專家智能H測(cè)控儀及其應(yīng)用

專家智能pH測(cè)控儀及其應(yīng)用摘要：針對(duì)酸堿中和的嚴(yán)重非線性和pH響應(yīng)的大時(shí)滯特性，研究開(kāi)發(fā)了基于專家系統(tǒng)的智能pH測(cè)控儀，用于化工與環(huán)保廢水處理等過(guò)程中，取得良好效果。關(guān)鍵字：中和反應(yīng)pH值專家系統(tǒng)智能控制儀器儀表TheExppertIIntellligenttpHCControollerandIItsAppplicaationPangQuuanYangCuiroong(HangzhhouInnstituuteoffElecctroniicsEnngineeeringHangzzhou3100112)ABSTRRACT：Incoonsideeratioonofthehhighnnon-liineariityanndtimme-dellaychharactteristticsooftheepHpprocesss,anintellligenntpHcontrrollerrisddeveloopediinthiispapperonnthebasissofttheexxpertsysteemtheeory.TThemaainchharactteristticsooftheeconttrolleeristhatitcaansellf-orgganizeethediffeerentcontrrolsttrateggyacccordinngtotheddifferrentwworkinngconnditioonoftheppHproocesssoasstoyyieldthebbestpprocesssressult.TThecoontrolllermmainlyyconssistsofainferrencemachiineryandaaknowwledgeelibrrarywwhichcontaainssseveraalsubb-knowwledgeelibrrariesssuchhascchemiccalliibraryy,systteminnformaationlibraary,coontrollmodeellibbrary,,conttrolpparameeterllibrarry,trooubletreattmentlibraaryanndsoon.Thheworrkingprinccipleofthheconntrolllerisspressenteddandabloockdiiagrammoftthecoontrolllersstrructurreisalsogivennintthepaaper.AAsanexamppleoffappllicatiion,thhepappershhowsaatlassthowwaniicotinnedisssociaationproceess,whhichrrequirresraatherpreciisecoontrollwithhnon--oversshotooftemmperattureaandpHHvaluueundderseerioussnon--lineaarityandttime-ddelaycharaacteriisticss,iswwellccontroolledbythheconntrolllerprresenttedinnthisspapeer.KEYWORDSS：Neutrralizaation,,pHvaalue,EExperttsysttem,Inntelliigentcontrrol,Innstrumment.1引言酸堿中和是是各類化工過(guò)過(guò)程普遍存在在的化學(xué)反應(yīng)應(yīng)。反應(yīng)中，pH值的變化通通常呈嚴(yán)重非非線性和時(shí)滯滯特性；加上上不同生產(chǎn)工工藝過(guò)程對(duì)pH值的要求各各不相同，要要取得理想控控制比較困難難。傳統(tǒng)采用用的由單元組組合儀表構(gòu)成成的pH值控制系統(tǒng)統(tǒng)，其設(shè)計(jì)復(fù)復(fù)雜、成本高高且通用性差差。國(guó)外于90年代開(kāi)始研研究用專家系系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)pH控制，已取取得較好效果果〔1～3〕。本文于1993年研制了基基于專家系統(tǒng)統(tǒng)的智能pH測(cè)控儀，在在化工、環(huán)保保等行業(yè)中初初步推廣應(yīng)用用，并取得良良好效果。2控制原理2.1酸酸堿中和特性性圖1顯示了幾種種酸堿中和特特性曲線。圖圖中不難看到到，曲線兩端端的變化緩慢慢，即隨酸(或堿)的加入其pH值變化很小??；而在中和和點(diǎn)附近靈敏敏度很高，這這時(shí)少量酸(或堿)的加入都會(huì)會(huì)使pH值顯著變化化。此外，這這些反應(yīng)通常常在一些大容容器里進(jìn)行，從從中和劑加入入到溶液pH值的變化要要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)時(shí)間；如果因因檢測(cè)不到pH值的變化而而一味增加中中和劑，很容容易造成pH值超調(diào)。以以上兩點(diǎn)，使使傳統(tǒng)的pH控制系統(tǒng)很很難取得理想想效果。2.2專家智能能控制專專家智能控制制的基本特點(diǎn)點(diǎn)是根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)運(yùn)行的不同同工況與特點(diǎn)點(diǎn)，分別采取取不同的控制制模式，以獲獲取最佳的控控制效果〔4，5〕。對(duì)于酸堿堿中和過(guò)程，由由圖1所示曲線，可可分成三種情情況如下。其一是pH值變化較平平緩的階段，如如圖1(a)中的ab段。該階段段需加入較多多中和劑才能能使pH值上升(或下降)，因而應(yīng)根根據(jù)化學(xué)反應(yīng)應(yīng)規(guī)律計(jì)算中中和劑的需要要量并一次性性投入，使pH值迅速接近近目標(biāo)值。設(shè)設(shè)N1、N2分別表示中中和劑與被中中和溶液的濃濃度，L1、L2分別表示兩兩者體積，則則由當(dāng)量定律律不難求得L1=L2．N2/N1圖1酸堿中和和特性然而實(shí)際檢測(cè)到到的是兩者的的pH值而非濃度度，還需轉(zhuǎn)換換。設(shè)N1為堿性，N2為酸性，pH1、pH2分別為它們們的pH值，則由酸酸堿定義得N1=〔OH-〕=10-(114-pH11)N2=〔H+〕=10-pHH2第二階階段取pH值變化較快快的階段，如如圖中的bc段。這時(shí)采采用如下限速速比例控制模模式式中Kv、Kc、Kp、Kd分別表示溶溶液體積大小小、攪拌作用用強(qiáng)弱、pH變化斜率大大小、中和劑劑單位時(shí)間的的流量系數(shù)；；ΔpH為pH檢測(cè)值與目目標(biāo)值之差；；a為限速因子子。采取限速速的目的是避避免因pH變化的時(shí)滯滯而造成中和和劑的過(guò)量加加入。第第三階段如圖圖中的cd段，該段pH值隨中和劑劑的加入而迅迅速變化。另另一方面，pH電極在pH值變化越小小時(shí)其響應(yīng)時(shí)時(shí)間越長(zhǎng)，因因而尤需謹(jǐn)慎慎控制。為此此采用間隙控控制模式，即即每添加一次次中和劑后，等等待一段時(shí)間間再進(jìn)行下一一次檢測(cè)控制制。間隔時(shí)間間T的長(zhǎng)短，同同樣與溶液多多少、攪拌作作用強(qiáng)弱等因因素有關(guān)，即即除上述述因素外，控控制模式還與與生產(chǎn)工藝對(duì)對(duì)pH值的控制要要求有關(guān)。有有些化工過(guò)程程(如煙堿提煉煉和工業(yè)廢水水處理)要求pH值達(dá)到某一一目標(biāo)值即可可。有些過(guò)程程(如肥皂生產(chǎn)產(chǎn)中的皂化過(guò)過(guò)程)則要求pH值按某一時(shí)時(shí)間規(guī)律變化化。還有一些些過(guò)程(如炸藥生產(chǎn))甚至要求酸酸、堿嚴(yán)格按按一定比例送送入反應(yīng)塔進(jìn)進(jìn)行反應(yīng)。針針對(duì)不同控制制要求，上述述控制模式及及其參數(shù)的選選擇也不相同同。本儀儀器采用的控控制模式及控控制參數(shù)的選選擇過(guò)程如圖圖2所示。圖中中，“化學(xué)反應(yīng)”指出系統(tǒng)所所進(jìn)行的化學(xué)學(xué)反應(yīng)性質(zhì)和和參與反應(yīng)的的酸堿化學(xué)成成份等；“控制指標(biāo)”反映要求控控制的類型、精精度和目標(biāo)值值等；“系統(tǒng)工況”則反映系統(tǒng)統(tǒng)容積、攪拌拌、加料等基基本運(yùn)行參數(shù)數(shù)。推理機(jī)根根據(jù)圖2專家智能能控制系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)、控制制指標(biāo)和系統(tǒng)統(tǒng)工況，從知知識(shí)庫(kù)查取相相應(yīng)的數(shù)據(jù)資資料并進(jìn)行綜綜合、分析、推推理，再?gòu)闹R(shí)庫(kù)搜索相相應(yīng)的控制模模式和控制參參數(shù)，確定“控制輸出”。2.3知識(shí)庫(kù)在專家智智能控制系統(tǒng)統(tǒng)中，知識(shí)庫(kù)庫(kù)顯然起著重重要的作用。本本儀器的知識(shí)識(shí)庫(kù)中包含化化學(xué)庫(kù)、系統(tǒng)統(tǒng)信息庫(kù)、控控制模式庫(kù)、控控制參數(shù)庫(kù)、動(dòng)動(dòng)態(tài)分析庫(kù)、故故障庫(kù)等6個(gè)子庫(kù)。其其中，化學(xué)庫(kù)庫(kù)裝載基本化化學(xué)反應(yīng)關(guān)系系、常用的中中和特性曲線線以及當(dāng)量計(jì)計(jì)算等與pH控制有關(guān)的的化學(xué)知識(shí)。這這些知識(shí)可以以是軟件編入入，也可以根根據(jù)控制需要要通過(guò)人機(jī)界界面進(jìn)行輸入入或修改。系系統(tǒng)信息庫(kù)反反映系統(tǒng)的物物理特性(如反應(yīng)罐容容積系數(shù)、基基本流量公式式等)，這些數(shù)據(jù)據(jù)與系統(tǒng)工況況相結(jié)合，即即可算出溶液液體積、中和和劑加入量等等，為控制計(jì)計(jì)算提供依據(jù)據(jù)。控制模式式庫(kù)裝載著各各種控制模式式，供推理機(jī)機(jī)選取。控制制參數(shù)庫(kù)是一一系列參數(shù)表表，每一個(gè)參參數(shù)的選取都都與化學(xué)特性性、控制要求求和系統(tǒng)狀態(tài)態(tài)有關(guān)。這些些表既有分析析計(jì)算結(jié)果，也也有通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)取得的經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)數(shù)據(jù)，它們們是實(shí)現(xiàn)理想想控制效果的的重要因素之之一。動(dòng)態(tài)分分析庫(kù)存放檢檢測(cè)結(jié)果和推推理機(jī)的中間間分析計(jì)算結(jié)結(jié)果，其內(nèi)容容隨系統(tǒng)運(yùn)行行而不斷變化化。故障庫(kù)則則裝載著各種種可能出現(xiàn)的的特殊情況的的分析與排除除方法。知識(shí)庫(kù)是專專家系統(tǒng)的核核心。除知識(shí)識(shí)內(nèi)容外，知知識(shí)的表達(dá)方方式也很重要要。本文采用用產(chǎn)生式規(guī)則則描述知識(shí)，其其特點(diǎn)是每個(gè)個(gè)規(guī)則都是一一個(gè)獨(dú)立的知知識(shí)塊，因此此易于建立和和修改；而且且每個(gè)規(guī)則的的形式一致，與與專家經(jīng)驗(yàn)的的表述方式相相同，易于表表達(dá)和理解。其其基本形式為為ifcoonditiion-1andccondittion-22……andcondiition--ntheenressult例：設(shè)反應(yīng)應(yīng)是NaOH中和C10H14N2、要求定值值控制、pH的目標(biāo)值是10.5、當(dāng)前值是4.5，由化學(xué)庫(kù)庫(kù)已查知處于于過(guò)渡階段，從從而應(yīng)對(duì)NaOH的加入量采采用限速比例例控制。然后后根據(jù)其他規(guī)規(guī)則確定控制制參數(shù)Kv、Kc、Kp、Kd和限速因子a等，最后確確定出控制輸輸出。3儀表結(jié)構(gòu)儀表結(jié)構(gòu)框框圖示于圖3。來(lái)自傳感感器的信號(hào)經(jīng)經(jīng)處理轉(zhuǎn)換后后通過(guò)光電隔隔離輸入計(jì)算算機(jī)。計(jì)算機(jī)機(jī)內(nèi)部的專家家系統(tǒng)經(jīng)分析析推理形成控控制輸出，再再經(jīng)光電隔離離、功率驅(qū)動(dòng)動(dòng)后，帶動(dòng)電電磁閥、計(jì)量量泵等執(zhí)行器器實(shí)現(xiàn)各種控控制。圖3儀表結(jié)構(gòu)構(gòu)框圖信號(hào)處理轉(zhuǎn)換單單元由高阻放放大、溫度補(bǔ)補(bǔ)償、配套標(biāo)標(biāo)定、A/D轉(zhuǎn)換等電路路組成，最多多可接8路傳感器，以以適應(yīng)多數(shù)化化工過(guò)程的控控制要求。光光電隔離單元元既起抗干擾擾作用，也保保護(hù)了計(jì)算機(jī)機(jī)。人機(jī)界面面提供并顯示示各種檢測(cè)與與控制數(shù)據(jù)，還還可操作知識(shí)識(shí)庫(kù)，進(jìn)行知知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)的的輸入與修改改。輸出驅(qū)動(dòng)動(dòng)單元主要由由可控硅及其其觸發(fā)電路組組成，以輸出出按時(shí)間比例例調(diào)制的功率率控制信號(hào)，直直接帶動(dòng)電磁磁閥等執(zhí)行器器，省卻外部部驅(qū)動(dòng)電路。使使用時(shí)，只要要將傳感器與與執(zhí)行器連接接好，通過(guò)面面板對(duì)化學(xué)反反應(yīng)、控制指指標(biāo)和系統(tǒng)基基本參量進(jìn)行行選擇、輸入入和設(shè)定，即即可投入運(yùn)行行。4應(yīng)用舉例曾對(duì)煙堿生生產(chǎn)過(guò)程中的的煙堿游離反反應(yīng)過(guò)程的pH控制進(jìn)行了了應(yīng)用試驗(yàn)。流流程如圖4所示：經(jīng)發(fā)發(fā)酵、蒸發(fā)、冷冷凝的煙葉水水溶液進(jìn)入游游離反應(yīng)釜后后，加入NaOH將煙堿從煙煙葉水溶液中中游離出來(lái)。按按工藝要求，游游離過(guò)程需在在pH值等于10.5±±0.2、溫度為60℃的情況下進(jìn)進(jìn)行，才能取取得高純度煙煙堿。該游離離過(guò)程實(shí)即酸酸堿中和反應(yīng)應(yīng)。由于反應(yīng)應(yīng)過(guò)程會(huì)消耗耗NaOH，要必求補(bǔ)補(bǔ)充NaOH以保持pH值符合工藝藝要求；反應(yīng)應(yīng)釜直徑2.5m、長(zhǎng)7m，具有嚴(yán)重重的響應(yīng)滯后后與非線性特特性；加上pH值的控制精精度要求高且且不允許超調(diào)調(diào)，采用傳統(tǒng)統(tǒng)的控制方法法顯得無(wú)能為為力。圖4煙堿游離離反應(yīng)流程圖圖本文采用專專家智能pH測(cè)控儀，通通過(guò)兩次初步步運(yùn)行建立經(jīng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并并將所得經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入知知識(shí)庫(kù)，然后后對(duì)反應(yīng)過(guò)程程實(shí)施正式控控制?？刂平Y(jié)結(jié)果表明，系系統(tǒng)能根據(jù)不不同反應(yīng)階段段自動(dòng)搜索不不同的控