单片机控制的污水排放PH值检测系统设计.docx
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1、1 引言1.1 污水处理的研究背景及意义随着时代的进步,工业化程度的不断提高,人们的生活已经离不开工业。在人民生活水平不断提高的同时,人类赖以生存的水资源却在经济发展的过程中遭受严重破坏。在全社会越来越重视自然环境和人类和谐发展,工业及居民生活污水处理建设项目和发展受到全世界的普遍关注。随着污水处理工艺水平迅猛发展,对污水处理的自动化要求越来越高。为使污水处理系统处于良好的运行工况,获得更好的出水水质,必须及时取得污水处理系统的重要过程参数及水质参数。其中,PH值是表征水质的重要参数之一。在石油、化工、造纸等工业生产中,给水处理和废水处理控制过程中,都必须把PH值控制在一定的范围内。否则,将会
2、影响企业生产,造成原料浪费,产品质量下降,甚至污染环境。与此同时,强酸强碱很有可能腐蚀生产设备,使用寿命降低,甚至可能给生产造成危险。因此,不仅是在工业生产中,而且在环境保护下,对污水PH值的有效控制是非常有意义的。本文针对以上对污水处理的状况,通过查阅相关污水PH值控制的资料,对污水处理中的PH值控制问题进行研究和设计。1.2 污水处理PH值控制的目的在工业生产污水处理中,污水过酸或过碱都容易引发各种问题。所以,必须先对污水的PH值进行检测,然后对其进行中和处理,达到要求后才可以排放。然而,PH值控制是一个复杂的非线性控制问题。由于酸碱中和反应过程存在混合、测量等因素,需要一定的时间,时滞较
3、大。PH值滴定曲线是非线性曲线,在中和反应过程中,不同的工作点增益相差很大。因此,处理好PH值中和非线性是PH值控制的重点。本文根据PH值中和非线性这一特点,设计了PID算法的智能区间控制数学模型,并基于AT89S51单片机设计了PH值控制系统。该系统验证了本算法设计的可行性,同时也提供了一种解决PH值控制问题的新思路。1.3 PH值控制方法现状及发展趋势污水处理往往需要设备工作在良好的状况,同时要及时取得污水处理系统的各项技术参数,PH值是最重要的参数之一。传统的PH值控制方法需要工作人员到场进行手工中和操作和监视,导致对系统的意外事件反应较慢,而且无法准确对水质的变化做出反应和调整,从而限
4、制了污水处理的稳定性和处理质量。然而这些经验的积累要求具有较长时间的实际操作经验和广泛的知识,往往根据多年积累的经验对污水处理厂进行管理。因此,建立污水处理的检测控制系统是十分有必要的。国外发达国家很早就已经投入大量资金和科研力量加强污水处理的监测、运行和管理,实现了计算机控制、报警、计算和瞬时记录。如美国在20世纪70年代中期开始实现污水处理厂的自动控制。目前主要污水处理厂已经实现工艺流程中主要参数的自动测试和控制。80年代以来,美国召开了两次水处理仪器和自动化的国际学术会议,会上发表的数百篇论文反映出水处理自动化已发展到使用水平。与国外相比,我国污水自动化控制起步较晚。进入90年代以后污水
5、处理厂才开始引入自动控制系统,但多是直接引进国外成套自控设备,国产自动控制系统在污水处理厂应用较少。因此,采用PH值自动控制系统取代传统的人工控制是发展的必然趋势。在污水PH值的控制研究上,一般采用简单PID算法或单回路控制,这样的控制方法稳定性较差,很难适应当今大型的复杂的污水处理控制且很难满足平稳、高效、安全等生产要求。所以,控制系统还需结合各项相关技术,如:现代控制理论、电工仪表技术等,从而设计出功能更大、更完善的、具有一定适应能力的新系统。本设计针对污水处理PH中和过程的特点及控制要求,研究出一套结构简单、算法简便、效果好、耗药少且能满足污水处理要求的PH值区间控制系统。可以在污水处理
6、厂推广,经济效益明显。1.4 本文完成的工作1)了解工业、生活污水的排放对环境的污染,污水处理的意义及其流程。2)对污水处理PH值控制研究,分析PH值中和非线性的原因。3)设计污水处理PH值智能区间控制模型,并且推导出相应PID算法。4)完成污水处理PH值的硬件设计,根据PH值的变化范围及控制精度,利用AT89S51单片机实现系统数据采集、处理、存储和显示功能。5)完成污水处理PH值的软件设计,根据系统不同模块所实现的功能,利用单片机C51语言编写单片机程序。6)完成对系统的各个功能模块,硬件和软件的调试。1.5 本章小结本章主要介绍了工业、生活污水排放对环境的污染,污水处理的意义;污水处理P
7、H值控制系统的方法研究,国内外现状及发展趋势。对本文所应完成的工作做一个简要阐述。2 PH值概述及其控制方法建模2.1 PH值简介2.1.1 PH值的定义PH是拉丁语“Pondus hydrogenii”一词的缩写,亦称氢离子浓度指数,是溶液中氢离子活度的一种标度,也就是通常意义上溶液酸碱程度的衡量标准。通常PH值是介于0和14之间的数:当PH7的时候,溶液呈碱性;当PH=7的时候,溶液呈中性。PH值是水溶液最重要的理化参数之一。化学变化以及生产过程都与PH值有关,因此,在工业、农业、医学、环保和科研领域都需要测量PH值。2.1.2 PH值中和过程特点在污水处理过程中,会经常碰到PH值的控制问
8、题。由于PH值变化很大,不易控制,PH值的滴定曲线是非线性曲线,如图1所示,在中和反应过程中,不同的工作点增益相差很大,在实际反应过程存在混合、测量等纯滞后因素,增加了控制难度。图2-1 PH值中和滴定曲线由图2-1可知,在PH=7附近对象的静态增益很大,此时添加的中和剂略有变化就能引起PH值较大幅度的变化;而远离PH=7对象的静态增益很小,只有加入大量的中和剂,才能使PH值的少量变化。这就是PH对象明显的非线性特性。2.2 污水处理PH值过程控制模型过程控制模型如图2-2所示,污水PH值的智能区间控制。AT89S51单片机 PH值传感器 加酸 加碱 反馈PH值 变送器 进水 出水 管式混合器
9、图2-2 污水处理PH值控制模型 以上模型中,包含前馈和反馈PH值闭环控制系统。前馈系统主要由PH值传感器,反馈由PH值变送器完成。结合次控制模型,设计出污水处理PH值的智能区间控制PID算法,再通过实际的系统软硬件制作和调试来加以验证。2.3 常规PID控制原理图2-3 PID控制系统原理框图常规PID控制系统原理框图如图2-3所示,由PID控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器,根据给定值与实际输出值构成控制偏差:将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制,故称PID控制器。PID控制器各校正环节的作用如下:1. 比例环节比例环节的方程
10、: (2-1)其中,为比例调节器的输出量,为比例系数,为调节器的输入或偏差值。可以表示成: ,这里为设定的目标值,为时刻的采样值。比例调节器的输出变化与输入偏差成比例。比例调节作用的大小除了与偏差有关外,主要取决于比例系数的大小。越大,比例调节作用越强,反之则越弱。对于大多数系统而言,太大时,会引起系统自激振荡。比例调节的优点是调节及时,只要偏差一出现,就能及时产生与之成比例的调节作用。缺点是存在振荡,而且如果单纯采用比例调节,那么系统一定会存在静差。这是因为比例调节的输出正比于偏差值,若偏差为零,则输出也为零,此时,系统不可能达到平衡。比例系数越小,过渡过程越平稳,但静差越大。比例系数越大,
11、则过渡过程曲线振荡越厉害,比例系数过大时,甚至可能出现发散振荡的情况。因此,对于扰动较大,惯性也较大的系统,若单纯采用比例调节,就很难兼顾动态和静态特性。2. 积分环节积分环节的方程: (2-2)其中,为积分时间。积分调节的主要特点是调节器的输出不仅取决于偏差信号的大小,而且还主要与偏差存在时间有关。只要有偏差存在,输出就会随时间不断增长,直到偏差消除后,调节器的输出才不会变化。因此,积分作用能消除静差,这是它的主要有点。它的主要缺点是动作缓慢。而且在偏差刚一出现时,积分作用很弱,不能及时克服扰动的影响,使被调参数的动态偏差增大,调节过程变长。3. 微分环节微分调节的方程: (2-3)其中,为
12、微分时间。微分调节的主要特点是输出可以反映偏差的变化速度。因此,对于一个固定不变的偏差,不管其数值有多大,也不会有微分作用输出。所以微分作用不能消除静差,而只能在偏差发生变化时,产生调节作用。2.4 基本PID控制算法对实际系统进行控制时,常常将比例、积分和微分三种方法进行线性组合,构成PID控制,达到一个良好的控制效果。一般模拟系统的PID方程为: (2-4)其中,为比例增益,为积分时间,为微分时间,为控制量,为测量值与给定值的偏差。为了便于算法的实现,将上面的微分方程做如下处理: 其中,为采样周期,为采样序号,和分别为第和第次采样所得的偏差。由此,式(2-1)可以写成: (2-5)为便于编
13、程,可以将式(2-5)改写成增量形式,即: (2-6)其中,为积分系数, 为微分系数。整理后可得: (2-7)其中, , , 。由上式(2-7)可以看出,控制量的大小除了与偏差、和有关外,还与比例增益,积分时间,微分时间和采样时间有关。因此,如何确定这些参数是PID控制的关键所在。2.5 污水处理PH值的智能区间控制原理由于在污水处理过程中,需要把PH值控制在某一范围,即某一设定区间,因此,提出了污水处理过程PH值设定区间智能控制方法:将设定区间的上限、下限作为控制设定值,构成两个设定值控制器,并根据出水PH值动态调度该两个设定值控制器,以确保出水PH在设定区间内,满足控制的要求。假设PH值设
14、定区间为,检测得到的出水PH值为,控制量为(表示加碱,表示加酸,表示不加药)。设定值控制采用应用广泛的PID控制算法。这样设定值为的PID控制算法为: (2-8)其中,为设定值与出水PH值之差,即=-,、为PID控制常数。同理,设定值为的PID控制算法为: (2-9)其中,=-,、为PID控制常数。整个系统的控制算法为: ,且 设定值为时 其它 (2-10) ,且 设定值为时 其它图2-4是控制策略的示意图,图中、分别表示某一时刻出水PH值,、表示下一时刻在、点针对设定值(或)由控制算法得到的加药量(控制作用)。对于点(低于设定值,即与设定值相图2-4 PH值区间控制示意图比偏酸),(加碱)表
15、示要使出水PH值达到设定值需要加该控制使PH值上升;对于点(位于设定区间之内,高于设定值,但低于设定值,即与设定值相比偏碱,与设定值相比偏酸),(加酸),虽然加酸会导致出水PH值降低使之趋近于,但如果不加酸,任其漂移,可能漂移到 之上(但通过下一控制周期使输出在附近)或仍在区间之内,因此可将控制作用如控制算法(2-10)式所示置为。对于、点也同理。注1:设定值的调度可采用增益调度方法,就近原则,也就是根据出水PH值与设定值,的距离决定切换到哪个设定值进行控制,即如果,则设定值为,否则设定值取为。注2:从控制策略(2-10)可以看出,只有在控制作用从大于0渐变到小于0,或从小于0渐变到大于0的过
16、程中,才会出现控制作用为0的情况,因此,控制是连续的。2.6 污水处理PH值控制系统品质指标和参数整定方法2.6.1 PID控制系统的品质指标 一个受控系统的被控过程一般是衰减振荡的过渡,可以用曲线来描述,如图2-5所示:图2-5 被控系统过程衰减振荡曲线衡量系统过程控制的品质指标主要有:1.最大偏差 偏差是指被调参数与给定值只差。对于一个衰减振荡过渡过程,其最大偏差是第一个波得峰值,见图5中A表示。最大偏差表示系统瞬时偏离给定值的最大程度,若偏离越大,偏离时间越长,系统离开规定的平衡状态越远,一般要对最大偏差加以限制。2. 超调量 超调量是振荡的第一个峰值与新稳定值只差,图5中用B表示。超调
17、量也可以用来表征被调参数的偏离程度。3. 静差静差是过渡过程终了时的残余偏差,也就是被调参数的稳定值与给定值之间的差值,图5中用C表示。静差可正可负,被调参数越接近给定值越好,即静差绝对值越小越好。4. 衰减比衰减比是前后两个峰值的比,是表示衰减程度的指标。图5中衰减比为B:B,习惯上用n:1来表示。通俗而言,若n只比1大一点,过渡过程的衰减程度很小,它与等幅振荡过程接近,振荡过程过于频繁不够安全,一般不采用;如果n很大则又太接近于非振荡过程,通常也是不希望产生的。一般取n=410为宜。因为衰减比在4:1到10:1之间时,过渡过程开始阶段的变化速度比较快,被调参数在受到干扰的影响和调节作用的影
18、响后,能比较快地到达一个峰值,然后马上下降,又较快地达到一个低峰值。5. 稳定时间 从干扰开始作用起至被调参数又建立新的平衡状态为止,这段时间成为稳定时间。严格的讲,被调参数完全达到新的稳定状态需要无限长的时间。实际上,由于测量仪器的灵敏度限制,当被调参数靠近稳定值时,指示值就基本不再变化。所以有必要时,在可以测量的区域内,在稳定值上下规定一个小的范围,当指示值进入这一范围而不再越出时,就认为被调参数已达到稳定值。稳定时间短,说明过渡过程进行得比较迅速,这时即使干扰频繁出现,系统也能适应,质量就高。6. 振荡周期振荡周期是指过渡过程中两个同向波峰之间的间隔时间,其倒数称为振荡频率。在衰减比相同
19、的条件下,振荡时间与稳定时间成正比。一般希望周期短些为佳。7. 振荡次数稳定时间内被调参数振荡的次数称为振荡次数。较为理想的过渡过程,振荡两次就能达到稳定状态。8. 上升时间从干扰变化时间起至第一个波峰时所需要的时间为振荡的上升时间。上升时间以短些为宜。2.6.2 参数整定方法对于任何一个被控系统,一般要求过程超调量小、调整时间短、没有静差,要达到这样的一个效果,合理选择PID调节器各参数是十分重要的。在PID调节器中,需要整定的参数有比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd。如何合理的选择采样周期T,也是影响系统性能的重要因素。PID参数的整定有多种方法,这里只介绍凑试法。凑试法是通过模拟或
20、闭环运行,观察系统的响应曲线,然后根据各调节参数对系统响应的大致影响,反复凑试参数,以达到满意的响应。PID各参数的影响概括如下:1)增大比例系数Kp一般将加快系统的响应,在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调,并产生振荡,使稳定性变坏。2)减小积分系数Ki有利于减小超调,减小振荡,使系统更加稳定,但系统静差的消除也将随之减慢。3)增大微分系数Kd也有利于加快系统的响应,使超调量减小,稳定性变好,但系统对扰动的抑制能力减弱,对扰动有较敏感的响应。在了解了PID各参数对被控系统的影响趋势之后,采用凑试法对参数进行整定时,一般遵循以下步骤:1)首先只整定比例部分。即将
21、比例系数由小变大并观察相应的系统响应,直到得到反应快、超调量小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许的范围内,并且响应曲线已经满意,那么可以只需用比例调节器即可,比例系数可由此确定。2)如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求,则需加入积分环节。整定时首先置积分系数Ki为一较小值,并将经第一步整定得到的比例系数略为缩小(一般为原来的0.8倍),然后减小积分时间,使在保持系统良好的动态性能的情况下,静差得到消除。在此过程中,可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间,以得到满意的控制过程与整定参数。一般应调整Ki,使响应曲线的衰减比为4:1。3)若使用比例积分调节器消除了静差
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