用于自适应控制的PH滴定曲线估计的方法技术

一种用于过程中的自适应ｐＨ控制的ｐＨ滴定曲线的估计方法，该方法包括收集数据点，每一数据点代表在测定的ｐＨ处加入过程的试剂流量与流入液流量之比，将数据点存储在根据ｐＨ建立的二进制系统中，并用存储的数据点产生用来控制试剂加入量的滴定曲线模型。在过程中用新数据点取代老数据点以不断改进模型。模型被用来产生增益程序以操作用来将试剂加入过程的ＰＩ控制器。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

A method for estimating PH titration curves for adaptive control

A process for the adaptive pH control pH titration curve estimation method, the method includes data collection, flow and liquid flow into the reagent ratio of each data point represents the joining process in pH determination, the data stored in the binary system according to the established pH, and use the stored data point titration curve is used to control the amount of reagent model. In the process, replace the old data points with new data points to continuously improve the model. The model is used to generate a gain program to operate the PI controller for adding reagents to the process.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总的来说涉及pH控制方法，特别是涉及一种在pH的自适应控制中利用估计pH滴定曲线来控制pH的新方法和装置。pH控制对许多工艺过程来说都是重要的，这些工艺过程包括锅炉水处理、化学-生物反应、城市污水菌致分解、酸洗/酸蚀处理、冷却塔水处理、电水解(elecfrohydrolysis)、凝聚/沉淀过程、化学反应器进料和污水中和。其中污水处理尤为困难，这是因为污水的组成是未知数且随时间而变化。pH控制是一个很困难的问题。滴定曲线是一种表示加入特定比例的试剂后所达到的pH值的曲线。pH控制的困难主要来自以下两方面因素。(1)滴定曲线在任何特定时间都是非线性的;(2)当流入液的组成发生变化时，滴定曲线的形状是随时间而变化的。流入液的流量，各种酸、碱和缓冲盐的浓度，和温度均随时间而变化。滴定曲线的非线性对无缓冲的酸或碱来说是非常突出的。在pH接近7pH单位的情况下，加入较少量的酸或碱就会使pH发生急剧的变化。但在pH为酸性或碱性的情况下，即使加入较大量的酸或碱也只会使pH发生很小的变化。因此，当pH接近7pH单位时，过程增益很大;而当pH不是接近7pH单位时，过程增益很小。用正常范围的强酸或强碱进行操作时，过程增益的变化达到10，000，000，000倍并不是令人感到意外的。由于比例-积分(PI)控制器假设过程是线性的，因此用传统的PI控制器来进行pH控制一般是无效的。由于pH控制的困难，许多工艺方法都需要进行大量混合，成批处理或需人连续操作，因此在经济上也是昂贵的。已有人建议使用一种非线性PID(比例-积分-微分)pH控制器，该控制器利用了pH在7pH单位附近的一个死区(dea-dband)和死区外的不同的控制器增益。尽管这种控制器在用于中和方面比起PID控制是有改进了，但它仍主要受到三方面的限制，(1)它是专为中和而设计的，(2)在缓冲作用小的情况下它难以为高度非线性的pH功能提供这样一种简单的功能，以及(3)最为重要的是，当滴定曲线的形状由于酸和缓冲盐的组成的变化而发生变化时，该方法需要重新调谐，但并无在线调谐装置。美国专利第3，899，294号公开了一种只须滴定流出物主流的滑流(Slipstream)便能识别滴定曲线的方法，然后利用该滴定曲线来选择试剂的流量以达到所要求的pH。该方法是较昂贵的，这是因为要获得该滴定曲线必须使用自动滴定系统。而且，这种自动系统所需的滴定时间可能比流体在该过程中的停留时间长;因此，当该过程液流的组成发生变化时，分析的空载时间会使控制器的效率降低。在某些方面，pH控制是一种具有单一输入、单一输出和易于模型化的一阶线性动态的简单过程。将试剂流加到进入该过程的液流中，使两者混合并测定其pH。通过加入适当比例的试剂以达到适当的pH。困难在于过程增益，增益是高度非线性的，如果过程的液流的组成稍有变化，增益便会发生急剧的变化。增益可能高到这样的程度，以致为控制所作的努力中的细小误差都会影响输出的pH。一种通用的pH控制器必须处理所有这三方面问题;非线性增益，时变增益以及非常高的增益。本专利技术包括一种自适应pH控制器和供该控制器使用的滴定曲线估计方法，该方法收集许多数据点，每个数据点都包括试剂流量与流入液流量之比以及在该流量下观测到的pH。这些数据点存储在一根据pH而不是根据时间建立的二进制系统(binsystem)中以产生滴定曲线模型。用分析和探试法建立尽可能好的滴定曲线模型，然后将该模型用于自适应控制。即使在增益很大和滴定曲线经常随时间而变化的情况下，本专利技术也能严格按照滴定曲线精确而迅速地实现pH控制。在附图中附图说明图1是本专利技术的自适应pH控制器的原理方块图;图2是按照本专利技术使用的第一种配方的滴定曲线图;图3与图2相似，但是按照本专利技术使用的第二种配方的滴定曲线图;图4是表示本专利技术的具有下游槽的控制器的用法的方块图;图5与图4相似，但是表示本专利技术的具有上游槽的控制器的用法的方框图;图6说明适用于自适应控制器的求得增益的方法;图7是用本专利技术的第一种配方得出的控制增益图;图8表示实际滴定曲线与本专利技术获得的滴定曲线模型之间的关系;图9表示本专利技术在起动阶段的结果;图10与图9相似，但表示用实际过程滴定曲线获得的结果;图11与图9相似，但表示用第二种配方获得的结果;图12与图10相似，但表示用第二种配方获得的结果;图13表示在浓度发生迅速变化的情况下本专利技术的试验结果图14表示使用第一种配方时非自适应控制器的结果，在周期接近结束时产生不稳定控制。图15表示用本专利技术得到的相似结果。本专利技术的自适应pH控制器是为了解决pH控制这一困难问题而进行的一种改进的尝试。以前的控制模式一般都是将过程的液流转移到一个装有经过谨慎调谐的pI控制器的大槽内。困难的过程要用两个或甚至三个串连的、尺寸逐渐增大的槽，每个槽都装有独立的控制系统。如图1所示，本专利技术的自适应控制器20用一个小的、快的在线系统(inline system)取代了这些槽，该系统包括用以注射试剂的泵10、小的混合元件12和在混合元件12的出口处的pH探测器14。由于取消了多个槽及其控制装置能节省很大一笔费用，因而推动了在线控制器的发展。在解决有些问题时仍需要一个槽，但这比一般的控制器所要求的槽小得多。图1所示为其基本构造形式。仍使用-PI控制器16来连成回路。为了补偿加料的变化，使用了一个比例控制器17，并在流量计18处前馈流量。为了补偿非线性系统增益，采用了一种根据过程模型建立的复杂的增益程序(gaih schedule)。同时，为了适应过程的变化，又用新的有效的估计方法从过程数据中在线识别过程模型。控制器的工具包括预定增益的pI控制器、估计器和一整套探试法，以收集新的数据点，抛弃旧的数据点，并协调不一致的数据点。图4和图5表示在线控器20和槽的布局，图4中有一下游槽，而图5中则有一上游槽。该控制器在pH试验工厂中成成了一系列试验，取得了很好的试验结果。pH过程增益是用滴定曲线来描述的，而滴定曲线是一种表示添加一定比例的试剂后所达到的pH的曲线。图2和3表示用来试验本专利技术的pH控制器的两种化学“配方”的滴定曲线。它们的作用范围很宽，例如配方1(图2)显示在pH＝7的中和点附近的增益很低低，但在中和点两侧的增益则高得多;配方2(图3)显示在pH＝7处增益很高，以致曲线看来是垂直的。控制器的正确调谐取决于滴定曲线，并取决于在滴定曲线上给定点所处的位置。在过程滴定曲线一定的情况下，可导出能使PI控制器获得很好控制效果的增益程序，而且现在具有增益程序的PI控制器已成为工业标准。但是增益程序只能同它所根据的滴定曲线一样，而对许多应用来说，特别是在污水中和中，过程曲线可能有很大的变化。自适应控制器收集过程数据，以为控制器增益程序估计新的过程模型。其结构为数据收集→模型估计→增益程序→PI控制增益程序和PI控制部分与自适应部分是分开的。它们是根据过程滴定曲线进行控制的。对于过程组成是相当稳定的应用来说，例如在化工生产中，滴定曲线可脱机确定，而只有增益程序和PI控制部分是联机实现的。对于例如污水中和这类应用来说，过程是每小时、每天都在变化着的，因此需要数据收集和模型估计部分以为增益程序脱机提供最新的过程模型。将滴定曲线转化为增益程序是阅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种将在试剂加入到以一定流量流动的流入液的过程中用于自适应ＰＨ调节的滴定曲线的估计方法，该方法包括：收集许多ＰＨ值，每一ＰＨ值相应于试剂流量与流入液流量的不同比例；收集许多数据点，各数据点代表收集到的ＰＨ值处的试剂流量与流入液流量之 比，将许多数据点存储在根据ＰＨ建立的二进制系统中，以及根据存储的数据点产生模型滴定曲线。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丁格莱安，约翰戴维德莱恩，肯尼思洛帕罗，托马斯J谢伯，
申请(专利权)人：国际自动化控制信贷公司，
类型：发明
国别省市：LU[卢森堡]