基于arm的污水處理ph值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

1、學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明一、學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得南昌大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名（手寫）：簽字日期：年月日二、學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解南昌大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)南昌大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或

2、部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編本學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)北京萬方數(shù)據(jù)股份有限公司和中國學(xué)術(shù)期刊（光盤版）電子雜志社將本學(xué)位論文收錄到中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫和中國優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫中全文發(fā)表，并通過網(wǎng)絡(luò)向社會(huì)公眾提供信息服務(wù)，同意按“章程”規(guī)定享受相關(guān)權(quán)益。學(xué)位論文作者簽名（手寫）：導(dǎo)師簽名（手寫）：簽字日期：年月日簽字日期：年月日論文題目姓名學(xué)號(hào)論文級(jí)別博士碩士 院 / 系 / 所專業(yè)聯(lián)系電話E_mail通信地址 (郵編 )： 備注：公開保密（向校學(xué)位辦申請(qǐng)獲批準(zhǔn)為“保密”，年月后公開） PAGE * ROMAN II摘要摘要隨著工業(yè)的飛速發(fā)展

3、和城市人口的疾速增長，大量工業(yè)和生活污水的處理 問題日益受到人們的關(guān)注。 污水 pH 值控制是污水處理的重要環(huán)節(jié)，污水的酸堿中和過程是一個(gè)非線性、 大時(shí)滯的變化過程，使得pH 值控制成為了污水處理的控制難點(diǎn)。目前，國內(nèi)污水處理pH 值控制技術(shù)相對(duì)落后， 自動(dòng)化水平低， 因此， 開發(fā)出具有良好控制效果、 易于實(shí)現(xiàn)的智能化pH 值控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文針對(duì)污水處理的 pH 值控制問題， 基于嵌入式技術(shù)與 PID 控制算法， 開發(fā)設(shè)計(jì)了一種基于 ARM 污水處理 pH 值控制系統(tǒng)。通過采用 ARM 處理器技術(shù)， 不僅解決了成本高、效率低及精確率低等問題，還解決了系統(tǒng)升級(jí)、軟硬協(xié)調(diào)等難題。此

4、外，采用七段式 PID 控制算法，把一個(gè)非線性控制系統(tǒng)校正成了一個(gè)線性控制系統(tǒng)，解決了 pH 值控制過程的非線性難題。本文在污水處理 pH 值控制過程理論分析的基礎(chǔ)上， 結(jié)合改進(jìn)的數(shù)字PID 控制算法與二區(qū)段非線性調(diào)節(jié)器， 提出了七段式變?cè)鲆鍼ID 控制算法。利用 Matlab 軟件對(duì)該算法及常規(guī)的PID 控制算法進(jìn)行了仿真對(duì)比分析，經(jīng)仿真研究表明七段式變?cè)鲆?PID 控制算法在污水處理pH 值控制系統(tǒng)中獲得了良好的控制效果， 是一種較為理想的智能性控制方案。系統(tǒng)的控制單元采用三星公司的ARM S3C6410 微處理器，硬件設(shè)計(jì)主要完成pH 值傳感器與 pH 值變送器選型工作和電源管理模塊、

5、DAC 模塊、串行通信模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等功能模塊的設(shè)計(jì)； 軟件設(shè)計(jì)主要完成了linux 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植，設(shè)計(jì)編寫了相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)程序和七段式變?cè)鲆鍼ID 控制算法程序。本文設(shè)計(jì)的污水處理pH 值控制系統(tǒng)很好的克服了pH 值非線性難題，達(dá)到了 pH 值控制要求， 具有很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，可以在我國的污水處理方面發(fā)揮重要的作用。關(guān)鍵詞： 污水處理； pH 值；七段式變?cè)鲆鍼ID；ARM ； S3C6410ABSTRACTABSTRACTEnvironmental pollutionis becoming more and more serious due to the fast gro

6、wth of population 、 the rapid development ofindustry 、 enormous domestic sewage and industrial wastewater. Control of pH value is a key point. In the process of neutralization reaction, there is a great non-linear relationship in the variation trend of pH value, which leaves us a difficult issue in

7、controlling the pH value. At present, the domestic pH controltechnology insewage treatment isrelativelybackward;therefore, to design an intelligent, high efficient and low cost pH control system is of important practical value.Aiming at controlling the pH value of treated sewage, this thesis develop

8、ed a pH value control system on treated sewage based on ARM,embedded technology and PID control algorithm. Through utilizing ARM processor technology, issues like high cost, inefficiencyand lowaccuracy willbe solved. Meanwhile,difficultieslike updating system and coordinating software and hardware c

9、an also be overcame. Whats more, seven-segment PID control algorithmis used to revise a nonlinear control system to a linear control system, which settled the problem of nonlinearity during the controlling process of pH value.Combining withthe improved digitalPIDcontrol algorithmand the second secti

10、on nonlinear controller, this thesis put forward the seven-segment variable gain PID control algorithm based on the theoreticalanalysis of the pH value controlling process of treated sewage. A simulated contrastive analysis was conducted between this algorithm and regular PID control algorithm by us

11、ing Matlab. Results showed that the seven-segment variable gain PID control algorithm achieved a good control effect in the pH value control system of treated sewage, which is an ideal intelligent control scheme. The control unit of the system is ARMS3C6410 microprocessor from Samsung Corporation. H

12、ardware design includes the selection of the sensor and the transmitter of pH value and the design of functional modules such as a power management module, DAC module, a serial communication module, a motor driver module; software design includes the transplant of the Linux Real Time Operating PAGE

13、* ROMAN VIISystem and the compilation of corresponding program of hardware drive and seven- segment variable gain PID control algorithm.Thisthesis designed apHvalue controlsystem oftreated sewage which successfully solved the problem ofthe nonlinearityofthe pHvalue, metthe requirements of pH control

14、. It has great social benefits and economic benefits and can play an important role in sewage treatment in China.Key Words: Wastewater Treatment; pH Value; Seven-segment varying gain PID; ARM; S3C6410.目錄目錄第 1 章緒論 11.1 課題研究背景 1.1.2 課題研究目的與意義2.1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 國外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 4.1.4 論文研究的主

15、要內(nèi)容與創(chuàng)新4.第 2 章嵌入式系統(tǒng)與 ARM 技術(shù) 6.2.1 嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)定義及特點(diǎn) 嵌入式操作系統(tǒng)7.2.2 ARM 技術(shù) ARM 處理器特點(diǎn) ARM 處理器體系結(jié)構(gòu) ARM 處理器工作狀態(tài)和運(yùn)行模式8.第 3 章系統(tǒng)過程分析與總體方案設(shè)計(jì)1 03.1 pH 值定義及其中和過程1 03.1.1 pH 值定義 1 酸堿中和過程 1 0. HYPERLINK l _TOC_250004 3.2 污水處理中和過程機(jī)理及特點(diǎn)分析1 1 HYPERLINK l _TOC_250003 3.2.1

16、污水處理中和過程機(jī)理1 1 HYPERLINK l _TOC_250002 3.2.2 污水處理中和過程特點(diǎn)1 43.3 污水處理 pH 值控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)1.5 HYPERLINK l _TOC_250001 第 4 章污水處理控制算法選取與系統(tǒng)仿真1 74.1 常規(guī) PID 控制算法 1 74.1.1 PID 控制基本原理 1 74.1.2 數(shù)字 PID 控制算法 改進(jìn)的數(shù)字 PID 控制算法 1 94.2 七段式變?cè)鲆鍼ID 控制算法 2 04.3 基于 Matlab 系統(tǒng)仿真 2 34.3.1 仿真工具 2 3. HYPERLINK l _TOC_250000 4.

17、3.2 控制系統(tǒng)仿真研究2 44.4 本章小結(jié) 2 9.第 5 章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3 0.5.1 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)方案3 05.2 pH 值傳感器 3 0.5.3 pH 值變送器 3 1.5.4 電源管理模塊 3 2.5.5 S3C6410 開發(fā)板 3 ARM1176JZF-S 3 65.5.2 電源電路 3 晶振電路 3 ADC 模塊 3 存儲(chǔ)器子系統(tǒng) 3 人機(jī)交換模塊 4 JTAG 接口電路 4 35.6 DAC 模塊4 4.5.7 串行通信模塊 4 4.5.8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 4 5.5.9

18、本章小結(jié) 4 7.第 6 章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4 8.6.1 軟件設(shè)計(jì)方案 4 8.6.2 軟件開發(fā)基本流程與特點(diǎn)4 86.3 軟件開發(fā)環(huán)境 4 9.6.4 軟件開發(fā)模塊 5 系統(tǒng)工作流程分析5.06.4.2 系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì)5 16.4.3 linux 操作系統(tǒng)的移植5 26.4.4 定時(shí)器中斷程序設(shè)計(jì)5 46.4.5 串行通信程序設(shè)計(jì)5 56.4.6 A/D 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì) 5 76.4.7 pH 值控制算法程序設(shè)計(jì)5 86.4.8 LCD 程序設(shè)計(jì) 5 PWM 電磁閥驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 6 16.5 本章小結(jié) 6 2.第 7 章結(jié)論 總結(jié) 6.3

19、.7.2 展望 6.4.致謝 6.5.參考文獻(xiàn) 6.6.第 1 章緒論 PAGE 43第 1 章緒論課題研究背景水乃生命之源，是人類及一切生物賴以生存的必備物質(zhì)，同時(shí)也是大自然賜予人類的寶物，它能滋潤世間萬物。然而，中國水資源面臨最嚴(yán)峻的問題，主要表現(xiàn)在水資源供不應(yīng)求和水污染相當(dāng)嚴(yán)重兩個(gè)方面1 ：水資源供不應(yīng)求主要體現(xiàn)在中國水情之上，雖然中國水資源總量高達(dá)兩萬八千億立方米左右，全球水資源總量排名第六，可是人均水量僅有兩千二百立方米左右，僅占全球人均水量的四分之一；水污染嚴(yán)重主要根源在于污水排放量日益增長，然而污水處理廠數(shù)目偏少及處理效率偏低。目前，水資源問題已經(jīng)成為中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展首要解

20、決問題的重中 之重。為了妥善的解決水資源問題，應(yīng)當(dāng)從以下三方面抓起：首先，倡導(dǎo)大家 節(jié)約用水，杜絕水資源的浪費(fèi)；其次，提高水資源利用率，達(dá)到水資源綜合利 用2 ；最后，做好水污染防治工作，嚴(yán)格控制污水排放量，提高污水處理效率。這樣，污水處理就成了在污水排放之前一項(xiàng)非常重要工作。污水處理控制包括 對(duì)多個(gè)參數(shù)的控制， 其中污水 pH 值是一個(gè)非常重要的控制參數(shù)，國家工業(yè)廢水排放的標(biāo)準(zhǔn) pH 值范圍是 6.5 8.5。在化學(xué)、制藥、造紙、冶煉和其他工業(yè)生產(chǎn)排放的工業(yè)廢水中往往包含大量的有毒物質(zhì)，所以水的實(shí)際 pH 值遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離指定范圍的 pH 值3 。因此，在污水排放前首先應(yīng)該做好pH 值檢測(cè)工作，緊

21、接著依據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)向其中添加適量中和劑進(jìn)行中和反應(yīng)，循環(huán) pH 值檢測(cè)操作和中和劑添加操作，直到 pH 值達(dá)到國家工業(yè)污水排放標(biāo)準(zhǔn)范圍為止。因此，酸堿中和過程中 pH 值的控制是整個(gè)污水處理系統(tǒng)的重點(diǎn)，其pH 值控制效率決定了污水處理效果。當(dāng)前，國內(nèi)各行各業(yè)的發(fā)展都逐步采用計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)方面表現(xiàn)尤為突出，經(jīng)過工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)融合在一起后孕育了新型現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)。在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中大量引用微控制處理器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，嵌入式系統(tǒng)就是其中的一種，它具備成本低、靈活易操作及組態(tài)簡單等非常鮮明的優(yōu)點(diǎn)?？梢詫?shí)現(xiàn)被控對(duì)象的技術(shù)指標(biāo)大幅度提升，無論是產(chǎn)品的產(chǎn)量還是產(chǎn)品的質(zhì)量都有

22、一個(gè)質(zhì)的飛躍，未來在解決工業(yè)生產(chǎn)控制問題上采用嵌入式系統(tǒng)控制將成為首先方案。課題研究目的與意義在工業(yè)污水排放監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)中，污水的pH 值一直都是環(huán)保局重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象。經(jīng)過多年的監(jiān)測(cè)得出一個(gè)重要的結(jié)論，污水處理酸堿中和過程中存在著非常嚴(yán)重的非線性特點(diǎn)，其非線性特性主要體現(xiàn)如下：當(dāng)污水的pH 值在中和值臨近位置時(shí)，只要向污水中添加微量的中和劑溶液就能引起pH 值大幅度改變，可以歸結(jié)為在中和值臨近位置處pH 值變化增益非常大；反之，當(dāng)污水的pH 值在離中和值較遠(yuǎn)位置時(shí)， 需要向污水中添加足夠量的中和劑溶液才能引起pH 值小幅度改變，可以歸結(jié)為在離中和值較遠(yuǎn)位置處pH 值變化增益相當(dāng)小。由此可見，隨著污水

23、的 pH 值不同 pH 值變化增益也相應(yīng)地發(fā)生顯著改變，充分體現(xiàn)了中和過程的非線性特點(diǎn)，這也成了污水處理中和過程pH 值控制的最大阻力。除此之外，污水處理中和環(huán)節(jié)進(jìn)行環(huán)境大多數(shù)選擇在循環(huán)管道或特大容器中，在實(shí)際操作中可能存在溶液酸堿性分布不均勻，造成了中和過程具有時(shí)滯性特點(diǎn)，與此同時(shí)，混合液化學(xué)成分、雜質(zhì)含量及外界溫度等因素也會(huì)給中和過程帶來不可輕視的影響。 這一系列因素對(duì)污水處理中和過程中的pH 值控制增加了難度，使 pH 值控制成為了特別難以控制的變量之一。因此，研究污水處理過程中 pH 值控制擁有特別重要的實(shí)踐價(jià)值。要實(shí)現(xiàn)有效控制污水處理過程中pH 值的目標(biāo)，首要的任務(wù)是解決pH 值變化

24、的非線性問題。假如依然采用常規(guī)的PID 控制算法對(duì)其進(jìn)行控制，可能會(huì)存在控制反應(yīng)速度慢、控制精準(zhǔn)度低等缺點(diǎn)，甚至?xí)霈F(xiàn)震蕩現(xiàn)象，很難達(dá)到預(yù)想的理想狀態(tài)。因此，非常必要選擇一種優(yōu)異的控制算法對(duì)pH 值進(jìn)行控制。本文全面的分析了pH 值中和過程反應(yīng)機(jī)理及其特性，針對(duì)pH 值中和過程特性曲線，在改進(jìn)的數(shù)字 PID 控制算法基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種七段式變?cè)鲆鍼ID 控制算法。通過采用 Matlab 仿真技術(shù)對(duì)基于七段式變?cè)鲆鍼ID 控制算法的控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)仿真并與基于常規(guī)PID 控制算法的控制系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。該控制系統(tǒng)中控制器的設(shè)計(jì)是分別基于硬件和軟件兩個(gè)平臺(tái)之上，通過采用 ARM1176JZF-S

25、 為內(nèi)核的 S3C6410X 處理器搭建的硬件平臺(tái)，使用嵌入式linux 操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn) pH 值控制器的設(shè)計(jì)。基于ARM的污水處理 pH 值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的控制精度，改善了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)國外研究現(xiàn)狀1907 年丹麥科學(xué)家索倫森首次提出pH 值的概念， 從此人們對(duì) pH 值的定義有所認(rèn)識(shí)并開始不斷探索和研究pH 值測(cè)量方法。在國外對(duì)pH 值控制的研究始于 1950 年左右，由此可見對(duì)pH 控制的研究已經(jīng)變成了一個(gè)陳舊課題。盡管研究年限長，但是要達(dá)到控制成本低、效果好的目的，卻始終是一個(gè)難題。根本原因是中和過程中 pH 值的變化趨勢(shì)呈

26、現(xiàn)出嚴(yán)重的非線性及時(shí)滯性等特點(diǎn)，因此，pH 值控制最大的難點(diǎn)就是如何解決pH 值變化過程中的非線性和滯后性。1972 年 McAvoy T J. 最先提出 pH 中和過程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，該模型為研究pH 值控制問題之路奠定了理論基礎(chǔ)，并已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得驗(yàn)證4 ；1973 年Shinskey F.Gregg在Process Control System Application, Design, and Tuning報(bào)告中講述了工業(yè)生產(chǎn)過程場(chǎng)合中pH 值控制環(huán)節(jié)的相關(guān)知識(shí) 5 ，并嘗試使用增益自適應(yīng) PI 控制器來處理中和點(diǎn)臨近的高增益困難，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明取得了較理想的效果6 ；1983 年 G

27、ustafsson T K通過電荷中和平衡與質(zhì)能守恒定律相結(jié)合，基于 pH 值中和過程的動(dòng)態(tài)模型基礎(chǔ)之上提出一種pH 值中和過程的通用模型 7 ； 1992 年 Gustafsson T.K. 提出了非線性自適應(yīng)控制算法，設(shè)計(jì)出一種采用線性擬合方案的非線性控制器，控制器的原理是利用直接估計(jì)與間接參數(shù)估計(jì)的結(jié)構(gòu)來完成對(duì)緩沖液體變化趨勢(shì)的估算工作，但是該算法設(shè)計(jì)過程相當(dāng)繁雜，可行性非常差 8 ； 1993 年林景曄提出了一種增益參數(shù)自整定控制方案，根據(jù)對(duì)不同的緩沖液的濃度、反應(yīng)物的濃度和化學(xué)電離平衡常數(shù)等預(yù)知參數(shù)的實(shí)時(shí)估算， 并且采用一步超前控制規(guī)律對(duì)其進(jìn)行控制，仿真結(jié)果證明該方案取得了較好的動(dòng)態(tài)

28、控制性能， 但是由于對(duì)控制要求相當(dāng)高，控制性能隨pH 值的變化增益改變發(fā)生明顯下降 9 ； 1995 年 Astrom.K.J、Wittemark.B.等人研究了強(qiáng)酸與強(qiáng)堿型中和反應(yīng)的自適應(yīng)控制器10；1995 年 Sung S.W.利用設(shè)定值更動(dòng)的控制方法辯別模 型曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)pH 值中和過程中的時(shí)變特性與非線性的補(bǔ)償11 ；1996 年 Hu X 和 R.papa 等人對(duì)比研究了基于無模型的控制器和有模型的控制器在pH 值中和過程中的控制效果 12；2004 年 Jose A.提出了基于多模型線性實(shí)時(shí)控制算法的pH值中和過程方案，分析了多模型線性實(shí)時(shí)控制中的多種自適應(yīng)機(jī)制原理，并與自調(diào)整

29、PI 控制器及傳統(tǒng) PI 控制器進(jìn)行了對(duì)比研究 13。國內(nèi)研究現(xiàn)狀在國內(nèi)先進(jìn)控制算法被大量應(yīng)用到pH 值控制過程中， 先進(jìn)控制算法主要包括 PID 控制算法、現(xiàn)代控制算法和智能控制算法等。1997 年楊翠蓉、龐全等人設(shè)計(jì)了一種基于模糊神經(jīng)控制算法的pH 值控制器， 并完成了相關(guān)理論分析及數(shù)字仿真，然而，由于該算法過程的復(fù)雜性導(dǎo)致無法在實(shí)際工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)14； 1998 年孫西等人提出一種雙線性反應(yīng)機(jī)理模型，并設(shè)計(jì)出了一種基于雙線性自適應(yīng)控制算法的化學(xué)品生產(chǎn)中結(jié)晶的pH 值中和過程控制系統(tǒng) 15； 2003 年趙彥華等人設(shè)計(jì)出一種基于模糊前饋控制與變?cè)鲆鍼ID 相結(jié)合的算法的廢水處理pH 值中和

30、過程控制系統(tǒng) 16 ；2008 年梅林等人采用模糊控制和PID 控制理論相結(jié)合的方法，提出一種基于模糊自適應(yīng)PID 控制的污水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)的硬件平臺(tái)采用 MSP430F149 型號(hào)單片機(jī)作為處理器核心， 實(shí)現(xiàn)了簡單的 pH 值控制功能17 ；2011 年陳仕彬、王樹東等人將專家控制與傳統(tǒng)PID 算法相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種基于專家 PID 控制算法的污水處理pH 值控制系統(tǒng) 18 。目前，國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)中選用的pH 值控制器絕大部分都是基于PLC 或者單片機(jī)硬件平臺(tái)，采用單回路控制器或結(jié)合簡單的控制算法等裝置。這些裝置常常存在穩(wěn)定性偏弱、控制精度不夠高、結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜、投資十分高等缺點(diǎn)。論文研究的主

31、要內(nèi)容與創(chuàng)新論文主要研究內(nèi)容：首先，闡述了嵌入式系統(tǒng)與 ARM 技術(shù)；然后，講述了pH 值定義與中和過程反應(yīng)機(jī)理及其特性，并提出了污水處理 pH 值控制系統(tǒng)總體方案；最后，介紹幾種控制算法的原理，提出一種新的控制算法即七段式變?cè)鲆?PID 控制算法 ,采用 Matlab 軟件對(duì)該算法進(jìn)行了系統(tǒng)仿真并與其它算法仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。 基于功能非常強(qiáng)大的ARM 處理器硬件平臺(tái)之上， 開發(fā)出一套嶄新的 pH 值控制系統(tǒng)，從根本上解決了pH 值控制非線性難題。本文研究內(nèi)容結(jié)構(gòu)如下：第一章：首先介紹污水處理pH 值控制研究背景、目的及意義，然后講述了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)；第二章：概述了嵌入式定義及特點(diǎn)、

32、 嵌入式操作系統(tǒng)、Linux 操作系統(tǒng)、ARM 處理器特點(diǎn)、 ARM 處理器體系結(jié)構(gòu)、 ARM 處理器工作狀態(tài)和運(yùn)行模式；第三章：概括了 pH 值定義及中和過程定義，以及中和過程的機(jī)理與特性， 然后，提出了污水處理pH 值控制系統(tǒng)總體方案；第四章：介紹了幾種常用PID 控制算法并提出七段式變?cè)鲆鍼ID 控制算法， 然后，利用 Matlab 軟件對(duì)該算法進(jìn)行了系統(tǒng)仿真并與其它PID 算法仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析；第五章：提出了系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)方案，并分別講述了硬件模塊電路及相關(guān)參數(shù)；第六章：重點(diǎn)講述了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，主要從軟件設(shè)計(jì)方案、軟件開發(fā)環(huán)境、軟件開發(fā)模塊三個(gè)方向進(jìn)行了詳細(xì)的分析；第七章

33、：論文最后結(jié)論部分對(duì)本文主要研究內(nèi)容做了全面的總結(jié)，指點(diǎn)了整個(gè)設(shè)計(jì)過程的缺點(diǎn)與難點(diǎn)，點(diǎn)明了研究結(jié)論和未來研究方向。第 2 章嵌入式系統(tǒng)與ARM 技術(shù)第 2 章嵌入式系統(tǒng)與ARM技術(shù)2.1 嵌入式系統(tǒng)2.1.1 嵌入式系統(tǒng)定義及特點(diǎn)（ 1）嵌入式系統(tǒng)定義嵌入式系統(tǒng)定義：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪、適應(yīng)于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)19 。嵌入式系統(tǒng)主要包括嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置兩部分20 。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)又包括應(yīng)用程序、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式CPU 與外圍硬件設(shè)備、嵌入式硬件平臺(tái)， 其結(jié)構(gòu)圖如圖 2.1 所示；執(zhí)行裝置主要任務(wù)是接收嵌

34、入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的命令并執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作，又稱作為被控對(duì)象。（ 2）嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)圖 2.1 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖嵌入式系統(tǒng)是一種知識(shí)高度集成系統(tǒng)，它是由電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)及 計(jì)算機(jī)技術(shù)等多個(gè)行業(yè)相互結(jié)合的產(chǎn)物，因此具備高度分散、 技術(shù)及資金高度集成等特征；嵌入式需要高效率的設(shè)計(jì)硬件和軟件，必須做到除去冗余、量體裁衣的程度，只有這樣才能對(duì)處理器的選擇具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品融為一體，系統(tǒng)的更新升級(jí)與產(chǎn)品的更新?lián)Q代幾乎同步進(jìn)行的，因此生命周期比較長；嵌入式程序運(yùn)行速率要求非?？?，可靠性要求相當(dāng)高，因此軟件存儲(chǔ)需要固態(tài)存儲(chǔ)，另外，軟件代碼的可靠性和代碼質(zhì)量都要求非常高；第

35、2 章嵌入式系統(tǒng)與ARM 技術(shù)嵌入式系統(tǒng)缺乏像通用計(jì)算機(jī)那樣地自主開發(fā)能力，因此需要準(zhǔn)備一套額外的開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境來完成嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工作。2.1.2 嵌入式操作系統(tǒng)）嵌入式操作系統(tǒng)的概述嵌入式操作系統(tǒng)是指應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)，同時(shí)也是開發(fā)應(yīng)用程序的開發(fā)環(huán)境 21。從結(jié)構(gòu)方面分析，嵌入式操作系統(tǒng)屬于嵌入式系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)，為上層的應(yīng)用程序與底層的硬件系統(tǒng)之間的聯(lián)系起到了橋梁作用，為上層應(yīng)用程序提供各種驅(qū)動(dòng)和硬件接口，促進(jìn)了上層應(yīng)用程序的再次開發(fā)；從成分方面分析，嵌入式操作系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)內(nèi)核、硬件驅(qū)動(dòng)程序軟件、通信協(xié)議、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口及圖形接口等；從功能方面分析，嵌入式操作一般具備

36、任務(wù)調(diào)度、中斷機(jī)制、進(jìn)程間同步、文件管理等功能22；從特點(diǎn)方面分析，嵌入式操作系統(tǒng)具有系統(tǒng)內(nèi)核小、專用性強(qiáng)、系統(tǒng)精簡、實(shí)效性高、多任務(wù)的操作系統(tǒng)等特點(diǎn)；從種類方面分析，當(dāng)今相當(dāng)流行的嵌入式操作系統(tǒng)有WinCE、Linux 、Vxwork 、Andorid 、IOS 等。） Linux 操作系統(tǒng)Linux 操作系統(tǒng)是一種代碼開源和免費(fèi)使用的類 Unix 操作系統(tǒng)；是一個(gè)基于 UNIX 及 POSIX 平臺(tái)的多任務(wù)、 多用戶、支持多處理器和多線程的操作系統(tǒng)； 是一個(gè)性能特別穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 23 。Linux 主要特性：完全免費(fèi) 任何用戶都可以通過互聯(lián)網(wǎng)下載系統(tǒng)源代碼，并可以根據(jù)自身需要修改其源

37、代碼。正是因?yàn)槿绱?，吸引了無數(shù)的程序?qū)inux 代碼的修改，讓 Linux 吸收了無數(shù)人的精華，不斷完善，使Linux 操作系統(tǒng)成了一款非常受歡迎的嵌入式操作系統(tǒng)；兼容 POSIX1.0 標(biāo)準(zhǔn) 在 Linux 下可以采用相應(yīng)的模擬器運(yùn)行DOS、Windows 程序，在 Windows 中開發(fā)的程序員能快速入手Linux 開 發(fā) ； 良好用戶交互界面 同時(shí)具有字符界面及圖形界面，字符界面通過輸入指令進(jìn)行相關(guān)操作，圖形界面主要指X-Windows 系統(tǒng)；多用戶、多任務(wù) Linux支持多用戶，各用戶之間互不影響，與此同時(shí)， Linux 可以讓多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行并彼此獨(dú)立；支持多種硬件平臺(tái) Linux

38、 可以在多種硬件平臺(tái)上運(yùn)行，例如x86 處理器、 Alpha 處理器、 SPARC 處理器等硬件平臺(tái)。ARM 技術(shù)ARM （Advanced RISC Machines）有三種含義：第一種是一個(gè)公司的名字； 第二種是對(duì)微處理器的通稱；第三種是代表一種技術(shù)24 。ARM處理器特點(diǎn)微型體積、較低成本、較低功耗、較高性能；支持 ARM （32 位）/Thumb（16 位）雙指令集；采用大量寄存器，指令執(zhí)行速率特別迅速；在寄存器中完成數(shù)據(jù)操作整個(gè)過程；具有固定的指令長度；靈巧的尋址方式，高效率。ARM處理器體系結(jié)構(gòu)25處理器體系結(jié)構(gòu)通常分復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（CISC）和精簡指令集計(jì)算機(jī)（ RISC）兩種

39、，在復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)指令集中，被重復(fù)使用的指令為所有指令的 1/5，占據(jù)整體程序代碼的4/5，然而剩余的指令不經(jīng)常使用。在精簡指令集計(jì)算機(jī)指令集中，大部分是采用簡單指令，很少見到復(fù)雜指令；尋址方式種 類偏少；指令格式偏少；固定的指令長度；大多數(shù)采用控制邏輯，減少微碼控 制使用。ARM處理器工作狀態(tài)和運(yùn)行模式ARM 處理器工作狀態(tài)通常分Thumb 狀態(tài)和 ARM 狀態(tài)兩種： 當(dāng)處理器處于Thumb 狀態(tài)時(shí)， 執(zhí)行 16bit 的半字節(jié)對(duì)齊的Thumb 指令；當(dāng)處理器處于 ARM 狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行 32bit 的字對(duì)齊的 ARM 指令26 。處理器可以在這兩種工作狀態(tài)之間 轉(zhuǎn)換。 ARM 處理器支持七

40、種運(yùn)行模式，具體運(yùn)行模式如表2.1 所示。第 2 章嵌入式系統(tǒng)與ARM 技術(shù)表 2.1 ARM 處理器運(yùn)行模式模式名稱用戶模式 (User, usr)管理模式 (Supervisor, sve)系統(tǒng)模式(System, sys)未定義指令模式(Undef, und) 數(shù)據(jù)訪問終止模式(Abort, abt) 快速中斷模式 (FIQ, fiq)外部中斷模式(IRQ, irq)模式描述正常的程序執(zhí)行所處的模式供操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式 運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù) 當(dāng)執(zhí)行未定義指令時(shí)進(jìn)入此模式用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)的模式用于高速數(shù)據(jù)傳輸和通道處理用于通常的中斷處理第 3 章系統(tǒng)過程分析與總體方案設(shè)計(jì)第

41、 3 章系統(tǒng)過程分析與總體方案設(shè)計(jì)pH 值定義及其中和過程pH 值定義+-pHpH 值是用來標(biāo)度溶液酸堿度的單位，pH 值即為溶液酸離子的活度， 其定義為以每升離子數(shù)表示的氫離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)，其表達(dá)式如(3.1)所示： HpHlog10或 H= 10(3.1)根據(jù)式 (3.1)可知任何已知?dú)潆x子濃度水溶液的pH 值，氫離子濃度指數(shù)一般在 014 范圍內(nèi)，當(dāng) pH 值等于 7 時(shí)，溶液呈顯中性；當(dāng)pH 值小于 7 時(shí)，溶液呈顯酸性，其值越靠近0，溶液酸性強(qiáng)度越強(qiáng)；當(dāng)pH 值大于 7 時(shí)，溶液呈顯堿性，其值越靠近14，溶液堿性強(qiáng)度越強(qiáng) 27。當(dāng)溫度為 25時(shí)，水的離解平衡常數(shù)定義為 KW：KW H

42、 OH10 14(3.2)綜合表達(dá)式 (3.1)和(3.2)可得出水溶液的氫氧根濃度OH-： OH10pH 14(3.3)pH 值是體現(xiàn)溶液酸堿性的關(guān)鍵參數(shù)， pH 值大小關(guān)系到溶液的物理及化學(xué)特性，精確檢測(cè)及科學(xué)控制pH 值對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有十分重要的意義。酸堿中和過程酸堿中和過程的本質(zhì)是堿性溶液離解出來的氫氧根離子遇酸性溶液離解出來的氫離子時(shí)發(fā)生反應(yīng)生成水的過程28 。把溶液中滿足 H+= OH-和 pH=7 兩個(gè)條件的地方稱為水的中和點(diǎn)。酸堿中和過程內(nèi)嵌了一個(gè)電荷中和，即溶液離子帶有等量異種電荷，在中和過程相互抵消達(dá)到溶液電荷保持平衡。目前，常用酸堿滴定法測(cè)量pH 值，酸堿滴定法的原理就是酸

43、堿中和反應(yīng)。酸堿中和過程呈現(xiàn)出特別明顯的非線性29 ，酸堿滴定曲線如圖3.1 所示：從圖中可以清晰地看到，當(dāng)pH 值接近 7 時(shí)，被控對(duì)象的靜態(tài)增益非常大，這時(shí)向 其中略加中和劑，會(huì)導(dǎo)致被控對(duì)象的pH 值發(fā)生顯著改變，可歸結(jié)為pH 值在水的中和點(diǎn)附近敏感度較高；當(dāng)pH 值遠(yuǎn)離 7 時(shí)，被控對(duì)象的靜態(tài)增益相當(dāng)小，需要加入大量的中和劑， 才能引起被控對(duì)象的pH 值發(fā)生微微的變化， 可歸結(jié)為 pH值遠(yuǎn)離水的中和點(diǎn)位置敏感度較低。故中和過程非線性特歸結(jié)為：pH 值在水的中和點(diǎn)附近處靈敏度較高，而在遠(yuǎn)離水的中和點(diǎn)處靈敏度較低。由于在水的中和點(diǎn)附近處的過程增益極高（常常達(dá)到幾千倍、乃至幾萬倍），因此對(duì)外界

44、的干擾特別敏感，哪怕再微小的干擾，都會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)過程發(fā)生顯著地變化。圖 3.1 酸堿滴定曲線污水處理中和過程機(jī)理及特點(diǎn)分析污水處理中和過程機(jī)理在實(shí)際工廠廢水處理中的酸堿中和過程是一個(gè)相當(dāng)繁雜的過程，大量研究者依據(jù)化學(xué)平衡定律及物質(zhì)守恒定律，闡述了在連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)（ Continuously Stirred Tank Reactor ）動(dòng)態(tài)模型。具體的CSTR 系統(tǒng)模型如圖3.2 所示，在該CSTR 系統(tǒng)模型上分析pH 中和過程的機(jī)理30 。圖 3.2 CSTR 系統(tǒng)原理圖圖 3.2 中 F1、F2 分別表示污水流入反應(yīng)釜中的酸(堿)流量和中和劑流入反應(yīng)釜的堿(酸)流量； C1、C2 分別表示

45、污水中酸 (堿)的濃度和中和劑堿 (酸)的濃度； Xa、Xb 分別表示從反應(yīng)釜中流出的污水中酸(堿)的總濃度和堿 (酸)的總濃度。連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)模型的原理：首先，污水經(jīng)過污水入口通道流入反應(yīng)釜；然后，污水在反應(yīng)釜中進(jìn)行中和反應(yīng)；最后，再經(jīng)過污水出口通道流出反應(yīng)釜。當(dāng)污水流出反應(yīng)釜時(shí)，在污水出口通道中測(cè)量污水的 pH 值，利用 pH 變送器轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號(hào)再傳遞給控制器，若污水出口通道中的污水 pH 7，溶液呈堿性，那么控制器會(huì)控制打開酸式劑閥，向反應(yīng)釜中流入適量酸與其中和；不斷循環(huán)上述兩種操作，直到出口 處的污水 pH 值等于 7 為止。連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng)模型的理想條件：第一，反應(yīng)釜容器

46、內(nèi)處處恒溫；第 二，反應(yīng)釜內(nèi)溶液充分混合。 CSTR 系統(tǒng)的整個(gè)控制系統(tǒng)模型包括動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種模型，動(dòng)態(tài)模型講述的是反應(yīng)釜系統(tǒng)中化學(xué)成分的濃度的動(dòng)態(tài)變化狀況，靜 態(tài)模型描述的是反應(yīng)釜系統(tǒng)中化學(xué)成分的化學(xué)平衡。其動(dòng)態(tài)模型表示如下：在反應(yīng)釜中酸含量的變化等于污水在流入反應(yīng)釜時(shí)含有酸的總量與在流出反應(yīng)釜時(shí)含有酸的總量之差，其表達(dá)式如(3.4)所示：V dX a= F (t )C F (t )F (t ) X(3.4)1112adt同理，在反應(yīng)釜中堿含量的變化等于污水在流入反應(yīng)釜時(shí)含有堿的總量與在流出反應(yīng)釜時(shí)含有堿的總量之差，其表達(dá)式如(3.5)所示：V dX b= F (t)C F (t )F (t

47、 ) X(3.5)2212bdt綜合表達(dá)式 (3.4)與(3.5)，可得 CSTR 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制模型：(3.6)結(jié)合(3.6)再令 m = Xa - Xb，化簡可得式 (3.7)：V dm =(Cm) F(t )(C +m ) F(t)(3.7)1122dt其靜態(tài)模型分不同化學(xué)機(jī)理分析如下31：強(qiáng)酸遇強(qiáng)堿模型強(qiáng)酸選擇鹽酸 (HCL) ，強(qiáng)堿選擇氫氧化鈉 (NaOH)，由電荷守恒定律知： H Na = CLOH(3.8)依據(jù)強(qiáng)酸強(qiáng)堿完全電離原則，表達(dá)式(3.8)可寫為： HX bOHX a(3.9)綜合(3.1)與(3.3)及(3.9)，可得 CSTR 系統(tǒng)的靜態(tài)控制模型：X aX b HOH

48、10 pH10 pH 14(3.10)綜合 CSTR 系統(tǒng)的兩種控制模型，結(jié)合表達(dá)式(3.7)和(3.10)可得出強(qiáng)酸強(qiáng)堿CSTR 整體控制系統(tǒng)模型：dpH(C10 pH10pH14 )F (t)(C10 pH10pH14 )F (t)1122(3.11)dtV10 pHln1010pH 14ln10一元弱酸遇強(qiáng)堿模型一元弱酸選用醋酸 (HA) ，強(qiáng)堿選用氫氧化鈉 (NaOH)。假設(shè)醋酸電離常數(shù)為KC。未電離的醋酸濃度 HA 與H+ 、A- 成正比例關(guān)系，與電離常數(shù)KC 成反比例關(guān)系。其表達(dá)式可表示為：HA = H + A- K C(3.12)Kc定義 pKC=-log10，依據(jù)質(zhì)量守恒及電荷

49、中和條件，可得出一元弱酸與強(qiáng)堿的靜態(tài)控制模型：XX apHb110pKCpH1010 pH 14(3.13)綜合動(dòng)態(tài)模型和靜態(tài)模型，結(jié)合表達(dá)式(3.7)和(3.13)即可得出一元弱酸與強(qiáng)堿的 CSTR 控制系統(tǒng)整體模型。通用模型依據(jù)電荷中和條件及質(zhì)量守恒定律分析CSTR 系統(tǒng)的控制模型，電荷中和條件： Im=0，I指的是電荷， m指的是離子 的量；質(zhì)量守恒定律： A m= B，A指的是離子 中元素 的系數(shù)，B指元素 的總量。結(jié)合表達(dá)式 (3.7)即可得到任何 CSTR 系統(tǒng)模型通用形式。綜上所述， CSTR 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制模型表達(dá)式(3.7)是一個(gè)反映了酸堿濃度與控制量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系的線性微分

50、方程，電荷中和條件和質(zhì)量守恒定律共同決定了 pH 與氫離子濃度之間的靜態(tài)對(duì)數(shù)關(guān)系的非線性代數(shù)方程，二者結(jié)合構(gòu)成了CSTR 系統(tǒng)模型非線性動(dòng)態(tài)過程。污水處理中和過程特點(diǎn)污水處理過程中的pH 值控制的理論基礎(chǔ)是pH 中和過程，同時(shí)污水處理整個(gè)過程在一個(gè)非常特別的應(yīng)用場(chǎng)合中進(jìn)行，因此，污水處理中和過程不僅擁有 pH 中和過程的特點(diǎn)，還有其他一系列復(fù)雜的特性32。其特性表現(xiàn)如下：1、干擾性：控制過程最大干擾因素就是污水出口流量變化，污水出口流量是一個(gè)隨機(jī)變量，存在著嚴(yán)重的不穩(wěn)定性，對(duì)pH 控制帶來很大的困擾；2、波動(dòng)性：在未知污水源情況下，無法確定污水的酸堿性，污水在不同時(shí)刻呈現(xiàn)出不同的酸堿性，應(yīng)付這

51、種情況時(shí)刻都需要準(zhǔn)備兩種中和劑；3、誤差性：由溶液的混合均勻性、反應(yīng)容器恒溫性、儀器測(cè)量、傳輸時(shí)延和噪聲等一系列因素給系統(tǒng)控制帶來誤差；4、不穩(wěn)定性：污水處理過程的不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在污水濃度不穩(wěn)定，忽高忽低，造成添加的中和劑量難以精確估計(jì)；5、不確定性： 污水處理過程的不確定性主要表現(xiàn)在對(duì)象的反應(yīng)曲線不確定，原因在于污水中所含的酸堿的成分十分復(fù)雜。3.3 污水處理 pH 值控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的 pH 值控制系統(tǒng)采用雙層CPU 分布式結(jié)構(gòu)方案，主要由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分組成。其中下位機(jī)的核心是變?cè)鲆婵刂破?，主要功能包括處理相關(guān)參數(shù)、選擇控制算法、決策控制量輸出及通道選擇及完成與上位機(jī)之

52、間的通信等。上位機(jī)核心是一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。 采用本文設(shè)計(jì)的 pH 值控制系統(tǒng)可以達(dá)到對(duì)污水的pH值進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量與監(jiān)控目標(biāo)，把污水的水進(jìn)行排放。pH 值控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，然后對(duì)污圖 3.3 pH 值控制系統(tǒng)整體框圖其系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖3.3 所示。下位機(jī)操作主要步驟如下：首先，在污水輸出通道中使用 pH 值傳感器對(duì)污水的pH 值進(jìn)行采集，采集完后把數(shù)據(jù)傳送給pH 值變送器； 然后， pH 值變送器把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)pH 值電信號(hào)， 再把 pH 值電信號(hào)傳遞給控制器；最后，變?cè)鲆婵刂破鞲鶕?jù)接收到的pH 值電信號(hào)來決策控制量輸出及通道選擇。如果

53、污水輸出通道中的污水呈現(xiàn)酸性，則變?cè)鲆婵刂破鲿?huì)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇輸出控制通道A ，堿式灌閥門自動(dòng)打開， 堿式灌中堿性溶液會(huì)流入污水處理容器中，不斷的與污水中的酸性溶液發(fā)生中和反應(yīng)使得污水的pH 值靠近 7，堿性溶液流量由污水輸出通道中污水的pH 值決定；如果污水輸出通道中的污水呈現(xiàn)堿性， 則變?cè)鲆婵刂破鲿?huì)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇輸出控制通道B，酸式灌閥門自動(dòng)打開，酸式灌中酸性溶液會(huì)流入污水處理容器中，不斷的與污水中的堿性溶液發(fā)生中和反應(yīng)使得污水的pH 值靠近 7，酸性溶液流量由污水輸出通道中污水的 pH 值決定。無論污水呈酸性還是呈堿性，經(jīng)過該pH 值控制系統(tǒng)多次循環(huán)處理后，污水的pH 值將逐漸靠近pH

54、 值控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)pH 值控制的功能。下位機(jī)最后把pH 值數(shù)據(jù)打包利用RS-232 總線通信傳達(dá)到上位機(jī)，上位機(jī)監(jiān)控中心主要完成顯示數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控及存儲(chǔ)回調(diào)歷史數(shù)據(jù)等工作。第 4 章污水處理控制算法選取與系統(tǒng)仿真第 4 章污水處理控制算法選取與系統(tǒng)仿真常規(guī) PID 控制算法PID 控制基本原理PID 控制系統(tǒng)包括 PID 控制器和被控對(duì)象兩部分，其結(jié)構(gòu)圖如圖4.1 所示：圖 4.1 PID 控制系統(tǒng)原理框圖PID 控制定義： 聯(lián)合偏差比例 (P)、偏差積分 (I) 及偏差微分 (D) 三者的控制 33 。實(shí)際輸出值 y(t)與給定值 r(t)之間的偏差造成偏差值e(t)，表達(dá)式如 (4.1)

55、所示：e(t)r (t)y(t)(4.1)把 e(t)按 P、I 、D 三種形式采用線性組合方式生成控制量 u(t)，然后對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，即稱作 PID 控制器。由 PID 控制器定義可知 PID 控制器屬于線性控制器，偏差的比例、積分及微分具體線性關(guān)系如表達(dá)式 (4.2)所示：u(t )K P e(t)1te(t )dtTDTI0de(t) dt(4.2)式中 u(t)為調(diào)節(jié)器的輸出； e(t)為調(diào)節(jié)器的偏差； Kp 是調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；TI 是調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)；TD 是調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間常數(shù)。PID 控制器各控制環(huán)節(jié)的作用如下：比例部分：比例調(diào)節(jié)作用是把系統(tǒng)的偏差成比例的放大。只要偏

56、差開始產(chǎn)生，無論偏差多么微小， 控制器都會(huì)在第一時(shí)間內(nèi)對(duì)其做出控制反應(yīng)， 朝著偏差減少的方向作用，比例系統(tǒng)數(shù)Kp 決定作用大??；積分部分：積分調(diào)節(jié)作用是最優(yōu)化的消滅系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，積分調(diào)節(jié)與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差同存亡，積分調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)；微分部分：微分調(diào)節(jié)作用是預(yù)測(cè)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，把偏差消滅在萌芽的搖籃之中，由此可見，大大地增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，微分調(diào)節(jié)不會(huì)單獨(dú)作用，常常與比例調(diào)節(jié)或積分調(diào)節(jié)結(jié)合使用。數(shù)字 PID控制算法隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，越來越多計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用于PID 控制系統(tǒng)中。由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)屬于采樣控制系統(tǒng)，它無法處理模擬PID 控制算法中的連續(xù)控制量，因此，需

57、要對(duì)連續(xù)控制量進(jìn)行離散化處理。把經(jīng)過離散化處理后的PID 控制算法定義為數(shù)字PID 控制算法，它包括位置式和增量式兩種PID 控制算法34。）位置式 PID 控制算法參照 PID 控制原理，連續(xù)時(shí)間t 用一聯(lián)串的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT 取代，把連續(xù)系統(tǒng)的微分方程替換成離散系統(tǒng)的差分方程，可得算法的積分項(xiàng)與微分項(xiàng)：tkke(t )dte(0jT )tTe( j )(4.3)j 0j 0de(t)e(kT )e( k1)T )e(k)e( k1)(4.4)dttT將離散化的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)都代入公式(4.2)中，得控制輸出u(k)：u(k)KP e( k)TkTIj 0e( j )TD e(k) Te( k

58、1)(4.5)式中 T 是采樣周期； e(k)為第 k 次采樣時(shí)的偏差； u(k)為調(diào)節(jié)器在第k 次采樣時(shí)的控制輸出。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)由控制輸出u(k)直接進(jìn)行控制， 且執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置與u(k)的值具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，故稱該算法為位置式PID 控制算法。）增量式 PID 控制算法由式(4.5)可知調(diào)節(jié)器在第 (k-1)次采樣時(shí)的控制輸出u(k-1)如下：u( k1)k 1K e(k1)Te( j )TD e(ke(k2)(4.6)PTTu(k )K P e(k)e(kIj1)T TI0e(k )TD e( k)2e( k T1)e(k2)(4.7)控制算法中執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置增量與調(diào)節(jié)器的控制輸出增量u(k

59、)值具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，故稱該算法為增量式PID 控制算法。改進(jìn)的數(shù)字PID控制算法（1）不完全微分的 PID 控制算法在 PID 控制器各控制環(huán)節(jié)中，微分控制環(huán)節(jié)具有改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的功能， 但同時(shí)也放大了高頻噪聲，會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)時(shí)間延長、控制過程過度振蕩。在系統(tǒng) 控制過程中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的做出相應(yīng)動(dòng)作所消耗時(shí)間稱執(zhí)行時(shí)間，假如調(diào)節(jié)時(shí)間 過長這樣造成執(zhí)行時(shí)間必然會(huì)減短。短時(shí)間內(nèi)執(zhí)行效果可能不充分，會(huì)引起輸出失真。為了改善這種失真，特意在常規(guī)的PID 控制算法中微分控制環(huán)節(jié)添加一個(gè)低通濾波器構(gòu)成一種不完全微分PID 控制算法 35 ，其原理框圖如圖 4.2所示。圖 4.2 不完全微分PID 控制系統(tǒng)原理

60、框圖低通濾波器的傳遞函數(shù)為Gf s11+T f s，常規(guī) PID 控制器的傳遞函數(shù)G( s)U (s)K(11T s)(4.8)E(s)PDTI s不完全微分 PID 控制器的傳遞函數(shù)U (s)=(KP +KP +KP TD s) E(s)=UP ( s) +UI ( s) +UD ( s)(4.9)TI s1+T f s將上式離散化得u(k )u P (k)u I (k)u D (k)(4.10)由此可知微分部分uD ( k)uD(k)KPTD s E(s)(4.11)1Tf s改寫成微分方程u(t)Tfdu D (t )dtK TP Dde(t )dt(4.12)取采樣時(shí)間為 T，將式 (