pH是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的被控參數(shù)，它廣泛地存在于石油化工、生物制藥及廢水處理等諸多領(lǐng)域。pH控制品質(zhì)的好壞，往往會(huì)直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、排放指標(biāo)的達(dá)標(biāo)以及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益等。但pH的控制一直都是一個(gè)較為困難的課題，主要有三方面原因：大時(shí)滯特性，通常是由于測(cè)量點(diǎn)距反應(yīng)裝置過(guò)遠(yuǎn)，或者反應(yīng)容器較大而使反應(yīng)不充分等因素造成的；中和反應(yīng)固有的強(qiáng)非線性特性，主要是由pH的負(fù)對(duì)數(shù)定義引起的，該特性使得傳統(tǒng)的一些控制策略不再適用；時(shí)變特性，主要緣于反應(yīng)過(guò)程中各組分濃度的時(shí)變性及不確定擾動(dòng)。
根據(jù)前面的分析：可以知道在中和點(diǎn)附近，流量的微小波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致pH發(fā)生大幅度變化，而且在不同部分變化的增益顯著不同。
針對(duì)pH控制系統(tǒng)的全局控制器，其控制器增益也應(yīng)該具有與系統(tǒng)增益相同尺度的變化，這就使傳統(tǒng)的PID方法無(wú)法獲得較好的全局控制品質(zhì)。當(dāng)然在一些不需要全局控制的應(yīng)用場(chǎng)合中，可于系統(tǒng)工作點(diǎn)附近對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化處理，繼而采用傳統(tǒng)PID控制策略仍是可行的。
針對(duì)pH控制系統(tǒng)的全局控制策略主要考慮在現(xiàn)有控制策略基礎(chǔ)上增加線性化策略。
反饋線性化的思想是將原輸出y經(jīng)過(guò)某種變換從而得到與輸入u呈線性關(guān)系的輔助輸出量y′，將對(duì)原系統(tǒng)輸出y的控制轉(zhuǎn)化為對(duì)y′的控制，由此等價(jià)地將原非線性控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)或非線性較弱的系統(tǒng)，以使基于線性系統(tǒng)的諸多控制策略可以直接應(yīng)用，其原理如圖1所示。
圖1 反饋線性化原理圖
在pH控制系統(tǒng)的中和反應(yīng)過(guò)程中，[H+] 濃度和控制量仍呈線性關(guān)系，整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)非線性特性則是對(duì)[H+]取對(duì)數(shù)獲得pH時(shí)所引入的。利用pH和[H+]間一一對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)關(guān)系。原控制系統(tǒng)可以通過(guò)變換關(guān)系，被等價(jià)地轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)。
但是當(dāng)pH不同時(shí)，對(duì)流量的控制精度也有不同的要求，問(wèn)題的難度并沒(méi)有降低。
另一種將系統(tǒng)線性化的方法即是分段線性化，該方法用分段的子系統(tǒng)來(lái)逼近pH控制系統(tǒng)，并分段對(duì)每一個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制策略。其中最典型的就是三段線性分段法, 如圖2所示。
圖2 分段線性化示意圖
對(duì)于這樣一個(gè)三段線性系統(tǒng)，只需分段設(shè)計(jì)控制策略即可，即當(dāng)系統(tǒng)處于不同的反應(yīng)區(qū)間時(shí)采取不同的控制策略加以控制。分段控制的基本思路在于：當(dāng)系統(tǒng)處于兩端系統(tǒng)低增益區(qū)時(shí), 采用具有較大增益的控制器，以縮短反應(yīng)時(shí)間；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入中和點(diǎn)附近的系統(tǒng)高增益區(qū)時(shí)，則采用具有較小增益的控制器，以節(jié)省中和劑使用量并提高控制品質(zhì)。
在pH控制中推薦先通過(guò)雙閉環(huán)比值控制避免兩個(gè)流量波動(dòng)、負(fù)荷波動(dòng)造成的影響，然后根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的pH控制策略。控制策略的改進(jìn)和合理的設(shè)定值可以極大地降低pH控制的難度。
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