专家智能pH测控仪及其应用
摘要：针对酸碱中和的严重非线性和pH响应的大时滞特性， 研究 开发了基于专家系统的智能pH测控仪，用于化工与环保废水处理等过程中，取得良好效果。
关键词：中和反应 pH值 专家系统 智能控制 仪器仪表
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
酸碱中和是各类化工过程普遍存在的化学反应。反应中，pH值的变化通常呈严重非线性和时滞特性;加上不同生产工艺过程对pH值的要求各不相同，要取得理想控制比较困难。传统采用的由单元组合仪表构成的pH值控制系统，其设计复杂、成本高且通用性差。国外于90年代开始研究用专家系统实现pH控制，已取得较好效果〔1～3〕。本文于1993年研制了基于专家系统的智能pH测控仪，在化工、环保等行业中初步推广 应用 ，并取得良好效果。
2控制原理
2.1 酸碱中和特性
图1显示了几种酸碱中和特性曲线。图中不难看到，曲线两端的变化缓慢，即随酸(或碱)的加入其pH值变化很小;而在中和点附近灵敏度很高，这时少量酸(或碱)的加入都会使pH值显著变化。此外，这些反应通常在一些大容器里进行，从中和剂加入到溶液pH值的变化要经过较长时间;如果因检测不到pH值的变化而一味增加中和剂，很容易造成pH值超调。以上两点，使传统的pH控制系统很难取得理想效果。
2.2 专家智能控制
专家智能控制的基本特点是根据系统运行的不同工况与特点，分别采取不同的控制模式，以获取最佳的控制效果〔4，5〕。对于酸碱中和过程，由图1所示曲线，可分成三种情况如下。
其一是pH值变化较平缓的阶段，如图1(a)中的ab段。该阶段需加入较多中和剂才能使pH值上升(或下降)，因而应根据化学反应 规律 计算 中和剂的需要量并一次性投入，使pH值迅速接近目标值。设N1、N2分别表示中和剂与被中和溶液的浓度，L1、L2分别表示两者体积，则由当量定律不难求得
L1=L2.N2/N1
图1 酸碱中和特性
然而实际检测到的是两者的pH值而非浓度，还需转换。设N1为碱性，N2为酸性，pH1、pH2分别为它们的pH值，则由酸碱定义得
N1=〔OH-〕=10-(14-pH1)
N2=〔H+〕=10-pH2
第二阶段取pH值变化较快的阶段，如图中的bc段。这时采用如下限速比例控制模式
式中 Kv、Kc、Kp、Kd分别表示溶液体积大小、搅拌作用强弱、pH变化斜率大小、中和剂单位时间的流量系数;ΔpH为pH检测值与目标值之差;a为限速因子。采取限速的目的是避免因pH变化的时滞而造成中和剂的过量加入。
第三阶段如图中的cd段，该段pH值随中和剂的加入而迅速变化。另一方面，pH电极在pH值变化越小时其响应时间越长，因而尤需谨慎控制。为此采用间隙控制模式，即每添加一次中和剂后，等待一段时间再进行下一次检测控制。间隔时间T的长短，同样与溶液多少、搅拌作用强弱等因素有关，即
除上述因素外，控制模式还与生产工艺对pH值的控制要求有关。有些化工过程(如烟碱提炼和 工业 废水处理)要求pH值达到某一目标值即可。有些过程(如肥皂生产中的皂化过程)则要求pH值按某一时间规律变化。还有一些过程(如炸药生产)甚至要求酸、碱严格按一定比例送入反应塔进行反应。针对不同控制要求，上述控制模式及其参数的选择也不相同。
本仪器采用的控制模式及控制参数的选择过程如图2所示。图中，“化学反应”指出系统所进行的化学反应性质和参与反应的酸碱化学成份等;“控制指标”反映要求控制的类型、精度和目标值等;“系统工况”则反映系统容积、搅拌、加料等基本运行参数。推理机根据
图2 专家智能控制系统
化学反应、控制指标和系统工况，从知识库查取相应的数据资料并进行综合、 分析 、推理，再从知识库搜索相应的控制模式和控制参数，确定“控制输出”。
2.3 知识库
在专家智能控制系统中，知识库显然起着重要的作用。本仪器的知识库中包含化学库、系统信息库、控制模式库、控制参数库、动态分析库、故障库等6个子库。其中，化学库装载基本化学反应关系、常用的中和特性曲线以及当量计算等与pH控制有关的化学知识。这些知识可以是软件编入，也可以根据控制需要通过人机界面进行输入或修改。系统信息库反映系统的物理特性(如反应罐容积系数、基本流量公式等)，这些数据与系统工况相结合，即可算出溶液体积、中和剂加入量等，为控制计算提供依据。控制模式库装载着各种控制模式，供推理机选取。控制参数库是一系列参数表，每一个参数的选取都与化学特性、控制要求和系统状态有关。这些表既有分析计算结果，也有通过试验取得的经验数据，它们是实现理想控制效果的重要因素之一。动态分析库存放检测结果和推理机的中间分析计算结果，其 内容 随系统运行而不断变化。故障库则装载着各种可能出现的特殊情况的分析与排除 方法 。
知识库是专家系统的核心。除知识内容外，知识的表达方式也很重要。本文采用产生式规则描述知识，其特点是每个规则都是一个独立的知识块，因此易于建立和修改;而且每个规则的形式一致，与专家经验的表述方式相同，易于表达和理解。其基本形式为
if condition-1 and condition-2 …… and condition-n then result
例：设反应是NaOH中和C10H14N2、要求定值控制、pH的目标值是10.5、当前值是4.5，由化学库已查知处于过渡阶段，从而应对NaOH的加入量采用限速比例控制。然后根据其他规则确定控制参数Kv、Kc、Kp、Kd和限速因子a等，最后确定出控制输
3仪表结构
仪表结构框图示于图3。来自传感器的信号经处理转换后通过光电隔离输入 计算 机。计算机内部的专家系统经 分析 推理形成控制输出，再经光电隔离、功率驱动后，带动电磁阀、计量泵等执行器实现各种控制。
图3 仪表结构框图
信号处理转换单元由高阻放大、温度补偿、配套标定、A/D转换等电路组成，最多可接8路传感器，以适应多数化工过程的控制要求。光电隔离单元既起抗干扰作用，也保护了计算机。人机界面提供并显示各种检测与控制数据，还可操作知识库，进行知识库数据的输入与修改。输出驱动单元主要由可控硅及其触发电路组成，以输出按时间比例调制的功率控制信号，直接带动电磁阀等执行器，省却外部驱动电路。使用时，只要将传感器与执行器连接好，通过面板对化学反应、控制指标和系统基本参量进行选择、输入和设定，即可投入运行。
4 应用 举例
曾对烟碱生产过程中的烟碱游离反应过程的pH控制进行了应用试验。流程如图4所示：经发酵、蒸发、冷凝的烟叶水溶液进入游离反应釜后，加入NaOH将烟碱从烟叶水溶液中游离出来。按工艺要求，游离过程需在pH值等于10.5±0.2、温度为60℃的情况下进行，才能取得高纯度烟碱。该游离过程实即酸碱中和反应。由于反应过程会消耗NaOH，要必求补充NaOH以保持pH值符合工艺要求;反应釜直径2.5m、长7m，具有严重的响应滞后与非线性特性;加上pH值的控制精度要求高且不允许超调，采用传统的控制 方法 显得无能为力。
图4 烟碱游离反应流程图
本文采用专家智能pH测控仪，通过两次初步运行建立经验数据，并将所得经验数据输入知识库，然后对反应过程实施正式控制。控制结果表明，系统能根据不同反应阶段自动搜索不同的控制模式与参数，整个控制过程不仅没有发生超调现象，而且反应速度快，控制精度高(最终误差在±0.2pH以内)，达到良好的控制效果。
5 结 语
基于专家系统的智能控制技术，在解决具有严重非线性与时滞特性的复杂化学过程控制方面，显示出极大的优越性和宽广的应用前景。本文介绍的专家智能pH测控仪，在化工过程与废水处理的pH值控制的实际应用中，已取得初步成效。但也存在不完善之处，主要是知识库还有待进一步完善和充实，以适应更多、更复杂的化学过程控制的要求。
* 本文于1997年1月收到。
参考 文献
1 N.V.Shukla.Chemical Engineering Science.1993,48(5)：913～920.
2 C.L.Karr.IEEE Trans.on Fuzzy Systems.1993,1(1)：46～63.
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 理论 与方法.西安 交通 大学出版社，1994，182～211.
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