基于matlab的PH值仿真

1、自动化工程训练报告一、设计题目基于matlab的PH值过程控制系统综合实验应用开发与仿真，有针对性的进行方案确定和设计。选题2：传递函数1）酸碱控制系统采用相同的阀门等控制元器件，其传递函数为2）PH计检测传递函数为G(s)=3e-2s二、基本原理 pH控制系统子工业，尤其是化工等行业，应用非常广泛。利用pH控制可以实现化工过程的正常生产过程、造纸厂等化工厂废液达标排放等。1. pH的特点PH控制系统的主要方式有：有一种碱（或酸）滴定另一种物质使pH值保持在某一值上；对两种分别呈酸性和碱性物质的流量进行控制使pH值保持在某一值上；控制两种物质使混合溶液保持在一定的pH值上。PH控制和其他控制参

2、数的不同主要有以下两点：l PH滴定曲线的高度非线性；l 滴定过程的测量纯滞后特性。图01为典型的酸碱滴定特性曲线。 图01 典型的酸碱滴定特性曲线从图01知，溶液的pH值随中和流量非线性变化。显然在控制系统中将pH值的变化转化为中和反应。酸碱的控制流量变化，是根据滴定特性曲线进行的。 将滴定特性曲线转化为酸碱流量变化规律的方法l 利用非线性阀补偿过程的非线性；l 采用三段式滴定调节器，用三条相接的线性段代替非线性滴定曲线；l 采用滴定曲线的非线性调节器精确描述滴定曲线。 随着技术的进步，利用非线性阀补偿滴定曲线非线性用的越来越少；而基于计算机功能元器件或计算机的第二种方法和第三种方法应用越来

3、越多。 对滞后的补偿常采用以下三种方法：l 微分Smith补偿方法，由于该方法本身适应能力较差，较少使用；l 改进的Smith补偿方法；l 自适应方法，应用较多的是增益自适应的Smith法。 为了提高控制系统的误差跟踪能力，pH控制系统经常采用的控制策略是PI或PID，不能采用P调节。2. 三段式非线性调节器和采用滴定曲线的非线性调节器（1） 三段式非线性调节器 实际中，酸碱中和后通过pH计测得pH值的大小，控制系统当前pH值大小折算成溶液中酸碱量的多少，并调节系统酸碱流量的大小实现要求的pH值。可见，在控制中滴定曲线用了来将pH值的变化转化为酸碱量的变化。所谓非线性调节器即是用三段相接的直线

4、构成的折线近似滴定曲线，如图02（a）所示。图02（b）为图02的滴定曲线转换为完全中和时的三段式线性调节器。 （2）采用滴定曲线的非线性调节器 采用滴定曲线的非线性调节器，即将滴定曲线说描述的函数关系利用现代的非线性函数器或计算机精确描述出来，尤其是计算机可利用查表或程序等手段叫精确地描述。3. PH滴定曲线的跟一般情况 实际的酸碱中和既同酸碱流量有关有和浓度等有关，一般情况下酸或碱的滴定特性不同，如图03所示。该滴定曲线经常应用在化工厂的废液处理中。针对废液的酸碱程度及浓度的变化，控制NaOH和实现对废液的中和，废液中和处理系统简图如图04所示。 03 pH滴定曲线的一般情况 图04 废液

5、中和处理系统简图对这种情况，处理中可采用直线近似代替滴定曲线的具体方法，和典型滴定曲线处理中三段式直线代替滴定曲线类似。三、设计过程（一）pH值控制系统Simulink仿真 化工过程简图如下图所示。 1. 系统辨识系统中酸碱控制系统采用相同的阀门等控制元件，其传递函数为：pH计检测传递函数为：经滴定实验确定滴定曲线及三段式折线如下图 折线坐标：左段直线端点坐标（0.1，11.7），（1.43，10.75）；中段直线点坐标（1.43，10.75），（1.57，3.35）；左段直线端点坐标（1.57，3.35），（2.5，2.5）。2. 系统控制参数整定由于酸碱流量控制系统的开环被控对象传递函数一

6、样，故参数也整定一样。采用试误法整定控制参数。参数整定Simulink框图如图（a）所示，其中比例积分模块的结构如图（b）所示。当Kp=5，Ki=1时，系统阶跃响应如图（c）所示，图中上半部分为阶跃响应，下半部分为阶跃输出。（a） 参数整定Simulink框图 （b） 比例积分模块结构框图 （c） 参数整定阶跃响应3. 滴定曲线在控制中的应用滴定曲线在控制系统仿真中的应用有两个；一是实现溶液流量比转换为PH值；另一个是实现PH值转换为溶液流量比。这两个应用均为Simulink中曲线查询功能实现。首先，在滴定特性曲线上取若干点，并给定坐标值；然后将这些坐标值 输入到查表功能模块中。填入数据如图0

7、8和图09所示。图08 溶液酸碱比转化pH值时查表模块部分填入数据 图09 pH值转化溶液酸碱比时查表模块部分填入数两个模块实现的功能可用图10仿真。(a) 溶液酸碱比转化pH值 （b）pH值转化溶液酸碱比图10 模块功能仿真验证仿真结果如图11所示。（a）溶液酸碱比转化pH值 （b）pH值转化溶液酸碱比 图11 模块功能仿真结果设碱的流量设定值为10，PH设定值为7，系统所受干扰为幅值为0.5的随即干扰，系统仿真框图和仿真结果如图12所示，图中由上至下依次为酸流量波形，碱的实际流量波形，减流量设定值波形，PH值设定值波形，实际PH值波形，干扰波形。（a） pH控制系统Simulink仿真框图

8、 （b） pH控制系统Simulink仿真结果图12 pH控制系统Simulink仿真由图12知，系统跟踪过程稳定，响应速度较快。4.进行鲁棒性分析在图12(a)中仅考虑函数延时常数变化±10%时系统鲁棒性，其他参数变化分析方法类似。系统仿真框图及仿真结果如图13所示。其中图13(a)为系统仿真框图，改变图13(a)中“Constant”的值（在此可选择11个值，对应11个不同延时常数）经运行后在工作空间绘图即可得到图13(b)的仿真结果，其中由上到下依次是酸流量波形、碱的实际流量波形、实际pH值波形。 (a) 仿真框图 (b)仿真结果图13 pH值控制系统鲁棒性分析分析图12(b)

9、仿真结果并和图13(b)对照，可见随着延时常数变化，系统各个输出没有明显变化，没有改变系统的稳定性和精确性，说明系统在延时常数变化时仍能正常工作，系统的鲁棒性较强。（二）利用三段线性近似实现对pH值控制系统仿真虽然对滴定曲线线性近似比非线性精度差，但是线性近似在应用中计算速度快，更适于实时控制；另外，滴定曲线随着浓度、流量等条件变化，甚至有时会畸变。所以，采用非线性调节器在实际工程中不一定是最好的选择。1.利用三段线性近似pH值与物料酸碱流量关系三段线性近似采用Simulink中查表功能模块实现。即将三段直线的起点和终点坐标带入即可。三段填入数据如图14所示。 图14 三段式直线查表模块填入数

10、据利用三段直线段构造由pH值转化为混合物比例的Simulink框图如图15(a)所示，其中加入斜坡输入和XY绘图仪验证所构造关系正确性，验证结果如图15(b)所示。 (a)仿真框图 (b)仿真结果图15 利用三段直线段构造由pH值转化为混合物比例关系2.控制系统Simulink仿真仿真框图如图16(a)所示，pH值转换滴定液比值结构如图16(b)所示，仿真结果如图16(c)所示。对比图12(b)和图16(c)可知，两种方法仿真结果在精度、稳定性、反应速度等方面基本一致。(a) 控制系统Simulink仿真框图(b) pH值转换滴定液比值模块结构 (c) 控制系统Simulink仿真结果图16

11、控制系统Simulink仿真3.鲁棒性分析在图16(a)中仅考虑函数延时常数变化±10%时系统鲁棒性，其他参数变化分析方法类似。系统仿真框图及仿真结果如图17所示。其中图17(a)为系统仿真框图，改变图17(a)中“Constant”的值（在此可选择11个值，对应11个不同延时常数）经运行后在工作空间绘图即可得到图17(b)的仿真结果，其中由上到下依次是酸流量波形、碱的实际流量波形、实际pH值波形。(a) 仿真框图 (b) 仿真结果图17 pH值控制系统鲁棒分析仿真分析图17(b)仿真结果并和图16(c)对照，可见随着延时常数变化，系统各个输出没有明显变化，没有改变系统的稳定性和精确性，说明系统在延时常数变化时仍能正常工作，系统的鲁棒性较强。四、心得体会通过这次课程设计，我们进一步巩固了课堂上所学的理论知识，并应用于实践，了解了过程控制系统设计的相关步骤。在设计过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在进行课程设计时，我们学会了很多学习的