【何+ 】的浓度和氢氧根离子【o h 一】的浓度由公式 h i + 1 7 i o 鬲h 一- ；n s t ( 2 2 ) 【日2 d 】 、7 确定。水中仅有一小部分水分子离解为离子。水的活性实际为1 ，所以有 【h + 】 o h 一】= k w( 2 3 ) 式中，k w 是平衡常数，在不同的温度下它是不同的。在2 5 摄氏度时，它的值为 1 0 一h ( t o o l 1 ) 2 】。因温度影响并不是本文研究的重点，而且影响不大，所以在本文中若 不做特别说明，都取水在2 5 摄氏度下的平衡常数。 中和反应属于复分解反应( 两种化合物相互交换成分，生成另外两种化合物的反应 叫做复分解反应) 的一种；中和过程就是酸碱进行反应使水趋向中性的过程。下面来看 一下酸碱中和滴定曲线( 在进行酸碱滴定时，表示溶液p h 值如何变化的曲线称为滴定曲 线) 嘲。 一1 一 东北大擘硕士学位论文第二章p h 特性分析及常用控制方法 一元强酸和一元强碱的中和滴定曲线如图2 1 所示 p h p h 厂 厂 碱液 图2 1 强酸和强碱图2 2 弱酸和强碱 f i g 2 1s t r o n ga c i dm a ds t r o n gb a s e f i g 2 2w e a ka c i da n ds t r o n gb a s e 由图2 1 的曲线可以看出一元强酸和一元强碱的中和曲线对中性点是对称的，且p h 在4 0 到1 0 0 之问斜率非常大。 然而对于各种不同性质的酸和碱，它们有各自的中和特性曲线，非线性程度各不相 同。如图2 2 到2 4 所示： p h 1 4 7 0 p h 1 4 7 o 碱液 图2 3 强酸和弱碱圈2 4 弱酸和弱碱 f i g 2 3s t r o n ga c i da n dw e a kb a s ef i g 2 4w e a ka c i da n dw e a kb a s e 图2 2 为一元强碱滴定一元弱酸的中和曲线，图2 3 为一元弱碱滴定一元强酸的中 和曲线，图2 4 为一元弱碱滴定一元弱酸的中和曲线。 由上面的中和曲线可以看出，酸碱的强弱和浓度的不同都能够造成中和曲线的不确 定性。本文处理的酸性废水里强酸性，加入的石灰乳是强碱，因此主要研究强酸强碱中 和的情况。 除了非线性程度大，对象不稳定之外，还有化学反应需要一定的时间，溶液在管道 中传输和测量仪器的滞后时b j 也都给p h 系统的控制带来很大困难。 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章p h 特性分析及常用控制方法 2 2p h 控制的重点和难点 工业上调节废水p h 值的手段主要是加中和剂。酸性废水的中和剂主要有石灰乳、 石灰石、白云石、电石渣、苏打、苛性钠等。碱性废水的中和剂通常采用硫酸、盐酸、 烟道气，或者用酸、碱废水相互中和1 7 1 。本项目处理的是酸性废水，采用石灰乳作为中 和剂，当然如果中和剂的添加量控制不好，可能使原来的酸性废水转化成碱性废水，达 不到控制的要求。 本文控制的重点是保证出水的p h 值在6 。5 8 5 之间，以不造成环境污染。 p h 值的控制被认为是工业上最难控制的过程之一【s 】，综合以上分析可以得出，控制 的难点主要有以下几个方面： ( 1 ) 对象特性具有严重的非线性。由于p h 值和旧+ 】之间存在对数关系造成典型的非 线性，由图2 1 可以看出，在强酸或者强碱环境下，滴定曲线的斜率比较小，变化平缓； 而在中和点处，曲线的斜率则很大，变化剧烈。一般的控制器都为线性控制器，对非线 性对象来说很难取得理想的控制效果。 ( 2 ) 控制过程中的干扰。p h 控制系统中存在着多方面的干扰，最主要的有废水流量的 波动和石灰乳中和剂液位的波动。石灰乳中和剂的液位波动直接影响加药量的大小和系 统滞后时间，德兴工业水处理站正在进行石灰乳加药槽的改造，力争保持液位稳定。 ( 3 ) 滴定曲线具有不确定性。当废水流量发生大幅度变化时，滴定曲线将发生变化。 ( 4 ) 中和过程本身因为化学反应存在着较大的时日j 滞后，又由于管流或搅拌不充分的影 响，使控制回路引入了纯滞后。如果存在中和剂输送管线较长，阀位安装不当，或搅拌 器尺寸不宜等影响，时滞还要增加。系统的滞后使得控制器不能及时地得到准确的测量 数据，致使其无法实施有效的控制手段。本文中暂不考虑阀位和搅拌器的影响，但p h 测量点与石灰乳的添加点之间的滞后时间在1 5 2 0 分钟，是控制的一个难点。 ( 5 ) 温度的扰动不仅影响测量电极的精确度，而且使溶液本身的p h 值也随之变化。另 外，中和反应的速度也受到温度的影响，温度越低，速度越慢。不过温度的影响在本文 来看不是一个主要的因素，暂不考虑温度的影响。 2 3 被控对象的数学模型 强碱和强酸是完全电离的，即它们所有的氢离子和氢氧根离子都以离子的形式出现 在溶液中，这是非线性最高的一类系统，正是由于强酸、强碱的电离是完全的，所以其 反应的滴定曲线很容易得到，且曲线的基本形状变化不大。 设y = 【h + 卜【0 忖- 】，表示溶液中氢离子浓度和氢氧根离子浓度之差，并由水在2 5 9 一 东北大学硕士学位论文 第二章p h 特性分析及常用控制方法 摄氏度下的平衡常数k w = 【何+ 】【删 = 1 0 - 4 ，得到： y = 【+ 】一 o h 一】= 1 0 一p ”一l o p 一1 4 ( 2 4 ) 对之微分得： e p n 一 一i g e 方 1 0 一p h + i o p h 一1 4 p h = 7 时，斜率为等= 矛羔而一2 1 7 x 1 0 6 , 对于较大或较j 、的p h 值， 该导数将急剧下降，当p h 值：4 或1 0 时，窆丝：_ 4 - 3 。1 0 3 ，因此对象增益可变化几 掣 个数量级。 下面以图2 5 所示的溢流式中和反应池为例来深入分析其对象动态特性，假定搅拌 均匀。 艘 性中 废和 碱 图2 5 溢流式中和反席池 f i g 2 5t a n kf o rn e u t r a l i z a t i o nr e a c t i o n f 1 一酸性废水的流量，单位：升分钟( i m i n ) ； f 2 一碱性废水的流量，单位：升分钟( 1 m i n ) ； f 3 一石灰乳中和剂的流量，即控制量，单位：升分钟( i m i n ) ； c l 一酸性废水的浓度，近似为是常数；单位：摩尔升( m o 叻； c 2 一碱性废水的浓度，近似为是常数；单位：摩尔升( m o l d c 3 一石灰乳中和剂的浓度，近似为是常数；单位：摩尔升( t o o l 1 ) ； x a 一反应后流出液的酸浓度；单位：摩尔，升( m o l 1 ) ； x b 一反应后流出液的碱浓度；单位：摩尔，升( m o t z l ) ； v 一反应池容积，为常数；单位：升( ) ； 一1 0 一 东北大学硕士学位论文 第二章p h 特性分析及常用楚判之鲞 理想情况下，当反应池溶液为酸性，且反应后反应池的p h 值小于7 ，则反应池的 ( 七+ 1 ) - - l g 【业名篙竽】当反应池溶液为碱性且反应后的 p h f i l i 大于7 ，胡( 露+ n = 1 4 + l g v 1 0 1 4 - p h r f k + ) - ，f i + i c ，1 z + + f ，2 c j 2 + f 3 c 3 ，当反应池溶液由 酸性变为碱性时( 七+ 1 ) = 1 4 + l g l r - v 1 0 - p i n 可k 了) - 瓦f 了l c i l + 五f 了2 r c 2 + 一f 3 c 3 j 1 ，由碱性变酸性 l i f t p h ( 后+ 1 ) = 一l 卧- - ；等+ f + 1 c ，1 2 - + f ，2 j c 2 - f 3 c 3 ，这个模型的缺点是模型分散， 而且要判断反应后溶液的p h 值是否大于7 。 为了建立一个统一的数学模型，这晕采用工程中常用的动态方法： 流入液的酸总量= f 1 c 1 流出液的酸总量= 【f 1 + f 2 + f 3 】x a 反应池中总的酸的变化量= vd x a 则流入酸的总量与流出酸的总量之差为反应池中酸的变化量： f l ( t ) c l 一 f l ( t ) + f 2 ( t ) + f 3 ( t ) x a = 矿d 了y _ e ( 2 6 ) 同样，对于碱性废水来说也有如下平衡方程式： f 2 ( t ) c 2 + f 3 ( t ) c 3 一 f l ( t ) + f 2 ( t ) + f 3 ( t ) x b = vd x 。b ( 2 7 ) 令y ：x a x b ：1 0 一p n 一1 0 叫v 一1 4 ，贝q - 1 9 2 业坐堂 ( 2 8 ) 由式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 得： v d y = f i ( t ) c 1 一f 2 ( t ) c 2 一f 3 ( t ) c 3 一【，1 ( f ) + f 2 ( t ) + f 3 ( t ) y ( 2 9 ) 将式( 2 9 ) 离散化可得： y ( 七+ 1 ) ：f i ( k ) c 1 - f 2 ( k ) c 2 - f 3 ( k ) c 3 。- f l ( k ) + f 2 ( k ) + f 3 ( k ) y ( k ) t s + y ( 七) ( 2 1 0 ) t s 为采样时间。 式( 2 8 ) 和式( 2 1 0 ) 就构成了被控对象模型。 被控对象模型的验证： 将此模型与上面提到的模型( 川) _ - 域业篙篙篆等等! 丝】 进行仿真对比：仿真参数与1 9 8 4 年g o o d w i n 使用的相同：c i = o 0 0 1 、c 2 = 0 、c 3 = 0 0 0 1 、 东北大学硕士学位论文第二章p h 特性分析及常用控制方法 v = 2 、t s = l 、f i = 0 1 1 2 5 、f 2 = 0 、f 3 = 0 1 1 2 5 、y ( 1 ) = o 0 0 1 、p h ( 1 ) = 3 ；仿真对比见图2 6 。 图2 6 被控对象模型与理论值对比 f i g 2 6c o m p a r et h em o d e lv a l u ew i t hi d e a lv a l u e 通过对比发现最大误差在o 3 3 7 ，是可以接受的。 将被控对象与现场数据做对比，被宅对象参数采用现场近似参数，给控制量1 0 的 阶跃变化，现场曲线2 7 和仿真图2 8 如下： 幽2 7 现场曲线 f i g 2 7c u r v eo f s i t ed a t a 图2 8 仿真曲线 f 培2 , 8c u r v eo f s i m u l a t i o nd a t a 经对比，认为被控模型是可以接受的。 被控对象时间常数的研究：将( 2 6 ) 变形得： ! ! 尘! ! ： 匕 一d x a + x a r 2 1 1 ) a 一一十 i 二 【f l ( t ) + f 2 ( t ) + f 3 ( t ) 】【f l ( t ) + f 2 ( t ) + f 3 ( t ) 】d t 、 可知被控对象的时间常数t 为面可万石高，对式( 2 7 ) 亦然 一1 2 东北大学硕士学位论文第二章p h 特性分析及常用控制方法 2 4 常用的p h 控制方法 由于p h 值控制的复杂性，许多文献对其进行了研究。1 9 7 3 年s h i n s k e ye q 用增益 自适应的p i 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1 9 】，1 9 8 3 年g u s t a f s s o nt k 对p h 值中和过程应用非线性自适应的控制策略进行了研究，非线性 控制器的设计针对可加入缓冲液的p h 值中和过程，提出“输入输出修正线性化”方法。 为估计缓冲液的变化，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，遗憾 的是设计方法和算法都很复杂l l 州。1 9 9 4 年，p a p a r 和h u x 设计了模糊p i 控制器，用模 糊方法作为两个p i 控制器的软开关，取得了较好的控制效果1 1 1 j ，但其实质仍然属于p i d 控制。另外，s a n gd l ，j i e t a el 和s u n w o np 针对一元弱酸一强碱系统、多元弱酸强 碱系统分别进行了讨论，提出了一个非线性自整定调节器，用具有可变遗忘因子的递推 最小二乘法来实时估算弱酸的浓度、缓冲剂浓度与电离常数等未知参数，并用一步超前 控制律进行了控制。但模型复杂，实施有困难，只是仿真的结果，没有对此进行实验研 究和稳定性分析【1 2 1 。1 9 9 8 年，商建东、陈康宁提出了工业生产过程的新型智能p h 值模 糊控制器【1 3 】。杨翠容、庞全、张玉清研究了智能p h 值控制器【1 4 】，杨照华等提出了两种 新型智能p h 值控制方法：变增益三区段非线性p i d 控制算法和积分模糊控s t ( i f c ) 算法 0 5 1 ，通过数字仿真表明，能够有效地克服中和反应中大时滞和严重非线性对系统的影响， 控制结果明显优于常规的p i d 。其中变增益三区段非线性p i d 控制算法具有较强的抗干 扰能力和鲁棒性，而积分模糊控目6 0 ( i f c ) 算法具有更好的快速性，但由于缺少参数辨识， 使得其鲁棒性弱于前者。 国外对p h 过程的研究较早，出现了不少专门针对化学反应p h 值控制的专著，并 取得了较好的控制效果。对于p h 控制过程的基础知识的叙述，s h i n s k e y 的过程与废 水处理中的p h 和p i o n 控制和过程控制系统不失为两本必要的读物。其中对p h 过程的滴定曲线模型作了较详细地、基础性地推导，简要介绍了几种控制方法，包括该 作者己申请专利的自适应p h 控制算法，并给出了怎样设计一个实际的p h 控制系统的 方法。s h i n s k e y 在过程与废水处理中的p h 和p i o n 控制和 z - t 程控制系统中采 用三区段自适应控制算法，对废水处理中的p h 控制取得了很好的效果。a s t r o m k j 和 w i t t e n m a r kb 进行了强酸一强碱系统的自适应控制器的研究【】6 1 。r p a p a 等人比较了基于 模型的p h 控制器和无模型的p h 控制器( m o d e l f r e ec o n t r o l l e r ) 的优劣，包括带 有最小方差估计器的自适应控制器、具有模糊控制的自适应控制器及具有模糊开关的模 糊p l 控制器，比较它们的控制效果，指出具有模糊开关的模糊p i 控制器有最优的控制 性能l l l l 。 一13 东北大学硕士学位论文第二章p h 特性分析及常用控制方法 近年来国内应用p h 测控装置同益广泛，研制和丌发的测控装置也很多。迄今为止， 国内大量应用于工业现场的p h 控制器，硬件实现大多数还采用单回路控制器或单片机， 算法仍以p i d 控制算法为主，辅以前馈控制或串级控制1 1 7 j 8 1 。近年来有不少关于p h 值 控制的理论研究和实际应用采用了较先进的控制方法。1 9 9 6 年，伍明华、王家鹏针对电 镀过程中p h 值控制问题进行研究，介绍了采用大林算法对镀镍液的p h 值进行控制的 一个计算机控制系统，文中将该过程简化为一个带纯滞后的一阶线性系统，显然大多数 口h 过程不可如此简化，且实现方法仍然采用单片机8 0 3 9 作为控制单元，控制范围在 4 5 p h 值附近，属于专用的p h 值控制装置【1 9 1 。孙西、金以惠在谷氨酸结晶生产过程中 的d h 控制问题中提出双线性自适应p h 值控，以双线性作为过程的机理模型，基本从 本质上反映了该类p h 值中和过程【2 “。商建东，杨翠容等提出的智能p h 控制器，介绍 了一种基于知识库的智能p h 控制系统，并研究了其在农药生产中的应用，在控制中需 要做实验形成经验数掘，把经验数据、反应类型和特性曲线等做成知识库，工作时，计 算机首先根据化学反应类型从知识库中查取相应的化学反应方程和中和特性曲线，根据 控制类璎的要求，确定控制方式f 1 3 a 8 ，但其知识库( 各种中和特性曲线) 的获取主要靠人 工经验或通过实验室获取，众所周知，过程在实验室中与实际情况的差别可能很大，很 多试验f i 允许直接在过程上进行，实际过程千差万别，很可能差之毫厘谬以千里，甚至 导致控制失败。 目前在p h 控制领域，一些控制方法已在过程现场中应用，也有一些方法处于研究 仿真阶段。国内外工程中比较常用的控制方法有以下几种2 卜2 3 】： ( 1 ) p i d 控制 p i d 控制即比例、积分、微分控制。由于p i d 控制原理简单、使用方便，适用性和 鲁棒性较强，所以在工业界得到了广泛的应用。p i d 控制的典型回路如图2 9 所示： 图2 9 p i d 控制框图 f i g 2 9p i dc o n t r o ls y s t e m 图中心) 为设定值，y ( t ) 为输出量，e ( t ) 为偏差，e ( t ) = r ( t ) - y ( 0 。 理想的p i d 调节规律为：w ( f ) = 砟m ，) + 专 ( ，) 魂+ 警】 一1 4 东北大学硕士学位论文第二章p h 特性分析及常用控制方法 式中g p 为比例增益，乃为积分时间，殇为微分时间。 常规p i d 控制很难适应酸碱中和过程中被控对象非线性的特点，通常可采取如下改 进的p i d 控制算法： 积分分离p i d 控制 在普通p i d 控制中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差，提高控制精度。但 在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成 p i d 运算的积分积累，致使控制量超过执行机构可能允许的最大动作范围对应的极限控 制，引起系统较大的超调，甚至引起系统较大的振荡，这在生产中是绝对不允许的。 积分分离控制基本思路是：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用，以免由 于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量接近给定值时引入积分控制， 以便消除静差，提高控制精度。其具体实现步骤如下： a ) 根据实际情况，人为设定阈值s 0 ： b ) 当误差的绝对值大于s 时，采用p d 或p 控制，避免产生过大的超调，又使系统 有较快的响应。 c ) 当误差的绝对值小于或等于s 时，采用p i d 或p i 控制，以保证系统的控制精度。 抗积分饱和p i d 控制 所谓积分饱和现象是指若系统存在一个方向的偏差，p i d 控制器的输出由于积分作 用的不断累加而加大，从而导致执行机构达到极限位置( 例如阀门开度达到最大) ，若控 制器输出继续增大，阀门开度不可能再增大，此时