（电力电子与电力传动专业论文）基于模糊控制算法的糖厂澄清工段ph值控制器研究.pdf

a j ij h i ii ijj i i i i | i l lrlfi舢ii| f y 17 3 7 6 9 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名套系寄 冲年石月堋 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求 提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供 目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在 不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 口u p 时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：套篥彳导师签名游气衫三 基于模糊控制算法的糖厂澄清工段p h 值控制器研究 摘要 澄清过程中的蔗汁p h 值的大小是影响糖厂出糖率和成品糖品质的关键 因素之一。澄清过程中的p h 值变化具有非线性、大滞后、多变性的特点。 不易控制。国内的糖厂对控制p h 值的自动化水平低，控制效果不稳定，容 易波动。只有实现糖厂澄清过程p h 值的智能测控，才能提高清汁的品质、 降低生产损耗、进而提升整体的经济效益。 针对传统p ld 控制算法难以有效处理澄清过程中p h 值的非线性、大滞 后、多变性等问题，本文提出采用模糊控制算法对糖厂p h 值进行控制。本 文在详细分析糖厂澄清工段的生产工艺的基础上，以a r m 7 微处理器 s 3 c 4 4 8 0 x 和v x w o r k s 嵌入式操作系统为平台，设计基于模糊算法的糖厂澄 清过程p h 值控制器，实现p h 值的采集、温度采集和p h 值的控制。采用l n a l16 前置放大电路和光耦隔离电路设计了p h 值的采集电路，提高了p h 采集电 路的稳定性和采集精度。采用d s l8 8 2 0 数字温度传感器设计了温度测量模 块，实现了温度的采集和蔗汁p h 值的温度校正。改进了步进电机驱动电路， 有效控制加灰阀门开度或蠕动泵投入碱量速度。在p h 值控制器中加入了模 糊控制算法，实现了p h 值滴定控制以及模拟糖厂中和过程p h 值控制。 实验表明，模糊控制算法能克服p h 值的非线性、大滞后和多变性的问 题，可以推广应用到糖厂的p h 值控制。 关键词：p h 值；温度；模糊控制；控制器；澄清 、 t h ep hv a l u ec o n t r o l l e ro fs u g a rf a c t o r y b a s e do nf u z z ya l g o r i t h m a b s t r a c t t h ep hv a l u eo fc o n ej u i c ei nt h ec l e a np r o c e s si sak e yf a c t o rt os u g a ry i e l dr a t ea n d s u g a rq u a l i t y ，w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a r ，l a r g ed e l a ya n dr a n d o m t h ep h v a l u ec o n t r o li nd o m e s t i cs u g a rf a c t o r yi so nt h el o wl e v e lo fa u t o m a t i o n ，w h i c hm a k e st h e c o n t r o le f f e c t so fp hv a l u ev e r yu n s t a b l ea n dv o l a t i l e o n l yb yt h ei m p l e m e n t a t i o no f a u t o m a t e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ，w ec a ni m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y ，r e d u c ep r o d u c t i o n l o s s e s ，a n dt h u si m p r o v et h eo v e r a l le c o n o m i cb e n e f i t s i nr e g a r do ft h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la l g o r i t h mc a nn o te f f e c t i v e l yd e a lw i t ht h ep h v a l u e si nc l a r i f yp r o c e s sf o rt h ep hv a l u eo f j u i c eh a st h ec h a r a t o r so fn o n l i n e a r ，l a r g ed e l a y ， v a r i a b i l i t y ，t h i sp a p e rp r e s e n t saf u z z yc o n t r o la l g o r i t h mt oc o n t r o lt h ep h v a l u eo fs u g a rm i l l s t h ep a p e ra n a l y s e s t h es e c t i o no fs u g a rp r o d u c t i o np r o c e s si nd e t a i l ，d e s i g n st h ef u z z y c o n t r o l l e ro fp hv a l u ei nt h ep r o c e s so fc l a r i f i c a t i o nb a s e do nt h ea r m 7m i c r o p r o c e s s o r s 3 c 4 4 b o xa n dt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mv x w o r k s ，a c h i e v e st h ea c q u i s i t i o no ft h e t e m p e r a t u r ea n dp hv a l u e ，a c c o m p l i s h st h ep hv a l u ec o n t r 0 1 t h ep a p e rd e s i g n e d ap h a c q u i s i t i o nc i r c u i tb yu s i n gt h ei n a 1 16p r e a m p l i f i e rc i r c u i t ，a n do p t o - i s o l a t i o nc i r c u i t r y ， i m p r o v e dp hs t a b i l i t y a n da c c u r a c yo ft h em e a s u r i n gc i r c u i t at e m p e r a t u r em e a s u r i n g m o d u l ew a sd e s i g n e du s i n gd s18 8 2 0d i g i t a lt e m p e r a t u r es e n s o rt oa c h i e v et h et e m p e r a t u r e c o l l e c t i o n a ni m p r o v e m e n tw a sm a d et os t e p p e rm o t o rd r i v i n gc i r c u i ti no r d e rt oa c h i e v e e f f e c t i v ec o n t r o lo nv a l v eo p e n i n go fp r e l i m i n ga n dt h es p e e do fp e r i s t a l t i cp u m pw h i c h p u m p st h el y e e x p e r i m e n t sw e r em a d et om e a s u r e ，d i t r a t ea n dc o n t r o lt h ep h v a l u eo fc a n e j u i c e f u z z yc o n t r o la l g o r i t h mi sa d d e di np hv a l u ec o n t r o l l e rt ot h ea c h i e v ec o n t r o lo fp h v a l u eo fs u g a ri nt h et i t r a t i o n ，a n dc o n t r o lo fp hv a l u ei ns i m u l a t i o np r o c e s s e x p e r i m e n t ss h o wt h a tf u z z yc o n t r o la l g o r i t h mc a no v e r c o m et h ep r o b l e mo fn o n l i n e a r , l a r g et i m ed e l a ya n dv a r i a b i l i t yo fp hv a l u e t h ee x p e r i m e n t t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tf u z z y c o n t r o la l g o r i t h mc o nb ew e l la p p l i e dt oc o n t r o lt h ep hv a l u ei nt h er e f i n e r yp r o c e s s k e yw o r d s ：p hv a l u e ；t e m p e r a t u r e ；f u z z yc o n t r o l ；c o n t r o l l e r ；c l a r i f i c a t i o n 目录 第1 章绪论l 1 1 研究背景与国内外现状1 1 1 1 引言l 1 1 2 磷酸亚硫酸法清净技术的工艺流程l 1 2 影响p h 值的因素4 1 3 澄清工段p h 值控制系统的研究现状4 1 4p h 值的模糊控制研究现状6 1 5 课题研究内容与意义6 第2 章糖厂澄清工段p h 值测控系统设计8 2 1 控制器硬件框图8 2 2a r m 核心控制板与操作系统移植1 0 2 3a d 转换电路及其驱动程序1 1 2 4 步进电机驱动器控制电路1 4 2 4 1 步进电机驱动电路14 2 4 2 步进电机驱动程序15 2 5 双玻璃电极p h 值检测装置及其酸洗驱动程序17 第3 章p h 值采集电路的设计19 3 1 玻璃电极传感器19 3 2 前旨放大电路19 3 3 光耦隔离电路2 l 3 2 p h 值测量电路实验结果2 2 第4 章温度采集电路设计及p h 值温度校正2 7 4 1d sl8 8 2 0 温度采集模块的设计2 7 4 1 1d s l 8 8 2 0 的外观和特性2 7 4 1 2d s l8 8 2 0 的内部结构2 8 4 2d sl8 8 2 0 温度传感模块软件设计。3 0 4 3p h 值的温度校正一3 0 第5 章模糊控制在p h 值控制中的应用3 7 5 1 模糊控制器的基本结构3 7 5 1 1 模糊化接口3 7 5 1 2 模糊规则库3 8 5 1 3 模糊推理3 9 5 1 4 反模糊化3 9 5 2 模糊控制器的特点：3 9 5 3 模糊控制器的设计4 0 i i i 5 3 1 模糊化接口的设计4 0 5 3 1 模糊控制规则的建立4 3 5 3 1 反模糊化接口的设计4 3 5 4p h 值滴定中和实验及结果4 3 5 5p h 值中和过程模糊控制实验及结果4 5 第6 章结束语4 8 参考文献4 9 附录1 ：双玻璃电极p h 值检测装置酸洗驱动程序5 1 附录2 ：d s l 8 8 2 0 驱动程序5 5 致谢5 7 在学期间发表的学术论文与研究成果5 8 i v 广西大掌硕士掌位论文 基于模糊控制算法的糖厂赘清工段p h 值控制器研究 1 1 研究背景与国内外现状 第1 章绪论 1 1 1 引言 我国是世界第三大产糖国，年产糖量已经超过一千万吨，制糖业对我国国民经 济的发展具有重要意义。据中国糖业协会公布的数据显示，中国2 0 0 8 2 0 0 9 年度糖 产量为1 2 4 3 万吨，而目前总体糖消费量则为1 3 9 0 万吨，较上季增加了3 ，有出现 供货短缺的可能，我国的成品糖处在供不应求状态l ij 。 制糖工艺包括制提汁、清净、蒸发、结晶四个步骤。澄清工段是制糖的一个 关键，直接影响制糖的转换损耗和成品糖质量。澄清的目的是通过除去非糖分以提 高糖汁的纯度，并降低其粘度和色值，为煮糖结晶提供优质的原料糖浆。目前，世界 上甘蔗生产白砂糖、粗糖主要采用的清净方法有亚硫酸法、石灰法和碳酸法。我 国甘蔗制糖企业主要采用亚硫酸法生产工艺。与石灰法相比，亚硫酸法除加了石 灰、磷酸之外，多加了s o ：作为澄清剂。亚硫酸法生产工艺采用石灰和二氧化硫为 主要清净剂。与石灰法相比，亚硫酸法沉淀的颗粒比较结实、稳定，沉降速度快， 而且具有工艺流程短，设备简单和澄清剂用量小的优点，因此被广泛用于国内的 糖厂中。亚硫酸法也分为好几种，其中磷酸亚硫酸法由于其能够适应各种不同性质 的蔗汁而使用最为广泛i 2 j 。 计算机技术和网络通信技术已经被应用到制糖业的各个环节。国外的制糖业 普遍采用了计算机控制技术，并且使用了一些先进的制糖工艺和智能控制算法。 计算机技术、网络技术和先进智能控制算法应用，提高了糖厂自动化程度，改进 了生产工艺，减低了劳动强度和生产成本，并且使得糖厂的产糖率和白糖质量都 有了一定的提高。p h 值是糖厂澄清工段的一个关键指标，密切影响着糖厂产糖率 和成品糖的质量。目前，国内的糖厂对p h 值的控制已经取得了不少进步，但控制 的效果仍然不是很理想。国外一些先进的制糖厂已经将人工神经网络应用到碳酸 法澄清工艺的p h 控制过程中，并取得了比较好的控制效果【3 j 。我们必须进一步吸取 国外的先进技术，把智能控制应用到整个澄清工段控制装置中去，才能从根本上 解决p h 值的稳定控制问题，提高清汁的质量。 1 1 2 磷酸亚硫酸法清净技术的工艺流程 蔗汁澄清工段的作用就是加入一定数量的澄清剂和中和剂，如磷酸、二氧化硫、石 灰乳等，使其生成吸附非糖杂质的沉淀物，控制适当的p h 值，使杂质胶体凝聚，并通 广西大掌硕士学位论文 基于模糊控制算法的糖厂穗 清工段p h 值控制器研究 过加热使胶体凝结沉淀，实现固体物与糖汁液体分离，达到清除非糖杂质，使蔗汁澄清。 设计澄清工序的目的，就是要减少糖份转换损耗，去除杂质，降低清汁色值，提高糖份 的回收率，保证产品质量。 蔗糖制糖业蔗汁清净的方法有很多种，大致可以分为亚硫酸法、石灰法和碳酸法三个 大类，国内主要采用亚硫酸法，亚硫酸的特点是澄清率高和适应性强，只要稍加调整亚 硫酸法就能够适应各种不同品质的蔗汁。 亚硫酸法生产工艺往蔗汁中加入了二氧化硫和石灰乳，利用二氧化硫的漂白 功能和亚硫酸钙的吸附效果，去除蔗汁中和汁中的色素杂质和胶体有机物，降低 清汁的色值，提高澄清效果。亚硫酸法可以细分为五种，其中的磷酸亚硫酸法具 有适应性高、澄清效率高、清汁色素值低等优点。国内主要采用磷酸亚硫酸法作 为澄清过程的生产工f 3 1 【2 1 。 磷酸亚硫酸法澄清工段过程是一个复杂的物理化学过程，主要通过预灰、加热、中 和反应、沉降过滤四个阶段去除蔗汁中的非糖分有机化合物、色素和其他的杂质，以提 高糖汁的纯度，并降低其粘度和色值，为煮糖结晶提供优质的原料糖浆。磷酸亚硫酸法 生产工艺使用石灰、二氧化硫、工业磷酸等作为澄清剂，其工艺流程如图l l 所示。 图1 1 磷酸亚硫酸法工艺流程图 f i g 1 - 1t h ep h o s p h a t ep r o c e s sf l o wd i a g r a m 2 广西大掌硕士掌位论文 基于模糊控制算法的糖厂澄清工段p h 值控制器研究 影响澄清效果的主要因素是蔗汁的p h 值、加热温度和澄清时间。只有把这些因素 控制好，使蔗糖分尽可能多地保留下来，同时尽可能多地除去非糖分，才能完成澄清的 任务。其各工序的作用是： ( 1 ) 预灰 经过压榨出来的蔗汁呈酸性，p h 值约为4 5 6 ，需要马上进行预灰处理，以免出现 蔗糖转化，降低出糖率，同时，预灰还会有一定的防腐作用。在预灰过程中，一般控制 p h 值在6 5 7 0 之间。目的是：中和蔗汁的各种有机、无机酸，减少蔗糖转化带来损 失；石灰乳中的钙离子可与某些无机酸生成不溶性钙盐；使部份非糖杂质胶体凝聚；抑 制微生物活动，防止蔗汁变质。在预加灰过程中，工艺上还要求加进适量的磷酸，生成 磷酸钙，以促进杂质的凝聚，提高沉淀的澄清效果。 预灰过程中，需要对石灰乳的投料进行控制，以控制蔗汁的p h 值，使预灰汁的p h 值在6 6 7 0 之间。如果预灰过程中的石灰乳加入过少，则蔗汁的p h 值偏低，呈酸性， 蔗汁中的一些杂质无法沉淀，达不到预灰的目的。如果加入过量的石灰乳则会使得蔗汁 中的还原糖分解。并且会影响硫熏中和过程。 ( 2 ) 一次加热。 预灰后的蔗汁需要进行第一次加热，目的是使蔗汁中的蛋白质、磷酸及部分其他非 糖物质凝聚析出，为后工序创造有利条件。第一次加热需要把蔗汁温度控制在5 5 7 0 之i 日j 。 ( 3 ) 中和 二氧化硫与蔗汁中的水反应可以应生成亚硫酸，亚硫酸具有很强的漂白效果，能够 降低蔗汁的色值，而亚硫酸与石灰乳中的氢氧化钙反应则生成亚硫酸钙，磷酸也与氢氧 化钙反应生成磷酸钙。两种钙盐都是不易溶于水且表面积大、吸附力强的沉淀性物质， 能够吸附大量悬浮于蔗汁中的色素和有机物胶体等非糖分杂质，沉淀到蔗汁底层。经过 硫熏中和的蔗汁只需沉降就能将蔗汁中的糖分与其他的杂质分开，等得清汁。 硫熏的强度一般都控制在0 8 1 2 克升。如果硫熏强度过低，则无法达到良好的 澄清效果。若强度过高，则会造成硫磺的浪费，提高石灰乳的消耗，并且使得成品糖中 的硫超标，降低成品糖的品质。硫熏后的蔗汁呈酸性，糖分很容易转化，因此必须马上 加入石灰乳，中和蔗汁中的亚硫酸。中和后的蔗汁要求p h 值在7 0 7 2 之间。蔗汁p h 值过低，蔗汁中的糖分会因转化而损失，且使得沉降过程无法有效去除蔗汁中的硫含量。 蔗汁p h 值过高，则会使得清汁中含有大量钙盐，降低成品糖的品质。因此在硫熏中和 过程中需要对硫熏强度和石灰乳的流量进行有效的控制，以提高澄清的效果。 ( 4 ) 沉降经过中和反应和第二次加热后的混合汁，被输送到沉降池进行沉降，沉降 过程将清汁与沉淀物分开，得到清汁和滤泥，滤泥还可通过过滤得到滤清汁，清汁和滤清 汁被送到后续的蒸发和结晶过程中进行处理。 3 广西大掌硕士学位论文 基于模糊控制算法的糖厂澄清工段p h 值控制器研究 1 2 影响p h 值的因素 与普通的酸碱中和反应而言相比，糖厂澄清工段p h 值控制的实现就要复杂得多 了，原因主要有以下几点： ( 1 ) 蔗汁流量不稳定，不同的蔗汁中的成分不尽相同； ( 2 ) 二氧化硫( s o ，) 流量不稳定； ( 3 ) 石灰乳与s o ，的中和反应比较慢，导致测量结果滞后； ( 4 ) 由于蔗汁中的各种成分分布不均匀，测量的可靠性不高。 由此可知，p h 值控制系统的控制对象是一个非线性、大滞后、复杂多变的系到3 j 1 4 j 。 一般来说，我们分析问题的时候要找出主要原因。在糖厂生产过程中，主要有蔗汁 流量、s o ，吸入量、石灰乳流量三个最重要的因素。其中蔗汁流量的检测比较容易，而 且在生产过程中，蔗汁流量变化不大，可以近似认为是一个恒量。s o ，吸入量则比较复 杂，由于s o ，的生成速度不稳定，导致流量不稳定，而流体状的石灰乳则比较好控制， 我们可以通过阀门的开度来控制石灰乳的流量。本文主要是通过步进电机控制阀门来调 节石灰乳的流量，以达到有效控制p h 值目的。 1 3 澄清工段p h 值控制系统的研究现状 亚硫酸法工艺的澄清过程需要解决的问题主要有： ( 1 ) 由于生产季节、产地以及甘蔗品种的不同，压榨出来的蔗汁品质不稳定； ( 2 ) 在硫熏过程中，由于s o ，的流量很难保持稳定，使得蔗汁的硫熏强都不稳定； ( 3 ) 由于蔗汁混合汁流量不稳定，中和加灰过程中澄清剂的流量也难以确定； ( 4 ) 在传统的澄清工段中，采用人工滴定测量和手动加灰的方法控制p h 值，操作太 过繁琐，不利于p h 值的控制； ( 5 ) p h 值的变化存在非常严重的非线性和滞后性，传统的控制算法控制效果并不理 想； 清汁的p h 值是糖厂澄清工段影响清汁品质的一个关键因素，由于蔗汁混合汁 的量很大，p h 值的分布不均匀，通常采用多个点同时采集p h 值，然后加权平均 的方法计算p h 值的大小。p h 值的大小直接影响清汁的质量，必须限制的一定的 范围以内，不然就达不到所要求的澄清效果【5 】【4 1 。 p h 值控制系统的核心功能包括测量和控制两个方面。任何一个方面没做好， 都会直接影响p h 值的控制效果，进而影响到清汁的品质。 p h 值的测量方法很多，国内糖厂主要采用玻璃电极作为蔗汁p h 值测量的传感 元件。玻璃电极具有响应速度快，精度高和稳定性好的特点，且可以在复杂的环境 中正常工作。当然，玻璃电极也有其自身的缺点，由于玻璃电极的输出信号非常 微弱，且内阻很高，其输出信号线不能长距离传输，必须先进行处理放大后才能有 4 广西大学硕士掌位论文 基于模糊控制算法的糖厂澄清工段p h 值控制器研究 效的对信号进行传输。玻璃电极在蔗汁中长期工作后会在其表面形成一层污垢，影 响电极的测量精度和响应速度，因此需要经常清洗玻璃电极。 p h 值的控制是糖厂亚硫酸法生产工艺澄清工段的主要问题，它直接影响到澄清的效 果、蔗糖的转化损耗以及白糖的品质。因此，澄清工段p h 值的控制就成了控制白糖质 量的一个非常关键的因素。研究人员提出的各种提高白糖品质的方案中都是以p h 值的 控制为主要手段。 在蔗汁p h 值的控制方面，目前，国内糖厂使用的设备的自动化程度普遍不高， 控制算法也很落后。部分糖厂在p h 值控制、垂度等方面的控制还是采用人工操作， 控制工程繁琐，工作人员从测量到最后做出控制动作需要很长一段时间，检测与控 制缺乏连续性，进而导致控制的精度不高，而且难以保证生产设备的连续运行。 同时，由于人为操作具有很大的不稳定性，进而导致控制效果不稳定。 国内曾采用传统的p i d 控制算法对糖厂澄清过程中蔗汁p h 值进行自动控制。 p i d 控制算法是最早的控制算法之一，经过长期的发展，p i d 控制算法已经非常成 熟，因此被广泛应用到各种工业控制领域，成为控制领域应用最为广泛的控制算 法。 但是传统p i d 控制算法要求必须知道控制对象的具体数学模型，而且控制参 数是固定的，缺少自适应能力，无法有效的控制不同品质蔗汁的p h 值。而且难以 解决澄清过程大滞后、非线性、时变等问题，控制效果不是很理想。 针对糖厂澄清工段p h 值难以控制，人工操作控制效果不理想的问题，有人提出采用 计算机对p h 值进行自动控制1 6 l ；1 9 9 1 年华南理工大学研制了一套中和澄清过程p h 值控制 系统，并在广东乐从糖厂投入使用；2 0 0 1 年国家轻工业局甘蔗糖业质量检测中心研制的 s s 9 8 3 型p h 值在线测量系统在广东省翁源县投入使用，实现t p h 值的在线测量；钦州华 成自控设备厂于2 0 0 0 年设计了双玻璃电极p h 自动检测装置，该系统采用双玻璃电极轮流 测量和清洗，解决了玻璃电极积垢而导致玻璃电极测量精度降低的问题。提高了糖厂p h 值测量的精度和准确性，已经被推广到广西、广东、云南等省的多家糖厂。但是以上各 个系统都没有解决p h 值控制大滞后、非线性带来的问题，仍需要熟练人工对生产过程中 的p h 值进行控制。在理论方面，谢名洋针对糖厂澄清工段p h 值控制的特点，将人工神 经网络b p 模型运用到澄清工段的p h 值控制中，实现了比较理想的仿真效果1 7 j 。华南理工 大学高国粲提出一种动态矩阵控制的改进算法应用于糖厂澄清工艺p h 调节，解决澄清 p h 控制滞后问题，有效地减少控制量的增加瞄j 。 广西大掌硕士学位论文 基于模糊控制算法的糖厂澄清工段p h 值控制器研究 1 4p h 值的模糊控制研究现状 现代工业中有很多控制对象具有离散性、随机性、非线性和模糊性的特点，传统的 p i d 控制算法很难奏效。于是，针对不同特性的控制对象，大量的智能控制算法应运而 生。糖厂澄清工段p h 值控制具有非线性、大滞后、复杂多变的特点。 模糊控制算法是众多发展成熟、应用相对广泛的智能控制算法之一。模糊控制是以 计算机为硬件基础，以模糊集合论、模糊语言及模糊逻辑推理为理论基础的控制算法【9 1 。 模糊控制理论于2 0 世纪6 0 年代由美国著名教授查德( l a z a d e h ) 首次提出，并且经过了 不断的完善和发展f l o 】【l l j 。 8 0 年代，模糊控制取得了飞速的发展，模糊控制被应用到了水泥生产过程和电力系 统调度中，并且取得了传统p i d 算法无法达到的效果，科学家研制出了模糊逻辑芯片， 并首次且提出了模糊计算机的概念并且研制成功【1 2 】。 早在1 9 9 3 年，就有人提出模糊控制算法应用到p h 值中和过程的控制当中，以解决 p h 值中和过程中的非线性和大滞后问题【1 3 】。 2 0 0 2 年，马来西亚沙巴大学的n i ot i o n gg h e e ；k u m a r e s a n 等人尝试将模糊p i d 控 制算法应用到p h 值的控制当中，以解决p h 变化过程中的非线性问题，实验结果证明 模糊p i d 控制算法在p h 值控制中能够大大减少超调量，提高控制精度【1 4 1 。 2 0 0 5 年，z e y b e k z ，a l p b a z ，m 等人将模糊控制算法与动态规划相结合，对污水处理过 程中的p h 值中和过程进行控制，并且将实验结果与传统的p i d 控制算法结果进行比较， 证明模糊控制算法能够应用于输出跟踪过程系统的控制【1 5 j 。 2 0 0 6 年，澳门大学的李新旺等人将自适应模糊控制应用到p h 值控制巾，实现了p h 值控制的在线检测与在线参数调整，并取得了满意的控制效果1 1 6 l 。 2 0 0 8 年，印度的v a l a r m a t h i ，k 等人提出将p i d 算法、模糊理论与基因算法等相结合， 建立在线参数调整控制器，对p h 值进行仿真控制，取得了较好的仿真效果【1 7 j 。 国内将模糊控制应用在p h 值控制方面，并且取得了一定的成效。1 9 9 9 年，南京钢铁 集团有限公司设计出了计算机模糊控制系统，应用于化工废水处理过程，对化工废水的 p h 值进行控制，该控制系统将模糊控制算法与传统p i d 控制算法并联结合，实现t p h 值 的实时在线控制【l8 1 。2 0 0 4 年，肖应旺等人设计了一套发酵控制系统，并且投入某制药厂 运行，该系统控l j p h 值精度达到士0 0 5 p h ，使得该药v p h 值控制精度提高一倍，取得了 良好的经济效益【1 9 】【2 0 】。 1 5 课题研究内容与意义 广西是中国最大的制糖大省，制糖业是广西的重要支柱产业，广西2 0 0 7 2 0 0 8 年的 糖产量占中国糖产量的6 8 5 ，但是，由于生产工艺以及控制算法比较落后，生产的白 糖品质不高，优质糖所占比例偏低，因此改进澄清工段p h 值控制系统，提高一级糖的 6 广西大掌硕士学位论文 基于模糊控制算法的糖厂澄清工段p h 值控制器研究 比例，提高糖厂的产糖率和砂糖质量，将会增强中国糖业在世界上的竞争力，这对于广 西的经济发展会产生很大的帮助。 本课题主要针对糖厂澄清工段p h 值控制中的非线性、时变性和大滞后问题，设计 出基于模糊控制算法的p h 值控制器，对糖厂设计糖厂清净过程中的蔗汁p h 值进行有 效的控制，提高糖厂清净过程的清净效果，为后续的蒸发和结晶提供高品质的糖浆。本 文设计的糖厂澄清工段p h 值嵌入式控制器主要解决以下技术问题： ( 1 ) 解决玻璃电极p h 值连续测量的准确性和稳定性问题； ( 2 ) 实现不同点的温度采集； ( 3 ) 总结p h 值的变化规律，包括随温度的变化，以及与中和剂加入量的关系； ( 4 ) 设计模糊控制算法，将模糊控制算法加入到控制系统中，使其能够输出正确的指 令对澄清工段p h 值进行有效的控制； ( 5 ) 使用嵌入式操作系统对控制系统的各个任务的调度实行合理有效的调度，保证 系统的稳定高效运行。 p h 值控制器使用模糊控制算法给出合适的控制量通过步进电机来调节阀门的丌 度，控制石灰乳流量，使中和汁和清汁p h 值在被控制在合适的范围以内，从而提高糖 厂的产糖率和品质。 7 广西大学硕士学位论文 基于模糊控制算法的糖厂澄清工段p n 值控制器研究 第2 章糖厂澄清工段p h 值测控系统设计 由于蔗汁p h 值在糖厂澄清工段中的对成糖的品质有着非常重要的影响，我们在澄 清工段中对p h 值的控制必须达到要求。合适p h 值的大小能够尽可能多的去掉蔗汁中 的杂质、提高清汁的透明度和沉降的速度。p h 值模糊控制系统的系统框图如图2 1 所 示： 设定的蔗 图2 一l 控制系统方框图 f i g 2 - 1c o n t r o l l e r sb l o c ks c h e m e 在糖厂中，控制器可以通过控制步进电机的转动来控制阀门的开度来控制石灰乳的 流量，进而控制预灰和硫熏中和阶段蔗汁混合汁的p h 值。亚硫酸法中的预狄阶段，蔗 汁混合汁的p h 值一般控制在6 8 至7 0 之问。硫熏中和阶段的p h 值控制在6 8 至7 3 之间。中和后清汁的p h 值一般控制在6 8 到7 2 之问。整个p h 值控制系统要实现p h 值的设定、测量、显示、通信和控制等几个方面的功能。本章主要介绍整个控制器的框 图及核心控制板、a d 转换模块、步进电机驱动模块等部分。温度测量模块和p h 值测 量模块将在后面的第3 章和第4 章中介绍。 2 1 控制器硬件框图 本文设计的糖厂澄清工段p h 值控制系统主要有两个功能：实时监控中和p h 值、 实时控制石灰乳流量。这样可以保证中和汁的p h 值在受到各种因素扰动后能够迅速回 到正常范围内，实现糖厂澄清工段的自动检测和自动控制。控制系统包括s 3 c 4 4 b o x 嵌 入式控制器、p h 值检测装置、控制执行装置、液晶显示触摸屏四个部分，控制系统硬 件框图如图2 2 所示。 8 广西大掌司士掌位论文 基于模糊控制算法的糖厂澄清工段p h 值控制器研究 i 玻璃电极d s l 8 8 2 0 温度传感电路 l i n a l1 6 前置放大电路( 力 u n a 石灰 毒。 步进 田 乳流 i h c n i 也0 1 光耦隔离电路 o 电机步进 晕控 控 驱动 电机 制阀 制 电路 板 门 核 a d 转换电路心 十 p t l0 0 温度传感电路 ，l 触摸屏液晶显示电路 图2 2 糖厂p h 值控制器硬件框图 f i g 2 - 2c o n t r o l l e r sh a r d w a r ed i a g r a m 糖厂澄清工段p h 值控制系统的主要分为四个部分： ( 1 )嵌入式控制器：考虑到控制系统功能的复杂性，采用三星a r m 7 处理芯片 s 3 c 4 4 b o x 作为控制核心芯片，s 3 c 4 4 b o x 是三星公司提供的高性价比和高性能微型 处理器。a r m 嵌入式控制器主要负责p h 值信号采集处理、控制算法计算、液晶 显示、网络通信、控制信号的输出等等。 ( 2 ) 检测电路：包括p h 测量、温度检测两个功能。p h 的测量电路包括p h 值测 量玻璃电极、i n a l1 6 前置放大电路、h c n r 2 0 1 光耦隔离电路；p h 测量电极将蔗汁的 p h 值转换成电压信号，电压信号经过前置放大电路处理，再经光耦隔离电路进行隔离 后送到a d 转换电路，a d 转换电路将p h 值的模拟电压信号转换为数字信号发送到 a r m 核心电路控制板。温度测量采用d s l 8 8 2 0 一线总线数字温度传感器作为传感元件。 ( 3 ) p h 值、温度控制电路：p h 值控制电路包括，d a 转换电路、步进电机驱动 电路、加热装置控制电路。电路的主要功能是执行控制器的控制指令，控制步进电机的 转动，进而改变阀门的开度，使石灰乳的流量满足控制的要求，把蔗汁控制在正常范围 以内。 ( 4 ) 触摸屏、按键电路：实现调节p h 值和温度的人机界面，显示p h 值、温度 的大小和趋势。 在糖厂澄清工段p h 值控制系统中，控制器首先使用玻璃电极检测p h 值的大小，并 转换成电压信号，经过前置放大电路和光耦隔离电路，送到w d 转换电路转换成数字信 号再传给核心控制板。核心控制板根据a d 转换电路送来的数字信号计算出p h 值的大 小。同时，核心控制板还必须测量出蔗汁的温度值，并且根据温度的大小对p h 值进行 9 广西大掌硕士学位论文 基于模糊控制算法的糖厂澄清工段p h 值控制器研究 温度校正，以消除温度变化带来的p h 值偏移。对p h 值进行温度校正后，就可以将测 量到的p h 值与设定的p h 值进行比较，计算出p h 值偏差量和p h 值偏差变化量。控制 器采用模糊控制算法计算输出信号，并把输出信号转换成步进电机脉冲信号，以实现对 步进电机的控制，进而实现p h 值的控制。控制系统还必须实现p h 值、温度、步进电 机转速等等的显示、按键的扫描和网络通信。为了防止玻璃电极在使用过程中结垢，还 必须在控制器中加入玻璃电极清洗的功能。 因此，控制器的软件部分必须实现a d 转换、d s l 8 8 2 0 温度采集、数据计算、步进 电机驱动、玻璃电极清洗、通信和显示等功能。 2 2a r m 核心控制板与操作系统移植 糖厂澄清工段p h 值嵌入式控制器的核心控制板以三星公司生产的型号为 s 3 c 4 4 b o x 的a r m 处理器为控制芯片。核心控制板还提供了两个r s 一2 3 2 串行通信 接口、一个以太网接口、一个j t a g 调试接口、一个l c d 触摸屏接口。核心控制 板可以通过串口或者是网络端口与计算机相连，实现网络数据的传送。j t a g 口则 为系统的调试提供了很好的通道。控制系统可以在l c d 或者触摸屏上显示所要监 控的数据量。同时，为了解决i o 口数量有限的情况，核心板上扩展了c p l d 电路， 用于a d 、d a 、温度控制和步进电机的驱动电路控制。核心控制板的结构如图2 3 所示： 图2 3 核心控制板的总体结构框图 f i g 2 - 3 a r mc o n t r o lc i r c u i ts t r u c t u r e df l o w c h a r t 1 0 广西大掌硕士掌位论文 基于模糊控制算法的糖厂澄清工段p h 值控制器研究 由于控制器涉及的任务较多，本文采用v x w o r k s 嵌入式操作系统作为控制器 的操作系统，v x w o r k s 是风河公司开发的一款高可靠性实时操作系统。该系统以 其优秀的可靠性和实时性以及可裁剪性，被广泛应用到了军事、航空航天、通信、 网络等各个行业。 v x w o r k s 是通过应用软件t o r n a d o 集成开发环境来丌发和调试的。t o r n a d o 是风河 公司的最新的一代开发调试环境，为嵌入式开发提供了一个亲切的人机界面。开发者能 够很容易学习和适应t o m a d o 的开发平台，并且很容易转向新的开发芯片【2 1 i i 捌。t o r n a d o 包含三个高度集成的部分： ( 1 ) 强有力的交叉开发工具和实用程序； ( 2 ) 可剪裁的高性能实时操作系统v x w o r k s ； ( 3 ) 与下位机通信的多种通信模块。 2 3a d 转换电路及其驱动程序 玻璃电极的电压信号通过i n a l l 6 前置放大电路放大之后，经光耦隔离电路进入 a d 放大转换电路进行放大、转换成数字信号。本文中使用的a d 7 8 7 4 芯片是a n a l o g d e v i c e s 公司推出的一款1 2 位的高精度、高速度的四通道数据采集芯片1 2 3 j 。a d 7 8 7 4 可 以同时对四个通道的输入信号进行采集，每个输入通道都有自己的采样保持电路，互不 干扰，采样频率亦可以达到2 9 k h z ，转换精度为+ 1 l b m a x 2 4 】1 2 5 1 。转换后的四路数据逐次 从数据口传送到与之连接的处理器上。a d 7 8 7 4 与a r m 微处理器连接如图2 4 所示： 4 图2 - 4a d 转换电路图 f i g 2 - 4 a dc i r c u i td i a g r a m 从前置放大电路输出的电压信号经过光耦隔离电路进行模数隔离输入到a d 7 8 7 4 的 模拟量输入管脚i n l 、i n 2 、i n 3 、i n 4 ，转换成为数字信号，转换后的数字信号通过并 广西大学硕士学位论文 基于模糊控制算法的糖厂澄清工段p h 值控制器研究 行端口传送到a r m 核心控制电路板中。 a d 7 8 7 4 在c o n s t 引脚信号的上升沿启动a d 转换，当四路模拟量都转换完毕后， 芯片向c p u 发出信号，c p u 收到信号后连续读取a d 7 8 7 4 的转换数据4 测2 4 】【2 5 】。a d 7 8 7 4 流程图如下： 图2 5a d 7 8 7 4 的a d 转换流程图 f i g 2 - 5f l o wc h a r to fa d 7 8 7 4 本文设计的a d 转换子程序如下： # d e f i n ea d e x t e r d d a t a ( * ( v o l a t i l eu n s i g n e di n t ) o x 816 0 0 0 0 ) 定义 r s l 0 1 = 0 x f e ；c p l d3 1 脚为低电平，ll ll - 1 11 0 a d 7 8 7 4 的c s 管 v o i da d ( v o i d ) i n te i n t 5 f l a g = 0 x f f f f ； 1 2 广西大掌硕士掌位论文 基于模糊控制算法的糖厂澄清工段o h 值控制器研究 s i g n e dd a t a l ，d a t a 2 ，d a t a 3 ，d a t a 4 ； r s i o l = 0 x f e ；c p l d3 1 脚为低电平，1 11 1 _ ll l o c