畢業(yè)論文-制藥生產(chǎn)成分配比控制系統(tǒng)

湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）=1\*ROMANIHUNAN畢業(yè)論文論文題目制藥生產(chǎn)成分配比控制系統(tǒng)學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號(hào)專業(yè)班級(jí)自動(dòng)化1103班學(xué)院名稱電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師學(xué)院院長(zhǎng)2015年 5月26日

摘要藥劑的配比是藥液生產(chǎn)過(guò)程的主要環(huán)節(jié)，由于醫(yī)學(xué)用藥的安全性，藥劑的配比是否嚴(yán)格地按照一定的比例進(jìn)行成為成品是否合格的關(guān)鍵。本人從如今普遍的直接配比控制形式出發(fā)，在已有的研究成果基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出具有成分校正的配比控制系統(tǒng)。針對(duì)藥劑的流量比較穩(wěn)定，而成分（濃度）變化比較大的生產(chǎn)過(guò)程，該成分校正的配比控制系統(tǒng)采用乘法器作比值器，而系統(tǒng)的配比調(diào)節(jié)部分的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置取決于流量變送器量程的選擇。通過(guò)PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)中對(duì)系統(tǒng)的控制選用了西門(mén)子S7-200PLC作為控制器，配合系統(tǒng)中的流量傳感器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與分析，通過(guò)PLC應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)控制。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，這種控制方式能夠滿足高精度高效的配比生產(chǎn)要求。關(guān)鍵詞：藥劑生產(chǎn)，配比系統(tǒng)，比值控制，流量控制

湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）=3\*ROMANIII湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）=2\*ROMANIIControltheratioofcompositioninpharmaceuticalproductionABSTRACTTheratioofagentiaisthekeylinkofdrugproductionprocess.Duetothesafetyofmedicine,whethertheblendingprocessisstrictlyinaccordancewithacertainproportionornotisthekeypointtotheproduct’squality.Onthebaseofpreciousstudy,IgettheideafromratiocontrolandIdesignaratiocontrolsystemwithcomponentcorrection.Asthedensityoftheliquidchangetoomuch,whilethefluxremainstable,thissystemusemultiplierasvaluecomparator.Theproblemofsettingthequiescentpointdependsontheselectionoftheflowtransmitter’srange.WiththehelpofPIDalgorithm,thissystem’smainregulationcanberealized.Inthisdesign,IchooseSiemensS7-200PLCasthemaincontroller.Coordinatewithflowsensorsandotherequipment,allthedatacanbecollectedandanalysed.Thissystemhastheadvantagesofsimplestructure,convenientoperationandeasytorealizeautomaticcontrol.Thiscontrolmethodcanmeettherequirementsofhighprecisionandhighefficiency.Keywords:theproductionofagentia,blendingsystem,ratiocontrol,flowcontrol

目錄1緒論11.1本設(shè)計(jì)課題的意義11.2本設(shè)計(jì)課題的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀11.3論文研究?jī)?nèi)容22生產(chǎn)過(guò)程及工藝要求42.1生產(chǎn)過(guò)程42.1.1純水的制備42.1.2藥劑的配制52.1.3滅菌處理52.2工藝要求52.2.1物位的監(jiān)測(cè)62.2.2溫度的監(jiān)測(cè)62.2.3壓力的監(jiān)測(cè)72.2.4流量的監(jiān)測(cè)82.2.5pH值的監(jiān)測(cè)93控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)103.1設(shè)備與器件的選型103.1.1PLC選型103.1.2流量傳感器選型113.1.3閥門(mén)選型133.2總體設(shè)計(jì)153.3硬件連線圖153.3.1可編程邏輯控制器外部連線153.3.2整體連線圖164控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)174.1比例控制系統(tǒng)174.1.1比值控制系統(tǒng)概述174.1.2比值控制系統(tǒng)的類型17湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）=4\*ROMANIV開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng)204.2PID控制系統(tǒng)204.2.1比例控制214.2.2積分控制234.2.3微分控制264.2.4組合控制274.3離散PID算法的實(shí)現(xiàn)284.3.1位置式PID控制算法2位置式PID控制算法表達(dá)式2位置式PID控制算法軟件實(shí)現(xiàn)304.3.2增量式PID控制算法3增量式PID控制算法表達(dá)式3增量式PID控制算法軟件實(shí)現(xiàn)314.4配比系統(tǒng)的算法324.4.1系統(tǒng)靜態(tài)工作點(diǎn)的匹配324.4.2調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定335總結(jié)36致謝37參考文獻(xiàn)38附錄39

湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第緒論科技的日新月異給各行各業(yè)帶來(lái)了無(wú)限的蓬勃生機(jī)，這在制藥行業(yè)上也不例外?？偹苤?，藥劑的生產(chǎn)要求十分苛刻，環(huán)節(jié)眾多復(fù)雜，譬如對(duì)溫度的控制、壓力的控制、pH值的控制、成分的配比、物料的反應(yīng)時(shí)間等等。原有的生產(chǎn)控制手段已經(jīng)不能滿足每一個(gè)環(huán)節(jié)高精度、高質(zhì)量的需要。因此，設(shè)計(jì)一套完善的計(jì)算機(jī)制藥控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)藥物的自動(dòng)化生產(chǎn)是大勢(shì)所趨，這不僅能大幅提高生產(chǎn)效率、保證質(zhì)量和節(jié)約成本，而且能使得整個(gè)藥劑生產(chǎn)線的信息集中化管理成為可能，實(shí)現(xiàn)廠家的可持續(xù)性發(fā)展。藥品質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到藥的有效性與安全性，而影響藥品質(zhì)量的其一重要環(huán)節(jié)就是藥劑成分的配比，精確的藥劑成分配比是合格藥物的首要前提。所以，本文將對(duì)成分配比這環(huán)節(jié)展開(kāi)設(shè)計(jì)。1.1本設(shè)計(jì)課題的意義藥劑生產(chǎn)過(guò)程涉及到化學(xué)合成制藥過(guò)程、天然藥物分離提純過(guò)程以及各種藥物配劑加工過(guò)程等，其工藝復(fù)雜，而且設(shè)備種類繁多，不乏高溫高壓、腐蝕、易燃易爆、有毒有害等特性。為了保證生產(chǎn)環(huán)境的安全，更為了用藥人的安全，必須有可靠、有效、穩(wěn)定的檢測(cè)與控制手段來(lái)確保生產(chǎn)安全。如今仍有制造商對(duì)配料這一工序是由人工完成的，需要依靠工作人員通過(guò)計(jì)算、測(cè)量各種藥劑的用量，再對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行啟停操作。這無(wú)疑是低效的，大大地影響經(jīng)濟(jì)效益。如果自動(dòng)控制系統(tǒng)的介入，將大大簡(jiǎn)化并且優(yōu)化藥劑配比這一環(huán)節(jié)，只要設(shè)定好各個(gè)參數(shù)，剩下的復(fù)雜工序就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行檢測(cè)、加以控制，從而保證高效、穩(wěn)定、安全的生產(chǎn)。1.2本設(shè)計(jì)課題的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀目前，藥物的配制生產(chǎn)上其實(shí)不缺乏控制系統(tǒng)的應(yīng)用，配料配液的過(guò)程控制設(shè)備主要經(jīng)歷了模擬儀表、單片機(jī)、PLC（可編程邏輯控制）或DCS（分布式控制系統(tǒng)）的發(fā)展階段。市面上有以簡(jiǎn)單的定量定時(shí)投放藥劑實(shí)現(xiàn)制藥配比，這只能滿足精度要求并不苛刻的情況；也有提出利用成分分析儀實(shí)現(xiàn)對(duì)各成分間的配比控制，這能滿足簡(jiǎn)單的藥劑成分組成；再有就是基于直接配比的控制形式，即將注入物流量控制在與藥劑流量成某一個(gè)比例是數(shù)值上，避開(kāi)了特殊成分分析儀表的制作困難，而這一般只適用于藥劑流量變化比較大的情況。模擬儀表、單片機(jī)、可編程邏輯控制器、分布式控制系統(tǒng)等控制手段的陸續(xù)出現(xiàn)，說(shuō)明每個(gè)企業(yè)都力圖優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，力求使自己處于最優(yōu)的運(yùn)作之中。這么一來(lái)，使得控制系統(tǒng)在制藥配比的環(huán)節(jié)上不停地被更新優(yōu)化，數(shù)字化、智能化已經(jīng)將成為決定企業(yè)發(fā)展的重要因素。PLC（可編程邏輯控制器）不停地快速發(fā)展，從技術(shù)層面出發(fā)，計(jì)算機(jī)的新技術(shù)、新成果很大程度地應(yīng)用在可編程邏輯控制器的設(shè)計(jì)與制造上，運(yùn)算速度更快、體積更小、信息量更大、能力更強(qiáng)、存儲(chǔ)空間更大的產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，品種豐富、規(guī)格齊全、人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)單，而且完備的通訊設(shè)備能更利于適用在各種工業(yè)控制場(chǎng)合。目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛地應(yīng)用于鋼鐵、石化、電力、制藥、建材、汽車(chē)、食物加工、環(huán)保及休閑娛樂(lè)等領(lǐng)域，不難看出，可編程邏輯控制器和其他工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。1.3論文研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)只針對(duì)藥劑生產(chǎn)過(guò)程中的配比環(huán)節(jié)，并且設(shè)定該環(huán)節(jié)的溫度、pH等參數(shù)均控制在合適范圍內(nèi)。在設(shè)計(jì)中，基于簡(jiǎn)單地兩種不同藥液的配比系統(tǒng)進(jìn)行研究，針對(duì)實(shí)現(xiàn)藥劑的流量比較穩(wěn)定，而成分變化較大的生產(chǎn)過(guò)程，設(shè)計(jì)一個(gè)具有成分校正的配比控制系統(tǒng)。在第一章里，通過(guò)查閱與本設(shè)計(jì)有關(guān)的期刊和文獻(xiàn)，掌握本設(shè)計(jì)課題的現(xiàn)狀及研究意義，獲得相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)，從而確定整體設(shè)計(jì)方案。在第二章里，圍繞藥劑的生產(chǎn)過(guò)程，簡(jiǎn)述了其中三個(gè)重要環(huán)節(jié)，同時(shí)介紹生產(chǎn)的工藝要求及對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)手段。在第三章里，圍繞硬件控制方面，根據(jù)系統(tǒng)情況，確定采用PLC作為控制手段的控制思路，以系統(tǒng)中兩個(gè)流量傳感器作為其輸入，輸出控制單一閥門(mén)的開(kāi)度；利用STEP7編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)PLC的核心控制。在第四章里，圍繞軟件控制方面，對(duì)比值控制系統(tǒng)和PID控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)闡述和應(yīng)用分析，并且解決該系統(tǒng)的靜態(tài)工作點(diǎn)的匹配問(wèn)題，以及對(duì)PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行整定。

2生產(chǎn)過(guò)程及工藝要求2.1生產(chǎn)過(guò)程藥劑的生產(chǎn)工藝流程直接影響著藥劑產(chǎn)品的質(zhì)量，其生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要包括：純水的制備、藥劑的配制與配比和滅菌處理。以兩種原料為例的藥劑生產(chǎn)見(jiàn)圖2.1。圖2.1藥劑生產(chǎn)工藝流程2.1.1純水的制備一般的藥劑生產(chǎn)中，其用水是由純化水制備而來(lái)的，純化水也就是我們所說(shuō)的去離子水。純化水不光可以作為生產(chǎn)原料之一，而且在清洗器件、冷卻設(shè)備等方面發(fā)揮著作用。純化水制備：用生活用水經(jīng)10μm的精濾器過(guò)濾至電滲析，電滲析后水電導(dǎo)率不高于200μS，最后經(jīng)陽(yáng)→陰→混床離子交換方式，制備出電導(dǎo)率不高于2μS的純化水，之后存儲(chǔ)起來(lái)，供各用水點(diǎn)使用。2.1.2藥劑的配制在藥劑生產(chǎn)過(guò)程中，藥液制品的配制是重要的一環(huán)，也是本設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。具有成分校正的配比控制系統(tǒng)的組成如圖2.2。圖2.2具有成分校正的配比控制系統(tǒng)的組成2.1.3滅菌處理藥液制品能夠安全使用，滅菌工序很重要。目前醫(yī)用制藥上滅菌手段主要采用高溫高壓的滅菌方法。即將已經(jīng)灌裝的制品放入高壓蒸汽滅菌設(shè)備中，在相應(yīng)的高溫下，高壓滅菌相對(duì)應(yīng)的時(shí)間。滅菌的過(guò)程就是消滅成品中無(wú)關(guān)的物質(zhì)，比如微生物等。在滅菌時(shí)，對(duì)時(shí)間和溫度的控制要十分嚴(yán)格，如果高溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者溫度過(guò)高，就可能在消滅微生物的同時(shí)對(duì)藥劑本身的藥效也有影響。2.2工藝要求在化工制藥生產(chǎn)過(guò)程中，一切操作生產(chǎn)過(guò)程都必須在一定的條件下進(jìn)行。為了正確地指導(dǎo)生產(chǎn)操作，保證藥劑生產(chǎn)的安全和質(zhì)量，保障生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定，其中必不可少的工作是準(zhǔn)確而及時(shí)地檢測(cè)出生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)參數(shù)，如物位、溫度、壓力、流量級(jí)pH值等，并對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的控制。2.2.1物位的監(jiān)測(cè)在藥劑配比產(chǎn)生過(guò)程中，某些產(chǎn)生工序必須在某一物位高度條件下進(jìn)行，為保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全，需要對(duì)物位進(jìn)行測(cè)量及控制。由于不同藥劑的生產(chǎn)工藝不同，不僅有常溫、常壓、一般性介質(zhì)的液位、料位的測(cè)量，而且還常常會(huì)遇到高溫、低溫、高、易燃易爆、粘性及多泡沫、沸騰狀介質(zhì)的物位測(cè)量問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)對(duì)不同介質(zhì)物位的測(cè)量方法有許多，常用的有直讀法、浮力法、靜壓法、電容法、放射性同位素法、超聲波法等。另外，激光法及微波法在物位測(cè)量中也開(kāi)始應(yīng)用。直讀式液位計(jì)：利用連通器原理測(cè)量液位，如玻璃管液位計(jì)、玻璃板液位計(jì)等。浮力式物位計(jì)：利用處于液體中的物體都要受到液體浮力作用的原理測(cè)量液位或界面，有恒浮力式和變浮力式兩種。靜壓式物位計(jì)：利用不可壓縮流體能夠等量傳遞靜壓力的原理測(cè)量液位，測(cè)量結(jié)果受液體密度影響很大。電氣式物位計(jì)：將物位的變化轉(zhuǎn)換為某些電量的變化，實(shí)現(xiàn)物位測(cè)量。一般把由敏感元件做成的桿狀電極置于被測(cè)介質(zhì)中，則電極之間的電氣參數(shù)，如電阻、電容等，隨物位的變化而變化。這種方法既可用于液位檢測(cè)，也可用于料位檢測(cè)。如電極式、電阻式、電感式、磁致伸縮式等物位測(cè)量?jī)x表都屬于此類。反射式物位計(jì)：利用超聲波、微波在界面反射信號(hào)的行程或不同相界面之間的反射特性間接測(cè)量液位，如雷達(dá)式液位計(jì)、超聲波液位計(jì)等。射線式物位檢測(cè)儀表：放射性同位素所放出的射線穿過(guò)被測(cè)介質(zhì)時(shí)，被吸收的程度與物位（穿透距離）有關(guān)。利用這種方法可實(shí)現(xiàn)物位的非接觸式檢測(cè)。2.2.2溫度的監(jiān)測(cè)制藥產(chǎn)生過(guò)程都是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。為保證產(chǎn)品的質(zhì)量、收率和生產(chǎn)安全，溫度參數(shù)需要控制在合適的允許的變化范圍內(nèi)?；どa(chǎn)中溫度的監(jiān)測(cè)大多數(shù)都采用接觸式測(cè)量?jī)x表，如雙金屬溫度計(jì)、熱電偶、熱電阻等，它具有簡(jiǎn)單、可靠、廉價(jià)、測(cè)量準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，能夠測(cè)量到體系的平衡溫度。對(duì)于溫度參數(shù)的控制是將測(cè)溫儀表的輸出信號(hào)傳送給調(diào)節(jié)儀表或集散控制系統(tǒng)（DCS）實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制，其中，一體化的溫度變送器、智能溫度變送器應(yīng)用比較普遍。熱膨脹原理測(cè)溫：利用液體、氣體或固體熱脹冷縮的性質(zhì)，即測(cè)溫元件在受熱后尺寸或體積發(fā)生變化，繼而根據(jù)其尺寸或體積的變化量測(cè)得溫度的變化量。熱電效應(yīng)原理測(cè)溫：將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B連接在一起組成一個(gè)閉合回路，把兩個(gè)端點(diǎn)置于不同的溫度場(chǎng)T和T0中，則在回路中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，這種熱電勢(shì)由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分構(gòu)成。熱電阻測(cè)溫：利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值會(huì)隨著溫度的變化而變化的性質(zhì)來(lái)測(cè)量溫度。只要用儀表測(cè)量出熱電阻的阻值變化，經(jīng)換算就可得到對(duì)應(yīng)的溫度值。熱電阻溫度傳感器的特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，在中、低溫（500℃以下）測(cè)量時(shí)，輸出信號(hào)比熱電偶大得多，靈敏度高。由于其輸出意識(shí)電信號(hào)，便于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)傳和多點(diǎn)切換監(jiān)測(cè)。熱輻射測(cè)溫：利用某種物質(zhì)吸收發(fā)熱體輻射出的紅外線，將其轉(zhuǎn)換為本身的溫度變化來(lái)測(cè)量發(fā)熱體的溫度。輻射測(cè)溫原理是熱輻射使物體受熱，激勵(lì)了原子中的帶電粒子，使一部分熱能以電磁波的形式向空間傳播，它不需要任何物質(zhì)作媒介（在真空條件下也能傳播），將熱能傳遞給對(duì)方，這種能量傳播的方式稱為熱輻射（簡(jiǎn)稱輻射），傳播的能量稱為輻射能。輻射能量的大小與波長(zhǎng)、溫度有關(guān)，它們遵循相應(yīng)的輻射基本定律。2.2.3壓力的監(jiān)測(cè)在生產(chǎn)過(guò)程中，某些工藝過(guò)程只有在一定的壓力條件下才能進(jìn)行，因而經(jīng)常會(huì)遇到比大氣壓高幾百倍，甚至上千倍的壓力，或者比大氣壓低很多的工藝條件。例如，某些精餾或蒸發(fā)過(guò)程需要很高的負(fù)壓（也稱真空度）。因?yàn)閴毫梢愿淖兓瘜W(xué)平衡，影響反應(yīng)速度，也可以改變物質(zhì)性質(zhì)，提高過(guò)程質(zhì)量等。然而，所有工藝設(shè)備的承壓能力都是有限的，超過(guò)設(shè)備的額定壓力容易造成設(shè)備的損壞，甚至造成爆炸事故。因此，為了保證生產(chǎn)始終處于高壓、優(yōu)質(zhì)、安全、低消耗，以獲得最好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在各種過(guò)程中，對(duì)壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制是十分重要的。連通液柱法：根據(jù)不可壓縮的連續(xù)流體柱具有傳遞靜壓力的原理，通過(guò)測(cè)量液柱高度的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)壓力的監(jiān)測(cè)。彈性元件變形法：在力的作用下，彈性元件會(huì)發(fā)生暫時(shí)形變，當(dāng)由于變形產(chǎn)生的反作用力與作用力達(dá)到平衡時(shí)，彈性元件的形變（位移）與作用在它上面的力成正比，由此，可以把被測(cè)壓力的變化轉(zhuǎn)換成彈性元件的形變（位移）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力測(cè)量。電量轉(zhuǎn)換法：利用壓力敏感元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成各種電量（如電阻、電感、電容、電位差等）來(lái)進(jìn)行壓力的測(cè)量。這類方法具有較好的動(dòng)態(tài)特性，量程范圍大，線性度好，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力參數(shù)的遠(yuǎn)傳和自動(dòng)控制。另外，利用某些物體的某一物理性質(zhì)與壓力之間的關(guān)系而制成的電測(cè)元件，如壓阻式。壓磁式等也屬于電量轉(zhuǎn)換法。2.2.4流量的監(jiān)測(cè)在生產(chǎn)過(guò)程中，為了有效地進(jìn)行操作、監(jiān)督、控制和管理生產(chǎn)過(guò)程，常需要知道單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道某截面流體的體積、質(zhì)量或重量，即體積流量、質(zhì)量流量或重量流量。有時(shí)也需要知道在一段時(shí)間間隔內(nèi)流體流過(guò)的總量。同時(shí)，物料總量的計(jì)量也是經(jīng)濟(jì)核算和能源管理的重要依據(jù)。因此，對(duì)流量的檢測(cè)與控制是發(fā)展生產(chǎn)、節(jié)約能源、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、提高經(jīng)濟(jì)效益和管理水平的一重要步驟?；诹黧w靜壓力變化測(cè)流量：流體流過(guò)管道或節(jié)流元件時(shí)，流體的靜壓力會(huì)發(fā)生變化（降低），這種降低的幅度與流體的流動(dòng)速度直接相關(guān)。差壓式測(cè)量流量的方法，就是利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置所產(chǎn)生的動(dòng)/靜壓能轉(zhuǎn)換原理來(lái)實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量?；诹黧w流通面積的改變測(cè)流量：在一段上闊下窄的圓錐形管子中放置一個(gè)重度大于被測(cè)流體重度的浮子，該浮子能隨被測(cè)流體流量的大小變化而上下浮動(dòng)。流體自下而上流經(jīng)錐形管時(shí)，浮子因受到流體流動(dòng)的沖擊而向上運(yùn)動(dòng)。隨著浮子的上移，浮子與錐形管之間的環(huán)形流通面積增大，流體流速降低，沖擊作用減弱，直到流體作用在浮子上的向上推力與浮子在流體中的重力相平衡。這時(shí)，浮子就會(huì)停留在錐形管中的某一高度上。如果流體流量繼續(xù)增大，則浮子所處的平衡位置就更高；反之則下降。因此，依據(jù)浮子在錐形管中的懸浮高度就可測(cè)得流體流量的大小。應(yīng)用電磁感應(yīng)原理測(cè)流量：利用法拉第電磁感應(yīng)定律，對(duì)于具有一定導(dǎo)電率的酸、堿、鹽溶液，腐蝕性液體以及含有固體顆粒（糖漿等）的液體，可以通過(guò)在其流過(guò)的管道外部設(shè)置一對(duì)具有恒定磁通的磁場(chǎng)，并使其磁場(chǎng)線與流體流動(dòng)方向垂直。另外在與磁力線和流體流動(dòng)方向兩兩正交垂直的管道上引出兩根導(dǎo)線形成回路，則在此回路上就存在導(dǎo)電粒子切割磁感線的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而可計(jì)算出流體流量?；诹鬟^(guò)的流體容積測(cè)流量：在單位時(shí)間內(nèi)以標(biāo)準(zhǔn)固定體積對(duì)流動(dòng)介質(zhì)連續(xù)不間斷地進(jìn)行度量，以排出流體的固定容積數(shù)來(lái)計(jì)算流量。如橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪（羅茨）流量計(jì)、刮板流量計(jì)、活塞式流量計(jì)、皮模式流量計(jì)等?；诹鬟^(guò)流體的質(zhì)量測(cè)流量：基于流體的動(dòng)量或動(dòng)量矩測(cè)流量：渦輪流量計(jì)：以動(dòng)量矩守恒原理為基礎(chǔ)，流體流動(dòng)沖擊渦輪的葉片使渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪的旋轉(zhuǎn)速度與流體的流量直接相關(guān)，因而可以由渦輪的轉(zhuǎn)速求出流量值；旋渦流量計(jì)：在流體前進(jìn)的通道上設(shè)置一非流線型的柱狀阻擋物，當(dāng)流體遇到阻力體的前滯點(diǎn)時(shí)就要分為兩路繞過(guò)阻力體，在阻力體兩側(cè)流動(dòng)的流體先后剝離柱面時(shí)，使柱面附近的壓力減小而形成旋渦，這個(gè)旋渦的形成又加速了另一側(cè)流體的流速，使另一側(cè)的流體剝離柱面形成另一側(cè)的旋渦。所以，在流體流動(dòng)過(guò)程中，會(huì)在阻力體后面兩側(cè)交替地產(chǎn)生旋渦，我們就能依據(jù)旋渦出現(xiàn)的頻率測(cè)定流量。2.2.5pH值的監(jiān)測(cè)大多的生化制藥過(guò)程，對(duì)pH值的規(guī)定要求嚴(yán)格，要對(duì)溶液定時(shí)取樣檢測(cè)、觀察、記錄、調(diào)整等，pH值的誤差要求在±0.2pH之內(nèi)。一般采用酸度計(jì)或pH試紙進(jìn)行酸堿度的測(cè)量。酸度計(jì)簡(jiǎn)稱pH計(jì)，由參比電極、玻璃電極及電流計(jì)三部分組成。以玻璃電極為指示電極，飽和甘汞電極為參比電極。酸度計(jì)的測(cè)量精度高，可準(zhǔn)確到0.01pH。

3控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1設(shè)備與器件的選型3.1.1PLC選型可編程邏輯控制器(PLC)，它采用的是可編程存儲(chǔ)器，用于自身內(nèi)部程序的存儲(chǔ)，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)、定時(shí)、算術(shù)操作與順序控制等面向用戶的指令，并且通過(guò)數(shù)字量或者模擬量輸入/輸出控制各種生產(chǎn)過(guò)程。PLC的特點(diǎn)在于：通用性強(qiáng)、適應(yīng)性好、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、強(qiáng)干擾能力、編程簡(jiǎn)單上手。本設(shè)計(jì)中采用西門(mén)子S7-200型PLC（CPU224），其優(yōu)越性在于豐富可靠的指令集，易于掌握，簡(jiǎn)易的操作，內(nèi)置集成功能強(qiáng)大，豐富的擴(kuò)展模塊，通訊能力極佳。圖3.1西門(mén)子S7-200型PLCS7-200的特征如下：（1）體積?。壕o湊的160*80*62mm尺寸，基本適合任何機(jī)械控制環(huán)境；（2）使用簡(jiǎn)單：運(yùn)用STEP7-Micro/Dos軟件就能方便的為S7-200編程；（3）適用面廣：S7-200的輸入/輸出點(diǎn)支持各種設(shè)備，如：流量傳感器、電磁閥門(mén)、打印機(jī)等；（4）編程設(shè)備：編程器雖然不直接參與系統(tǒng)的控制，但卻是開(kāi)發(fā)管理、運(yùn)行檢測(cè)及維護(hù)所必須的器件；（5）人機(jī)界面：最簡(jiǎn)單的指示燈加按鈕的人機(jī)界面，目前還越來(lái)越普及液晶屏、觸摸屏一體式的操作終端；PLC具備通信聯(lián)網(wǎng)的功能，該功能能夠使不同的PLC之間、PLC與上位計(jì)算機(jī)以及其他智能設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換，從而形成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)集中控制。此外，PLC配有RS-232接口，還有內(nèi)置接口支持各自的通信協(xié)議。表3.1S7-200主要性能參數(shù)輸入輸出數(shù)字輸入6~24數(shù)字輸出4~16模擬輸入16~32模擬輸出8~28輸入輸出映像（可擴(kuò)展）128輸入128輸出硬件擴(kuò)展最多7臺(tái)擴(kuò)展模塊中斷輸入4脈沖輸出2（20k~100k）CPU特性8個(gè)PID控制器最多2個(gè)串行端口實(shí)時(shí)時(shí)鐘運(yùn)行中編程浮點(diǎn)運(yùn)算狀態(tài)LED指示CPU處理時(shí)間位處理：0.22us程序存儲(chǔ)器4~25k數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2~10k定時(shí)器256溫度模塊16位分辨率網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展串行通訊AS-interfaceMPIProfibus-DP從站Modbus主站/從站通訊速率PPI/MPI：187.5kbps自由口：115.2kbps編程軟件Step7-MicroWIN安裝方式IEC導(dǎo)軌工作電壓DC24V/AC220V3.1.2流量傳感器選型鑒于藥劑具有導(dǎo)電性并且其流量檢測(cè)對(duì)精度要求很高，而且傳感器不能對(duì)制藥環(huán)境產(chǎn)生影響，所以本設(shè)計(jì)將采用電磁式流量傳感器。圖3.2電磁式流量傳感器電磁式流量傳感器是利用電磁感應(yīng)定律來(lái)測(cè)定液體流速：導(dǎo)電性的液體在流動(dòng)時(shí)切割磁力線就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其工作原理如圖3.3。1-鐵芯；2-電極；3-絕緣導(dǎo)管；4-勵(lì)磁線圈；5-藥劑圖3.3電磁式流量傳感器工作原理當(dāng)勵(lì)磁線圈通上勵(lì)磁電壓，絕緣管就被均勻磁場(chǎng)（磁力線密度為B）包圍。當(dāng)具有導(dǎo)電性的藥液以速度v流過(guò)絕緣管時(shí)，在導(dǎo)管（內(nèi)徑為D）的管道壁上的一對(duì)電極中，就會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)，其電動(dòng)勢(shì)為E=BvD（式中，v液體平均流速，m/s；B磁場(chǎng)磁通密度，T；D導(dǎo)管內(nèi)徑，m。藥液流過(guò)的容積流量是：Q=πD2可以看出，容積流量Q、電動(dòng)勢(shì)E兩者之間成正比關(guān)系。如果知道絕緣管周?chē)拇磐芏菳，只要對(duì)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行測(cè)定就可以求出容積流量Q。利用電磁式流量傳感器于本設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)在于：并沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分；并沒(méi)有妨礙藥劑的流動(dòng)；測(cè)量的結(jié)果不受藥劑粘度的影響；測(cè)量精度高。測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)并無(wú)任何阻礙物，因而藥劑的壓力損失很??；輸出信號(hào)與流量之間的關(guān)系不受藥劑的物理性質(zhì)（如：溫度、粘度。壓力等）變化的影響。電磁式流量傳感器的電路框圖如圖3.4。以方波信號(hào)作勵(lì)磁電壓信號(hào)，方波由勵(lì)磁放大器功率放大后，送入傳感器的勵(lì)磁線圈進(jìn)行激磁，并將其用作采樣脈沖。液體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)輸入級(jí)送入前置放大器，進(jìn)行阻抗變換后由主放大器放大。因流速產(chǎn)生的信號(hào)很弱，因此要求主放大器要有高放大倍數(shù)、高噪聲抑制和抗干擾能力。放大后的信號(hào)經(jīng)采樣、倒相、鑒相后經(jīng)濾波再送直流放大，由直流放大器輸出檢測(cè)出流速信號(hào)U0。圖3.4電磁式流量傳感器電路框圖3.1.3閥門(mén)選型設(shè)計(jì)中采用ZAJP電動(dòng)精小型單座調(diào)節(jié)閥。電動(dòng)精小型單座調(diào)節(jié)閥由DDZ型直行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和精小型單座閥組成。電動(dòng)精小型單座調(diào)節(jié)閥與伺服放大器組合接受統(tǒng)一的4-20mA或0-10mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)應(yīng)的直線位移，自動(dòng)地控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，從而達(dá)到對(duì)管道內(nèi)藥液流量的連續(xù)調(diào)節(jié)。電動(dòng)精小型單座調(diào)節(jié)閥適用于對(duì)泄露量要求嚴(yán)格、閥前后壓差低及有一定粘度和含少量纖維介質(zhì)的場(chǎng)合。圖3.5ZAJP電動(dòng)精小型單座調(diào)節(jié)閥表3.2調(diào)節(jié)閥的技術(shù)參數(shù)型式直通單座鑄造球形閥公稱通徑50mm公稱壓力PN4.0MPa法蘭標(biāo)準(zhǔn)JB/T79.1-94材料鑄不銹鋼（ZG1Cr18Ni9Ti）上閥蓋標(biāo)準(zhǔn)型：-17～+230℃壓蓋型式螺栓壓緊式填料V型聚四氟乙烯填料、含浸聚四氟乙烯石棉編織填料、石棉紡織填料、石墨填料主要參數(shù)電源電壓：220V/50Hz輸入電阻：200ΩII、250ΩIII輸入通道：3個(gè)相互電隔離通道輸入信號(hào)：4-20mA或0-10mA；輸出信號(hào)：4-20mA或0-10mA；環(huán)境溫度-25～+70℃環(huán)境濕度：≤95%表3.3閥內(nèi)組件閥芯型式單座柱塞型閥芯流量特性等百分比特和線性特性材料不銹鋼（1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni18Mo2Ti、17-4PH、9Cr18、316L）、不銹鋼堆焊司太萊合金、鈦和耐腐蝕合金等表3.4執(zhí)行機(jī)構(gòu)型號(hào)DKZ-310/310C推力(N)4000行程(mm)10162530全行程時(shí)間(s)812.520243.2總體設(shè)計(jì)該配比控制系統(tǒng)主要由流量傳感器、流量變送器、PLC等組成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要的任務(wù)就是根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中前后流量的變化情況進(jìn)行基于PLC的算法控制，實(shí)現(xiàn)藥劑的配比恒定。該系統(tǒng)的控制流程圖如圖3.6所示：圖3.6配比系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖3.3硬件連線圖3.3.1可編程邏輯控制器外部連線根據(jù)該控制系統(tǒng)的控制需求，在本系統(tǒng)中所需要的開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)為4點(diǎn)，開(kāi)關(guān)量輸出為1點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)具備的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)、名稱、代碼及地址編號(hào)如表3.5所示。表3.5可編程控制器輸入/輸出點(diǎn)輸入設(shè)備輸入點(diǎn)編號(hào)輸出設(shè)備輸出點(diǎn)編號(hào)啟動(dòng)按鈕I0.0閥門(mén)Q0.0流量傳感器1I0.1流量傳感器2I0.2停止按鈕I0.3根據(jù)表3.1輸入輸出地址的分配，對(duì)應(yīng)的可編程控制器的外部接線如圖3.7。圖3.7可編程控制器外部連線3.3.2整體連線圖圖3.8系統(tǒng)整體連線圖

4控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)4.1.1比值控制系統(tǒng)概述比值控制系統(tǒng)是用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或者兩個(gè)以上參數(shù)符合一定的比值關(guān)系的控制系統(tǒng)。在保持比值關(guān)系的兩種物料中占主導(dǎo)地位的物料為主物料，表征主物料的參數(shù)為主動(dòng)量F1；隨主物料量的變化而變化的物料為從物料，表征從物料的參數(shù)為從動(dòng)量F2。比值控制系統(tǒng)就是實(shí)現(xiàn)從動(dòng)量與主動(dòng)量成一定的比值關(guān)系，即：K=F2F1（4.1.2比值控制系統(tǒng)的類型開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的比值控制系統(tǒng)，它的原理圖和方框圖分別如圖4.1、4.2。圖4.1開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)原理圖圖4.2開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖隨著F1的變化，F(xiàn)2將跟隨變化，并且滿足F2=KF1。由于系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)的，若從動(dòng)量F2有干擾時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法克服，無(wú)法保持比值關(guān)系。故開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)適用于從動(dòng)量比較平穩(wěn)且比值精度要求不高的情況。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)比較開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)而言增加了一個(gè)從動(dòng)量閉環(huán)控制系統(tǒng)。即實(shí)現(xiàn)從動(dòng)量跟著主動(dòng)量的變化而變化，同時(shí)可以克服從動(dòng)量自身干擾對(duì)比值的影響。其原理圖與方框圖分別如圖4.3和4.4。圖4.3單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)原理圖圖4.4單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖F1經(jīng)過(guò)比值器K作為F2的給定，F(xiàn)2按一定比值跟隨F1變化。當(dāng)F1不變而F2受到干擾，通過(guò)閉環(huán)實(shí)現(xiàn)定值控制，將F2調(diào)回到F1的給定值上；當(dāng)F1受到擾動(dòng)時(shí)，改變了F2的給定值，使F2跟隨F1而變化；當(dāng)F1、F2同時(shí)變化，在新的流量數(shù)值的基礎(chǔ)上保持設(shè)定值的比值。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)不但能實(shí)現(xiàn)從動(dòng)量跟隨主動(dòng)量的變化而變化，而且可以克服從動(dòng)量自身干擾的影響，保證比值的精確性。不過(guò)當(dāng)主動(dòng)量出現(xiàn)大幅度波動(dòng)時(shí)，從動(dòng)量的給定值也大幅度波動(dòng)，在一段調(diào)節(jié)時(shí)間里，比值會(huì)有所偏離。所以這不適用于嚴(yán)格要求動(dòng)態(tài)比的場(chǎng)合，即適用于主物料在工藝過(guò)程上不允許進(jìn)行控制的場(chǎng)合。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為保證主動(dòng)量穩(wěn)定在給定值，使得總量穩(wěn)定。其結(jié)構(gòu)相對(duì)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)而言，增加一個(gè)主動(dòng)量的閉環(huán)控制。即實(shí)現(xiàn)從動(dòng)量跟隨主動(dòng)量變化而變化，能夠克服干擾，保證輸出總量穩(wěn)定。其原理圖與方框圖分別如圖4.5和4.6。圖4.5雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)原理圖圖4.6雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖主動(dòng)量控制回路克服主動(dòng)量擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定值控制；從動(dòng)量控制回路克服從動(dòng)量擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)控制；當(dāng)擾動(dòng)消除后，主、從動(dòng)量都回到原設(shè)定值上，其比值不變。這適用于主動(dòng)量干擾較多以及工藝上不允許負(fù)荷有較大波動(dòng)的場(chǎng)合。缺點(diǎn)是：當(dāng)主動(dòng)量進(jìn)行定值控制，根據(jù)調(diào)節(jié)作用，變化幅值就會(huì)減少，變化頻率就會(huì)加快，這使得從動(dòng)量的給定值一直變化，當(dāng)變化頻率接近從動(dòng)量回路上的工作頻率時(shí)，可能產(chǎn)生“共振”。變比值控制系統(tǒng)變比值控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)修正比值系數(shù)，它是一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)，以比值控制系統(tǒng)作為副回路。副回路用來(lái)克服干擾，保證主控制器的比值系數(shù)，而主回路是用來(lái)保證主被控變量的恒定。4.2PID控制算法PID控制是如今工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中普遍應(yīng)用的一種控制手段，PID分別控制表示比例（P）控制、積分（I）控制、微分（D）控制。它的工作原理是：控制過(guò)程中來(lái)不斷有外界的各種干擾，想要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值的恒定，就要不斷地有控制作用的參與。如果擾動(dòng)的出現(xiàn)使得控制對(duì)象值（即被調(diào)參數(shù)）發(fā)生變化，現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)元件就會(huì)實(shí)時(shí)將變化記錄并且傳至PID控制器，比較測(cè)量值與給定值得到偏差值，調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差并以一定的控制規(guī)律發(fā)出信號(hào)去控制調(diào)節(jié)器的開(kāi)度，從而增加或減少調(diào)節(jié)器的開(kāi)度，改變被調(diào)參數(shù)使之趨向給定值，實(shí)現(xiàn)控制目的。其優(yōu)點(diǎn)在于不需要精確的數(shù)學(xué)模型，靈活性、適應(yīng)性較強(qiáng)，而且PID控制器的結(jié)構(gòu)典型、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、參數(shù)整定方便。圖4.7PID控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖PID控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖4.7，主要組成部分包括模擬控制器、被控對(duì)象。系統(tǒng)中給定值r(t)與輸出值y(t)之間的偏差構(gòu)成PID控制器的控制偏差：et=rt并將該偏差的P、I、D三種控制通過(guò)線性組合得到控制量u(t)，控制被控對(duì)象，故PID控制器是線性控制器?？刂埔?guī)律如下:ut=K式4.3經(jīng)過(guò)拉氏變換得到的傳遞函數(shù)為：Gs=U其中Kp是比例系數(shù)，TI是積分時(shí)間系數(shù)，TD是微分時(shí)間系數(shù)。模擬PID控制器的各個(gè)環(huán)節(jié)的作用如下。4.2.1比例控制在基本控制規(guī)律中，比例作用是最基本、最主要、最普遍的控制規(guī)律，它能夠較快地克服干擾的影響，短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定系統(tǒng)。其輸出與輸入的偏差信號(hào)具有比例關(guān)系，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，立即把偏差放大Kp倍輸出。在PID控制器中,比例系數(shù)Kp的大小決定了響應(yīng)速度。增大比例系數(shù)能加快響應(yīng)速度，同時(shí)減少穩(wěn)態(tài)誤差，但是如果比例系數(shù)過(guò)大，就會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至?xí)瓜到y(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定；減少比例系數(shù)可以減少超調(diào)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，但如果比例系數(shù)過(guò)小，就會(huì)減慢響應(yīng)速度，調(diào)節(jié)時(shí)間增長(zhǎng)。在實(shí)際運(yùn)用中，一般不會(huì)直接采用比例系數(shù)Kp來(lái)表示比例控制作用的強(qiáng)弱，而采用比例度δ的概念。比例度δ的意義是：使控制器的輸出變化滿刻度時(shí)（也即控制閥從全關(guān)到全開(kāi)，或從全開(kāi)到全關(guān)），相應(yīng)的儀表測(cè)量值變化占儀表測(cè)量范圍的百分?jǐn)?shù)。即輸入信號(hào)的相對(duì)變化量占輸出信號(hào)的相對(duì)變化量的百分?jǐn)?shù)：δ=ex式中，e—輸入變化量；p—相應(yīng)的輸出變化量；xmax-xmin—輸入的最大變化量，即儀表的量程；pmax-pmin—輸出的最大變化量，即控制器的工作范圍。對(duì)于一個(gè)實(shí)際的比例作用控制器，其指示值的刻度范圍xmax-xmin及輸出值的范圍pmax-pmin是一定的，由上式可見(jiàn)，比例度δ與放大倍數(shù)Kp比例度δ對(duì)控制過(guò)程的影響如圖4.8所示。比例度δ越大，過(guò)渡過(guò)程的曲線越平穩(wěn)，但余差也越大。當(dāng)比例度δ逐漸減小時(shí)，余差也逐漸減小，但系統(tǒng)從不振蕩開(kāi)始振蕩，比例度δ越小，振蕩越劇烈。當(dāng)比例度δ減小到某個(gè)數(shù)值時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩（如曲線2），這時(shí)的比例度稱為臨界比例度δk。當(dāng)比例度δ小于臨界比例度時(shí)，系統(tǒng)將出現(xiàn)發(fā)散振蕩（如曲線1），這在生產(chǎn)過(guò)程中是十分危險(xiǎn)的。工業(yè)生產(chǎn)中，通常要求過(guò)渡過(guò)程比較平穩(wěn)而余差又不太大（如曲線4圖4.8比例度對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響純比例控制的適用場(chǎng)合是：干擾幅度較小、純滯后較小、負(fù)荷變化不大?？刂埔蟛惶叩膱?chǎng)合。一般來(lái)說(shuō)，若對(duì)象滯后較小、時(shí)間常數(shù)較大，以及放大倍數(shù)較小時(shí)，比例度可以選得小些，這樣可以提高系統(tǒng)的靈敏度，使響應(yīng)快一些，從而過(guò)渡過(guò)程曲線的形狀較好。反之，比例度就要選大些以保證穩(wěn)定。4.2.2積分控制存在余差是比例控制的缺點(diǎn)，當(dāng)對(duì)控制準(zhǔn)確度有更高要求時(shí)，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，再加上能消除余差的積分控制。積分作用是指控制器的輸出與輸入（偏差）對(duì)時(shí)間的積分成比例的特性，即：p=1TI式4.6中，TI為積分時(shí)間，TD越大積分作用越小。積分控制器的特性曲線如圖4.9所示，當(dāng)輸入偏差為常數(shù)A時(shí)，其輸出信號(hào)為一條隨時(shí)間增長(zhǎng)（或減?。┑闹本€。圖4.9積分控制器的特性曲線因此，在積分控制中，只要有偏差存在，控制器輸出會(huì)不斷變化，直到偏差等于零時(shí)，輸出才停止變化而穩(wěn)定在某一個(gè)值上，所以才有積分控制可以消除偏差。積分控制器的輸出是偏差隨時(shí)間的積分，其控制作用是隨著時(shí)間積累而逐漸增加的。當(dāng)偏差剛產(chǎn)生時(shí)，控制器的輸出很小，控制作用很弱，不能及時(shí)克服干擾作用，所以一般不單獨(dú)采用積分作用，而與比例作用配合使用。這樣既能控制及時(shí)，又能消除偏差。比例積分控制規(guī)律可用式4.7表示為：p=Kp(若偏差為A的干擾，代入可得：p=Kp(圖4.10比例積分控制器的特性其特性如圖4.10所示，輸出中垂直上升部分KpA是由比例作用造成的，而緩慢上升部分KpATIt是由積分作用造成的。當(dāng)t=T由圖4.11可以看出，積分時(shí)間過(guò)大或過(guò)小都不合適。TI過(guò)大，積分作用不明顯，余差消除很慢，見(jiàn)曲線3；TI過(guò)小，過(guò)渡過(guò)程振蕩太劇烈，穩(wěn)定程度降低，見(jiàn)曲線圖4.11積分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響4.2.3微分控制比例控制規(guī)律和積分控制規(guī)律，都是根據(jù)已經(jīng)形成的被控變量與給定值的偏差而進(jìn)行動(dòng)作的。但對(duì)于慣性較大的對(duì)象，為了使控制作用及時(shí)，常常希望能根據(jù)被控變量變化的快慢來(lái)控制。在人工控制中，有時(shí)偏差可能還小，但看到參數(shù)變化很快，估計(jì)到很快就會(huì)有更大偏差時(shí)，會(huì)先改變閥門(mén)開(kāi)度以克服干擾影響，這是根據(jù)偏差的速度而引入的超前控制作用，只要偏差的變化一發(fā)生，就立即動(dòng)作，這樣控制的效果將會(huì)更好。微分作用就是模擬這一實(shí)踐而采用的控制規(guī)律。微分作用主要用來(lái)克服被控對(duì)象的容量滯后（時(shí)間常數(shù)TDp=TDd式4.9中，TD為微分時(shí)間；de/dt為偏差信號(hào)的變化速度。此式為理想微分控制器特性，當(dāng)t=t0時(shí)，輸入一個(gè)階躍信號(hào)，則在t=t0時(shí)控制器輸出為無(wú)窮大，其余時(shí)間輸出為零（圖4.12圖4.12理想微分控制器特性這種控制器在系統(tǒng)中，即使偏差很小，只要出現(xiàn)變化趨勢(shì)，馬上就進(jìn)行控制，故有超前控制之稱，這是它的特點(diǎn)。但它的輸出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使數(shù)值再大，微分作用也沒(méi)有輸出，因而控制結(jié)果不能消除偏差，所以微分控制器不能單獨(dú)使用。它常與比例或比例積分控制器組成比例微分或比例積分微分控制。比例微分（PD）控制由比例和微分兩種控制作用組合而成，即：p=Kp(式4.10中，比例作用項(xiàng)為Kpe；微分作用項(xiàng)為：對(duì)于有容量滯后的對(duì)象，采用PD控制能明顯改善過(guò)渡過(guò)程的品質(zhì)，如圖4.13所示。PD控制有超前作用，TD增加，微分作用加強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。表現(xiàn)為衰減比增大，過(guò)渡過(guò)程最大偏差emax減小，過(guò)渡時(shí)間tp縮短。但如果圖4.13微分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響4.2.4組合控制在工業(yè)產(chǎn)生中，常將比例、積分、微分三種作用規(guī)律結(jié)合起來(lái)，可以得到較為滿意的控制質(zhì)量。其中包括比例積分控制、比例微分控制和比例積分微分控制三種組合形式，其特性如圖4.14所示。習(xí)慣上將三種控制規(guī)律組合在一起的控制器稱為PID控制器，其控制規(guī)律為：p=Kp(這種三組合控制既能快速進(jìn)行控制，又能消除余差，具有較好的控制性能。圖4.14PID三作用控制器特性4.3離散PID算法的實(shí)現(xiàn)因?yàn)榭刂扑惴ǖ膶?shí)現(xiàn)需要用到微處理器的軟件部分，因此要對(duì)模擬調(diào)節(jié)器的信號(hào)加以離散化處理，這樣它才能在采樣時(shí)刻的獲得偏差值，從而計(jì)算控制量。因此，不能直接精確地計(jì)算積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，只能用離散的差分方程替代連續(xù)的微分方程，通過(guò)數(shù)值計(jì)算去逼近。不同形式的輸出量u(k)可分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法兩種。4.3.1位置式PID控制算法位置式PID控制算法表達(dá)式在采樣時(shí)間很短時(shí)，可以用一階差分替代一階微分，用去累加替代積分。把連續(xù)時(shí)間離散化，即（K=0,1,2,…,n），積分用累加求和的方法近似得出，離散的PID表達(dá)式為：0te(微分用一階差分近似得：detdt≈將式4.12和式4.13代入式4.3中，得到如下離散的PID表達(dá)式：uk=K式4.14表示的控制算法指出了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置u(k)（如閥門(mén)的開(kāi)度），也就是閥門(mén)開(kāi)度與輸出值一一對(duì)應(yīng)，故稱作位置式PID控制算法，其模型如圖4.15。圖4.15位置式PID控制算法物理模型將位置式PID控制算法的表達(dá)式離散化：對(duì)于式4.14，令：KI=KI稱為積分系數(shù)；KD稱為微分系數(shù)。那么離散化的位置式PID控制算法的編程表達(dá)式為：uk=K由式4.15可以看出，每一次的輸出都與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)。式4.15計(jì)算復(fù)雜，占內(nèi)存較多，而對(duì)第二次采樣時(shí)有：uk-1式4.16與式4.15相減，得：u=Kpeku=u=uk-1其中，α0=Kp1+T位置式PID控制算法軟件實(shí)現(xiàn)位置式PID軟件算法流程如圖4.16所示，其中系數(shù)α0、α1、圖4.16位置式PID軟件算法流程圖4.3.2增量式PID控制算法如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的并不是控制量的絕對(duì)數(shù)值，而是其增量（比如去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)）時(shí)，這就要采用增量式PID控制算法。增量式PID控制算法表達(dá)式：?uk=u根據(jù)式4.18有：?u式4.19中，α0、α1、其物理模型如圖4.17所示圖4.17增量式PID控制算法物理模型增量式PID控制算法軟件實(shí)現(xiàn)如圖4.18所示圖4.18增量式PID軟件算法流程圖流程圖如圖4.18所示。在實(shí)際編程時(shí)α0、α1、α2可預(yù)先算出，存入預(yù)先固定的單元，設(shè)初值e(k-1)、e(k-2)4.4配比系統(tǒng)的算法4.4.1系統(tǒng)靜態(tài)工作點(diǎn)的匹配具有成分校正的藥劑配比控制系統(tǒng)如圖4.19所示。這種系統(tǒng)的配比調(diào)節(jié)部分的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置取決于兩個(gè)流量變送器量程的選擇。圖4.19具有成分校正的藥劑配比控制系統(tǒng)假設(shè)要求兩個(gè)流量的比值為Q1Q2Px=P=Pc-0.2式4.20中Px為乘法器的輸出信號(hào)；Pc為PI1調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；P1為Q1變送器的輸出信號(hào)；Q1,max為Q1變送器的最大量程。設(shè)計(jì)要求Px在正常工況下處于0.5～0.6公斤/厘米2之間，因此Q1的正常流量應(yīng)選擇為2/3Q1,max，假如Pc的正常工作點(diǎn)選擇為0.75公斤/厘米2(Pc-由式4.21可得α由此可求得Q=從上述推導(dǎo)過(guò)程可以看出，乘法器代替比值器時(shí)，首先是根據(jù)Q1的正常流量選擇Q1,max，然后再選擇Q2,max，這樣選擇的好處是使正常的P4.4.2調(diào)節(jié)器參數(shù)