自动化专业外文翻译--化工废水自动化处理系统的控制器设计与分析

1、.中文译文：2008年第十届国际控制、自动化、机器人与计算机视觉会议 越南河内 2008年12月1720日化工废水自动化处理系统的控制器设计与分析ANIRUDHA UPADHYAY，ABHISHEK AGARWAL韦洛尔大学电力科学学院电子与仪表工程系 印度泰米尔纳德邦韦洛尔摘要本文包括了化工废水处理厂的自动控制设计及其基于美国国家仪器公司开发的图形化编程软件LabVIEW的分析。此数学模型用于控制器设计并描述了化工废水处理厂物理-化学的各个方面。执行Cohen-Coon算法减化了传递函数的推导。闭环过程控制通过控制净化器进水流量维持了设置点的浓度从而提供了最佳效率。本系统实现的PID耦合死区

2、时间补偿器使有害废水的浓度维持在最佳浓度之下。前馈控制器通过测量输入量的浓度能够预测反应器中的温度。此外，串级控制通过控制冷却水流量实现了对反应器核心温度的控制作用。传感器的设置和集中控制也有利于实现全厂的自动化。 关键词传递函数，闭环过程控制，PID，前馈，串级，死区时间补偿器，Cohen-coon，LabVIEW。I. 引言 目前，在世界上先进及现代化的工业中，几乎所有的制造业和化工工业中都会产生成分中含有有害化学物质的废水。因此，非常有必要去处理这些废水，以减少它们的有害作用，使之适用于进一步的工业和农业应用。现在的劳动密集型化工废水处理厂都采用人工操作，所以实现自动化有利于减少化学品的

3、毒性，并且能够节省大量的时间和成本。对此，本文提出了一种能够实现全厂工艺计算机化的先进过程控制算法。控制器被用于控制水处理的流程步骤中，其中包括PID、前馈和串级控制器。这些控制器是在实时平台LabVIEW 上被设计和仿真，用来控制水流量和工厂中的温度，包括锅炉用水和冷却水。全厂因可靠和可测试的过程控制决策带来了变革，从而实现了系统的电脑化，并将使工厂的效率高增长。此外，在节省劳动力和时间的同时，健康的脆弱性也将被消弱。II. 工厂描述化工废水处理系统相当于是一个减少有害废水的净水器。本文所研究的工厂是一个典型的采用试剂对水处理的物理化学废水处理厂。未经处理的工业废水首先被过滤以除去颗粒和其他

4、粒子，之后被送入预热器，在那里废水被加热到一个在试剂作用下能够产生化学反应的温度，然后被倒入主锅炉中。在锅炉中轻轻倒入试剂，接着混合液被加热到设定温度。不断地测量浓度，当达到设定极限，废水被倒出来。整个过程采用手动控制阀门的开关来实现控制，浓度的测量采用滴定法和化学探针。这种方法需持续监控，导致了高成本，大量劳动力和低效率。此外工厂中的一些地方对人来说是无法达到的，同时有害化学品的介入对人体健康也是有害的。本文完整地提出了一种控制化工废水处理厂工艺过程的全自动解决方案。水流量，锅炉加热温度和冷却水的温度流量都是依靠化工废水的输入输出浓度和加热温度来被调控。（在串级控制器的情况下）III.数学模

5、型 工厂的数学模型是基于同步获得的随机输入输出信号的特点。这个构想已经被应用到定常线性动态化工处理厂中，其模型是由加权函数和传递函数描述的。该工厂的加权函数是由采用积分Wiener-Hopf方程求得输入的自相关函数和输入输出的互相关函数确定的。传递函数涉及到加权函数的拉普拉斯变换。 (1) 在参考1中实现的方法对于广大工业用户去推导化工废水处理厂的传递函数是简单，有效和可行的，因为它采用了标准的数学方法并且通过含有时域和频域动态特性的确定的平均数学模型描述了整个系统。该方法还可以构建一个粗略的结构，这对于一个真实的化工废水处理厂的综合和分析是很有必要的。本文提出的控制相关参数如输出浓度，反应器

6、温度，流量，冷却水温度和处理厂流量的设计的输入输出关系是由传递函数决定的。在设计中，先进的过程控制算法和控制技术被采用，并且通过实时工业数据表可以进行分析工作。 IV. 系统设置化工废水处理厂包括嵌有流量传感器的输入管道，在净化装置前端放置一个密度传感器，PID、串级、前馈控制器和反应器一起构成了净化装置。输出管道也设置了密度计和流量传感器，整个自动化工厂都是由PLC控制的。此外，输出单元还包括了一个废弃物分离器和一个固体干燥器，他们的用途是把废弃物从废水中分离出来并且加热干燥用于进一步的工业应用中。图-1 自动化化工废水处理厂设计布局附控制器和传感器S1,S2,S3,S4流量传感器 P1，P

7、2密度计 PLC可编程控制器图-1展示了自动化化工废水处理厂的整体结构，所用的控制器和传感器都在图上显示。图-2提供了用于控制输出浓度的控制器安装的设计方案，被指出的控制算法用于分析所用。图-2 控制器设计V. 工作及分析 普通化工处理厂及对其的分析是没有控制作用，其系统是三阶的并且高度不稳定。传递函数可表述为公式（1） （2）该模型考虑了原水和处理后水的四个主要指标的相互关系，借助随机的相关函数统计平均值，通过分析该过程传递函数被减少为一阶系统。Cohen-coon法能够减少阶数，PID增益也是通过Cohen-coon公式进行计算。 （3） （4） （5） Cohen-coon参数整定运用过

8、程反映曲线方法来确定控制器的增益。直接阶跃变化送入末级控制单元，输出和时间的曲线如图-3所示。三个计算的参数：静态增益K，死区时间，时间常数t图-3 COHEN-COON参数整定方法面板从图计算可得K=0.09；t=3.0；，因此分析可得该系统从三阶减少为一阶。 （6）PID增益利用公式得到：输出浓度利用密度传感器P2测量，反应器中包含了一个耦合死区时间补偿器的PID控制器，PID中有比例、积分、微分三种控制模式。其分析表述为：其中： 测量的输出浓度与设定的浓度进行比较，偏差信号被送入驱动末级控制单元调节流量的控制器，滞后时间的产生归因于液体的长距离传输，长周期的培养或者为了完成对输出测量结果

9、的取样和分析所花费的大量时间，其可通过死区时间补偿器得以解决。令死区时间补偿器输出为，因此，新的偏差信号可表述为：修改后的偏差信号E(s)再次送回控制器来控制流量。A.无控制的系统分析：图-4 机械控制该系统高度不稳定，需采用控制B. 带有PID控制器和死区时间补偿器的系统分析：图-5 PID控制得到设置点的浓度和被控输出的响应C. 前馈控制 废水通过在化学试剂存在的情况下加热处理降低其浓度从而减少其有害影响。反应器中的温度由前馈控制器来控制，它直接测量扰动量，并且预期扰动对过程输出将会产生的影响，通过改变操纵变量温度来消除扰动浓度的影响并将流量作为过程输出。PID控制器的输入是原始浓度而不是

10、被测量的输出浓度。前馈控制器的增益和PID反馈控制器一样都是利用COHEN-COON法计算。图-6设置反应器的核心温度为350，分析预期被控输出响应D. 串级控制 串级控制反应器的中心温度以保持其恒温。它由两个控制器串联组成，一个测量反应器的温度变化，另一个测量冷却水的温度变化。两个控制作用都被加到末级控制单元来调节反应器温度使其达到设定温度。串级控制器选择P或者PI，其增益通过Zinegler-Nichols法计算的到。PI控制器：P控制器：图-7 设置反应器的温度为，设置冷却水的温度为E. 传感器线路在安装中两个超声波流量传感器（S1和S2）被嵌入在输入管道中用来测量注入净化器的化工废水的

11、流量。利用微控制器和补偿器在LabVIEW工具包上进行逻辑分析比较S1和S2的输出，当前者大于后者时能够发现存在的泄漏。流量传感器S3和S4输出与它们任何一个在系统中检查的泄漏量类似。因为S1 o/p大于S2，又因为S3>S4,所以就如指示器上指示的那样，泄漏同时存在于输入和输出管道。F. 可变成控制器 整个自动化系统是由可编程控制器（PLC）控制的。密度传感器P1测量在管道中流动的液体密度，其被用于计算废水的浓度。传感器与微控制器配和得到一个线性化输出，并与一个符合净化水环保规范的设定浓度进行比较。当P1浓度大于设定值时，废水被注入净化器中，偏差信号（P1-）作为前馈控制器的输入，如果

12、反之废水则不需要进行净化，将其送入下一个工段。泄漏量被送入PLC，当S1和S2的输出不相等或者S3和S4的输出如IabVIW 上分析的那样不相等时PLC触发警报。此外P1和P2的o/p与PLC连接。当P1测量的浓度小于设定浓度时，PLC产生控制作用，引导废水直接通过第二管道直接输出，而不需要再被净化。此外，当P2的输出浓度在输出管路上小于设定值时，PLC则超控PID，在末级控制单元不产生变化。VI. 有效可靠的技术该自动控制系统具有高度稳定性并且很容易实现，就时间，人力，效率，灵活性，和可靠性而言都优于现存的控制系统。除了所提及的其在健康危害方面也有重大意义。通常在化工厂工作的人容易得许多疾病

13、，自动化工厂将引导一个没有健康问题的可程序化设置。鉴于其成本效益，它是一个低维护成本的一次性投资。净化废水的时间被大量减少，因此可以处理更多的废水用于进一步的工业利用，收成可以用于肥料生产上。结论 工厂的计算机化将导致化工废水处理工业的伟大变革，通过实时平台LabVIEW的使用，我们能够得到控制参数的数值并且完美地分析实时情形。前馈和串级控制器的传递函数利用更好的改进的技术可以被推导，实现更优控制。人们利用有效的，可程序化的系统设计可以很容易地保持流量，浓度，反应器的温度从而得到期望的结果。为了实现先进控制算法和采用工业技术实现水处理的全厂自动化，工厂的其他部分如固体废弃物分离器、干燥器也可以

14、被设计其中。本设计实现了化工厂的自动化，就化学危害，时间，和效率都有很大优势，可应用于工业的各个领域。致谢 Dean和全体成员对于本文的完成都做出了宝贵的贡献，我们对此表示非常的感谢！a.) Dr. Z.C. Alex, Dean SES,VIT University.b.) Dr. D.S. Emmaneul, Program Manager, EIE, SES,VITU.c.) Dr. Parthasarathy Mallick, Program Manager, ECE,SES, VITU.d.) Mr. S. K. Sudheer, Research Associate, SES, V

15、ITU.e.) Ms. D. Pradeepa, Lecturer, SES, VITU.参考文献1 S. Masiuk and J. Kawecka-Typek, Department of Chemical Engineering,Technical University of Szczecin, Al. Piastow 42, 70-065, Szczecin,Poland “Transfer and weighting functions of a sewage treatment plant based on random input and output signal charac

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