CN112327607A - 用于消除ph值分析中仪非线性测量的控制方法 - Google Patents

用于消除ph值分析中仪非线性测量的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于消除PH值分析中仪非线性测量的控制方法，包括以下步骤：测量TOC(k)值，并根据参考输入信号计算偏差信号；根据偏差信号判断控制器对应的增益区间；调用KP、TI、TD、Tf的参数，计算KD、KI、α；根据PID参数、设定值使用微分先行PID控制和输出限幅相结合的控制方法，分别计算比例项，积分项和微分项，得到输出控制量，对PH值的非线性特性相补偿。本发明采用分段式变增益调节算法，通过分段折线来近似其非线性特性曲线，即将值变化过程按照转折点分为5个区段，不同的增益区控制采用不同的比例增益，使开环总增益为一个常数，最后与被控对象的非线性特性相补偿，实现了对过程的最优控制。

Description

用于消除PH值分析中仪非线性测量的控制方法
技术领域
本发明涉及水质分析系统中的PH值分析技术领域，特别是涉及一种用于消除PH值分析中仪非线性测量的控制方法。
背景技术
二次供水作为高层用户供水的“最后一公里”，由于其管理主体不明确，甚至存在无人管理的情况，很多管理单位难以保证二次供水设施的定期清洗消毒。此外，由于二次供水设施本身的特点，如设施材质、水的存放时间、外界环境条件和人为等多方面影响，极易产生二次污染，影响供水范围内用水户饮水安全。鉴于此种情况，在日常的生产和生活过程中，对水质状况的实时分析是十分必要的。而PH值是溶液在线监控的重要指标之一，能够准确的测量监控溶液的PH值，进而分析溶液的成分有着十分重要的意义。
虽然对pH值的检测与控制并非一个新兴课题，但要实现控制成本低，效果好却绝非易事，究其原因，如前文所述，pH中和过程中pH值变化呈严重的非线性，这一严重的非线性给pH值的控制带来很大的困难。国内对pH值控制方面的研究主要集中在pH值控制理论和先进控制算法的理论研究方面:杨翠容、张玉清等人在1997提出了基于模糊神经算法的pH值控制策略的智能pH值控制器，并进行了理论分析和数字仿真，但控制对象仅针对给定的中和反应过程，其算法复杂，无法在实际工程中得以实现；商建东、陈康宁针对农药生产中的pH值控制问题，研究了一种基于专家知识库的模糊pH值控制器，应用过程中需做大量实验，收集大量经验数据形成知识库，控制对象变化需重新完成数据采集，适用性较差；至今，我国用于工业生产现场的PH值测控装置大多仍是基于PLC或嵌入式单片机，通过简单的单回路控制器，或结合串级控制与前馈控制算法，往往存在控制精度较低、结构复杂、稳定性较差等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种控制方法去消除这种PH值测量过程中非线性的影响，并且易于实现。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种用于消除PH值分析中仪非线性测量的控制方法，包括以下步骤：
测量TOC(k)值，并根据参考输入信号r(k)计算偏差信号e(k)；
根据偏差信号e(k)判断控制器对应的增益区间；
调用控制器的KP、TI、TD、Tf的参数，计算KD、KI、α，其中，KP是控制器的比例系数，即比例增益，TI是控制器的积分时间常数，TD是控制器的微分时间常数；
根据PID参数、设定值使用微分先行PID控制和输出限幅相结合的控制方法，分别计算比例项，积分项和微分项，得到输出控制量u(k)，对PH值的非线性特性相补偿。
其中，KD＝KpTD/T,KI＝KpTD/T，α＝Tf/(T+Tf)。
其中，UP(k)＝Kp*e(k)，UD(k)＝KD(1-α)e(k)-e(k-1)+αUD(k-1)，U(k)＝KI(UP(k)+UI(k)+UD(k))。
所述测量TOC(k)值是通过A/D转换采样，步骤依次包括启动A/D采样、等待采样完成、软件滤波校正、关闭A/D采样。
所述对PH值的非线性特性相补偿之前还包括，判断输出控制量u(k)是否超过范围，若小于0则输出0，若大于等于预设Umax则输出Umax。
第二方面，本发明还提供一种用于消除PH值分析中仪非线性测量的装置，包括：控制器模块、PH电极、PH电路数据处理模块、温度采集模块、电源模块、通信模块，所述PH电极、PH电路数据处理模块、温度采集模块、电源模块、通信模块均与控制器模块相连。
本发明提出的分段式变增益调节算法的原理是根据值的特性曲线,采用分段折线来近似其非线性特性曲线,即将值变化过程按照转折点分为5个区段，即为：e(k)<-Z2、，-Z2≤e(k)≤-Z1、-Z1≤e(k)≤Z1、Z1≤e(k)≤Z2、e(k)>Z2；然后使系统中某一环节具有与对象增益成反比的非线性特性，使之与控制对象的非线性特性相补偿，最后使系统的开环增益保持不变，校正为一个线性系统。因此本设计根据这个特点设计了分段式变增益控制器，不同的增益区控制采用不同的比例增益，使开环总增益为一个常数，最后与被控对象的非线性特性相补偿，实现了对过程的最优控制。
附图说明
图1为本发明实施提供的一种用于消除PH值分析中仪非线性测量的控制方法的流程图。
图2为本发明实施提供的一种用于消除PH值分析中仪非线性测量的控制方法的原理图。
图3为本发明实施提供的一种用于消除PH值分析中仪非线性测量的装置的结构示意图。
具体实施方式
以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
第一方面，如图1所示，本发明提供一种用于消除PH值分析中仪非线性测量的控制方法，包括以下步骤：
测量水中的有机物质的含量TOC(k)值，并根据参考输入信号r(k)计算偏差信号e(k)；
根据偏差信号e(k)判断控制器对应的增益区间；
调用控制器的KP、TI、TD、Tf的参数，计算KD、KI、α，其中，KP是控制器的比例系数，即比例增益，TI是控制器的积分时间常数，TD是控制器的微分时间常数。
根据PID参数、设定值使用微分先行PID控制和输出限幅相结合的控制方法，分别计算比例项，积分项和微分项，得到输出控制量u(k)，对PH值的非线性特性相补偿。
控制原理如图2所示，其中r(k)为参考输入信号，d为干扰信号，e(k)为偏差信号，u(k)为控制量，PH(k)为被控过程输出量。
其中，KD＝KpTD/T,KI＝KpTD/T，α＝Tf/(T+Tf)。
其中，UP(k)＝Kp*e(k)，UD(k)＝KD(1-α)e(k)-e(k-1)+αUD(k-1)，U(k)＝KI(UP(k)+UI(k)+UD(k))。
所述测量TOC(k)值是通过A/D转换采样，步骤依次包括启动A/D采样、等待采样完成、软件滤波校正、关闭A/D采样。
所述对PH值的非线性特性相补偿之前还包括，判断输出控制量u(k)是否超过范围，若小于0则输出0，若大于等于预设Umax则输出Umax。
第二方面，如图3所示，本发明还提供一种用于消除PH值分析中仪非线性测量的装置，包括：控制器模块1、PH电极2、PH电路数据处理模块3、温度采集模块4、电源模块5、R485通信模块6、R232通信模块7和扩展模块8，所述PH电极2、PH电路数据处理模块3、温度采集模块4、电源模块5、R485通信模块6、R232通信模块7和扩展模块8与控制器模块1相连。
所述控制器模块采用最新一代的嵌入式ARM处理器芯片STM32F103CB，该芯片具有高性能、低功耗、成本低等优势，通过搭配相应的外围电路即可完成相关功能。
所述PH电极是通过测电位实现的，测量是以电信号为依据的；PH电极在接触溶液时，其玻璃膜上会形成一随PH变化而变化的电压，PH电极接信号处理单元将该电压信号进行提取。
所述PH信号数据处理模块是基于AD549运放的一阶低通滤波电路，PH电极发出的电压信号是毫伏级微小电压信号，AD549适用于低输入偏置电压场合，该运算放大器具有共模抑制比好、精度高等特点，该电路采用一阶低通滤波电路更好的消除高频噪声产生的纹波，提高AD转化的精度；
由于温度对PH值测定的准确性影响较大，对于PH大于8.3的水样，在相同的酚酞碱度下，出现实测PH值随水温升高而直线下降的现象。其原因是由于温度旳变化，引起了众多影响PH值的因素变化，为了准确的测量PH值，在仪器上添加了的温度补偿的功能。所述温度采集模块，由PT100温度传感器和TL062运算放大器组成的温度测量电路可以准确的测量当前温度。
上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种用于消除PH值分析中仪非线性测量的控制方法，包括以下步骤：
测量TOC(k)值，并根据参考输入信号r(k)计算偏差信号e(k)；
根据偏差信号e(k)判断控制器对应的增益区间；
调用控制器的KP、TI、TD、Tf的参数，计算KD、KI、α；
根据PID参数、设定值使用微分先行PID控制和输出限幅相结合的控制方法，分别计算比例项，积分项和微分项，得到输出控制量u(k)，对PH值的非线性特性相补偿。
2.根据权利要求1所述的用于消除PH值分析中仪非线性测量的控制方法，其特征在于，KD＝KpTD/T,KI＝KpTD/T，α＝Tf/(T+Tf)。
3.根据权利要求1所述的用于消除PH值分析中仪非线性测量的控制方法，其特征在于，UP(k)＝Kp*e(k)，UD(k)＝KD(1-α)e(k)-e(k-1)+αUD(k-1)，U(k)＝KI(UP(k)+UI(k)+UD(k))。
4.根据权利要求1所述的用于消除PH值分析中仪非线性测量的控制方法，其特征在于，所述测量TOC(k)值是通过A/D转换采样，步骤依次包括启动A/D采样、等待采样完成、软件滤波校正、关闭A/D采样。
5.根据权利要求1所述的用于消除PH值分析中仪非线性测量的控制方法，其特征在于，所述对PH值的非线性特性相补偿之前还包括，判断输出控制量u(k)是否超过范围，若小于0则输出0，若大于等于预设Umax则输出Umax。
6.一种用于消除PH值分析中仪非线性测量的装置，包括：控制器模块、PH电极、PH电路数据处理模块、温度采集模块、电源模块、通信模块，所述PH电极、PH电路数据处理模块、温度采集模块、电源模块、通信模块均与控制器模块相连。
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