模糊自适应PID控制在pH中和过程中的应用
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创 (7):633-645
[2]Bruce Eckel,刘宗田(译)．Thinking in C++[M]．北京：机械工业出
新 版社，2000 [3]何高清．基于 Windows 通用数控系统的设计研究及应用[D]．合 肥：合肥工业大学，2004 [4]余道洋．开放式数控系统若干关键技术的研究及应用[D]．合 肥：合肥工业大学，2005 [5]杨赞国，高敬惠．基于 C/S 模式网络信息管理系统设计与实现 [J]．微计算机信息，2005， 7-3：27-29 作 者 简 介 ：黄小刚（1982－），男，四川人，电子科技大学机电学 院，硕士，主要从事数控系统研究; 黄大贵（1952－），男，贵州人， 电子科技大学机械电子工程学院，教授，博导，主要从事智能机 电系统，精密光机电，微机电系统及先进制造装备系统等方面 的研究; 冯代伟（1981－），男，山东人，电子科技大学机电学院， 博士，主要从事智能控制和数控系统方面的研究。 Biography: HUANG Xiao -gang (1982 - ),Male, Sichuan Province, University of Electronic Science and Technology of China, Master, CNC. （610054 四川 成 都 电 子 科 技大 学 机 械电 子 工 程 学 院 ） 黄 小 刚 黄大贵 冯代伟 (School of ME University of Electronic Science and Technology of China Chengdu Sichuan 610054) HUANG Xiao -gang HUANG Da-gui FENG Dai-wei 通 讯 地 址 ：（610054 四 川 成 都 电 子 科 技 大 学 机 械 电 子 工 程 学 院 主楼西 301A） 黄小刚 （收稿日期：2008.12.23）（修稿日期：2009.01.25）
参数基准值为：k =1.8、k =0.09、k =2.7。两种控制器的单位
阶跃响应如图 2(a)所示。
由于 pH 中和控制过程的复杂性，难以获得控制对象精确
的数学模型，因此要求控制器具有一定的鲁棒性。当控制对象
的传递函数稍有变化，如变为时 G(s) = 2.2 e− ，两种控制器
8.8s +1
的单位阶跃响应曲线如图 2(b)所示。
合，实现系统的最佳控制，无需精确确定对象模型，只需将操作 人员长期积累的经验知识用控制规则模型化，然后运用推理就 可对 PID 参数实现最佳调整。由于操作者经验不易精确描述， 控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，模糊理论 是解决这个问题的一个有效途径。运用模糊数学的基本理论和 方法，把规则的添加、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规 则以及有关信息(如评价指标，初始 PID 参数等)作为知识存入 计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况， 运用模糊推理，即可自动实现对 PID 参数的最佳调整，这就是 模糊自适应 PID 控制。
（上接第 34 页） pH 中和过程的控制对象本身较为复杂，考虑各种因素，可
ÁÁÁÃÂÁ《微计算机信息》(测控自动化)2009年第25卷第2-1期
将其近似为一个一阶惯性环节加上一个纯滞后环节，本文研究
设定控制对象的传递函数为：G(s) = 2 e−
9s +1
。采用 Ziegler-Nichols
参数整定方法确定 PID 控制器初始参数，并适当微调，得到 PID
较小，而产酸过程的生化反应速度比较慢，滞后很大，这使得污 情况，计算机能自动调整 PID 参数，这样就出现了智能 PID 控
水处理的 pH 控制更加困难。
制器，这种控制器把古典的 PID 控制与先进的专家控制相结
1 PH 中和过程 的几种控 制方法
PID 控制是过程控制中应用最为广泛最基本的一种控制方 法，PID 控制由于其结构简单、物理意义明确、鲁棒性强等显著 的优点，使它在工业控制中处于主导地位，尤其适用于可建立 精确数学模型的确定性控制系统。但是常规 PID 控制器不能在 线整定参数，对于非线性、时滞性系统，其 PID 参数不是整定困 难就是根本无法整定，因此不能达到预期的控制效果。PH 中和 控制在上世纪六、七十年代多采用常规 PID 控制器，但由于中 和反应过程中，中和点附近的高增益使得常规 PID 控制器的参
效控制。
关键词: 污水处理; pH 中和过程; 模糊自适应 PID
中图分类号: TP273
文献标识码: A
Abstract: The pH neutralization process has the characteristics of lagging, uncertainty and being nonlinear, a kind of fuzzy adaptive
能力以及对参数时变的鲁棒性等方面均优于常规 PID 控制器，
很大程度上缩短了调节时间，克服扰动，改善了 pH 中和过程的
控制效果。
本文创新点：针对生化反应产生的污水处理中对 pH 中和
过程控制问题的复杂性，采用智能控制与常规控制相结合的模
糊自适应 PID 控制方法，实验表明该方法可使被控对象具有良
好的动、静态性能，抗干扰能力和鲁棒性，并且该方法计算量
您的论文得到两院院士关注 文 章 编 号 :1008-0570(2009)02-1-0033-02
控制系统
模糊自适应 PID 控制在 pH 中和过程中的应用
Fuzzy Adaptive PID Control for pH Neutralization Process
（东华大学） 吕 杰 朱 凌 云 钱 宇 达 赵 玮 娜
controller can control the pH neutralization process efficiently. Key words: sewage treatment; pH neutralization process; fuzzy adaptive PID
技
引言
pH 值的测量与控制在工业生产中非常普遍，大量化工过 程都需要对其化学反应过程中的 pH 值进行控制，如农药和医 药生产、制皂、味精提炼、洗涤剂生产、油脂化学工业中的酸碱 中和、污水处理中的重金属回收及污水排放前的中和处理、生 化反应中的适当细胞生长环境等。pH 值的测量与控制对溶液 的性质、化学反应速度、生成物的成分、性质及微生物的生长和 新陈代谢等，均有很大影响，对提高生产效率、产品质量、设备 的安全防护及环境保护是一个关键因素。由于难于对 pH 中和 过程进行辨识以形成数学模型，中和过程往往高度非线性，过 程增益在中和点附近极高，对干扰非常敏感，且由于混和、测量
PID controller can solve the problem effectively. The controller parameters are adjusted by using fuzzy adjusting rules, so that the de-
sign of the controller is easy to be realized, and it has strong adaptation and robustness. The result of the simulation shows that the
结束语
本文基于管理信息系统中广泛应用的 C/S 结构提出了一 种上位机程序与运动控制卡的柔性连接方式，实现了控制系统 中可以更换不同种类运动控制卡的预期目标。该方法已经成功 运用在智能型弯管设备 CNC 控制系统的开发中，并获得了 成功。
本文作者创新点: 目前，在基于运动控制卡和工业 PC 的 CNC 控制系统中，通常情况下，上位机的控制程序和运动控制 卡是一一对应的关系。本文提出了一种基于接口技术的三层结 构模型，消除了上位机程序和运动控制卡的这种紧耦合关系， 即对同一套 CNC 控制程序，厂家可以根据实际情况选用合适 的运动控制卡。这在一定程度上可以提高厂家现有资源的利用 率，降低生产成本，同时也为基于运动控制卡和工业 PC 的 CNC
《现场总线技术应用 200 例》
故障诊断
::SetEvent(m_hEvnet); return TranslateErrCode(nRet); }
函数进入时，需要调用函数 WaitForSingleObject 等待事件 m_hEvnet 发生。当事件发生后，系统自动复位事件。当函数离开 时置位事件对象以允许其他线程对卡进行访问。
首先，污水中参加中和反应的成份复杂，而且不稳定，而由操作 制效果。当参数的变化超过一定范围时，系统性能会明显变差，
和负荷改变引起的干扰又常常非常大；其次，加碱过程和产酸 甚至超过容许范围。随着计算机技术的发展，利用智能的方法
过程的时间常数不一样，加碱过程中和反应速度比较快，滞后 将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际
5 结论
仿真结果表明，由于模糊自适应 PID 控制器在误差 e、误差 变化率 ec 与参数 k 、k 、k 之间建立了在线自调整的函数关
系，而且这种函数关系是根据人的经验和智能建立起来的，使
系统能够在不同的运行状态下能对常规 PID 控制器的参数实
现智能调节，在改善被控过程的动态和稳态性能，提高抗干扰
术
数调整非常困难，因为控制器只能采用很小的比例增益，否则
创 系统不稳定；而比例增益过小，又使系统的动态特性变坏。而简
单模糊控制器由于不具有积分环节，因而在模糊控制的系统中
新 又很难消除稳态误差，而且在变量分级不够多的情况下，常常
在平衡点附近会有小的振荡现象。但模糊控制器对复杂的和模 型不清楚的系统都能进行简单而有效的控制，所以如果把两者 结合起来，就可以构成兼有两者优点的模糊 PID 控制器。利用 模糊自适应 PID 控制器，根据 pH 的实际响应，通过模糊规则进 行推理和决策，在线整定 PID 控制器参数，从而实现对 pH 的自 适应控制。
[2]Bruce Eckel,刘宗田(译)．Thinking in C++[M]．北京：机械工业出
新 版社，2000 [3]何高清．基于 Windows 通用数控系统的设计研究及应用[D]．合 肥：合肥工业大学，2004 [4]余道洋．开放式数控系统若干关键技术的研究及应用[D]．合 肥：合肥工业大学，2005 [5]杨赞国，高敬惠．基于 C/S 模式网络信息管理系统设计与实现 [J]．微计算机信息，2005， 7-3：27-29 作 者 简 介 ：黄小刚（1982－），男，四川人，电子科技大学机电学 院，硕士，主要从事数控系统研究; 黄大贵（1952－），男，贵州人， 电子科技大学机械电子工程学院，教授，博导，主要从事智能机 电系统，精密光机电，微机电系统及先进制造装备系统等方面 的研究; 冯代伟（1981－），男，山东人，电子科技大学机电学院， 博士，主要从事智能控制和数控系统方面的研究。 Biography: HUANG Xiao -gang (1982 - ),Male, Sichuan Province, University of Electronic Science and Technology of China, Master, CNC. （610054 四川 成 都 电 子 科 技大 学 机 械电 子 工 程 学 院 ） 黄 小 刚 黄大贵 冯代伟 (School of ME University of Electronic Science and Technology of China Chengdu Sichuan 610054) HUANG Xiao -gang HUANG Da-gui FENG Dai-wei 通 讯 地 址 ：（610054 四 川 成 都 电 子 科 技 大 学 机 械 电 子 工 程 学 院 主楼西 301A） 黄小刚 （收稿日期：2008.12.23）（修稿日期：2009.01.25）
参数基准值为：k =1.8、k =0.09、k =2.7。两种控制器的单位
阶跃响应如图 2(a)所示。
由于 pH 中和控制过程的复杂性，难以获得控制对象精确
的数学模型，因此要求控制器具有一定的鲁棒性。当控制对象
的传递函数稍有变化，如变为时 G(s) = 2.2 e− ，两种控制器
8.8s +1
的单位阶跃响应曲线如图 2(b)所示。
合，实现系统的最佳控制，无需精确确定对象模型，只需将操作 人员长期积累的经验知识用控制规则模型化，然后运用推理就 可对 PID 参数实现最佳调整。由于操作者经验不易精确描述， 控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，模糊理论 是解决这个问题的一个有效途径。运用模糊数学的基本理论和 方法，把规则的添加、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规 则以及有关信息(如评价指标，初始 PID 参数等)作为知识存入 计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况， 运用模糊推理，即可自动实现对 PID 参数的最佳调整，这就是 模糊自适应 PID 控制。
（上接第 34 页） pH 中和过程的控制对象本身较为复杂，考虑各种因素，可
ÁÁÁÃÂÁ《微计算机信息》(测控自动化)2009年第25卷第2-1期
将其近似为一个一阶惯性环节加上一个纯滞后环节，本文研究
设定控制对象的传递函数为：G(s) = 2 e−
9s +1
。采用 Ziegler-Nichols
参数整定方法确定 PID 控制器初始参数，并适当微调，得到 PID
较小，而产酸过程的生化反应速度比较慢，滞后很大，这使得污 情况，计算机能自动调整 PID 参数，这样就出现了智能 PID 控
水处理的 pH 控制更加困难。
制器，这种控制器把古典的 PID 控制与先进的专家控制相结
1 PH 中和过程 的几种控 制方法
PID 控制是过程控制中应用最为广泛最基本的一种控制方 法，PID 控制由于其结构简单、物理意义明确、鲁棒性强等显著 的优点，使它在工业控制中处于主导地位，尤其适用于可建立 精确数学模型的确定性控制系统。但是常规 PID 控制器不能在 线整定参数，对于非线性、时滞性系统，其 PID 参数不是整定困 难就是根本无法整定，因此不能达到预期的控制效果。PH 中和 控制在上世纪六、七十年代多采用常规 PID 控制器，但由于中 和反应过程中，中和点附近的高增益使得常规 PID 控制器的参
效控制。
关键词: 污水处理; pH 中和过程; 模糊自适应 PID
中图分类号: TP273
文献标识码: A
Abstract: The pH neutralization process has the characteristics of lagging, uncertainty and being nonlinear, a kind of fuzzy adaptive
能力以及对参数时变的鲁棒性等方面均优于常规 PID 控制器，
很大程度上缩短了调节时间，克服扰动，改善了 pH 中和过程的
控制效果。
本文创新点：针对生化反应产生的污水处理中对 pH 中和
过程控制问题的复杂性，采用智能控制与常规控制相结合的模
糊自适应 PID 控制方法，实验表明该方法可使被控对象具有良
好的动、静态性能，抗干扰能力和鲁棒性，并且该方法计算量
您的论文得到两院院士关注 文 章 编 号 :1008-0570(2009)02-1-0033-02
控制系统
模糊自适应 PID 控制在 pH 中和过程中的应用
Fuzzy Adaptive PID Control for pH Neutralization Process
（东华大学） 吕 杰 朱 凌 云 钱 宇 达 赵 玮 娜
controller can control the pH neutralization process efficiently. Key words: sewage treatment; pH neutralization process; fuzzy adaptive PID
技
引言
pH 值的测量与控制在工业生产中非常普遍，大量化工过 程都需要对其化学反应过程中的 pH 值进行控制，如农药和医 药生产、制皂、味精提炼、洗涤剂生产、油脂化学工业中的酸碱 中和、污水处理中的重金属回收及污水排放前的中和处理、生 化反应中的适当细胞生长环境等。pH 值的测量与控制对溶液 的性质、化学反应速度、生成物的成分、性质及微生物的生长和 新陈代谢等，均有很大影响，对提高生产效率、产品质量、设备 的安全防护及环境保护是一个关键因素。由于难于对 pH 中和 过程进行辨识以形成数学模型，中和过程往往高度非线性，过 程增益在中和点附近极高，对干扰非常敏感，且由于混和、测量
PID controller can solve the problem effectively. The controller parameters are adjusted by using fuzzy adjusting rules, so that the de-
sign of the controller is easy to be realized, and it has strong adaptation and robustness. The result of the simulation shows that the
结束语
本文基于管理信息系统中广泛应用的 C/S 结构提出了一 种上位机程序与运动控制卡的柔性连接方式，实现了控制系统 中可以更换不同种类运动控制卡的预期目标。该方法已经成功 运用在智能型弯管设备 CNC 控制系统的开发中，并获得了 成功。
本文作者创新点: 目前，在基于运动控制卡和工业 PC 的 CNC 控制系统中，通常情况下，上位机的控制程序和运动控制 卡是一一对应的关系。本文提出了一种基于接口技术的三层结 构模型，消除了上位机程序和运动控制卡的这种紧耦合关系， 即对同一套 CNC 控制程序，厂家可以根据实际情况选用合适 的运动控制卡。这在一定程度上可以提高厂家现有资源的利用 率，降低生产成本，同时也为基于运动控制卡和工业 PC 的 CNC
《现场总线技术应用 200 例》
故障诊断
::SetEvent(m_hEvnet); return TranslateErrCode(nRet); }
函数进入时，需要调用函数 WaitForSingleObject 等待事件 m_hEvnet 发生。当事件发生后，系统自动复位事件。当函数离开 时置位事件对象以允许其他线程对卡进行访问。
首先，污水中参加中和反应的成份复杂，而且不稳定，而由操作 制效果。当参数的变化超过一定范围时，系统性能会明显变差，
和负荷改变引起的干扰又常常非常大；其次，加碱过程和产酸 甚至超过容许范围。随着计算机技术的发展，利用智能的方法
过程的时间常数不一样，加碱过程中和反应速度比较快，滞后 将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际
5 结论
仿真结果表明，由于模糊自适应 PID 控制器在误差 e、误差 变化率 ec 与参数 k 、k 、k 之间建立了在线自调整的函数关
系，而且这种函数关系是根据人的经验和智能建立起来的，使
系统能够在不同的运行状态下能对常规 PID 控制器的参数实
现智能调节，在改善被控过程的动态和稳态性能，提高抗干扰
术
数调整非常困难，因为控制器只能采用很小的比例增益，否则
创 系统不稳定；而比例增益过小，又使系统的动态特性变坏。而简
单模糊控制器由于不具有积分环节，因而在模糊控制的系统中
新 又很难消除稳态误差，而且在变量分级不够多的情况下，常常
在平衡点附近会有小的振荡现象。但模糊控制器对复杂的和模 型不清楚的系统都能进行简单而有效的控制，所以如果把两者 结合起来，就可以构成兼有两者优点的模糊 PID 控制器。利用 模糊自适应 PID 控制器，根据 pH 的实际响应，通过模糊规则进 行推理和决策，在线整定 PID 控制器参数，从而实现对 pH 的自 适应控制。
