（计算机应用技术专业论文）ph过程自动控制系统研究与仿真.pdf

摘要 计算机的应用促进了控制理论的发展，计算机技术的发展推动了 工业控制的微机化、智能化、网络化和先进控制理论的应用。同时， 成功的应用也促进了控制理论的持续和深入的发展。因此，计算机技 术在工业生产和理论研究中发挥的作用是无法估量的。 近年来，计算机技术在化工产业的应用也越来越广泛，特别是对 p h 过程控制方面。在许多化学工业( 如制药、发酵、造纸等) 、废水 处理及给水处理等工业过程中，都存在着p h 过程控制问题。在这些 p h 过程中，将p h 值控制在一定的范围内是非常重要的。但是由于 p h 过程的非线性和滞后性，p h 值的检测和控制在化工生产过程中并 非易事。 目前使用于p h 过程控制的仪器设备大多数是采用半自动化控制 的，在控制过程中存在着一些弊端。文章利用控制理论与计算机技术 结合的方法对p h 过程设计出一套自动控制方案。首先，文章对p h 过程和建模进行了详细的分析和研究，了解p h 过程的特性、p h 值 难于控制的原因和p h 过程建模现状。其次，对p h 过程的非线性问 题和p h 过程控制方法进行研究，在总结了前人对p h 过程控制的经 验的基础上针对p h 过程的非线性和滞后性等问题为p h 过程建立了 更为合理的数学模型，并利用反馈线性化和b a c k s t e p p i n g 设计法来代 替传统的控制方法对p h 过程进行控制。再次，结合计算机技术设计 出新的p h 过程自动控制系统，并对新系统进行了稳定性分析，在理 论上分析和验证了新系统的可行性。最后，对p h 过程自动控制系统 进行了仿真研究，仿真结果表明p h 过程自动控制系统有着较好实现 价值和经济效益。 关键词：p h 过程，自动控制，非线性控制，反馈线性化 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o n so fc o m p u t e r sa c c e l e r a t ed e v e l o p m e n to fc o n t r o l t h e o r i e sa n dt h e d e v e l o p m e n t s o fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya c c e l e r a t e i n d u s t r yc o n t r o l f o r m i n i m i z e ，i n t e l l e c t u a l i z e ，n e t w o r k l i z ea n dt h e a p p l i c a t i o no f a d v a n c e dc o n t r o lt h e o r i e s a tt h es a m et i m e ，t h es u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n sa l s oa c c e l e r a t et h ec o n t i n u a n c ea n di n d e p t hd e v e l o p m e n to f c o n t r o lt h e o r i e s 1 1 1 ef u n c t i o no fc o m p u t e r si ni n d u s t r yp r o d u c t i o na n d t h e o r yr e s e a r c hi sv e r yi m p o r t a n t c o m p u t e rt e c h n o l o g y h a sw i d e l y a p p l i e d i nc h e m i c a l i n d u s t r y r e c e n t l y , e s p e c i a l l yi nc o n t r o l l i n go f p hp r o c e s s t h ec o n t r o l l i n go fl i q u o r p he x i s t si nm a n yi n d u s t r i a lp r o c e s s e s f o re x a m p l e ，c h e m i c a li n d u s t r y ( p h a r m a c y 、z y m o l y s i s 、p a p e rm a k i n ge t c ) ，w a s t e w a t e r t r e a t m e n t i ti sv e r y i m p o r t a n tt oc o n t r o ll i q u o rp hi nac e r t a i nb o u n di nt h e s ep r o c e s s e s b u t p hp r o c e s sh a ss e r i o u sn o n l i n e a r i t ya n dh y s t e r e s i s ，i ti sd i f f i c u l tt od e t e c t a n dc o n t r o lo f p hv a l u e t h em o s to fa p p a r a t u sw h i c hu s e di np hp r o c e s sc o n t r o l l i n ga r e h a l f - r o b o t i c i z e da t p r e s e n t ，t h e r ea r es e v e r a ld i s a d v a n t a g e si nc o n t r o l p r o c e s s t h i sa r t i c l ep u tf o r w a r dan e w a u t o c o n t r o ls c h e m ef o rap h p r o c e s s ，u s i n gc o n t r o lt h e o r i e sa n dc o m p u t e r st e c h n o l o g y f i r s t ，t h i s a r t i c l em a k e sap a r t i c u l a ra n a l y s i sf o rp hp r o c e s sa n dm o d e l i n g ，a n df i n d s o u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fap hp r o c e s s ，t h er e a s o n sf o rt h ed i f f i c u l t p r o b l e m so fc o n t r o l l i n ga n dt h ea c t u a l i t yo fm o d e l i n gf o rp hp r o c e s s s e c o n d l y , i tm a k e sas t u d yi nt h en o n l i n e a rp r o b l e m so fp hp r o c e s sa n d t h em e t h o d so f p hp r o c e s sc o n t r o l l i n g ，a n dm a k e sam o r er a t i o n a lm o d e l s f o rp hp r o c e s s ，a n dr i s e sf e e d b a c kl i n e a r i z a t i o na n db a c k s t e p p i n gm e t h o d t or e p l a c et r a d i t i o n a lc o n t r o lt h e o r i e sf o rap h p r o c e s sc o n t r o l l i n g t h i r d l y , i t d e s i g n san e wa u t o c o n t r o ls y s t e mb yu s i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g y , a n d m a k e sa na n a l y s i so fs y s t e m ss t a b i l i t ya n dt h ef e a s i b i l i t yi nt h e o r y a t l a s t i ts i m u l a t e sf o rap hp r o c e s sw i t hs u p e r - 3 0 0 0 t be m u l a t o r t h e r e s u l t ss h o wt h a tp hp r o c e s sa u t o c o n t r o ls y s t e mh a sb e t t e ru s e - v a l u ea n d e c o n o m i cb e n e f i t k e y w o r d s ：p hp r o c e s s ，a u t o c o n t r o l ，n o n l i n e a rc o n t r o l ，f e e d b a c k 】i n e a r i z a t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 姓扬日期：皇俎年月羔日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：- 埤导师签名挝日期：边年互月阜日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 计算机的发展正迅速参透各行各业，其迅猛和普及之势是许多人始料不及 的。计算机的发展同时又以网络化、模块化和微机化为特征，从大型机发展到小 型机、微型机等。随着微型技术的飞跃发展，微控制器的性能不断提高，这促使 单片机( 即微控制器) 技术获得广泛的应用。另外在控制结构、控制理论、实时 控制等方面也日益完善。计算机技术与化工产业的紧密结合给工业生产带来了可 观效益。 计算机控制技术与工业自动化相结合产生了许多新的理论和技术，推动了工 业生产的发展和计算机控制技术的进步。在现代化的工业生产的化工生产中，温 度、浓度、p h 值、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。采用单片机 对温度、p h 值等进行检测和控制，具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点， 可以大幅度提高被控参数的技术指标，大大提高产品的质量和数量。因此，使用 单片机来解决控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。 对溶液p n 值的控制是化工业的主要问题之一，如废水处理，工业污染，化 学实验等很多方面的控制都与p h 值控制有关。实际上在研究和应用方面先后也 出现了各种控制理论和方法，如传统的p i d ( p r o p o r t i o ni n t e g r a ld i f f e r e n t i a l c o e f f i c i e n t ) 控制、模糊控制、非线性控制、智能控制等。 目前，在化工业方面，针对p h 过程控制一般采用电路控制的半自动控制或 者基于p i d 控制的简单控制方法。由于p h 过程的非线性和滞后性，这两种方法 都不能很准确地获得数据信息并实现全自动的控制功能。例如德国的普罗名特公 司出品了一套测量和控制溶液p h 值的设备。它是由d u l c o m e t e r 控制仪表、 d u l c o t e s t 传感器和p r o m i n e n t 计量泵集成于一体的控制系统。这套设备的控 制器主要采用了电路控制的原理，在输出模拟信号时结合外来加入的频率实现了 对计量泵阀门的半自动化控制。但这套仪器的使用仍存在着它的缺点，即人不能 离开仪器设备，在溶液p n 值达不到要求值时需要人工手动打开或关闭计量泵阀 门。为实现提高控制效率与精度，在这套设备的基础上采用可编程的单片机来作 为控制器实现对p h 过程的全自动控制。 本课题针对这种现状，利用非线性理论控制方法，结合单片机技术和仿真技 术，研究设计对p h 过程的自动控制系统。 1 2 计算机自动控制技术的发展 随着科学技术的进步和发展，计算机控制技术在自动控制领域中得到了广泛 的应用。目前，绝大多数自动控制系统都可以用计算机来实现，计算机的广泛应 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 用也促进了自动控制技术的发展，出现了许多新的自动控制理论。 计算机在工业自动化领域中的应用，经历了逐步发展到快速成长的过程。自 2 0 世纪5 0 年代初，计算机技术便开始应用于工业生产中，近2 0 年来，计算机 的微型化、操作系统平台的逐渐统一和网络技术的飞速发展，使得计算机控制系 统的普及和应用有了突飞猛进的发展。另外，由于计算机的性能价格比的上升和 软件功能的日益强大，计算机控制系统不再是一种昂贵的系统，它几乎可以出现 在任何场合：实时控制、监控、数据采集、信息处理、数据库等等。在化工、电 力、冶金、纺织等行业中，各类先进的计算机控制设备正发挥着巨大的作用，甚 至于信息管理和决策支持 1 】。 半个多世纪前，计算机首先在化工生产中实现了计算机的自动测量和数据处 理。1 9 5 4 年人们开始在工业实现计算机的开环控制。1 9 5 9 年在美国的一个炼油 厂实现了工业控制中的第一个计算机闭环控制系统。1 9 6 0 年在美国的一个合成 氨厂采用r w - 3 0 0 计算机系统实现了计算机监督控制。1 9 6 3 年在英国的一个化工 厂实现了直接数字控制d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 。这是计算机控制系统发展 的初级阶段。1 9 6 5 至1 9 6 9 年是工业计算机控制进入实用和开始逐步普及的阶段。 由于小型计算机的商品化，计算机控制系统的可靠性不断提高，而成本却逐年下 降，控制算法也在应用中得到考验和发展。2 0 世纪7 0 年代后，计算机控制系统 进入大量普及阶段，控制结构、控制理论、实时控制的安全性和可靠性也得到充 分研究，特别是分级分布式控制方法得到了重视和应用。现在，计算机控制技术 已在控制环境污染、污水处理、纸浆漂白、橡胶和溶液温度、浓度、p h 值等多 个方面与化工产业相结合，推动了化工产业的快速发展【“。 1 3 计算机自动控制技术在我国的发展和应用 计算机自动控制技术在我国的发展道路大多是在引进成套设备的同时，也相 继引进了各种工控机系统，并开始自己设计控制系统和装置，然后进行消化吸收， 进行二次开发和应用。也有一些厂家引进国外技术，与外商合作合资组装生产国 外产品，并逐步实现国产化。 1 9 8 3 年工业控制计算机被列入国家计算机系列普及发展规划。1 9 8 9 年机电 部受国务院电子振兴领导小组办公室委托，完成对全国工业控制计算机机型选 优，共选出包括工业控制微机系统、单( 多) 回路调节器、可编程控制器( p l c ) 和工业控制功能模块四个种类2 1 个优选机型。1 9 9 0 年国家计委、机电部、化工 部、建材局联合组织完成了首次全国工业炉窑控制系统的优选。目前我国工业控 制计算机技术、产业和应用都有了很大的发展。 近年来，我国的计算机自动控制技术也越来越多的应用到在化工业方面，如 污水处理、环境污染和溶液p h 值控制等，也取得了很大的进步与发展。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 论文研究的主要内容及创新 本课题研究的主要内容是对溶液发生化学反应时的p h 值得测量与控制。溶 液发生化学反应是一个复杂的反应过程，在这期间，根据分子活动能力、反应的 快馒确定溶液温度和溶液的p h 值，并在反应过程中控制和保持p h 值的恒定。 首先，设定一个确定的p h 值以及其偏差范围。若溶液的p h 值与所给定的p h 值有所偏差，则需激发计量泵向溶液注入“酸”或“碱”( 有两台计量泵，分别 装有酸性溶液和碱性溶液) ，当溶液的测量值在设定值的范围内时，泵的阀门将 自动关闭，整个过程达到由计算机全自动控制。要使此化学反应达到最佳状态， 必须严格控制反应的各阶段的温度和p h 值，使其在给定温度的o 5 。c 、p h 的 0 1 范围内。 本文利用反馈线性化理论和b a e k s t e p p i n g 设计法对p h 过程进行控制，首次 将这两种非线性控制方法结合使用于溶液p h 值的测量与控制领域中。并结合计 算机技术对p h 过程设计出一套自动控制系统，新系统针对目前的控制设备的不 足之处进行了改进和提高，具有一定的市场和经济效益，有助于推动计算机控制 系统在化工领域的应用。 3 中南大学硕士学位论文 第二章p h 过程的分析和研究 第二章p h 过程的分析和研究 2 1p h 值的概念 p h 值是溶液酸度标度的单位，其概念是1 9 0 7 年丹麦科学家索论森提出的2 1 ， 测量溶液p h 值实际上就是测量氢离子的浓度，其定义为氢离子浓度的负对数， 见公式( 2 1 ) 与公式( 2 2 ) 。 p h = - l o g t i + ( 2 1 ) 或 m=10椰(2-2) p h 值是表征各种溶液酸碱度的一个重要物理化学参数。由于v h 值对溶液 的物理、化学性质都有很大的影响，故其在工业过程控制中占有举足轻重的地位。 2 2p h 过程的分析 2 2 1p h 过程的特点 1 p h 过程的特性 p h 过程是酸碱发生中和反应的过程，主要采用酸碱滴定法测量溶液的p h 值。p h 中和过程的滴定曲线如图2 - 1 所示。 p h 1 4 7 3 o12 图2 - 1 酸碱滴定曲线图 0 - 3 m o i l f ，f b 由图2 1 可以清楚的看出酸碱中和的过程是一个典型的非线性变化过程。在 p o = 7 附近对象的静态增益很大，此时添加的酸性碱性溶液略有变化就能引起p h 值较大幅度的变化；而远离p h = 7 对象的静态增益很小，只有加入大量的酸性， 碱性溶液才能造成p h 值的少量变化。即其非线性突出表现为：在中和点附近灵 敏度过高，而在远离中和点处灵敏度又很低。 4 中南大学硕士学位论文第二章v i i 过程的分析和研究 2 p h 值难于控制的原因 p h 值控制是一个复杂的非线性控制问题。由于滴定曲线的严重非线性，使 得中和反应过程在不同的工作点增益相差很大。另外，在实际反应过程中还存在 混合、测量等纯迟延环节，使得对于p h 过程进行有效控制较为困难。在过去几 十年中，p h 值一直被认为是工业过程控制中最难控制的变量之一，其主要原因 在于： ( 1 ) 过程本身具有严重的非线性； ( 2 ) 中和点附近的斜率极大，而两端的斜率急剧变小。在中和点附近具有 极高的灵敏度，给控制造成很大困难； ( 3 ) 少量的杂质会使过程特性发生严重畸变，难以建立准确的数学模型： ( 4 ) p n 传感器的动态特性易受环境( 如温度、压力、电极的清洁度等) 变化的影响。 尽管p h 过程存在这些特殊问题，但p n 过程控制方面的研究工作仍取得了 许多新的进展。特别是在计算机普及应用以后，许多控制理论都相继应用于p h 过程的控制。 2 2 2p h 测量技术的发展 p n 值概念自提出到如今已有九十多年的历史，p n 值的测量也经过了几次重 大的变革。在酸碱滴定法的基础上其中以电位测量法、p n 计和玻璃电极的使用 影响最为深远。7 0 年代以来由于受离子选择电极产生及其应用技术的影响，以 及微型计算机、新型技术元件在p u 仪器设计制造中的广泛应用，使得p h 仪器 品种迅速增加，技术水平也进一步提高。进入9 0 年代，用于工业过程中p h 值 测量的氢离子场效应管电极的诞生，使固体电极终于走向实际化应用阶段，为 p h 值测量技术进一步注入了新的活力。电子技术飞速发展，也提高了仪器的性 能和自动化程度。 对p h 值控制的研究国外早在5 0 - - 6 0 年代就已经开始了，可见关于p h 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 所述的，酸碱中和反应时的p h 值变化通常是高度非线性的，这一严重的非线性 与滞后性给p h 值的控制带来极大的困难。 2 3p h 过程控制与建模的概况 2 3 1p h 过程控制研究现状 1 国内外对p h 过程的研究现状 国外对p h 过程的研究较早，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 o h 控制3 和过程控制系统对p h 过程的 中南大学硕士学位论文 第二章p h 过程的分析和研究 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 作者已申请专利的自适应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 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 , i 4 1 和w i t t e n m a r kb 进行了强酸一强碱系统的自适 应控制的研究。r p a p a 5 等a t i l t 基于模型的p h 控制器和无模型的p h 控制 器( m o d e lf 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、具有模糊控制器的自适应控制器及具有模糊开关的模糊p i 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 控制器最优的控制性能。 2 国内外对p h 过程控制的研究现状 1 9 7 3 年s h i n s k e ye g 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 8 3 年g u s t a f s s o n r 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，遗憾的是设计方法和 算法都很复杂1 7 】。1 9 9 4 年，p a p a x 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 4 】，但其实质仍属于p i d 控制，也没有从根本上解决中和点附近的高增益这一难题。另外，s a n g d l ， j i e t a e l 和s u n w o n p 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，没有对此进行试验研 究和稳定分析【8 】。1 9 9 8 年，商建东、陈康宁提出的工业生产过程的新型智能p h 值模糊控制器n 杨翠荣、庞全、张玉清研究了智能p h 值控制器【9 1 ，文献 1 0 、 1 1 、1 2 】中介绍了p h 值的模糊算法与神经网络相结合的控制算法，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。杨照华等提出了两种新型智能p h 值控制方法一变增益三区段 非线性p i d 控制算法和积分模糊控制( i f c ) 算法【1 3 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，而积分模糊控制( 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。 近年来国内p h 值测控装置亦日益广泛，研制和开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，算法仍以p i d 控制算法为主，辅以前馈控制或串级控制，其结构复杂、 6 中南大学硕士学位论文 第二章p h 过程的分析和研究 稳定性较差，控制精度较低【l 禾1 5 1 ；另外，在研究锅炉给水p h 值检测方面，如陈 荣、丘达人在分析锅炉给水p h 值检测原理的基础上，说明了p h 仪输出的电势 不仅与被测溶液的p h 值有关，而且与被测溶液的温度有关，并给出了关于温度 对p h 值影响的放大器补偿电路控制方法，采用8 0 3 1 单片机实现常规p i d 控制 【1 6 l 。1 9 9 4 年，卞平针对工业废液中的p h 值控制问题，应用k m m 可编程控制器 组成非线性串级控制系统。即当入口流量发生变化时( 工业废液处理中的主要干 扰之一) ，流量变送器送出的信号到k m m 可编程控制器的副调节环，产生相对 应的输出信号来控制调节阀，主调节阀是采用p i d 调节 r r l 。1 9 9 5 年，杨明建设 及的以计量泵作为执行元件的p h 值控制系纠1 8 】。近年来也有不少关于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有纯迟延的一阶 线性系统，显然大多数p 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【l ”。孙西、 金以惠在谷氨酸结晶生产过程中的p h 控制问题中提出双线性自适应p n 值控制， 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 0 l 。商 建东、杨翠荣等提出的智能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据，把 经验数据、反映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，根据控制类型的要 求，确定控制方式【9 一”。但其知识库的获取主要靠人工经验或通过实验结果，众 所周知，国产在实验室中与实际情况的差别可能很大，而且很多实验不允许在过 程上进行，所以知识库的建立是十分复杂且不准确的。 综上所述，p h 过程控制在六、七十年代多采用传统的p i d 控制算法，但由 于反应过程中，中和点附近的高增益使得传统的p i d 控制器参数调整非常困难， 因为控制器只能采用很小的比例增益，否则系统不稳定。而比例增益过小，又使 系统的动态特性变坏。到九十年代，随着计算机与智能控制方法的不断发展，一 些学者逐渐把这些智能方法应用到p h 值的控制中，但从公开的文献来看，还都 是针对某一特定的中和反应进行的控制器设计。 2 3 2p h 过程建模研究现状 过程建模对于获得控制品质具有深远的意义，只有对过程有效的建立模型才 能获得高品质的控制效果。 对于p h 过程模型的研究成果最多的是芬兰w a l l e r 和g a u s t a f s s o n 的研究小 组。g a u s t a f s s o n i v 从酸碱反应的动力学模型出发，对中和过程的p h 控制进行了 7 中南大学硕士学位论文 第二章p h 过程的分析和研究 系统的探讨，利用反应不变量和电中和条件以及质量平衡方程的讨论，得出了一 个通用的控制模型，用该方法对一个快速酸碱反应过程( 强碱强酸系统) 进行 了动态建模实验研究，构造了线形反馈控制模型。w r i g h t 和i 【h - a v a r i s 篮】将基于反 应物不变的p i - i 模型继续简化为一阶状态方程，并通过引入强酸等价物( s a e ) 的概念，用p i 控制器来控制过程的浓度，将p h 过程的非线性控制问题转换为 一个线性问题来控制，使得过程的控制可以用线性自适应控制。他们的控制策略 获得良好的动态性能，并且对模型误差具有鲁棒性，但是当p h 过程有严重的时 变和非线性时，控制性能明显下降。1 9 9 2 年g u s t a f f s s o nt | k 【2 3 l 对p h 中和过程应 用非线性自适应控制策略进行了研究，对非线性控制器的设计中加入缓冲液的 p h 值中和过程提出了“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，但是设计方法和算法 都很复杂。 w i l l i a m s t v q 等人提出了由总离子浓度和单弱酸离解常量组成的双参数模型， 这种模型可以很好的近似p h 过程的运行区域，而且只有两个参数要辨识，所以 显示了较好的鲁棒性和快速的反应性。但是该方法需要很多可调参数来满足近似 非线性的准确度，而且不能很好的用在通常只有一个p h 传感器和一个连续拌斧 ( c s t r ) 的p h 过程中。p a j u n e n 2 5 】提出了用w i e n e r 结构的模型来表示p h 过程， 用一些给定的点和线性样条来表示过程的非线性。l i n 和y u l 2 6 】提出p i ( p r o p o r t i o n i n t e g r a l ) 控制器增益的自整定控制方案，实时估算反应物的浓度、缓冲液浓度 与电离常数等未知参数，并用一步超前控制律进行了控制。但是这种自整定方案 需要过程流的先验信息来决定滴定曲线。 2 4 小结 要对一个过程进行良好的控制必须对这个过程有着详细的了解，对这个过程 进行认真的分析。本章对p h 过程进行了详细的分析，包括p h 过程的特性、p h 值难于控制的原因等；研究了p h 值的测量技术；对历来用于p h 过程控制的数 学模型进行分析和比较，了解他们的优缺点。 中南大学硕士学位论文 第三章p r t 过程控制与建模 第三章p h 过程控制与建模 3 1 非线性控制理论的研究现状 非线性理论是在线性理论的基础上发展起来的，它和线性理论在一定程度上 互相补充，互相促进。传统的非线性研究是一丝区、饱和、间隙、摩擦和继电特 性等基本的、特殊的非线性因素为研究对象的，主要方法是相平面法和描述函数 法。相平面法是p o i n c a r e 于1 8 8 5 年首先提出的一种求解常微分方程的图解方法。 通过在相平面上绘制相轨迹、可以求出微分方程在任何初始条件下的解。它是时 域分析法在相空间的推广应用，但仅适用于一、二阶系统。描述函数法是 e j d a n i e l 于1 9 4 0 年提出的非线性近似分析方法。其主要思想是在一定的假设条 件下，将非线性环节在正弦信号作用下的输出用一次谐波分量来近似，并导出非 线性环节的等效近似频率特性( 描述函数) ，非线性系统就等效为一个线性系统。 描述函数法不受系统阶次的限制，但它是一种近似方法，难以精确分析复杂的非 线性系统。 2 0 世纪8 0 年代以来，非线性科学得到了蓬勃的发展。数学中的非线性分析、 非线性泛函、为分流形迹物理学中的非线性动力学的发展促进了非线性控制理论 的发展。主要研究内容包括非线性动力学、耗散结构理论、分形几何理论与混沌 的同步与控制。具体表现为以下几个方面【”】。 1 微分几何方法与微分代数方法 微分几何方法起源于2 0 世纪7 0 年代初期，其基本思想是将状态空间按要求 分解成一些低维子流形，并通过对低维子流形来了解系统的性质，实际上是将问 题转化为对与这些低维子流形相应的向量场及其分布的性质进行研究，其中李导 数和李托号是主要工具。目前，包括能控性、能观性、解耦、线性化、显示等非 线性系统的微分几何理论基本成形，并且得到了有效的应用。 1 9 8 6 年i s i d o d 发现了微分几何控制理论中的一些病态问题，导致了微分代 数控制理论的产生。代数控制理论从微分代数角度研究非线性系统可逆性和动态 反馈设计问题，并取得了有意义的成果。 2 变结构控制理论 以滑动模为基础的变结构控制系统理论经历了三个发展阶段。第一阶段的研 究工作始于2 0 世纪5 0 年代末，主要是由前苏联学者完成的，以误差及其导数为 状态变量研究单输入单输出线性对象的变结构控制，但由于微分物理不可实现， 这期间的工作没有受到普遍重视。第二阶段的研究工作起始于2 0 世纪6 0 年代， 空间不再局限于规范空间，研究的对象扩大到多输入多输出系统和非线性系统， 切换流形也不只是局限于超平面。但由于缺乏相应的硬件支持，这一阶段的工作 9 中南大学硕士学位论文 第三章p 8 过程控制与建模 还局限于理论研究。2 0 世纪8 0 年代以来，变结构控制理论和应用得到了迅速发 展。以微分几何为主要工具发展的非线性控制思想极大地推动了变结构控制理论 的发展。 3 鲁棒控制理论 在实际问题中，系统的模型可能包含不确定性，这时希望控制系统仍有良好 性能，这就是鲁棒控制问题。把经典控制理论的频域方法和现代控制理论的状态 空间方法相结合，导致了反馈控制理论的飞跃发展，产生了鲁棒控制理论。鲁棒 控制理论发展的突出标志是h 。控制和u 方法。鲁棒控制控制理论继承了以往的 鲁棒性研究方法，以使用状态空间模型的频率设计方法为主要特征，提出了从根 本上解决控制对象模型不确定性和外界扰动不确定性问题的有效方法，不仅能够 用于单输入单输出反馈控制系统的鲁棒性肺系和设计，而且可以成功地应用到多 输入多输出的场合，能够设计出性能更优、鲁棒性更好的反馈控制系统。 4 自适应控制理论 当被控对象在运行过程中其结构与参数及环境有剧烈变化时，仅用常规的反 馈控制技术是得不到满意的结果的。于是2 0 世纪5 0 年代后期出现了自适应控制 理论与技术。线性系统的自适应控制方法已经比较成熟。目前，自适应控制理论 主要研究方向有基于模糊集理论和基于神经网络的非线性系统的自适应控制，非 线性系统的鲁棒自适应控制方法，以及吴宏鑫提出的黄金分割法和科克托维奇及 其合作者发展的b a c k s t e p p i n g 设计法。 5 逆系统方法。 逆系统方法作为反馈线性化方法的一种，是近几年提出河发展起来的比较直 观适用的非线性控制方法。其基本思想是对于给定的系统，首先利用对象的模型 生产一种可用反馈方法实现的原系统的“a 阶积分逆系统”，将对象补偿为具有 线性传递关系的、且己解耦的一种规范化系统( 伪线性系统) ，然后再用线性系 统的各种设计理论来完成伪线性系统的综合。逆系统方法以建立了比较完善的设 计理论，其中包括逆系统方法原理、可逆理论、解耦与线性化、系统镇定和非线 性状态古迹等。逆系统方法避免了对微分几何或其他较抽象的专门数学理论的引 入，不为控制算法复杂性所困扰，为实际应用提供了一条可行的、简捷的途径。 6 智能控制理论 与其他控制理论相比较，智能控制理论无疑是目前自动控制理论中研究方向最 多、研究最活跃的控制理论。智能控制可以说是人工智能与自动控制的结合，其 中代表性的有模糊逻辑控制、神经网络控制、学习控制以及与其他控制方法的结 合。 i o 中南大学硕士学位论文 第三章p h 过程控制与建模 3 2p h 过程控制中存在的非线性问题 非线性是客观事物的本质，非线性对象的控制问题是控制理论与工程研究难 以回避的问题。各种较为精确的分析和实验结果表明，任何一个实际的系统都是 非线性的。经过第二章的分析可以确定p h 过程是一个典型的非线性系统。控制 理论是研究控制系统的运动问题，非线性控制理论是研究非线性系统的运动问 题，也即非线性系统的输入与输出的关系问题，主要包括： ( 1 ) 在己知确定输入时，系统的输出如何变化。 ( 2 ) 如何使系统的输出按所希望的方式运动。 前者称为系统分析问题，是基础和手段，后者称为系统综合问题，是目的阱】。 p h 过程控制系统是以反应槽中溶液的p h 值为被控对象，其中p h 值、温度等都 是系统的被控参数。由于对p h 过程模型的建立和分析，我们知道p h 过程控制 系统是一个典型的非线性控制系统，过程中存在着很多非线性因素和问题。 控制系统的非线性可以分为固有非线性和外加非线性两种。固有非线性是指 受控对象的自有非线性，一般对控制系统的品质具有不良作用。而外界非线性一 般是用来改善系统品质或降低系统成本而引入的非线性。p h 过程控制系统中的 非线性问题属于前者。 3 3p h 过程控制方法的研究现状 目前p h 值过程控制的方法按设计思路可以分为三类： ( 1 ) 着重于解决对象的非线性问题； ( 2 ) 着重于解决对象的大滞后问题； ( 3 ) 综合考虑。 传统的非线性控制方法一般很难同时解决p 1 4 过程中的非线性和滞后问题， 下面介绍几类用于p h 过程控制的方法。 3 3 1p l d 控制方法 p i d 控制是典型的传统控制方法，它简单易实现，广泛的应用于控制领域。 但是由于p h 中和反应过程中的中和点附近的高增益现象使得常规的p i d 控制参 数调整非常困难，因为控制器只能采用很小的比例增益，否则系统不稳定；而比 例增益过小，又使系统的动态特性变坏。 一种改进的p i d 控制方法是增量式三区段非线性变增益p i d 控制，能够在 一定程度上克服中和反应中时滞和严重非线性对系统的影响，控制结果优于常规 的p i d 控制器1 1 3 】，如何划分区段是这一方法的难点，划分不当依然难以实现有 效控制。 中南大学硕士学位论文 第三章p h 过程控制与建模 3 3 2 智能控制方法 随着智能控制技术的迅速发展，智能控制方法越来越多的应用于p h 值控制 问题。主要有以下几种方法： 1 专家系统控制方法 专家智能控制具有根据专家经验对现场情况分析判断的能力，并在此基础上 自行组织最佳控制策略，实现最优控制。马浩采用专家系统方法对锅炉补水进行 p h 控制【2 9 1 ，庞全则把专家智能控制技术应用于提炼烟碱的过程3 0 】，周福章等也 在p h 控制中使用了专家系统【3 l 】，一般专家系统控制由三部分组成：知识库、数 据库、推理系统。因此建立专家智能控制系统，需要大量的系统信息和相关的专 业知识，包括有关中和特征、当量计算等与p h 值控制有关的基本化学方程式、 计算公式、曲线。系统信息库装载着废水中和系统的基本物理结构、参数信息， 如中和池溶剂、单位实际流量、加中和剂泵的扬程流量、中和剂性质等，还有生 产历史资料等，因此建立专家系统比较困难，过程繁琐。 2 模糊控制方法 自从1 9 6 5 年美国加利福尼亚大学控制论专家z a d e h 提出模糊数学以来，其 理论和方法日臻完善，并且广泛的应用于自然科学和社会科学的各个领域。把模 糊逻辑应用于控制则始于1 9 7 2 年【3 2 1 。模糊控制的特点主要有两点： ( 1 ) 能够将一些人类经验结合起来； ( 2 ) 通过成员函数，模糊逻辑可以表达非线性。 一些学者也将其应用于p h 值控制问题。可以通过模糊方法建立对象的模型 用于模型预报控制，还可以把模糊方法与传统控制方法相结合起来进行控制，但 不管哪种形式，利用模糊技术都要进行模糊推理，建立模糊规则和分类方法，并 且需要一些经验知识，因此限制了该方法的应用。 3 神经网络方法 人工神经网络技术源于对脑神经的模拟，具有很强的适应于复杂环境和多目 标控制要求的自学能力，也是具有以任意精度逼近任意非线性连续函数的特性。 这为解决控制系统非线性和不确定性问题提供了一条新的途径。目前，仍神经网 络技术已经渗透到了自动控制的各个领域，包括系统辨识、非线性系统的控制、 智能控制、优化计算及控制系统的故障诊断与容错控制等。 神经网络应用于自动控制系统，按它在系统中所起的作用来分有以下几种类 型： ( 1 ) 在基于模型的各种控制系统中充当对象的模型； ( 2 ) 充当控制器； ( 3 ) 在控制中起优化作用； 中南大学硕士学位论文第三章p h 过程控制与建模 ( 4 ) 与其他控制方法相融合；为其提供非参数化对象模型、推理模型等。 3 3 3 现有的几种控制方法 1 基于模糊逻辑系统的滞后偏差预估计控制法 由于p h 过程的大滞后特性，周景振、韩曾晋参照s m i t h 预估计控制的思想， 针对p h 过程的这一特性提出一种基于模糊逻辑系统的滞后偏差预估计控制方 案，并设计出一种快速收敛的自适应调节律算法。因为采用的是模糊逼近式控制， 并不要求预估计模型很准确，对估计的偏差有一定的鲁棒性。但这种方法没有充 分考虑对象的非线性对估计后果的影响，在p h 值变化范围较大时会降低控制器 的控制能力p ”。 2 基于神经网络的多步预测控制法 贾平等提出了一种基于神经网络的多步预测控制算法，神经网络用于辨识对 象的预测模型，控制算法利用了神经网络的梯度信息。该控制器设计简单，鲁棒 性强，但对于滞后较大的p h 过程无法保证控制效果m 】。 3 非线性离散模型控制法 余鹤龄等用非线性离散h a m m e r t e m 模型来描述p h 过程，并设计了非线性 最小方差控制器。这种方法从本质上考虑p h 过程的非线性特性，提高了模型精 度，但对系统参数变化较敏感，同时对纯滞后也较敏感【3 5 1 。 4 非线性反馈线性化控制法 在许多非线性控制技术中，其中有一种非线性控制设计引起了研究者的注 意：反馈线性化。反馈线性化方法是近2 0 年来非线性控制理论中发展比较成熟 的方法，特别是以微分几何为工具发展起来的精确线性化受到了普遍的重视。其 主要思想是：通过适当的线性状态和反馈变换，使非线性系统在一定条件下可以 实现状态或输入输出的精确线性化，从而将非线性系统的综合问题转化为线性 系统的综合问题。它与传统的利用泰勒展开进行局部线性化近似方法不同，在线 性化过程中没有忽略掉任何线性项，因此这种方法不仅是精确的，而且是整体的， 即线性化对变换有定义的整