PH 值控制系统设计——重庆大学 06 级自动化六班范兴容同学过程控制课程设计报告
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PH 值控制系统设计
1 工艺说明
1.1 课题背景及意义
在许多现代化工业中，如制药、造纸、电镀、锅炉给水、废水处理等化工过程中，由于
PH 值对溶液的物理、化学性质都有很大的影响，存在着 PH 值的测控问题。在工业生产中必
须使 PH 值严格控制在特定范围内，否则可能会造成产品质量下降，原料浪费，生产不能顺
利进行，企业的竞争力下降，甚至造成环境污染等不良后果。故 PH 值控制问题在工业中占
有举足轻重的地位。因此，无论是对工业生产过程控制而言，还是生态环境保护而言，对 PH
值进行有效控制具有重要的意义！
因此，本次课题根据老师提供的资料及《过程控制系统与装置》教材进行 PH 值控制系
统的研究和设计。
1.2 课题研究目的
PH 值的控制问题一直被公认为最难控制之一，因为酸碱反应过程是一个典型的非线性过
程。PH 值较低或较高时，PH 值变化非常缓慢；而在中性时（PH 值在 7 左右时），加入试剂
的微小变化都会引起 PH 值的很大变化，非线性特性非常明显（如图 3）。此外，实际酸碱反
应过程中还存在混合、测量等纯滞后环节，而且延迟时间一般很长，就更加增加了控制难度。
由此可见，PH 值酸碱反应过程的控制系统是一个非线性系统，如何处理非线性是 PH 值控制
系统设计问题的关键。
由于 PH 值的非线性特性，用常规的线性控制方法——PID 控制算法无法对反应的变化过
程做快速的、精确的反应，在控制过程中很容易引起振荡现象，很难对系统实现最优控制。
此外，各种快速酸碱反应包括强酸强碱、强酸弱碱、强碱弱酸、弱酸弱碱四种反应。其中非
线性最强的是强酸强碱之间的反应。因此，本课题主要针对一阶强酸强碱的反应过程进行研
究和设计。通过分析 PH 值过程的机理特性，设计了一种分段式变增益 PID 控制算法，根据
无任何干扰、考虑酸性液体流量波动干扰以及流量波动干扰和蒸汽复合干扰的情况，分别利
用 MATLAB 仿真技术对基于 NPID 的 PH 值控制系统进行了仿真研究。
本课题的研究，对于 PH 值的控制问题找到了一条切实可行的解决方案，方法简单易工程
实现，具有一定的经济效益和社会效益。
1.3 参数变量和检测方法说明
1.3.1PH 值检测方法说明
在化工过程（如锅炉给水、废水处理等）中，PH 值是一个非常重要的参数，对其进行准
确的测量有重要的意义。由于 PH 仪的对数特性，其敏感度在各 PH 点是不同的，高浓度（PH
很大或很小）灵敏度低，而在低浓度区（中和点附近）则很灵敏。同时，最灵敏的曲线是强
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