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来源：职称驿站所属分类：环境科学论文 发布时间：2012-08-02浏览：88次
摘要：传统的酸碱中和手动调节存在自身难以解决的缺点，如难于找到合适加药量，造成中和剂浪费，手动控制安全可靠性差，工作效率低，很难满足实时控制的要求等。因此，采用先进的PID自控技术取代人工调节是污水处理pH值控制系统当前发展的趋势。本文先从理论上分析了PID控制的原理，然后结合制浆造纸企业南华纸业有限公司的情况、工艺流程，设计出了制浆造纸企业的一套PID控制pH值的系统。
关键词：pH值；酸碱中和；PID
一、前言
随着工业的不断发展和城市人口的急剧增加，环境保护问题日益成为影响和制约人类社会发展的原因之一，大量工业和生活污水的处理问题受到越来越广泛的重视。为了环境保护和可持续性发展，必须进行污水处理。现代化的工业生产往往产生大量工业污水，pH值是控制污水排放的一个重要指标，国家环保总局在工业污水排放标准中明确规定了排放工业污水的pH值必须在6.5-8.5之间。工业污水的酸碱度值一般远偏离中和值7，直接排放会导致严重的污染，因此，工业废水必须进行pH 值检测并根据测量的结果用中和剂处理，水质达标后方可排放。但是由于污水处理的酸碱中和过程通常呈现严重的非线性，主要表现为混和溶液的pH 值在中和点附近的增益很大，此时添加的中和剂略有变化，就能引起pH值较大变化，而当pH值远离中和点时的增益很小，pH值变化较缓慢，加入大量中和剂才能使pH值上升或下降。处理过程一般在大容器或循环管路中进行，使得系统存在较大的时值，不仅给pH值控制带来极大困难，而且大量浪费中和剂。
二、模拟PID控制原理
看场合应用,PID是由比例、微分、积分三个部分组成的，在实际应用中经常只使用其中的一项或者两项，如P、PI、PD、PID等。就可以达到控制要求，PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
PID控制器各控制环节的作用如下：
比例环节：为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，以最快速产生控制作用，使偏差向减少的趋势变化。积分环节：为了保证被控制量y(t)在稳定时对给定量r(t)的无静差控制，即当闭环系统处于稳定状态时，控制输出量和控制偏量都保持在某一个常值上。积分作用的强弱取决于积分时间常数，积分时间常数越大积分作用越弱，反之则越强。
微分环节：为了改善闭环系统的稳定性和动态响应的速度，能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
三、PID在造纸污水处理调节pH值的应用
1、工艺流程见图2
未处理污水在循环的生物氧化池内，中和处理后排放到快慢搅拌池。加中和剂过程如下：
储存在1#、2#、3#、4#罐中的中和剂，通过1#、2#加药泵经电磁流量计、电动调节阀后加入生化池。
2、PID控制见图3
控制过程为：pH计实际测得的值pH2与目标设定值pH1相比较，所得偏差信号e(t)送入PID控制器，内部运算后，输出信号控制电动调节阀的开度，从而实现加药量随目标设定值的自动调节。
3、硬件选型
电磁流量计：SAT8-1-9D2；量程：2-15m3/h；输出：4-20mA；pH计：SAT8-1-92DX100；量程：0-14；输出：4-20mA；PID控制器：SAT8-1-92X100
量程：0-14；输出：4-20mA；电动调节阀：SAT8-1-9JYIK；输入：4-20mA；输出：4-20mA
四、小结
将南华纸业造纸的酸碱调节改为PID控制后，大大节约了人力，提高了加药系统的稳定性，而且南华纸业造纸选用的PID控制器带自整定功能，通过自整定，大大简化了参数的调整。同时本系统结构设计合理、成本低、实用性强，很好地满足了南华纸业造纸污水处理pH值自动化控制的要求。
参考文献
[1]吴丰顺,PID控制技术,北京:机械工业出版社ISBN:978-7-111-24753-1.
[2]杜海波,PID控制原理及其在污水处理行业中的应用,中国科学院上海冶金研究所;材料物理与化学(专业)博士论文,2000年
［3］许继平，刘载文，崔莉凤．基于模糊PID控制的污水处理过程PH控制［J］．自动化博览，2005
［4］《新型控制及其应用》陶永华北京机械工业出版社，2002［3］《智能控制原理及应用》张建民、王涛、王忠礼北京冶金工业出版社，2003
［5］新型控制及其应用工业仪表与自动化装置》陶永华2003
《如何实现PID技术在制浆造纸企业污水处理中对pH值的控制》
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