pH值控制方法研究及其控制器的设计

论文摘要

pH值控制过程广泛存在于石油、化工、制药、造纸、废水处理及给水处理中,在工业生产中必须使pH值严格控制在特定范围内,否则可能会造成产品质量下降,原料浪费,生产不能顺利进行,经济效益下降,甚至造成环境污染,因此将pH值控制在一定的范围内有着非常重要的意义。本文首先分析了pH控制过程的机理模型和实际的控制要求,建立了静态模型和动态模型,得出了pH值过程的非线性特性曲线。然后根据pH值过程的非线性特点,采用分段折线来近似其非线性特性曲线,设计了分段式变增益PID控制算法以补偿pH值过程的非线性。并应用Matlab软件对pH控制过程进行了仿真,与常规的PID控制进行了仿真对比,结果表明,分段式变增益PID控制方法解决了pH值过程的非线性问题,同时使系统的控制效果明显改善,上升时间、稳定时间显著缩短,超调减小,系统的抗干扰性能也得到提高,实现了pH值过程的优化控制。最后,基于AT89S51单片机设计了pH值控制器,完成了软硬件设计,实现了数据采集、数据处理、数据显示、键盘控制等功能。通过对所研制控制器的测试,验证了所设计的算法的可行性,为今后对pH值控制系统的改进提供了一种新的设计思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的选题背景和意义
• 1.2 课题研究的目的
• 1.3 国内外的研究动态及发展趋势
• 1.3.1 国外研究概况
• 1.3.2 国内研究概况
• 1.3.3 pH 控制系统的发展趋势
• 1.4 本文完成的工作
• 1.5 本章小结
• 2 pH 值概述与过程建模
• 2.1 pH 值简介
• 2.1.1 pH 值的概念
• 2.1.2 pH 值过程特点
• 2.1.3 pH 值测量问题
• 2.2 pH 被控过程的数学模型
• 2.2.1 静态模型
• 2.2.2 动态模型
• 2.3 本章小结
• 3 pH 值过程的控制方法研究
• 3.1 常规的PID 控制方法
• 3.1.1 PID 控制原理
• 3.1.2 数字PID 控制算法
• 3.1.3 改进的数字PID 控制算法
• 3.2 分段式变增益PID 控制方法
• 3.3 控制系统指标与参数整定
• 3.3.1 控制系统指标
• 3.3.2 参数整定
• 3.4 基于MATLAB 系统仿真
• 3.5 本章小结
• 4 控制器硬件设计
• 4.1 单片机及其外围电路总体设计方案
• 4.2 单片机及其外围电路的设计
• 4.2.1 AT89S51 单片机简介
• 4.2.2 AT89S51 单片机最小系统
• 4.2.3 A/D 转换器
• 4.2.4 D/A 转换器
• 4.2.5 数据存储器
• 4.2.6 超限报警电路
• 4.2.7 电源转换电路设计
• 4.3 人机接口模块设计
• 4.3.1 显示模块
• 4.3.2 键盘模块
• 4.4 扩展功能
• 4.4.1 串口通信扩展电路
• 4.5 硬件抗干扰措施
• 4.6 本章小结
• 5 控制器软件设计
• 5.1 控制器软件设计方案
• 5.2 软件开发语言及环境
• 5.3 软件设计
• 5.3.1 主程序设计
• 5.3.2 初始化子程序
• 5.3.3 A/D 采样子程序
• 5.3.4 控制算法子程序
• 5.3.5 D/A 输出子程序
• 5.3.6 显示子程序
• 5.3.7 键盘扫描子程序
• 5.4 软件抗干扰措施
• 5.5 本章小结
• 6 pH 值控制器的调试
• 6.1 硬件调试
• 6.2 软件调试
• 6.3 实验室测试
• 6.4 本章小结
• 7 结论
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录