專家智能pH測控儀及其應(yīng)用
摘要：針對酸堿中和的嚴(yán)重非線性和pH響應(yīng)的大時滯特性， 研究 開發(fā)了基于專家系統(tǒng)的智能pH測控儀，用于化工與環(huán)保廢水處理等過程中，取得良好效果。
關(guān)鍵詞：中和反應(yīng) pH值 專家系統(tǒng) 智能控制 儀器儀表
The Expert Intelligent pH Controller and Its Application
ABSTRACT：In consideration of the high non-linearity and time-delay characteristics of the pH process,an intelligent pH controller is developed in this paper on the basis of the expert system theory.The main characteristics of the controller is that it can self-organize the different control strategy according to the different working condition of the pH process so as to yield the best process result.The controller mainly consists of a inference machinery and a knowledge library which contains several sub-knowledge libraries such as chemical library,system information library,control model library, control parameter library,trouble treatment library and so on.The working principle of the controller is presented and a block diagram of the controllers structure is also given in the paper.As an example of application,the paper shows at last how a nicotine dissociation process,which requires rather precise control with non-overshot of temperature and pH value under serious non-linearity and time-delay characteristics,is well controlled by the controller presented in this paper.
KEY WORDS：Neutralization,pH value,Expert system,Intelligent control,Instrument.
1 引 言
酸堿中和是各類化工過程普遍存在的化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)中，pH值的變化通常呈嚴(yán)重非線性和時滯特性;加上不同生產(chǎn)工藝過程對pH值的要求各不相同，要取得理想控制比較困難。傳統(tǒng)采用的由單元組合儀表構(gòu)成的pH值控制系統(tǒng)，其設(shè)計復(fù)雜、成本高且通用性差。國外于90年代開始研究用專家系統(tǒng)實現(xiàn)pH控制，已取得較好效果〔1～3〕。本文于1993年研制了基于專家系統(tǒng)的智能pH測控儀，在化工、環(huán)保等行業(yè)中初步推廣 應(yīng)用 ，并取得良好效果。
2控制原理
2.1 酸堿中和特性
圖1顯示了幾種酸堿中和特性曲線。圖中不難看到，曲線兩端的變化緩慢，即隨酸(或堿)的加入其pH值變化很小;而在中和點附近靈敏度很高，這時少量酸(或堿)的加入都會使pH值顯著變化。此外，這些反應(yīng)通常在一些大容器里進(jìn)行，從中和劑加入到溶液pH值的變化要經(jīng)過較長時間;如果因檢測不到pH值的變化而一味增加中和劑，很容易造成pH值超調(diào)。以上兩點，使傳統(tǒng)的pH控制系統(tǒng)很難取得理想效果。
2.2 專家智能控制
專家智能控制的基本特點是根據(jù)系統(tǒng)運行的不同工況與特點，分別采取不同的控制模式，以獲取最佳的控制效果〔4，5〕。對于酸堿中和過程，由圖1所示曲線，可分成三種情況如下。
其一是pH值變化較平緩的階段，如圖1(a)中的ab段。該階段需加入較多中和劑才能使pH值上升(或下降)，因而應(yīng)根據(jù)化學(xué)反應(yīng) 規(guī)律 計算 中和劑的需要量并一次性投入，使pH值迅速接近目標(biāo)值。設(shè)N1、N2分別表示中和劑與被中和溶液的濃度，L1、L2分別表示兩者體積，則由當(dāng)量定律不難求得
L1=L2.N2/N1
圖1 酸堿中和特性
然而實際檢測到的是兩者的pH值而非濃度，還需轉(zhuǎn)換。設(shè)N1為堿性，N2為酸性，pH1、pH2分別為它們的pH值，則由酸堿定義得
N1=〔OH-〕=10-(14-pH1)
N2=〔H+〕=10-pH2
第二階段取pH值變化較快的階段，如圖中的bc段。這時采用如下限速比例控制模式
式中 Kv、Kc、Kp、Kd分別表示溶液體積大小、攪拌作用強弱、pH變化斜率大小、中和劑單位時間的流量系數(shù);ΔpH為pH檢測值與目標(biāo)值之差;a為限速因子。采取限速的目的是避免因pH變化的時滯而造成中和劑的過量加入。
第三階段如圖中的cd段，該段pH值隨中和劑的加入而迅速變化。另一方面，pH電極在pH值變化越小時其響應(yīng)時間越長，因而尤需謹(jǐn)慎控制。為此采用間隙控制模式，即每添加一次中和劑后，等待一段時間再進(jìn)行下一次檢測控制。間隔時間T的長短，同樣與溶液多少、攪拌作用強弱等因素有關(guān)，即
除上述因素外，控制模式還與生產(chǎn)工藝對pH值的控制要求有關(guān)。有些化工過程(如煙堿提煉和 工業(yè) 廢水處理)要求pH值達(dá)到某一目標(biāo)值即可。有些過程(如肥皂生產(chǎn)中的皂化過程)則要求pH值按某一時間規(guī)律變化。還有一些過程(如炸藥生產(chǎn))甚至要求酸、堿嚴(yán)格按一定比例送入反應(yīng)塔進(jìn)行反應(yīng)。針對不同控制要求，上述控制模式及其參數(shù)的選擇也不相同。
本儀器采用的控制模式及控制參數(shù)的選擇過程如圖2所示。圖中，“化學(xué)反應(yīng)”指出系統(tǒng)所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)和參與反應(yīng)的酸堿化學(xué)成份等;“控制指標(biāo)”反映要求控制的類型、精度和目標(biāo)值等;“系統(tǒng)工況”則反映系統(tǒng)容積、攪拌、加料等基本運行參數(shù)。推理機根據(jù)
圖2 專家智能控制系統(tǒng)
化學(xué)反應(yīng)、控制指標(biāo)和系統(tǒng)工況，從知識庫查取相應(yīng)的數(shù)據(jù)資料并進(jìn)行綜合、 分析 、推理，再從知識庫搜索相應(yīng)的控制模式和控制參數(shù)，確定“控制輸出”。
2.3 知識庫
在專家智能控制系統(tǒng)中，知識庫顯然起著重要的作用。本儀器的知識庫中包含化學(xué)庫、系統(tǒng)信息庫、控制模式庫、控制參數(shù)庫、動態(tài)分析庫、故障庫等6個子庫。其中，化學(xué)庫裝載基本化學(xué)反應(yīng)關(guān)系、常用的中和特性曲線以及當(dāng)量計算等與pH控制有關(guān)的化學(xué)知識。這些知識可以是軟件編入，也可以根據(jù)控制需要通過人機界面進(jìn)行輸入或修改。系統(tǒng)信息庫反映系統(tǒng)的物理特性(如反應(yīng)罐容積系數(shù)、基本流量公式等)，這些數(shù)據(jù)與系統(tǒng)工況相結(jié)合，即可算出溶液體積、中和劑加入量等，為控制計算提供依據(jù)？刂颇Ｊ綆煅b載著各種控制模式，供推理機選取。控制參數(shù)庫是一系列參數(shù)表，每一個參數(shù)的選取都與化學(xué)特性、控制要求和系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)。這些表既有分析計算結(jié)果，也有通過試驗取得的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，它們是實現(xiàn)理想控制效果的重要因素之一。動態(tài)分析庫存放檢測結(jié)果和推理機的中間分析計算結(jié)果，其 內(nèi)容 隨系統(tǒng)運行而不斷變化。故障庫則裝載著各種可能出現(xiàn)的特殊情況的分析與排除 方法 。
知識庫是專家系統(tǒng)的核心。除知識內(nèi)容外，知識的表達(dá)方式也很重要。本文采用產(chǎn)生式規(guī)則描述知識，其特點是每個規(guī)則都是一個獨立的知識塊，因此易于建立和修改;而且每個規(guī)則的形式一致，與專家經(jīng)驗的表述方式相同，易于表達(dá)和理解。其基本形式為
if condition-1 and condition-2 …… and condition-n then result
例：設(shè)反應(yīng)是NaOH中和C10H14N2、要求定值控制、pH的目標(biāo)值是10.5、當(dāng)前值是4.5，由化學(xué)庫已查知處于過渡階段，從而應(yīng)對NaOH的加入量采用限速比例控制。然后根據(jù)其他規(guī)則確定控制參數(shù)Kv、Kc、Kp、Kd和限速因子a等，最后確定出控制輸
3儀表結(jié)構(gòu)
儀表結(jié)構(gòu)框圖示于圖3。來自傳感器的信號經(jīng)處理轉(zhuǎn)換后通過光電隔離輸入 計算 機。計算機內(nèi)部的專家系統(tǒng)經(jīng) 分析 推理形成控制輸出，再經(jīng)光電隔離、功率驅(qū)動后，帶動電磁閥、計量泵等執(zhí)行器實現(xiàn)各種控制。
圖3 儀表結(jié)構(gòu)框圖
信號處理轉(zhuǎn)換單元由高阻放大、溫度補償、配套標(biāo)定、A/D轉(zhuǎn)換等電路組成，最多可接8路傳感器，以適應(yīng)多數(shù)化工過程的控制要求。光電隔離單元既起抗干擾作用，也保護(hù)了計算機。人機界面提供并顯示各種檢測與控制數(shù)據(jù)，還可操作知識庫，進(jìn)行知識庫數(shù)據(jù)的輸入與修改。輸出驅(qū)動單元主要由可控硅及其觸發(fā)電路組成，以輸出按時間比例調(diào)制的功率控制信號，直接帶動電磁閥等執(zhí)行器，省卻外部驅(qū)動電路。使用時，只要將傳感器與執(zhí)行器連接好，通過面板對化學(xué)反應(yīng)、控制指標(biāo)和系統(tǒng)基本參量進(jìn)行選擇、輸入和設(shè)定，即可投入運行。
4 應(yīng)用 舉例
曾對煙堿生產(chǎn)過程中的煙堿游離反應(yīng)過程的pH控制進(jìn)行了應(yīng)用試驗。流程如圖4所示：經(jīng)發(fā)酵、蒸發(fā)、冷凝的煙葉水溶液進(jìn)入游離反應(yīng)釜后，加入NaOH將煙堿從煙葉水溶液中游離出來。按工藝要求，游離過程需在pH值等于10.5±0.2、溫度為60℃的情況下進(jìn)行，才能取得高純度煙堿。該游離過程實即酸堿中和反應(yīng)。由于反應(yīng)過程會消耗NaOH，要必求補充NaOH以保持pH值符合工藝要求;反應(yīng)釜直徑2.5m、長7m，具有嚴(yán)重的響應(yīng)滯后與非線性特性;加上pH值的控制精度要求高且不允許超調(diào)，采用傳統(tǒng)的控制 方法 顯得無能為力。
圖4 煙堿游離反應(yīng)流程圖
本文采用專家智能pH測控儀，通過兩次初步運行建立經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并將所得經(jīng)驗數(shù)據(jù)輸入知識庫，然后對反應(yīng)過程實施正式控制？刂平Y(jié)果表明，系統(tǒng)能根據(jù)不同反應(yīng)階段自動搜索不同的控制模式與參數(shù)，整個控制過程不僅沒有發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象，而且反應(yīng)速度快，控制精度高(最終誤差在±0.2pH以內(nèi))，達(dá)到良好的控制效果。
5 結(jié) 語
基于專家系統(tǒng)的智能控制技術(shù)，在解決具有嚴(yán)重非線性與時滯特性的復(fù)雜化學(xué)過程控制方面，顯示出極大的優(yōu)越性和寬廣的應(yīng)用前景。本文介紹的專家智能pH測控儀，在化工過程與廢水處理的pH值控制的實際應(yīng)用中，已取得初步成效。但也存在不完善之處，主要是知識庫還有待進(jìn)一步完善和充實，以適應(yīng)更多、更復(fù)雜的化學(xué)過程控制的要求。
* 本文于1997年1月收到。
參考 文獻(xiàn)
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3 S.K.Mahuli.Computers & Chemical Engineering.1993,17(4)：309～317.
4 I.M.Shah.Proc.of AIME.USA,1990,45～52.
5 李人厚.智能控制 理論 與方法.西安 交通 大學(xué)出版社，1994，182～211.
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