基于arm的污水处理ph值控制系统设计论文

1、学位论文独创性声明一、学位论文独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。据我所知，除了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，也不包含为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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谢意。学位论文作者签名（手写）：签字日期：年月日二、学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，同意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电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或

2、部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权北京万方数据股份有限公司和中国学术期刊（光盘版）电子杂志社将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库和中国优秀博硕士学位论文全文数据库中全文发表，并通过网络向社会公众提供信息服务，同意按“章程”规定享受相关权益。学位论文作者签名（手写）：导师签名（手写）：签字日期：年月日签字日期：年月日论文题目姓名学号论文级别博士硕士 院 / 系 / 所专业联系电话E_mail通信地址 (邮编 )： 备注：公开保密（向校学位办申请获批准为“保密”，年月后公开） PAGE * ROMAN II摘要摘要随着工业的飞速发展

3、和城市人口的疾速增长，大量工业和生活污水的处理 问题日益受到人们的关注。 污水 pH 值控制是污水处理的重要环节，污水的酸碱中和过程是一个非线性、 大时滞的变化过程，使得pH 值控制成为了污水处理的控制难点。目前，国内污水处理pH 值控制技术相对落后， 自动化水平低， 因此， 开发出具有良好控制效果、 易于实现的智能化pH 值控制系统具有重要的现实意义。本文针对污水处理的 pH 值控制问题， 基于嵌入式技术与 PID 控制算法， 开发设计了一种基于 ARM 污水处理 pH 值控制系统。通过采用 ARM 处理器技术， 不仅解决了成本高、效率低及精确率低等问题，还解决了系统升级、软硬协调等难题。此

4、外，采用七段式 PID 控制算法，把一个非线性控制系统校正成了一个线性控制系统，解决了 pH 值控制过程的非线性难题。本文在污水处理 pH 值控制过程理论分析的基础上， 结合改进的数字PID 控制算法与二区段非线性调节器， 提出了七段式变增益PID 控制算法。利用 Matlab 软件对该算法及常规的PID 控制算法进行了仿真对比分析，经仿真研究表明七段式变增益 PID 控制算法在污水处理pH 值控制系统中获得了良好的控制效果， 是一种较为理想的智能性控制方案。系统的控制单元采用三星公司的ARM S3C6410 微处理器，硬件设计主要完成pH 值传感器与 pH 值变送器选型工作和电源管理模块、

5、DAC 模块、串行通信模块、电机驱动模块等功能模块的设计； 软件设计主要完成了linux 实时操作系统的移植，设计编写了相应的硬件驱动程序和七段式变增益PID 控制算法程序。本文设计的污水处理pH 值控制系统很好的克服了pH 值非线性难题，达到了 pH 值控制要求， 具有很大的社会效益和经济效益，可以在我国的污水处理方面发挥重要的作用。关键词： 污水处理； pH 值；七段式变增益PID；ARM ； S3C6410ABSTRACTABSTRACTEnvironmental pollutionis becoming more and more serious due to the fast gro

6、wth of population 、 the rapid development ofindustry 、 enormous domestic sewage and industrial wastewater. Control of pH value is a key point. In the process of neutralization reaction, there is a great non-linear relationship in the variation trend of pH value, which leaves us a difficult issue in

7、controlling the pH value. At present, the domestic pH controltechnology insewage treatment isrelativelybackward;therefore, to design an intelligent, high efficient and low cost pH control system is of important practical value.Aiming at controlling the pH value of treated sewage, this thesis develop

8、ed a pH value control system on treated sewage based on ARM,embedded technology and PID control algorithm. Through utilizing ARM processor technology, issues like high cost, inefficiencyand lowaccuracy willbe solved. Meanwhile,difficultieslike updating system and coordinating software and hardware c

9、an also be overcame. Whats more, seven-segment PID control algorithmis used to revise a nonlinear control system to a linear control system, which settled the problem of nonlinearity during the controlling process of pH value.Combining withthe improved digitalPIDcontrol algorithmand the second secti

10、on nonlinear controller, this thesis put forward the seven-segment variable gain PID control algorithm based on the theoreticalanalysis of the pH value controlling process of treated sewage. A simulated contrastive analysis was conducted between this algorithm and regular PID control algorithm by us

11、ing Matlab. Results showed that the seven-segment variable gain PID control algorithm achieved a good control effect in the pH value control system of treated sewage, which is an ideal intelligent control scheme. The control unit of the system is ARMS3C6410 microprocessor from Samsung Corporation. H

12、ardware design includes the selection of the sensor and the transmitter of pH value and the design of functional modules such as a power management module, DAC module, a serial communication module, a motor driver module; software design includes the transplant of the Linux Real Time Operating PAGE

13、* ROMAN VIISystem and the compilation of corresponding program of hardware drive and seven- segment variable gain PID control algorithm.Thisthesis designed apHvalue controlsystem oftreated sewage which successfully solved the problem ofthe nonlinearityofthe pHvalue, metthe requirements of pH control

14、. It has great social benefits and economic benefits and can play an important role in sewage treatment in China.Key Words: Wastewater Treatment; pH Value; Seven-segment varying gain PID; ARM; S3C6410.目录目录第 1 章绪论 11.1 课题研究背景 1.1.2 课题研究目的与意义2.1.3 国内外研究现状与发展趋势 国外研究现状 国内研究现状 4.1.4 论文研究的主

15、要内容与创新4.第 2 章嵌入式系统与 ARM 技术 6.2.1 嵌入式系统 嵌入式系统定义及特点 嵌入式操作系统7.2.2 ARM 技术 ARM 处理器特点 ARM 处理器体系结构 ARM 处理器工作状态和运行模式8.第 3 章系统过程分析与总体方案设计1 03.1 pH 值定义及其中和过程1 03.1.1 pH 值定义 1 酸碱中和过程 1 0. HYPERLINK l _TOC_250004 3.2 污水处理中和过程机理及特点分析1 1 HYPERLINK l _TOC_250003 3.2.1

16、污水处理中和过程机理1 1 HYPERLINK l _TOC_250002 3.2.2 污水处理中和过程特点1 43.3 污水处理 pH 值控制系统总体方案设计1.5 HYPERLINK l _TOC_250001 第 4 章污水处理控制算法选取与系统仿真1 74.1 常规 PID 控制算法 1 74.1.1 PID 控制基本原理 1 74.1.2 数字 PID 控制算法 改进的数字 PID 控制算法 1 94.2 七段式变增益PID 控制算法 2 04.3 基于 Matlab 系统仿真 2 34.3.1 仿真工具 2 3. HYPERLINK l _TOC_250000 4.

17、3.2 控制系统仿真研究2 44.4 本章小结 2 9.第 5 章系统硬件设计与实现3 0.5.1 系统硬件整体设计方案3 05.2 pH 值传感器 3 0.5.3 pH 值变送器 3 1.5.4 电源管理模块 3 2.5.5 S3C6410 开发板 3 ARM1176JZF-S 3 65.5.2 电源电路 3 晶振电路 3 ADC 模块 3 存储器子系统 3 人机交换模块 4 JTAG 接口电路 4 35.6 DAC 模块4 4.5.7 串行通信模块 4 4.5.8 电机驱动模块 4 5.5.9

18、本章小结 4 7.第 6 章系统软件设计与实现4 8.6.1 软件设计方案 4 8.6.2 软件开发基本流程与特点4 86.3 软件开发环境 4 9.6.4 软件开发模块 5 系统工作流程分析5.06.4.2 系统初始化程序设计5 16.4.3 linux 操作系统的移植5 26.4.4 定时器中断程序设计5 46.4.5 串行通信程序设计5 56.4.6 A/D 转换程序设计 5 76.4.7 pH 值控制算法程序设计5 86.4.8 LCD 程序设计 5 PWM 电磁阀驱动程序设计 6 16.5 本章小结 6 2.第 7 章结论 总结 6.3

19、.7.2 展望 6.4.致谢 6.5.参考文献 6.6.第 1 章绪论 PAGE 43第 1 章绪论课题研究背景水乃生命之源，是人类及一切生物赖以生存的必备物质，同时也是大自然赐予人类的宝物，它能滋润世间万物。然而，中国水资源面临最严峻的问题，主要表现在水资源供不应求和水污染相当严重两个方面1 ：水资源供不应求主要体现在中国水情之上，虽然中国水资源总量高达两万八千亿立方米左右，全球水资源总量排名第六，可是人均水量仅有两千二百立方米左右，仅占全球人均水量的四分之一；水污染严重主要根源在于污水排放量日益增长，然而污水处理厂数目偏少及处理效率偏低。目前，水资源问题已经成为中国社会经济可持续发展首要解

20、决问题的重中 之重。为了妥善的解决水资源问题，应当从以下三方面抓起：首先，倡导大家 节约用水，杜绝水资源的浪费；其次，提高水资源利用率，达到水资源综合利 用2 ；最后，做好水污染防治工作，严格控制污水排放量，提高污水处理效率。这样，污水处理就成了在污水排放之前一项非常重要工作。污水处理控制包括 对多个参数的控制， 其中污水 pH 值是一个非常重要的控制参数，国家工业废水排放的标准 pH 值范围是 6.5 8.5。在化学、制药、造纸、冶炼和其他工业生产排放的工业废水中往往包含大量的有毒物质，所以水的实际 pH 值远远偏离指定范围的 pH 值3 。因此，在污水排放前首先应该做好pH 值检测工作，紧

21、接着依据检测数据向其中添加适量中和剂进行中和反应，循环 pH 值检测操作和中和剂添加操作，直到 pH 值达到国家工业污水排放标准范围为止。因此，酸碱中和过程中 pH 值的控制是整个污水处理系统的重点，其pH 值控制效率决定了污水处理效果。当前，国内各行各业的发展都逐步采用计算机科学技术，在工业生产方面表现尤为突出，经过工业自动化技术与计算机控制技术融合在一起后孕育了新型现代化工业生产。在现代化工业生产中大量引用微控制处理器对整个系统进行智能控制，嵌入式系统就是其中的一种，它具备成本低、灵活易操作及组态简单等非常鲜明的优点。可以实现被控对象的技术指标大幅度提升，无论是产品的产量还是产品的质量都有

22、一个质的飞跃，未来在解决工业生产控制问题上采用嵌入式系统控制将成为首先方案。课题研究目的与意义在工业污水排放监测环节中，污水的pH 值一直都是环保局重点监测对象。经过多年的监测得出一个重要的结论，污水处理酸碱中和过程中存在着非常严重的非线性特点，其非线性特性主要体现如下：当污水的pH 值在中和值临近位置时，只要向污水中添加微量的中和剂溶液就能引起pH 值大幅度改变，可以归结为在中和值临近位置处pH 值变化增益非常大；反之，当污水的pH 值在离中和值较远位置时， 需要向污水中添加足够量的中和剂溶液才能引起pH 值小幅度改变，可以归结为在离中和值较远位置处pH 值变化增益相当小。由此可见，随着污水

23、的 pH 值不同 pH 值变化增益也相应地发生显著改变，充分体现了中和过程的非线性特点，这也成了污水处理中和过程pH 值控制的最大阻力。除此之外，污水处理中和环节进行环境大多数选择在循环管道或特大容器中，在实际操作中可能存在溶液酸碱性分布不均匀，造成了中和过程具有时滞性特点，与此同时，混合液化学成分、杂质含量及外界温度等因素也会给中和过程带来不可轻视的影响。 这一系列因素对污水处理中和过程中的pH 值控制增加了难度，使 pH 值控制成为了特别难以控制的变量之一。因此，研究污水处理过程中 pH 值控制拥有特别重要的实践价值。要实现有效控制污水处理过程中pH 值的目标，首要的任务是解决pH 值变化

24、的非线性问题。假如依然采用常规的PID 控制算法对其进行控制，可能会存在控制反应速度慢、控制精准度低等缺点，甚至会出现震荡现象，很难达到预想的理想状态。因此，非常必要选择一种优异的控制算法对pH 值进行控制。本文全面的分析了pH 值中和过程反应机理及其特性，针对pH 值中和过程特性曲线，在改进的数字 PID 控制算法基础上设计出一种七段式变增益PID 控制算法。通过采用 Matlab 仿真技术对基于七段式变增益PID 控制算法的控制系统进行系统仿真并与基于常规PID 控制算法的控制系统仿真结果进行对比。该控制系统中控制器的设计是分别基于硬件和软件两个平台之上，通过采用 ARM1176JZF-S

25、 为内核的 S3C6410X 处理器搭建的硬件平台，使用嵌入式linux 操作系统为软件平台实现 pH 值控制器的设计。基于ARM的污水处理 pH 值控制系统的设计大大提高了系统的稳定性和系统的控制精度，改善了系统的响应速度。国内外研究现状与发展趋势国外研究现状1907 年丹麦科学家索伦森首次提出pH 值的概念， 从此人们对 pH 值的定义有所认识并开始不断探索和研究pH 值测量方法。在国外对pH 值控制的研究始于 1950 年左右，由此可见对pH 控制的研究已经变成了一个陈旧课题。尽管研究年限长，但是要达到控制成本低、效果好的目的，却始终是一个难题。根本原因是中和过程中 pH 值的变化趋势呈

26、现出严重的非线性及时滞性等特点，因此，pH 值控制最大的难点就是如何解决pH 值变化过程中的非线性和滞后性。1972 年 McAvoy T J. 最先提出 pH 中和过程的动态数学模型，该模型为研究pH 值控制问题之路奠定了理论基础，并已经通过实验结果获得验证4 ；1973 年Shinskey F.Gregg在Process Control System Application, Design, and Tuning报告中讲述了工业生产过程场合中pH 值控制环节的相关知识 5 ，并尝试使用增益自适应 PI 控制器来处理中和点临近的高增益困难，实验结果表明取得了较理想的效果6 ；1983 年 G

27、ustafsson T K通过电荷中和平衡与质能守恒定律相结合，基于 pH 值中和过程的动态模型基础之上提出一种pH 值中和过程的通用模型 7 ； 1992 年 Gustafsson T.K. 提出了非线性自适应控制算法，设计出一种采用线性拟合方案的非线性控制器，控制器的原理是利用直接估计与间接参数估计的结构来完成对缓冲液体变化趋势的估算工作，但是该算法设计过程相当繁杂，可行性非常差 8 ； 1993 年林景晔提出了一种增益参数自整定控制方案，根据对不同的缓冲液的浓度、反应物的浓度和化学电离平衡常数等预知参数的实时估算， 并且采用一步超前控制规律对其进行控制，仿真结果证明该方案取得了较好的动态

28、控制性能， 但是由于对控制要求相当高，控制性能随pH 值的变化增益改变发生明显下降 9 ； 1995 年 Astrom.K.J、Wittemark.B.等人研究了强酸与强碱型中和反应的自适应控制器10；1995 年 Sung S.W.利用设定值更动的控制方法辩别模 型曲线，实现对pH 值中和过程中的时变特性与非线性的补偿11 ；1996 年 Hu X 和 R.papa 等人对比研究了基于无模型的控制器和有模型的控制器在pH 值中和过程中的控制效果 12；2004 年 Jose A.提出了基于多模型线性实时控制算法的pH值中和过程方案，分析了多模型线性实时控制中的多种自适应机制原理，并与自调整

29、PI 控制器及传统 PI 控制器进行了对比研究 13。国内研究现状在国内先进控制算法被大量应用到pH 值控制过程中， 先进控制算法主要包括 PID 控制算法、现代控制算法和智能控制算法等。1997 年杨翠蓉、庞全等人设计了一种基于模糊神经控制算法的pH 值控制器， 并完成了相关理论分析及数字仿真，然而，由于该算法过程的复杂性导致无法在实际工程应用中实现14； 1998 年孙西等人提出一种双线性反应机理模型，并设计出了一种基于双线性自适应控制算法的化学品生产中结晶的pH 值中和过程控制系统 15； 2003 年赵彦华等人设计出一种基于模糊前馈控制与变增益PID 相结合的算法的废水处理pH 值中和

30、过程控制系统 16 ；2008 年梅林等人采用模糊控制和PID 控制理论相结合的方法，提出一种基于模糊自适应PID 控制的污水处理系统，该系统的硬件平台采用 MSP430F149 型号单片机作为处理器核心， 实现了简单的 pH 值控制功能17 ；2011 年陈仕彬、王树东等人将专家控制与传统PID 算法相结合，设计出一种基于专家 PID 控制算法的污水处理pH 值控制系统 18 。目前，国内工业生产中选用的pH 值控制器绝大部分都是基于PLC 或者单片机硬件平台，采用单回路控制器或结合简单的控制算法等装置。这些装置常常存在稳定性偏弱、控制精度不够高、结构相当复杂、投资十分高等缺点。论文研究的主

31、要内容与创新论文主要研究内容：首先，阐述了嵌入式系统与 ARM 技术；然后，讲述了pH 值定义与中和过程反应机理及其特性，并提出了污水处理 pH 值控制系统总体方案；最后，介绍几种控制算法的原理，提出一种新的控制算法即七段式变增益 PID 控制算法 ,采用 Matlab 软件对该算法进行了系统仿真并与其它算法仿真结果进行对比。 基于功能非常强大的ARM 处理器硬件平台之上， 开发出一套崭新的 pH 值控制系统，从根本上解决了pH 值控制非线性难题。本文研究内容结构如下：第一章：首先介绍污水处理pH 值控制研究背景、目的及意义，然后讲述了国内外研究现状及发展趋势；第二章：概述了嵌入式定义及特点、

32、 嵌入式操作系统、Linux 操作系统、ARM 处理器特点、 ARM 处理器体系结构、 ARM 处理器工作状态和运行模式；第三章：概括了 pH 值定义及中和过程定义，以及中和过程的机理与特性， 然后，提出了污水处理pH 值控制系统总体方案；第四章：介绍了几种常用PID 控制算法并提出七段式变增益PID 控制算法， 然后，利用 Matlab 软件对该算法进行了系统仿真并与其它PID 算法仿真结果进行对比分析；第五章：提出了系统硬件整体设计方案，并分别讲述了硬件模块电路及相关参数；第六章：重点讲述了系统的软件设计及实现，主要从软件设计方案、软件开发环境、软件开发模块三个方向进行了详细的分析；第七章

33、：论文最后结论部分对本文主要研究内容做了全面的总结，指点了整个设计过程的缺点与难点，点明了研究结论和未来研究方向。第 2 章嵌入式系统与ARM 技术第 2 章嵌入式系统与ARM技术2.1 嵌入式系统2.1.1 嵌入式系统定义及特点（ 1）嵌入式系统定义嵌入式系统定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪、适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统19 。嵌入式系统主要包括嵌入式计算机系统和执行装置两部分20 。嵌入式计算机系统又包括应用程序、嵌入式操作系统、嵌入式CPU 与外围硬件设备、嵌入式硬件平台， 其结构图如图 2.1 所示；执行装置主要任务是接收嵌

34、入式计算机系统发出的命令并执行对应的操作，又称作为被控对象。（ 2）嵌入式系统特点图 2.1 嵌入式计算机系统结构图嵌入式系统是一种知识高度集成系统，它是由电子技术、半导体技术及 计算机技术等多个行业相互结合的产物，因此具备高度分散、 技术及资金高度集成等特征；嵌入式需要高效率的设计硬件和软件，必须做到除去冗余、量体裁衣的程度，只有这样才能对处理器的选择具有市场竞争力；嵌入式系统技术与实际应用产品融为一体，系统的更新升级与产品的更新换代几乎同步进行的，因此生命周期比较长；嵌入式程序运行速率要求非常快，可靠性要求相当高，因此软件存储需要固态存储，另外，软件代码的可靠性和代码质量都要求非常高；第

35、2 章嵌入式系统与ARM 技术嵌入式系统缺乏像通用计算机那样地自主开发能力，因此需要准备一套额外的开发工具和开发环境来完成嵌入式系统的开发工作。2.1.2 嵌入式操作系统）嵌入式操作系统的概述嵌入式操作系统是指应用于嵌入式系统中的操作系统，同时也是开发应用程序的开发环境 21。从结构方面分析，嵌入式操作系统属于嵌入式系统的软件系统，为上层的应用程序与底层的硬件系统之间的联系起到了桥梁作用，为上层应用程序提供各种驱动和硬件接口，促进了上层应用程序的再次开发；从成分方面分析，嵌入式操作系统主要包括系统内核、硬件驱动程序软件、通信协议、设备驱动程序接口及图形接口等；从功能方面分析，嵌入式操作一般具备

36、任务调度、中断机制、进程间同步、文件管理等功能22；从特点方面分析，嵌入式操作系统具有系统内核小、专用性强、系统精简、实效性高、多任务的操作系统等特点；从种类方面分析，当今相当流行的嵌入式操作系统有WinCE、Linux 、Vxwork 、Andorid 、IOS 等。） Linux 操作系统Linux 操作系统是一种代码开源和免费使用的类 Unix 操作系统；是一个基于 UNIX 及 POSIX 平台的多任务、 多用户、支持多处理器和多线程的操作系统； 是一个性能特别稳定的网络操作系统 23 。Linux 主要特性：完全免费 任何用户都可以通过互联网下载系统源代码，并可以根据自身需要修改其源

37、代码。正是因为如此，吸引了无数的程序对Linux 代码的修改，让 Linux 吸收了无数人的精华，不断完善，使Linux 操作系统成了一款非常受欢迎的嵌入式操作系统；兼容 POSIX1.0 标准 在 Linux 下可以采用相应的模拟器运行DOS、Windows 程序，在 Windows 中开发的程序员能快速入手Linux 开 发 ； 良好用户交互界面 同时具有字符界面及图形界面，字符界面通过输入指令进行相关操作，图形界面主要指X-Windows 系统；多用户、多任务 Linux支持多用户，各用户之间互不影响，与此同时， Linux 可以让多个程序同时运行并彼此独立；支持多种硬件平台 Linux

38、 可以在多种硬件平台上运行，例如x86 处理器、 Alpha 处理器、 SPARC 处理器等硬件平台。ARM 技术ARM （Advanced RISC Machines）有三种含义：第一种是一个公司的名字； 第二种是对微处理器的通称；第三种是代表一种技术24 。ARM处理器特点微型体积、较低成本、较低功耗、较高性能；支持 ARM （32 位）/Thumb（16 位）双指令集；采用大量寄存器，指令执行速率特别迅速；在寄存器中完成数据操作整个过程；具有固定的指令长度；灵巧的寻址方式，高效率。ARM处理器体系结构25处理器体系结构通常分复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（ RISC）两种

39、，在复杂指令集计算机指令集中，被重复使用的指令为所有指令的 1/5，占据整体程序代码的4/5，然而剩余的指令不经常使用。在精简指令集计算机指令集中，大部分是采用简单指令，很少见到复杂指令；寻址方式种 类偏少；指令格式偏少；固定的指令长度；大多数采用控制逻辑，减少微码控 制使用。ARM处理器工作状态和运行模式ARM 处理器工作状态通常分Thumb 状态和 ARM 状态两种： 当处理器处于Thumb 状态时， 执行 16bit 的半字节对齐的Thumb 指令；当处理器处于 ARM 状态时，执行 32bit 的字对齐的 ARM 指令26 。处理器可以在这两种工作状态之间 转换。 ARM 处理器支持七

40、种运行模式，具体运行模式如表2.1 所示。第 2 章嵌入式系统与ARM 技术表 2.1 ARM 处理器运行模式模式名称用户模式 (User, usr)管理模式 (Supervisor, sve)系统模式(System, sys)未定义指令模式(Undef, und) 数据访问终止模式(Abort, abt) 快速中断模式 (FIQ, fiq)外部中断模式(IRQ, irq)模式描述正常的程序执行所处的模式供操作系统使用的保护模式 运行具有特权的操作系统任务 当执行未定义指令时进入此模式用于虚拟存储及存储保护的模式用于高速数据传输和通道处理用于通常的中断处理第 3 章系统过程分析与总体方案设计第

41、 3 章系统过程分析与总体方案设计pH 值定义及其中和过程pH 值定义+-pHpH 值是用来标度溶液酸碱度的单位，pH 值即为溶液酸离子的活度， 其定义为以每升离子数表示的氢离子浓度的负对数，其表达式如(3.1)所示： HpHlog10或 H= 10(3.1)根据式 (3.1)可知任何已知氢离子浓度水溶液的pH 值，氢离子浓度指数一般在 014 范围内，当 pH 值等于 7 时，溶液呈显中性；当pH 值小于 7 时，溶液呈显酸性，其值越靠近0，溶液酸性强度越强；当pH 值大于 7 时，溶液呈显碱性，其值越靠近14，溶液碱性强度越强 27。当温度为 25时，水的离解平衡常数定义为 KW：KW H

42、 OH10 14(3.2)综合表达式 (3.1)和(3.2)可得出水溶液的氢氧根浓度OH-： OH10pH 14(3.3)pH 值是体现溶液酸碱性的关键参数， pH 值大小关系到溶液的物理及化学特性，精确检测及科学控制pH 值对工业生产具有十分重要的意义。酸碱中和过程酸碱中和过程的本质是碱性溶液离解出来的氢氧根离子遇酸性溶液离解出来的氢离子时发生反应生成水的过程28 。把溶液中满足 H+= OH-和 pH=7 两个条件的地方称为水的中和点。酸碱中和过程内嵌了一个电荷中和，即溶液离子带有等量异种电荷，在中和过程相互抵消达到溶液电荷保持平衡。目前，常用酸碱滴定法测量pH 值，酸碱滴定法的原理就是酸

43、碱中和反应。酸碱中和过程呈现出特别明显的非线性29 ，酸碱滴定曲线如图3.1 所示：从图中可以清晰地看到，当pH 值接近 7 时，被控对象的静态增益非常大，这时向 其中略加中和剂，会导致被控对象的pH 值发生显著改变，可归结为pH 值在水的中和点附近敏感度较高；当pH 值远离 7 时，被控对象的静态增益相当小，需要加入大量的中和剂， 才能引起被控对象的pH 值发生微微的变化， 可归结为 pH值远离水的中和点位置敏感度较低。故中和过程非线性特归结为：pH 值在水的中和点附近处灵敏度较高，而在远离水的中和点处灵敏度较低。由于在水的中和点附近处的过程增益极高（常常达到几千倍、乃至几万倍），因此对外界

44、的干扰特别敏感，哪怕再微小的干扰，都会导致动态过程发生显著地变化。图 3.1 酸碱滴定曲线污水处理中和过程机理及特点分析污水处理中和过程机理在实际工厂废水处理中的酸碱中和过程是一个相当繁杂的过程，大量研究者依据化学平衡定律及物质守恒定律，阐述了在连续搅拌反应釜系统（ Continuously Stirred Tank Reactor ）动态模型。具体的CSTR 系统模型如图3.2 所示，在该CSTR 系统模型上分析pH 中和过程的机理30 。图 3.2 CSTR 系统原理图图 3.2 中 F1、F2 分别表示污水流入反应釜中的酸(碱)流量和中和剂流入反应釜的碱(酸)流量； C1、C2 分别表示

45、污水中酸 (碱)的浓度和中和剂碱 (酸)的浓度； Xa、Xb 分别表示从反应釜中流出的污水中酸(碱)的总浓度和碱 (酸)的总浓度。连续搅拌反应釜系统模型的原理：首先，污水经过污水入口通道流入反应釜；然后，污水在反应釜中进行中和反应；最后，再经过污水出口通道流出反应釜。当污水流出反应釜时，在污水出口通道中测量污水的 pH 值，利用 pH 变送器转变成相应的电信号再传递给控制器，若污水出口通道中的污水 pH 7，溶液呈碱性，那么控制器会控制打开酸式剂阀，向反应釜中流入适量酸与其中和；不断循环上述两种操作，直到出口 处的污水 pH 值等于 7 为止。连续搅拌反应釜系统模型的理想条件：第一，反应釜容器

46、内处处恒温；第 二，反应釜内溶液充分混合。 CSTR 系统的整个控制系统模型包括动态和静态两种模型，动态模型讲述的是反应釜系统中化学成分的浓度的动态变化状况，静 态模型描述的是反应釜系统中化学成分的化学平衡。其动态模型表示如下：在反应釜中酸含量的变化等于污水在流入反应釜时含有酸的总量与在流出反应釜时含有酸的总量之差，其表达式如(3.4)所示：V dX a= F (t )C F (t )F (t ) X(3.4)1112adt同理，在反应釜中碱含量的变化等于污水在流入反应釜时含有碱的总量与在流出反应釜时含有碱的总量之差，其表达式如(3.5)所示：V dX b= F (t)C F (t )F (t

47、 ) X(3.5)2212bdt综合表达式 (3.4)与(3.5)，可得 CSTR 系统的动态控制模型：(3.6)结合(3.6)再令 m = Xa - Xb，化简可得式 (3.7)：V dm =(Cm) F(t )(C +m ) F(t)(3.7)1122dt其静态模型分不同化学机理分析如下31：强酸遇强碱模型强酸选择盐酸 (HCL) ，强碱选择氢氧化钠 (NaOH)，由电荷守恒定律知： H Na = CLOH(3.8)依据强酸强碱完全电离原则，表达式(3.8)可写为： HX bOHX a(3.9)综合(3.1)与(3.3)及(3.9)，可得 CSTR 系统的静态控制模型：X aX b HOH

48、10 pH10 pH 14(3.10)综合 CSTR 系统的两种控制模型，结合表达式(3.7)和(3.10)可得出强酸强碱CSTR 整体控制系统模型：dpH(C10 pH10pH14 )F (t)(C10 pH10pH14 )F (t)1122(3.11)dtV10 pHln1010pH 14ln10一元弱酸遇强碱模型一元弱酸选用醋酸 (HA) ，强碱选用氢氧化钠 (NaOH)。假设醋酸电离常数为KC。未电离的醋酸浓度 HA 与H+ 、A- 成正比例关系，与电离常数KC 成反比例关系。其表达式可表示为：HA = H + A- K C(3.12)Kc定义 pKC=-log10，依据质量守恒及电荷

49、中和条件，可得出一元弱酸与强碱的静态控制模型：XX apHb110pKCpH1010 pH 14(3.13)综合动态模型和静态模型，结合表达式(3.7)和(3.13)即可得出一元弱酸与强碱的 CSTR 控制系统整体模型。通用模型依据电荷中和条件及质量守恒定律分析CSTR 系统的控制模型，电荷中和条件： Im=0，I指的是电荷， m指的是离子 的量；质量守恒定律： A m= B，A指的是离子 中元素 的系数，B指元素 的总量。结合表达式 (3.7)即可得到任何 CSTR 系统模型通用形式。综上所述， CSTR 系统的动态控制模型表达式(3.7)是一个反映了酸碱浓度与控制量之间的动态关系的线性微分

50、方程，电荷中和条件和质量守恒定律共同决定了 pH 与氢离子浓度之间的静态对数关系的非线性代数方程，二者结合构成了CSTR 系统模型非线性动态过程。污水处理中和过程特点污水处理过程中的pH 值控制的理论基础是pH 中和过程，同时污水处理整个过程在一个非常特别的应用场合中进行，因此，污水处理中和过程不仅拥有 pH 中和过程的特点，还有其他一系列复杂的特性32。其特性表现如下：1、干扰性：控制过程最大干扰因素就是污水出口流量变化，污水出口流量是一个随机变量，存在着严重的不稳定性，对pH 控制带来很大的困扰；2、波动性：在未知污水源情况下，无法确定污水的酸碱性，污水在不同时刻呈现出不同的酸碱性，应付这

51、种情况时刻都需要准备两种中和剂；3、误差性：由溶液的混合均匀性、反应容器恒温性、仪器测量、传输时延和噪声等一系列因素给系统控制带来误差；4、不稳定性：污水处理过程的不稳定性主要表现在污水浓度不稳定，忽高忽低，造成添加的中和剂量难以精确估计；5、不确定性： 污水处理过程的不确定性主要表现在对象的反应曲线不确定，原因在于污水中所含的酸碱的成分十分复杂。3.3 污水处理 pH 值控制系统总体方案设计本文设计的 pH 值控制系统采用双层CPU 分布式结构方案，主要由下位机和上位机两部分组成。其中下位机的核心是变增益控制器，主要功能包括处理相关参数、选择控制算法、决策控制量输出及通道选择及完成与上位机之

52、间的通信等。上位机核心是一个远程监控系统，主要完成现场数据显示与存储及对系统进行实时监控等功能。 采用本文设计的 pH 值控制系统可以达到对污水的pH值进行实时的测量与监控目标，把污水的水进行排放。pH 值控制在规定的范围内，然后对污图 3.3 pH 值控制系统整体框图其系统整体构架如图3.3 所示。下位机操作主要步骤如下：首先，在污水输出通道中使用 pH 值传感器对污水的pH 值进行采集，采集完后把数据传送给pH 值变送器； 然后， pH 值变送器把数据转换成相对应pH 值电信号， 再把 pH 值电信号传递给控制器；最后，变增益控制器根据接收到的pH 值电信号来决策控制量输出及通道选择。如果

53、污水输出通道中的污水呈现酸性，则变增益控制器会控制执行机构选择输出控制通道A ，碱式灌阀门自动打开， 碱式灌中碱性溶液会流入污水处理容器中，不断的与污水中的酸性溶液发生中和反应使得污水的pH 值靠近 7，碱性溶液流量由污水输出通道中污水的pH 值决定；如果污水输出通道中的污水呈现碱性， 则变增益控制器会控制执行机构选择输出控制通道B，酸式灌阀门自动打开，酸式灌中酸性溶液会流入污水处理容器中，不断的与污水中的碱性溶液发生中和反应使得污水的pH 值靠近 7，酸性溶液流量由污水输出通道中污水的 pH 值决定。无论污水呈酸性还是呈碱性，经过该pH 值控制系统多次循环处理后，污水的pH 值将逐渐靠近pH

54、 值控制目标，实现对pH 值控制的功能。下位机最后把pH 值数据打包利用RS-232 总线通信传达到上位机，上位机监控中心主要完成显示数据、实时监控及存储回调历史数据等工作。第 4 章污水处理控制算法选取与系统仿真第 4 章污水处理控制算法选取与系统仿真常规 PID 控制算法PID 控制基本原理PID 控制系统包括 PID 控制器和被控对象两部分，其结构图如图4.1 所示：图 4.1 PID 控制系统原理框图PID 控制定义： 联合偏差比例 (P)、偏差积分 (I) 及偏差微分 (D) 三者的控制 33 。实际输出值 y(t)与给定值 r(t)之间的偏差造成偏差值e(t)，表达式如 (4.1)

55、所示：e(t)r (t)y(t)(4.1)把 e(t)按 P、I 、D 三种形式采用线性组合方式生成控制量 u(t)，然后对被控对象进行控制，即称作 PID 控制器。由 PID 控制器定义可知 PID 控制器属于线性控制器，偏差的比例、积分及微分具体线性关系如表达式 (4.2)所示：u(t )K P e(t)1te(t )dtTDTI0de(t) dt(4.2)式中 u(t)为调节器的输出； e(t)为调节器的偏差； Kp 是调节器的比例系数；TI 是调节器的积分时间常数；TD 是调节器的微分时间常数。PID 控制器各控制环节的作用如下：比例部分：比例调节作用是把系统的偏差成比例的放大。只要偏

56、差开始产生，无论偏差多么微小， 控制器都会在第一时间内对其做出控制反应， 朝着偏差减少的方向作用，比例系统数Kp 决定作用大小；积分部分：积分调节作用是最优化的消灭系统稳态误差，积分调节与系统稳态误差同存亡，积分调节作用的强弱取决于积分时间常数；微分部分：微分调节作用是预测偏差信号的变化趋势，把偏差消灭在萌芽的摇篮之中，由此可见，大大地增加了系统的稳定性。此外，微分调节不会单独作用，常常与比例调节或积分调节结合使用。数字 PID控制算法随着计算机的快速发展，越来越多计算机控制系统应用于PID 控制系统中。由于计算机控制系统属于采样控制系统，它无法处理模拟PID 控制算法中的连续控制量，因此，需

57、要对连续控制量进行离散化处理。把经过离散化处理后的PID 控制算法定义为数字PID 控制算法，它包括位置式和增量式两种PID 控制算法34。）位置式 PID 控制算法参照 PID 控制原理，连续时间t 用一联串的采样时刻点kT 取代，把连续系统的微分方程替换成离散系统的差分方程，可得算法的积分项与微分项：tkke(t )dte(0jT )tTe( j )(4.3)j 0j 0de(t)e(kT )e( k1)T )e(k)e( k1)(4.4)dttT将离散化的积分项和微分项都代入公式(4.2)中，得控制输出u(k)：u(k)KP e( k)TkTIj 0e( j )TD e(k) Te( k

58、1)(4.5)式中 T 是采样周期； e(k)为第 k 次采样时的偏差； u(k)为调节器在第k 次采样时的控制输出。 执行机构由控制输出u(k)直接进行控制， 且执行机构的位置与u(k)的值具有一一对应关系，故称该算法为位置式PID 控制算法。）增量式 PID 控制算法由式(4.5)可知调节器在第 (k-1)次采样时的控制输出u(k-1)如下：u( k1)k 1K e(k1)Te( j )TD e(ke(k2)(4.6)PTTu(k )K P e(k)e(kIj1)T TI0e(k )TD e( k)2e( k T1)e(k2)(4.7)控制算法中执行机构位置增量与调节器的控制输出增量u(k

59、)值具有一一对应关系，故称该算法为增量式PID 控制算法。改进的数字PID控制算法（1）不完全微分的 PID 控制算法在 PID 控制器各控制环节中，微分控制环节具有改善系统动态特性的功能， 但同时也放大了高频噪声，会导致调节时间延长、控制过程过度振荡。在系统 控制过程中，执行机构的做出相应动作所消耗时间称执行时间，假如调节时间 过长这样造成执行时间必然会减短。短时间内执行效果可能不充分，会引起输出失真。为了改善这种失真，特意在常规的PID 控制算法中微分控制环节添加一个低通滤波器构成一种不完全微分PID 控制算法 35 ，其原理框图如图 4.2所示。图 4.2 不完全微分PID 控制系统原理

60、框图低通滤波器的传递函数为Gf s11+T f s，常规 PID 控制器的传递函数G( s)U (s)K(11T s)(4.8)E(s)PDTI s不完全微分 PID 控制器的传递函数U (s)=(KP +KP +KP TD s) E(s)=UP ( s) +UI ( s) +UD ( s)(4.9)TI s1+T f s将上式离散化得u(k )u P (k)u I (k)u D (k)(4.10)由此可知微分部分uD ( k)uD(k)KPTD s E(s)(4.11)1Tf s改写成微分方程u(t)Tfdu D (t )dtK TP Dde(t )dt(4.12)取采样时间为 T，将式 (