浓度控制（精选十篇）
浓度控制 篇1
在制浆生产过程中,纸浆浓度的精确控制可以稳定打浆效果,对于抄纸过程,则可以稳定上网纸浆浓度、减少纸张定量波动、增加抄纸生产稳定性、提高纸张质量。因而,实时、精确地控制纸浆的浓度对于制浆和抄纸工序都有十分重要的意义[1]。在造纸过程的纸浆浓度控制过程中,其工艺参数往往发生较大的变化,难以建立系统的精确数学模型,采用传统方法设计的控制器往往难以满足实际生产的要求,一般的控制器不能始终保持最优运行,甚至会出现稳定性问题。文献[2～4]采用模糊控制方法在一定的程度上的实现了纸浆浓度的控制问题,由于本系统所涉及的纸浆浓度控制中工艺流程中不可预知因素的扰动及纯滞后特点,采用这些方法并不能得到较理想的控制效果。基于上述文献,针对纸浆浓度调节的复杂特性,作者提出一种适合该造纸系统的纸浆浓度混合控制算法。
1 纸浆浓度工艺描述及系统结构图
纸浆浓度是指单位质量纸浆里所含纤维的多少,通常是用百分比的形式来表示。在碎浆、制浆过程中,纸浆浓度是衡量浆得率的一个重要指标;在上浆、流送过程中,纸浆浓度是决定纸浆质量的一个重要因素。在造纸工业中,纸张的绝干浆量(单位面积上纸的克重)是考察纸张质量的一个重要指标,纸张绝干浆量一般可以认为是上网浓度和流量的乘积:
式中:G表示纸浆绝干浆量;F表示纸浆上网流量;C表示纸浆上网浓度。其中,纸浆上网流量通常是由定量阀来控制,而上网浓度因为要受到碎浆、制浆等工艺的影响,控制难度较大。所以从一定程度上来看,纸浆上网浓度对纸浆的绝干浆量起着决定性的作用。除此之外,纸浆浓度还对造纸过程中的其它过程有着一定的影响,例如废纸制浆中的碎浆过程,其中的纤维分离器就对进浆浓度有一定的范围要求,还有打浆过程的叩解度,在其软测量算术表达式中,浓度也占据着重要作用。当前造纸领域的集散控制系统一直把纸浆浓度调节作为一个重点,而浓度控制回路控制精度也是衡量整个集散控制系统控制精度的一个重要参照。
浓度控制回路工艺如图1所示,浓度控制由调节稀释水量大小实现,流量大小由手动阀门粗调。纸浆浓度测量采用刀式传感器,流量测量采用电磁流量计,浓度控制执行器采用电动调节阀,浓度现场控制器是以单片机为核心、配以E-PROM及实时时钟等的微控制器。对于间断制浆过程,当设置一次纸浆绝干量后,制浆单元自动启动抽浆泵工作,从浆池中抽取混合料,同时开启稀释水阀门,从而调节纸浆浓度,由于从浆池中抽取混合料的速度基本稳定,因而稀释水流量直接决定了最终的纸浆浓度,混合料与稀释水混合后混合累计以纸浆绝干量,当累计纸浆绝干量与设置的一次纸浆总量相等时,自动停止抽浆泵工作。
通过分析纸浆浓度调节的动态过程可知,其浓度回路具有纯滞后、突发干扰以及较强的非线性特性,传统单一的控制方法难以满足工艺要求,基于纸浆浓度控制回路的复杂特性,本文提出一种纸浆浓度的混合控制控制算法,其控制结构如图2所示。
在该浓度控制系统中,设计了两个环,其中外环为浓度控制环,内环为流量控制环。在该浓度控制回路中干扰主要有两项,即一次干扰(浆池内纸浆浓度变化引起的,经过分析和实际测量得到其规律近似分段确定性干扰)和二次干扰(由于纸浆的团聚特性和浓度传感器的结构形式决定的,在系统有意义的频率范围内认为是一白噪声)。其工作原理为:首先将浓度偏差(混合料浓度设定值—混合料浓度检测值)作为外环的输入,为了保证外环中浓度的精准控制,此处选用了两个控制器(改进的PID控制器[5]和变论域模糊控制器[6]),为了协调控制器的输出,采取模糊软切换方式切换控制器的输出。而内环的控制精度要求一般不高,此处选择常规的P控制器就能实现对稀释水浓度进行调节,保证混合浆料浓度最终稳定在工艺范围内。
2 控制器的设计
在纸浆浓度控制系统,由于受到添加原料造成浆池内纸浆浓度的变化以及纸浆的团聚特性等因素的干扰,采用单一的控制方法往往很难同时兼顾稳定控制、精度较高以及超调量小的要求。因此在对纸浆浓度控制时,本文选择了具有自适应识别控制的变论域模糊控制与基于粒子群优化(简称PSO)的PID控制算法的混合,而对于两种自适应控制器的输出则采用模糊软切换策略,从而得到最优的稀释水流量作为内环控制的输入。
2.1 模糊软切换策略
在外环控制器中,基于PSO的PID控制算法具有较高的控制精度,但不能同时保证响应的快速性和稳定性。变论域模糊控制算法具有较好的快速性,且能根据外界环节的变化而进行自适应跟踪,但难以识别小误差,难以保证控制精度。为了较好的保证外环的浓度控制精度,此处将两种控制器结合使用,采用基于模糊软切换方式,从而获得两种控制器输出的强度。其中浓度偏差和偏差变化率作为模糊推理的输入,模糊软切换的规则表示如下:
其中为偏差绝对值,到为偏差变化率绝对值,和选用两个语言变量S和B(分别表示偏差小和大);UFUZZY和UP-PID分别代表变论域模糊控制器和基于PSO的PID控制器的输出;和隶属度函数为X和Y,如图3所示。
采用加权平均法计算两个控制器的混合输出,即
可知当系统处于暂态响应时,由于偏差和偏差变化率较大,变论域模糊控制器起着主要作用;当系统接近稳态时,偏差和偏差变化率减小,则基于PSO的PID控制器起着主要作用。
2.2 变论域模糊控制器
在浓度的模糊逻辑控制中,双输入单输出是最常见的情形.双输入分别是浓度偏差和浓度偏差变化率,单输出是稀释水流量的增量。在浓度跟踪的控制过程中,受不同时刻的工艺影响,常规的固定论域以及与之对应的固定模糊判决规则的模糊控制已经不能达到要求,而变论域模糊控制方法则能够根据工艺的变化准确地调节浓度的输出控制量。
设浓度偏差e的论域为[-E,+E],通过“伸缩”因子(e)变换为[-(e)E,(e)E],其中(e)为偏差变量e的连续函数,:[-E,E]→[0,1],e|→(e)。e的模糊子集分为7个,即E={NB(负大),NM(负中),NS(负小),ZO(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}。设精确变量e的论域对7个模糊状态的隶属度采用三角形。任给e的一个增量∆e,相应地有一个增量∆α,∆α与∆e成正比,对于同样大的增量∆e,若e大,∆α也应越大;此外,α不超过1,故α越接近1,∆α也应越小,可以得到增量关系式为
式中k为比例常数,把∆e移至左边并令∆e→0,可得
采用分离变量法求解上述方程,则有
式中c为积分常数,根据条件α(0)=0,可以得到
可把视为一个参数,这样式(7)可以简化为
式中为设计参数,须根据实时工况来确定。
此处变论域模糊控制器能够使得浓度处于暂态时快速进入稳态,并能根据工艺的变化实时跟踪控制,保证了控制的快速性。
2.3 基于PSO的PID控制器
为了保证制浆浓度精度较高,当响应接近稳态时,偏差和偏差变化率减小,则基于PSO的PID控制器起着主要作用。
PID控制是工业应用中较为广泛的一种控制规律。但是PID参数的整定过程繁琐,而且难以实现参数的最优整定。PSO可以有效求解大量非线性、不可微和多峰值的复杂问题,算法简洁,调整参数少,因而发展很快,已应用于很多工程技术领域。
在标准PSO算法中,粒子的更新通过跟踪两个极值,具有结构简单,运行速度快的优点。但是,标准PSO在搜索解空间时,调整学习因子和惯性因子也无法完全避免粒子在最优解附近振荡的现象,而且这个最优解可能就是局部最优。
基本模拟退火机制可以跳出极值点区域的优点,本文在PSO中引入模拟退火算法。其基本思想为:按照∆E
为了实现PID参数的优化整定,改进的PSO算法需要确定一个特定目标函数,本文采用包含最大动态偏差、调节时间和残余误差指标项的性能函数作为目标函数:
式中,y1为最大动态偏差;ts为调节时间,为残余偏差,为系统被调量新的稳态值,yr为设定值,wi,(i=1,2,3)是加权系数,其值对优化后的PID控制器的性能有很大影响。wi的取值一般应使性能函数中各指标项的大小具有相同的量级。在此基础上,可以根据系统对快速性和稳定性的具体要求,对wi的值进行适当调整。
此处基于PSO的PID控制器能较好的保证浓度在接近稳态时精确的稳定在工艺允许范围内。
3 仿真
以湖南某纸机生产80g/m2书写纸时为例建立模型,其浓度控制系统的传递函数可简化为:
根据该模型,对其采用PID控制方法和本文所采用的方法进行控制见图4所示。其中曲线1表示采用PID控制后的单位阶跃响应曲线,曲线2表示采用本方法后的单位阶跃响应曲线。根据仿真图像可以看出,本文所提出的控制方法由于结合了变论域模糊控制方法和基于PSO的PID控制方法的优点,其比单一的PID控制系统具有更强的自适应能力,调节时间和超调量明显减小,较好的抑制了干扰对整个系统的影响,有很强的鲁棒性和抗干扰性。
4 结论
将本文所采用的方法应用于湖南某造纸厂,其运行效果如图5所示。在该控制系统中浓度的设定值是3.25%,通过比较分析,该厂原有控制算法的偏差方差超过0.3%,采用本文所提出的方法后,其偏差方差小于0.12%,控制系统快速性以及鲁棒性有了较大的提高,克服了突发干扰的影响,较好的保证了纸张的质量,对稳定纸浆大奖度、为稳定纸张定量及水分起到了非常重要的作用。
本文针对纸浆浓度控制系统具有大滞后,模型不确定的特点,设计纸浆浓度混合控制系统。该设计方法利用变论域模糊控制方法和基于PSO的PID控制方法各自的优点,采用模糊软切换方法实现了两种控制器的选择,较好的保证了纸浆浓度的精确控制。
摘要：本文针对纸浆浓度系统具有大滞后,模型不确定的特点,设计了纸浆浓度混合控制系统。该设计方法利用变论域模糊控制方法和基于PSO的PID控制方法各自的优点,采用模糊软切换方法实现了两种控制器的选择,较好的保证了纸浆浓度的精确控制。运行结果表明,该方法简单方便,对纸浆浓度控制系统进行了控制,取得了满意的控制效果。
关键词：纸浆浓度,变论域模糊控制,基于PSO的PID
参考文献
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浓度控制 篇2
青岛奥运海域污染物浓度预测及污染控制对策研究
摘要：在已建二维潮流数值模型的基础上,利用物质输运方程模拟了奥运海域主要污染物的浓度分布.结果表明,奥运海域水质整体良好,但是无机氮对奥运水质的影响比COD、活性磷酸盐大,是奥运海域的隐患.为了保持奥运海域良好的`水质,本文给出了一系列的污染控制对策,为环境管理者提供了一定的科学依据和建议.作 者：田春暖 孙英兰 王翠 TIAN Chunnuan SUN Yinglan WANG Cui 作者单位：中国海洋大学,环境科学与工程学院,山东,青岛,266100 期 刊：海洋湖沼通报 ISTICPKU Journal：TRANSACTIONS OF OCEANOLOGY AND LIMNOLOGY 年，卷(期)：, (z1) 分类号：X55 关键词：物质输运 数值预测 污染控制对策 奥运海域
浓度控制 篇3
关键词：氧气调节器；氧气浓度；模糊控制；仿真研究
中图分类号：TP273.4文献标识码：A
1引言
当飞机在高空飞行时，由于大气压强伴随高度的升高而降低，外部空气的含氧浓度并不能满足驾驶员的需要。因此驾驶员需要通过氧气调节器按照飞行高度供给不同含氧浓度的混合空气或者纯氧，而军机在执行任务过程中，由于其飞行速度快，飞行高度变化剧烈，这就要求供氧设备为飞行员提供的氧气的含氧浓度的提出了更高的要求。所以，供氧调节器如何对输出的混合气体中的氧气浓度进行控制，以符合飞行员的需要，一直是军事航空研究人员所关注的重要问题。近年来，法国的EROS公司对此问题进行了深入的研究，推出了军用飞机电子式氧气调节器产品。该产品居于国际领先水平，其性能指标远远高于欧美原有的机械式氧气调节器，美国的第四代战机F-22上也开始使用该产品[1]。其他国外在该问题上的研究进展，由于保密原因而很少见到有公开的报道和介绍。在国内，北京航空航天大学的赵竞全教授研究设计了一种为飞行器座舱高度在12km时氧气调节器的加压供氧的控制方法，并通过仿真实验对该方法进行分析验证[2]。北京航空航天大学的林贵平教授则设计了一套基于ATmega128单片机的氧气调节器的控制电路和软件解决方案，其主要研究内容在于如何降低呼吸阻力[3]。据从用户反馈回来的信息所知，国内先进战机的供氧调节器的氧气浓度控制问题尚未得到彻底解决，还有一些问题值得进一步的探讨[4]。因此，为先进战机设计一种满足飞行员需要的氧气调节器的供氧浓度控制方法，是一项十分重要且有工程实用价值的工作[5]。下面，本文将介绍和总结飞行器氧气调节器的主要结构和工作原理，在对战机飞行员处于不同飞行高度所需要的混合气体中氧气浓度的变化情况的深入分析基础上，给出氧气调节器的活门开度与飞机飞行高度之间关系的数学模型，设计一种对供氧调节器的活门运动开度的模糊控制方法，并应用MATLAB软件对控制方法进行实验验证。
2氧气调节器的工作原理
由于高空之中大气压力降低，使得飞行员吸入气体的含氧浓度不能满足飞行员的需要，氧气调节器的主要工作任务就是控制飞行员吸入器提的含氧浓度，预防缺氧所引起的反应或者症候。根据航空生理学要求，当飞行高度高度1500m以下时：飞行员主要吸入外部环境的空气，其主要目的是降低氧气的消耗。当飞行高度在1500-9000m的范围内时：伴随飞行高度的升高，飞行员吸入气体的氧分压降低，为了保证飞行员吸入气的氧分压水平满足其需要，氧气调节器必须随高度升高而提高吸入气体的含氧浓度。当飞机的飞行高度在9000m以上时，氧气调节器一般供给纯氧。并且当飞机的飞行高度继续升高，氧气调节器采取加压供氧的方式。本文主要讨论飞机的飞行高度在0-9000m的范围内时氧气调节器的控制策略[6-7]。
氧气调节器的工作过程简介如下：当飞行员吸气时，氧气面罩内部压力降低，面罩内吸气活门打开，此时控制器通过控制电机打开氧气以及空气活门，使气体通过吸气活门。当飞行员呼气时，面罩内呼气活门打开、吸气活门关闭，供给气体不再流入面罩内部，同时关闭氧气以及空气活门[8]。图1为氧气调节器简化原理示意图。
飞机在飞行过程中，氧气调节器通过调整它的氧气和空气活门，来控制氧气流量以及空气流量，使得飞行员吸入气体的浓度满足飞行员在不同高度下对于吸入气体的不同氧气浓度的要求。一般来说，氧气调节器主要是将空气活门的开度固定不变，通过对氧气活门的开度进行调整，使得氧气调节器供给飞行员的气体的氧气浓度符合飞行员的要求。由于平板活门的活门座和活门板之间的气密性更好，所以一般飞行员佩戴的氧气调节器的活门多采用平板活门，如图所示。
活门主要设计参数：氧气活门直径4mm，活门最大开度2mm；空气活门直径4mm，假设空气活门开度保持不变为0.2mm。氧气活门入口压力与出口压力分别为80kPa和20KPa，由此得到活门进出口压力比为0.25，小于临界压力比，所以气体的流动处于超临界状态。根据工程流体力学中关于气体在绝热等熵条件下通过收敛喷嘴的流量公式，即可得出当处于超临界流动时，通过活门的气体的物质流量为：
4模糊控制器的设计
模糊控制器的主要组成部分有：模糊化，知识库，模糊推理以及解模糊，其主要结构如图3。
3数学模型
4.1输入模糊化
在本文中，当飞行员吸入气氧气浓度为21%时，如果由人来控制氧气的浓度的话，则需要将吸入气的氧气浓度提高到25%。计算机仿照人的思维进行模糊控制，将吸入气氧气浓度为21%这一信息转化为“吸入气氧气浓度过低”，而“如果吸入气氧气浓度过低，那么增大氧气活门开度”这条语句就是模糊规则。在本文中，输入量E为航空供氧理论要求的活门开度与实际活门开度之间的差值，模糊论域为[-10，10]，模糊量化因子k取值0.08；。EC为理论要求的氧气活门开度变化率，模糊论域取[-10，10]，模糊量化因子kec取10/86，E与EC均采取三角形隶属度函数。输出量U为氧气活门开度变化，模糊论域为[-1，1]，比例因子ku取值0.05，隶属度函数为高斯函数，如下图所示。
4.2模糊控制规则
本文根据系统的实际情况和控制精度要求，将E及EC的调整量在其论域上划分连续的七个模糊集合，分别为：NB（负大）、NM（负中）、NS（负小）、ZO（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。并列出49条规则：
1）当输入量E为PB，并且EC为PB时，代表此时实际活门开度与理论活门开度存在较大的差距且理论要求的活门的开度变化率仍在增大，因此输出量U取PB即为极大地增大氧气活门开度。
2）当输入量E为PS，EC为ZO时，代表此时实际活门开度与理论活门开度存在较小的差距，并且理论要求的活门开度的变化率为零，因此输出量U取PS即为稍微增大氧气活门的开度。
3）当输入量E为NM，EC为NS时，代表此时实际活门开度与理论活门开度有一定的差距，并且理论要求的活门开度的变化率也在降低，因此输出量U取NM即为以一定速度降低活门的开度。
4）当输入量E为NB，且EC也为NB时，代表此时实际活门开度远大于理论活门开度，且理论要求的活门开度的变化率也在急速降低，因此输出量U取NB，即为急速降低活门开度。
4.3解模糊
由模糊规则推理出来的模糊控制量是模糊值，不能直接用于控制被控对象，需要先转化成一个执行机构可以执行的精确量。此过程称为解模糊或模糊判据。解模糊的目的是根据模糊推理出的结果，求得最能反映控制量的真实分布。在本文中采用加权平均法，将模糊计算得到的控制量转换到控制对象的实际论域中，即为乘上比例因子ku才能得到最终实际的控制量。
5系统的仿真实验及其结果分析
为了验证数学模型的正确性和模糊规则确立的合理性，我们需要对整个控制系统进行系统仿真。图5为系统在MATLAB /Simulink下的仿真图：
从仿真结果可以看出，在第一种飞行曲线的情况下的理论吸入气体含氧浓度与实际吸入气体含氧浓度的偏差在[-1.5%，1.5%]之间，第二种情况的理论值与实际值的偏差则在[-1%，1%]之间。系统输出的供氧浓度曲线与理论的浓度曲线基本吻合，证明了将模糊控制运用在调氧器控制系统上是可行的，在该模糊控制器作用下供氧控制系统具有良好的调节效果，能够持续稳定地为飞行员提供具有合适的氧浓度的混合氧气。
6结论
本文简要介绍了飞行器氧气调节器的主要结构和工作原理，在对战机处于不同飞行高度时飞行员所需要的混合气体中氧气浓度要求的必要分析的基础上，给出氧气调节器在输出合适氧浓度的混合氧气的条件下活门开度与飞机飞行高度之间关系的数学模型，设计了一种对供氧调节器的活门运动开度的模糊控制方法，并应用MATLAB软件的Simulink仿真模块对控制方法进行实验验证。实验结果证明，将模糊控制运用在氧气调节器系统上是可行的，本文提出的模糊控制方法能够使得氧气调节器为飞行员提供的混合氧气的氧浓度与理论值之间的误差很小，符合飞行员的飞行需要。
参考文献
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腈纶湿法纺丝中凝固浴浓度的控制 篇4
腈纶全称为聚丙烯腈纤维, 是由聚丙烯腈或85%以上的丙烯腈和其他第二、第三单体的共聚物纺制的纤维, 腈纶工艺按纺丝成形方式可分为干法纺丝和湿法纺丝两种, 其中湿法纺丝的成形是靠纺丝原液浸入凝固浴中, 纺丝原液中的溶剂Na SCN (腈纶湿法纺丝所用溶剂还有DMF、DMAc、DMSO、丙酮等, 本文以Na SCN为例) 与低浓度Na SCN溶液即凝固浴进行双扩散, 使得喷出的纺丝原液中聚丙烯腈浓度达到≥63%的成形条件。
根据双扩散原理, 纺丝原液在纺丝成形时主要发生三种变化:一, 形态的改变, 从液态→粘弹状态→冻胶体;二、组成的改变, 聚合物浓度变大;三、热力学参数的变化, 释放热能, 温度降低, 而影响成形效果的主要因素有:浓度差、温度差、凝固浴流量等。在纺丝原液参数不变, 温度差及凝固浴流量, 牵伸速度等易于控制的情况下, 凝固浴浓度控制的稳定性就直接关系到纺丝成形的好坏, 凝固浴浓度过高或过低都不利于纤维成形, 凝固浴浓度越高则浓度差越小, 双扩散进行的速度变慢, 原液三态改变不完全, 纺丝成形不彻底, 则初生纤维强度不够, 黏度较大, 在拉伸过程中初生纤维易出现断丝、并丝、疵点等情况, 此类纤维进入后续工序时, 易造成缠辊等生产事故和纤维质量强度不足、粉尘较多等质量问题。凝固浴浓度越低则浓度差越大, 双扩散进行的速度变快, 原液细流的表面形态改变较快, 形成一种缺乏弹性而又脆硬的皮层, 阻止原液细流中心处双扩散的进行, 导致初生纤维皮芯结构不一, 有孔洞产生, 延伸性变差, 拉伸时易断裂产生毛丝, 在后续工序中丝束易被拉断造成缠辊等生产事故以及Na SCN清洗不完全, 丝束含Na SCN较高、延伸性较差、丝束泛白失透等质量问题。由此可见凝固浴浓度控制的稳定与否, 直接影响到湿法纺丝生产的平稳运行和最终产品质量的好坏, 所以稳定控制凝固浴浓度, 保持浓度差波动较小对腈纶湿法纺丝长周期运行具有重要意义。
凝固浴浓度控制的方法与优缺点
凝固浴浓度随着纺丝箱中双扩散的进行, 会不断的增高, 为保持凝固浴浓度的稳定, 需补加水或低浓度Na SCN溶液进行调节, 补加量的大小则根据检测浓度来确定, 最终使得进入纺丝箱系统的凝固浴浓度保持恒定。
检测凝固浴浓度并调节的方法有很多种, 安庆腈纶过往使用为手动密度检测再人工调整, 现在使用的是在线折光仪检测, 并自动跟踪调整。在过往使用的密度法中, 正常生产时, 操作人员每隔1~2h从纺丝箱中采2个样品, 再使用密度计检测样品密度, 因为是Na SCN水溶液浓度和密度在固定温度下成一定的关系, 所以通过密度比较, 确定浓度偏离情况, 再根据偏离情况进行手动调整稀Na SCN溶液补加量, 直至下次检测确定调整情况。这种控制方法存在很多弊端, 一、密度计检测密度因人工检测, 且不同人员观测量有一定的偏差, 所以精度不够高;二、手动控制调节阀大小来补加, 靠经验, 属于估计量, 不能及时精细的控制补加量;三、每隔1~2h采一次样进行检测, 不能及时反映补加效果, 同时操作人员工作量加大;四, 浓度与密度的关系受温度的影响, 若温度出现波动, 原有密度值不能准确描述当前温度下的浓度, 则调节不够准确。
现在使用折光仪浓度检测浓度并自动跟踪调整, 是通过专门的细管从凝固浴调整后的位置引一股细流经过折光仪, 通过折光仪的折光率检测流经的凝固浴浓度, 再通过自动跟踪浓度的自控阀自动调节稀料补加量, 确保凝固浴浓度稳定在设定值。折光仪浓度检测相对于手动密度检测有很多优势, 一, 随时检测浓度并通过自动跟踪的自控阀进行补加量调整, 保持浓度在设定值左右, 且精度较高;二, 浓度是通过折光率进行换算, 且折光仪自带温度参数补偿, 所以浓度检测的精确度受温度影响较小;三, 能及时反映浓度变化情况, 可以通过DCS系统检查浓度变化趋势, 便于生产事故影响因素的分析;四, 不需要手动检测, 降低操作人员的工作量。折光仪检测浓度有很大优势, 但也有相应缺陷:一, 凝固浴中有部分杂质, 可能附着于镜片表面, 影响检测结果;二, 折光仪如果损坏, 不易被及时发现。针对这些缺陷, 安庆石化采取定期检查校正折光仪的办法, 及时更换折光仪内去除杂质的刷片, 且定期对浓度检测的准确性进行化验校正。
两种控制方法的生产数据对比
图1和图2分别是在安庆石化腈纶实际生产中, 手动密度检测控制 (2013年) 和在线折光仪检测控制 (2015年) 时的化验浓度。
通过两组图表对比可以发现, 使用折光仪检测控制浓度时, 凝固浴浓度波动明显更小, 且波动时调整更迅速, 这有利于纺丝成形的稳定, 长周期连续生产以及纤维质量更易控制。
2013年凝固浴浓度是通过手动密度检测控制, 在这一年内, 纺丝共发生1次因凝固浴浓度控制失控引起的较大生产波动, 和多次小的浓度波动, 造成6条生产线不稳, 出现大范围缠辊事故甚至部分生产线停车事故, 且事故时间段内的丝束强度等多项质量指标不合格等质量问题, 造成较大损失。2015年凝固浴浓度是通过在线折光仪检测控制, 全年内, 未发生任何1次凝固浴浓度严重失控现象。
结语
浓度控制 篇5
[教学目标]
1、初步了解物质的量浓度的概念、单位及计算公式。
2、掌握物质的量浓度的计算。
3、初步学会配制一定物质的量浓度的溶液的操作技能，在溶液配制的演示过程中培养学生观察、分析、推理等能力。
4、掌握溶液的稀释公式及其计算。
[重点和难点]
1、重点：溶液配制过程及稀释公式的掌握。
2、难点：稀释公式的运用。
[教学过程]
一、导入
前两节课我们已经学习了物质的量浓度的概念及其计算，那么如何把这些理论知识运用到实践中呢？在初中时我们已经学过了怎样配制一定的质量百分比浓度的溶液，那么如何来配制一定物质的量浓度的溶液呢？这就是这节课要解决的问题。
二、设问
初中时配制一定的质量百分比浓度的溶液时我们用的是什么仪器？（烧杯等）那么配制一定的物质的量浓度的溶液时还是用烧杯吗？（不）为什么呢？（板书）物质的量浓度=溶质的物质的量/溶液的体积（解释）体积不能叠加，即使知道了溶质的体积，怎么才能计算中溶剂的体积呢，没有办法计算，那么是不是能引入一种新的仪器能够固定溶液的体积呢？
三、容量瓶的引入和介绍（仪器设计）
（A）（B）（D）（C）
以上的四种仪器你认为哪一种最合适呢？（讨论）（D）因为“脖子”细而长，提高精确性。（板书）
三、配制一定的物质的量浓度的溶液
1、仪器：容量瓶
(1)固定的体积，且只有定值(50ml，100ml，250ml、500ml)(2)温度(20℃)(说明在这个温度下使用是最佳的)(3)只有一根刻度线(说明只能配制固定体积的溶液，不能配制99ml之类的。可能不同的瓶子刻度线有高低，那是生产批次的不同罢了。)(4)有一个塞子，且用绳子钓着，说明每个都有自己的原配(每次用前要检漏)[演示检漏过程]
四、实验过程的讲解及演示(板书)
2、步骤
例1：配制0.1mol/l 250ml的Na2CO3溶液
(1)计算：m(Na2CO3)=CVM=0.1*0.25*106=2.65g(2)称量(称取或量取)：(固体用天平称取，液体用量筒量取。用天平时要用称量纸，不用砝码，只用游码，药品取完瓶盖要及时盖紧。)(3)溶解：(小烧杯中溶解，加水30、40ml差不多，玻璃棒搅拌，溶解度小的就再加)(4)转移：玻棒引流
(5)洗涤(2-3次)：洗涤液移入容量瓶
(6)定容：a、直接注入蒸馏水至刻度线下2-3cm
b、改用胶头滴管加至刻度
盖盖子定容结束
(7)摇匀：(手托肚子，手心顶塞子，托住脖子，来回晃)凹液面最低处与刻
3例2：配制1mol/l250ml的盐酸溶液(用ρ=1.19 g/cm,36.5%的浓度相切 盐酸来配)原理：溶质的物质的量不变
n(浓溶液中溶质)=n’(稀溶液中溶质)c(浓)V(浓)=c’(稀)V’(稀)c(浓)=1000ρa%/M=1000*1.19*36.5%/36.5=11.9 mol/l 11.9* V(浓)=1*0.25
V(浓)=21.0ml 用量筒量取21.0 ml的浓盐酸溶液，后面的步骤和固体溶质配制是一样的。(强调稀释公式，具体的运用和计算下节课再讲)
五、实验过程的强调
本实验是高中要求的实验内容，会考的内容，每个细节都要注意，带领学生回忆刚刚的实验过程，自己总结注意点。
六、作业布置 书上的课后练习
溶液中粒子浓度大小比较 篇6
一、解题策略
解答粒子浓度大小比较问题的基本思路是：判断溶质(看溶液是单一溶质还是多种溶质)→确定反应(多种溶质之间是否有化学反应发生，若反应，是恰好反应还是过量反应；恰好反应则得单一溶质，过量反应则得混合溶液，溶质有两种以上)→找出组成(溶液中最后实际存在哪些物质，包括水)→寻找依据(组成溶液的物质是发生电离还是发生水解，哪个为主导，并写出平衡反应式)→比较大小(一是依据题设数据确定有关粒子浓度的大小，一般地，体积翻倍时，粒子浓度减半；二是通过几种守恒关系式找到有关粒子间等式或不等式关系；三是依据电离理论或水解理论及相对程度比较有关粒子浓度的大小；四是依据溶液的性质比较c(H+)和c(OH–)的大小)→整合统筹(将分阶段比较的内容综合起来，得到与题目要求一致的结论)。
常用方法：若是填空题，则按上述思路逐步解析(整体思维法)，不要遗漏有关粒子；若是选择题，则可以采用排除法、守恒法、关键性粒子定位法、代换法、讨论法等判断各选项的正误，以确定符合题意的选项。
二、主要规律
⑴ 多元弱酸溶液：弱电解质的电离是微弱的，电离产生的离子都较少；同时，多元弱酸的电离是分步进行的，以第一步电离为主。如在H2CO3溶液中：
c(H2CO3)＞c(H+)＞c(HCO3–)＞c(CO32–)。
⑵ 多元弱酸的正盐溶液：先是根据正盐(强电解质)的完全电离，确定组成正盐的离子浓度的相对大小；再考虑多元弱酸根离子的分步水解，其中以第一步水解为主。如在Na2CO3溶液中：c(Na+)＞c(CO32–)＞c(OH–)＞c(HCO3–)＞c(H2CO3)。
⑶ 多元弱酸的酸式盐溶液：先是根据酸式盐(强电解质)的完全电离，确定组成酸式盐的离子浓度的相对大小；再考虑多元弱酸酸式根离子的电离程度与水解程度的相对大小，如HCO3–、HS–、HPO42–等以水解为主，而HSO3–、H2PO4–等以电离为主。如在NaHCO3溶液中：c(Na+)＞c(HCO3–)＞c(OH–)＞c(H+)，而在NaHSO3溶液中：c(Na+)＞c(HSO3–)＞c(H+)＞c(OH–)。
⑷ 不同溶液中同一种离子浓度的比较：先看各溶质(强电解质)电离出该离子的浓度大小，再考虑各溶液中其它离子对该离子水解的影响(抑制或促进)情况。如在相同物质的量浓度的下列溶液中：
a． NH4Cl，b． CH3COONH4，c． NH4HSO4，d． (NH4)2SO4，c(NH4+)由大到小的顺序是d＞c＞a＞b。
⑸ 混合溶液中各离子浓度大小的比较：应根据弱酸或弱碱的电离程度与弱酸或弱碱对应的弱离子的水解程度的相对大小判断解析，可只考虑相对程度大一些的，忽略相对程度小一些的。 一般地，物质的量浓度为1∶1的CH3COOH与CH3COONa的混合溶液呈酸性(弱酸的电离程度大)，NH3·H2O与NH4Cl的混合溶液呈碱性(弱碱的电离程度大)；而HCN与NaCN、HClO与NaClO的混合溶液均呈碱性(特例，NaCN、NaClO的水解程度大)。如等物质的量浓度的NH3·H2O与NH4Cl的混合溶液中，c(NH4+)＞c(Cl–)＞c(OH–)＞c(H+)；而0.1 mol/L的NaCN与0.1 mol/L的HCN混合溶液中，
c(Na+)＞c(CN–)＞c(OH–)＞c(H+)。
⑹ 电解质溶液中的等量关系：
①电荷守恒式：电解质溶液中，阳离子所带的电荷总数与阴离子所带的电荷总数相等，溶液呈电中性。如在NaHCO3溶液中：c(Na+)+c(H+)=c(HCO3–)+c(OH–)+2c(CO32–)。
②物料守恒式：由于电离或水解原因，组成电解质的离子在溶液中会发生变化，生成其它离子或分子，但离子或分子中某种特定元素的原子或原子团的总量不会发生变化。如在Na2CO3溶液中：c(Na+)=
2c(CO32–)+2c(HCO3–)+2c(H2CO3)。
③质子守恒式：电解质溶液中的分子或离子得到质子(H+)的总量与失去质子(H+)的总量相等，它可以通过电荷守恒式和物料守恒式加减得到。如在NaHCO3溶液中：c(H3O+)+c(H2CO3)=c(OH–)+c(CO32–)或
c(H+)+c(H2CO3)=c(OH–)+c(CO32–)；在K2S溶液中：c(OH–)=c(H+)+c(HS–)+2c(H2S)。
④若题目给出某物质或某微粒的浓度、溶液的pH时，列出的等式关系中还可能出现常数项。如物质的量浓度都是0.1mol/L的某弱酸HX溶液与NaX溶液等体积混合，混合溶液中存在c(HX)+c(X–)=0.1mol/L。常温下，pH=9的NaHCO3溶液中：c(H2CO3)－c(CO32–)=
c(OH–)－c(H+)=10–5mol/L－10–9mol/L =9.999×10–6 mol/L。
三、常见题型
⑴ 单一溶质型：主要是指电解质溶液中的溶质组分为弱酸、弱碱或能水解的盐(包括正盐、酸式盐、复盐等)几种类型。
【例1】莫尔盐[(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O]常作氧化还原滴定的基准物质，在1L 0.1mol/L的该盐溶液中，下列有关比较正确的是（）
A． c(NH4+)+c(NH3·H2O)=0.1mol/L
B． 2c(Fe2+)+c(NH4+)=2c(SO42–)
C． c(SO42–)＞c(NH4+)＞c(Fe2+)＞c(H+)＞c(OH–)
D． c(NH4+)∶c(Fe2+)∶c(SO42–)=2∶1∶2
解析：莫尔盐在溶液中的电离方程式为(NH4)2Fe(SO4)2=2NH4++Fe2++2SO42–，但NH4+、Fe2+均要水解，离子浓度会减小，故D项不正确；根据元素守恒可知，
c(NH4+)+c(NH3·H2O)=0.2mol/L，即A项不正确；由电荷守恒可知，2c(Fe2+)+c(NH4+)+c(H+)=2c(SO42–)+c(OH–)，即B项不正确；从莫尔盐组成情况看，其溶液中c(NH4+)＞
c(Fe2+)，且NH4+、Fe2+水解使溶液显酸性，故c(H+)＞c(OH–)，综合可知C项正确。答案为C。
⑵ 不同溶液中同种离子浓度比较型：比较同浓度的不同电解质溶液中的相同弱离子(弱酸根离子或弱碱阳离子)的浓度大小，一要注意其组成有无差异，二是考虑水解程度大小。
【例2】25℃时，在浓度均为1mol/L的(NH4)2SO4、(NH4)2CO3、(NH4)2Fe(SO4)2的溶液中，测得c(NH4+)分别为a、b、c(单位为mol/L)。下列判断准确的是（）
A． a=b=cB． a＞b＞cC． a＞c＞bD． c＞a＞b
解析：三种溶液中均存在水解平衡：NH4++H2O?葑NH3·H2O+H+，对于(NH4)2CO3，因为CO32–水解：CO32–+H2O?葑HCO3–+OH–，促进上述平衡向右移动，使溶液中c(NH4+)小于(NH4)2SO4中c(NH4+)；对于(NH4)2Fe(SO4)2，因为Fe2+水解：Fe2++2H2O?葑Fe(OH)2+2H+，c(H+)增大，抑制NH4+的水解，使溶液中c(NH4+)大于(NH4)2SO4中
nlc202309011127
c(NH4+)。故答案为D。
⑶ 多种溶质混合但不反应型：主要为弱酸与弱酸对应的酸根离子形成的盐的混合溶液或弱碱与弱碱对应的阳离子形成的盐的混合溶液。
【例3】某同学测得物质的量浓度均为0.01mol/L的CH3COOH和CH3COONa混合溶液呈酸性后，得出下列关系式，你认为其中不正确的是（）
A． c(CH3COO–)＞c(CH3COOH)
B． c(CH3COO–)＞c(Na+)＞c(H+)＞c(OH–)
C． c(Na+)=c(CH3COO–)=0.01mol/L
D． c(CH3COO–)+c(CH3COOH)=0.02mol/L
解析：根据题意“CH3COOH和CH3COONa混合溶液呈酸性”可知，CH3COOH的电离程度大于CH3COONa的水解程度，故有c(CH3COO–)＞c(CH3COOH)、c(CH3COO–)＞c(Na+)＞c(H+)＞c(OH–)，即A、B项均正确；c(CH3COO–)＞c(Na+)=0.01mol/L，即C项不正确；根据物料守恒规律可知，
c(CH3COO–)+c(CH3COOH)=0.02mol/L，即D项正确。故答案为C。
⑷ 化学反应型：包括酸碱反应型(分恰好中和、pH=7、反应过量等类型)、盐与酸或碱反应型、气体与碱或酸反应型等。这一类问题是学习中要研究的重点。
【例4】某酸性溶液中只有Na+、CH3COO–、H+、OH–四种离子。则下列描述正确的是（）
A． 该溶液由等物质的量浓度、等体积的NaOH溶液和CH3COOH溶液混合而成
B． 该溶液由pH=3的CH3COOH溶液与pH=11的NaOH溶液等体积混合而成
C． 加入适量的NaOH，溶液中离子浓度为
c(CH3COO–)＞c(Na+)＞c(OH–)＞c(H+)
D． 加入适量氨水，c(CH3COO–)一定大于c(Na+)、c(NH4+)之和
解析：A项所得的溶液为CH3COONa，溶液呈碱性，不符合题意；B项，CH3COOH为弱电解质，c(CH3COOH)＞10–3 mol/L，而c(NaOH)=10–3 mol/L，二者等体积混合后，混合液中CH3COOH过量，溶液显酸性，符合题意；C项不符合电荷守恒规则；D项，根据电荷守恒式c(H+)+c(Na+)+c(NH4+)=c(OH–)+c(CH3COO–)，只有c(H+)＞c(OH–)时，才会有c(CH3COO–) ＞c(Na+)+c(NH4+)，而加入氨水后溶液不一定是c(H+)＞c(OH–)情况。答案为B。
⑸ 综合性题型：此类问题一般涉及以上类型中的多种情况，解题时，可以将每个子项分别独立看待，最后再进行整合，作出正确判断。
【例5】下列关于溶液中离子浓度的叙述一定正确的是（）
A． 将相同浓度的NaCl和HCl溶液蒸发浓缩，其浓度增大
B． pH=3的一元酸HX和pH=11的NaOH溶液等体积混合：c(Na+)=c(X–)＞c(H+)=c(OH–)
C． 将等体积、等物质的量浓度的CH3COOH与CH3COOK混合：2c(K+)=c(CH3COO–)+ c(CH3COOH)
D． pH相同的CH3COONa溶液、C6H5ONa溶液、Na2CO3溶液中：c(CH3COO–)＞c(CO32–)＞c(C6H5O–)
解析：A项中HCl浓度会减小，因为HCl具有挥发性。B项中没有指明HX是强酸还是弱酸，需要讨论：HX是强酸时，上述关系成立；若HX是弱酸，溶液中各离子浓度大小关系为c(X–)＞c(Na+)＞c(H+)＞c(OH–)。C项中的等式符合物料守恒关系。D项中应是c(C6H5O–)＞c(CO32–)。答案为C。
以上从多个方面对离子浓度大小比较问题进行了探讨，但常见题型中的实例因篇幅限制，列举不够，同学们还要自己总结，以全面掌握有关内容。
（作者单位：湖北枝江一中）
责任编校 李平安
浓度控制 篇7
目前现有的呼出气体酒精浓度检测仪的检测精度虽然能达到要求, 但是检测的时间严重偏长, 不适合短时间内有大量人员通过的场合。为了解决这个问题设计了本套系统。
1 系统的构成
系统的组成结构如图1所示, 大体分为酒精浓度检测部分 (酒精检测电路和处理器系统组成) 、检测语音报警部分和三棍闸通道控制部分, 这三个部分协同工作完成了本套系统。
2 酒精浓度检测系统的实现
为了解决现有的酒精传感器恢复时间较长的问题, 本系统提出了采用斜率计算的方法。
(1) 酒精传感器的选用
酒精传感器作为本系统中最重要的传感元件, 它的灵敏度的高低直接决定了整套系统的灵敏度。经过对多个厂家生产的酒精传感器的对比实验, 费加罗生产的TGS822酒精传感器具有较高的灵敏度。
费加罗气体传感器的气敏素子, 使用在清洁空气中电导率低的二氧化锡 (SnO2) 。当存在检知对象气体时, 传感器的电导率随空气中气体浓度增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
TGS822 传感器对酒精、有机溶剂的灵敏度较高, 在酒精检测器等方面得到广泛应用。
图2是典型的灵敏度特性, 全部是在标准试验条件下得出的结果。
纵坐标以传感器电阻比 (Rs/Ro) 表示, Rs, Ro 的定义如下:
Rs=同浓度气体中的电阻值
Ro=300 ppm 乙醇中的电阻值
(2) 基本测试回路
此传感器的测试回路如图3所示, 由图可知传感器需要施加 2 个电压:加热器电压 (VH) 和回路电压 (VC) 。这个VH用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度而施加在集成的加热器上。VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻 (RL) 上的两端电压 (VRL) 。这种传感器具有极性, 所以VC需用直流电源。只要能满足传感器的电性要求, VC和VH可以共用同一个电源电路。为了将判定值水平最佳化, 并使敏感素子的功耗 (PS ) 低于15 mW 的限度值, 需要选择RL的值。
(3) 理论基础
由气体浓度—传感器电阻比图可知气体的浓度和传感器的电阻基本成线性关系。从基本的测试回路图及传感器电阻的计算公式可以得出测试电路的输出电压与气体浓度基本呈现正比例关系。假设传感器的响应时间是一个定值, 那么气体的浓度越高则输出电压的斜率越高, 根据斜率则可推算出气体的浓度。
气体的浓度属于叠加的关系, 当连续两个饮酒人进行测试时, 第一个人测试时在传感器周围残留了一些酒精蒸汽, 系统根据其斜率计算出第一个人的酒精浓度, 当第二个人测试时, 由于已存在酒精蒸汽, 所以浓度应进行叠加, 但是浓度的增加速度即输出电压的斜率不受原来酒精蒸汽的影响, 所以在第二个人测试时仍可按照输出电压的斜率来计算, 这样就不必等待传感器恢复, 节省了等待时间, 这也是本设计的理论基础。
3 实际应用的组成结构
(1) 系统组成框图:图4为本设计的实际组成图, 传感器把空气中酒精浓度的值转换为相应的电信号, 经过整形滤波电路后送到微处理器的AD采样端进行电信号的数字化, 微处理器根据数字化后的结果进行斜率的计算及分析处理, 然后依据处理结果控制语音报警和通道的开关。
(2) 测试回路采用基本测试回路即可。
(3) 处理器根据要求采用Atmel的mega系列芯片mega88。
mega88是美国Atmel公司推出的高性能低功耗的avr处理器, 它内部集成了8 kB的FLASH, 8路10位ADC, 最高分辨率时采样率高达15 kSPS, 当工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS, 完全可以适合传感器AD采样计算的需求。mega88具有多种接口电路:IIC, SPI, UART, 以及最多23个可编程的I/O口, 可实现和外部电路的多种通讯接口。mega88支持ISP功能, 在程序设计、调试时可以很方便地对器件进行在线编程、修改。基于以上特点本设计选择mega88为主控芯片。
(4) 语音报警系统采用科大讯飞出品的高端语音合成芯片XF-S4040。XF-S4040是科大讯飞公司推出的一款中高端的语音合成芯片, 可通过异步串口、I2C接口接收任意文本, 并将文本转化为语音输出, 支持六种发音风格, 软件可调节语速、语调, 支持文本控制标记, 提升文本处理的正确率, 该芯片极小的尺寸可以方便地集成到需要语音合成功能的嵌入式设备中, 为其添加人性化的语音功能, 为用户提供了一套高性价比的语音解决方案。
功能特点:
◆ 可合成任意的中文文本, 支持英文字母的合成;
◆ 支持GB18030、BIG5、UNICODE、UTF-8 四种内码格式的文本;
◆ 提供六种发音人:女声 (两种) 、男声 (两种) 、童声、卡通音色;
◆ 可正确的识别和处理数值、号码、时间、日期及一些常用的度量衡符号;
◆ 支持多种控制命令, 包括:合成、停止、暂停合成、继续合成等;
◆ 集成提示音效, 针对某些行业领域的常见语音提示音;
◆ 支持多种文本控制标记, 提升文本处理的正确率;
◆ 支持休眠功能, 在休眠状态下可降低功耗;
◆ 支持UART、I2C 两种数据通讯接口;
◆ Line out 音频输出;
基于以上特点及本设计的需求选用此芯片。
(5) 三棍闸控制系统采用市面上出售的全自动三棍闸系统即可。
4 软件设计
在软件的设计中主要使用到了单片机的定时AD转换资源, 根据前文所述我们需要计算电压变换的斜率即电压在一定时间内的变化范围, 使用定时AD转换功能可轻易的实现这一需求。
软件设计中单片机不停的在做定时的AD转换, 在转换结束中断中进行滤波、比较, 两次的AD测量值的差值既是电压的变化率, 也就是我们所需要的斜率值。根据斜率可以计算出酒精的浓度, 按照浓度高低控制语音系统报警和三棍闸系统的转动, 实现对饮酒者的通行控制。
图5为AD转换中断的软件流程图, 在主程序中只要根据此中断中设置的标志位即可做出相应的操作, 比如语音播放的控制, 三棍闸的开关等。
5 总结应用
本系统针对现有酒精传感器的恢复时间较长的问题, 通过斜率的计算成功地实现了快速酒精检测, 缩短了检测间隔, 大大提升了酒精检测的效率, 显著地提高了受检人员的通行速度。
当工作环境的温度和湿度变化较大时可根据温度、湿度影响的典型曲线图, 通过测量环境的温度、湿度对测量结果进行校正, 以提高检测的准确度。
本系统在各煤矿的实际应用中工作可靠, 各项性能稳定, 通行速度较快, 受到了客户的好评。
摘要：针对现有酒精传感器的恢复时间较长的问题, 提出了利用斜率计算来检测呼出气体酒精浓度的方法。这种方法有效地缩短了传感器的恢复时间, 为快速的通道控制提供了可能。呼出气体酒精浓度测试仪配接三棍闸通道控制系统实现了对饮酒者的通行控制。该套系统可广泛应用于对饮酒者有限制的各种场合。
关键词：酒精传感器,斜率计算,三棍闸,通道控制
参考文献
[1] ATmega48_88_168 Data Sheet[S].ATMEL, 2005.
浓度控制 篇8
在纺织行业中, 丝光工艺十分重要, 它能够改变织物的表面光泽、弹力, 提高染料吸收率和尺寸稳定等特性。丝光工艺条件不同所获得的丝光效果是不一致的, 影响丝光效果的因素很多, 主要是烧碱的浓度、温度、作用时间、丝光时的张力和丝光后去碱等。以往进行碱液浓度的监控主要是靠人工来进行, 根据生产需求采用不同量程的玻璃波美比重计来监测碱液浓度。人工来调节, 有诸多的不便和目测有较大的偏差, 导致丝光效果不够稳定的现象;市场还有采用碱液pH值采样, 运用单片机控制来实现碱液浓度的方法, 但碱液浓度是60～70g/L时, 已达到了碱液的饱和状态, 无法直接用pH计测量, 就必须抽取小量的碱液和大量的水混合并搅拌后, 用pH复合电极来测量pH值, 然后才能控制, 其中存在一段等待时间, 无法做到连续检测恒定控制的目的。现根据烧碱溶液波美值与碱液密度的对应关系设计出波美连续检测装置。
1 系统的设计及其原理
碱液波美浓度控制系统是用于碱液波美浓度在线监测控制的实时监控系统。系统运行后连续不断地在线测量溶液的浓度, 从而获得碱溶液在循环过程中的动态浓度波美值。通过控制外部电磁阀门、烧碱循环泵等一些设备来向溶液中补充水或浓碱来达到设定碱溶液浓度的目的。系统有多路检测信号输入模块, 通过设置信号功能, 实现对碱槽液位、波美浓度的测量。系统的控制信号输出接口, 能控制电磁阀门、循环泵等设备, 能根据系统设置的参数实时控制生产过程中碱溶液的波美值。同时还能显示系统运行状态信息。该系统在印染行业丝光工艺中实现对烧碱溶液波美浓度的在线监测和控制。丝光机运行时根据要求由水冷机组将碱槽的碱液温度通过循环冷却控制在15℃。碱液在循环泵的作用下通过管道不断循环, 以达到碱槽内溶液浓度均匀。在系统控制下, V1气动阀打开, 烧碱溶液通过波美检测装置并溢流回烧碱槽, 烧碱通过循环泵连续不断地进入波美检测装置, 由P1压力检测装置检出信号进入系统演算得到波美值。系统内实际波美值同操作人员的设定值进行比较, 做PID演算, 控制烧碱阀V3的开合来补充烧碱, 以达到实际值同设定值一致, 误差控制在±0.5°Be′之内。同时P2压力检测装置检出信号进入系统演算得到碱槽液位高度, 系统内实际液位同操作人员的设定值进行比较, 做PID演算, 控制水阀V4的开合来补充水, 以达到实际值同设定值一致, 液位误差控制在±1cm。为达到波美检测值稳定, 通过手动阀V5调节碱液进入波美检测装置的的流量, 以碱液平稳溢流回到丝光碱槽为佳。
碱液波美浓度控制系统设计中使用的器件及检测标定仪器如表1所示。
丝光碱液波美浓度控制系统示意图和结构图分别如图1、图2所示。
V1-V5电磁阀门;P1波美变送器;P2碱槽液位变送器;P烧碱循环泵;1-丝光碱槽;2-波美检测器;3-浓碱桶;4-水冷机组;5-A/D转换模块;6-PLC;7-触摸屏
2 硬件设计
硬件设计如图3所示。
根据控制工艺的要求、综合输入输出点以及价位可靠性, 选择三菱的FX2N-16MR的16点PLC。该机8点输入, 8点输出, 存储容量为8000步, 体积小, 功能强大。A/D转换模块选择FX2N-2AD, 使用直流电流4-20ma模拟信号, 输入分辨率可以达到4微安, 触摸屏选用HITECH的PWS6600-P系列, 和三菱的FX系列PLC完全兼容, PLC和触摸屏之间利用RS422接口通讯。为保证波美同液位信号的稳定性和抗干扰性, 波美压力变送器和碱槽液位变送器选用德国进口Noding二线制电流输出变送器。
运行过程中波美P1和液位P2信号通过A/D模块读入, 经过A/D转换后进入可编程控制器进行处理, 处理完以后来控制外部设备并在触摸屏上显示波美同液位实际值, 从而达到系统设计要求。
3 系统软件设计
FX2N-16MR采用三菱GX Developer 8.0软件进行编程, 可以用梯形图或语句表进行编程。编译完成后, 可用专用通讯电缆下载到PLC中。程序主要由主程序、子程序和中断程序3部分组成, 主程序主要用于系统的操作和波美、液位参数的控制等, 并实现子程序的调用。子程序和中断程序主要用来实现波美、液位信号的采集, 并将数据存储到特定的单元中, 由中断程序去执行系统各部分的控制。碱浓度数据和液位高度数据各采样4次就产生中断, 然后采用加权平均的办法进行计算。采样得到的实际值与操作人员的设定值进行比较, 然后通过PID演算, 输出信号去控制添加浓碱或水的阀门。
触摸屏PWS6600-P采用HITECH的HITECH_ADP v6.5.0版本软件来进行编程, 该软件提供了多种控制器件库、图形控件和功能控件, 可以组态出各种显示和控制功能, 以及实现故障的可视化。利用人机界面, 可以读写PLC中的数据, 控制辅助继电器的开和关, 实时显示PLC存储单元的数据。触摸屏本身可以进行数据计算, 共同来完成对PLC的监控。为了控制用户的权限, 可以为不同的用户设置不同的密码, 防止非法操作, 保证系统和生产的安全。触摸屏软件的设计包括创建画面和信息, 并将它们与PLC程序和存储单元相连接。
具体步骤可以分为以下几步:
第一步, 可视化界面的设计。界面分为主截面和子界面。当触发条件满足时, 主界面可以调用子界面, 例如报警界面显示等。在主界面中, 用绘图工具绘制简图, 并加以动画显示, 使系统具有良好的人机界面, 也可以触摸控件来调用系统控制界面、波美浓度显示、液位显示以及参数设置界面, 还可以放置多种控件。控件可以对触摸屏存储器中的数据进行操作, 也可以对PLC中的输入、输出点和存储单元进行操作, 实现触摸屏控件对PLC控制以及参数的输入、PLC当前过程值及报警信号向触摸屏的输出。
第二步, 系统仿真。HITECH_ADP v6.5.0软件具有系统仿真功能, 软件设计完成后, 可以进行系统仿真, 在线显示存储单元数据和继电器的状态。进行系统仿真, 提高了系统的可靠性, 缩短了现场调试周期。
第三步, 设置通讯参数, 把软件下载到触摸屏, 并实现触摸屏和PLC的通讯。设置PLC和触摸屏的通讯参数完全一致, 通过专用电缆把程序下载到触摸屏中, 然后用专用电缆把PLC和触摸屏连接起来, 进行系统在线调试, 不断进行改进调试达到现场操作使用工艺的要求。
触摸屏主界面如图4所示。
4 波美检测器的标定
实际丝光工艺生产过程中15℃条件下0～50°Be′对应的密度为1.007～1.530, 利用压差之间的线形关系, 将测得的压力模拟量通过A/D转换成数字量并演算成对应的波美值, 并用标准波美计进行校正。如图5波美检测器的设计, 碱溶液进入波美检测器后始终只能保持垂直高度为1000mm, 然后溢流回丝光碱槽。若溶液为标准水, 密度为1.000, 水在检测器中的垂直高度为1000mm, 对压力变送器产生对应的压力为10kPa, 50°Be′的碱溶液密度为1.530, 溶液1000mm垂直高度产生的压力为15.3kPa, 所以我们以高度为1000mm的前提下, 选取检测压力范围为0～20kPa的进口压力变送器, 来检测最大浓度为50°Be′范围内的溶液。而实际丝光生产中半丝光碱液波美度为15Be', 全丝光30Be′居多, 都在检测范围之内。实际波美度标定过程中先注入纯净水到溢流面高度, 此时压力为10kPa, 密度为1.000, D/A转换后PLC内存值为2000左右, 对应波美度为0Be′, 设为零点。而后调节标准溶液为5Be′, 10Be′, 15Be′, 20Be′, 25Be′, 30Be′, 35Be′, 40Be′的标准溶液进行触模屏波美度显示值的校正, 针对相应波美度溶液D/A转换后的PLC内存值减去2000然后进行复数运算, 得到一个系数值, 此系数值为波美度校正值。这样整个波美浓度检测就校正好了, 可以开始对被测溶液进行测定和控制。
5 使用效果及分析
系统标定完毕后投入实际生产, 工厂实际丝光工艺生产过程在15℃条件下进行, 针对以往使用目测方法、碱液稀释采样pH值换算系统作了一个准确度对比, 如表2所示。
从表2可以看出, 波美比重检测控制系统达到生产设计使用标准, 控制远低于要求误差±0.5°Be′, 并且在各个测试点的误差较均匀, 对生产控制的稳定性有极大帮助。而目测及稀释采样pH值换算方法误差较大, 并随着浓度的增加误差变得越来越大, 未能达到生产工艺要求控制的误差范围。
6 结语
介绍丝光工艺的流程, 丝光机的碱液波美浓度比重的电气控制方法, 以及可编程控制器和触摸屏在控制系统中的应用, 并介绍了可编程控制器编程和触摸屏的组态, 提出了控制碱液波美浓度的方法来达到对织物的优化。该系统已经通过实际检测并达到了实时连续检测控制的目的。本系统已经运用到实际生产中, 稳定可靠, 操作简单, 取代了以往的目测比重计或检测pH值换算的的方法, 极大地降低了与生产设定值的误差, 并实现了在线连续监控的自动工作模式, 降低了工人作业的劳动强度, 并提高了产品的合格率和生产效率。同时应用PLC和触摸屏, 采用模块组装方式, 提高了系统的高可靠性和可替代性。
参考文献
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浓度控制 篇9
1 APMP制浆工艺的优点
(1) 磨浆得率高, 可达到90%以上, 可节省木材用量;
(2) 制浆和漂白同时进行, 流程和设备相对简化;
(3) 磨浆产生的蒸汽可以回收利用;
(4) 生产用水可循环使用, 废水中不含硫化物和氯化物, 污染负荷比较低;
(5) 浆的强度高, 松厚度好;
(6) 适用的原料较为广泛。
与APMP工艺比, P-RCAPMP还有以下优点:
光散射系数较好, 可漂性较好, 易洗涤, 能耗低, 得率较高, 污染负荷较低。P-RC工艺解决了APMP工艺加药点固定, 调节不灵活, 预处理效果差, 致使浆料质量如游离度、白度、松厚度、光散射系数不易控制的难题。操作方便、工艺控制稳定、磨浆能耗和化学品用量进一步降低, 能满足生产多种纸产品的要求。
2 纸浆浓度控制工艺
P-RC APMP工艺流程采用2段磨浆 (高浓磨浆和低浓磨浆组合) 。第一段为高浓磨浆 (35%) , 其目的在于分离纤维, 减少纤维的切断;第二段为低浓磨浆 (4%) , 主要在于提高浆料的强度和控制游离度, 对任何一种化机浆工艺而言, 浆料质量主要由3个因素决定:化学处理 (木片预处理和漂白) 程度和耗用的磨浆能量, 另外加上浓度, 通过调节这3个因素可以大幅度地改变浆料质量。下面我简单介绍一下抄浆前段工艺流程:
储浆池中的浆料由泵送至打浆设备, 白水进水口置于提浆泵的前端, 以便于用泵的抽力将白水带走, 并易于白水和纸浆混合。应注意在安装时将白水管深入到浆管中部, 并且要出口向前, 这是由于白水管插到浆管中部, 水的扩散作用在各方向相同, 若侧装, 远处不易混合, 造成浆的浓度不均匀。控制系统可以用单回路PID满足基本控制要求, 浓度控制工艺见图1。值得注意的是, 在停止打浆的情况下, 一定要将白水阀关闭, 否则白水会灌入成浆池, 稀释成浆, 调节压榨机压榨辊的间距可调节纸浆含水量, 从而获得所需的纸浆 (含水约为90%~95%) 。
3 纸浆浓度PID自动控制系统
目前在造纸行业中普遍采用传统PID算法, 传统PID算法虽然具有结构简单、实现方便、适应性强等特点, 但在实际运行过程中不能满足实际生产的要求, 其主要表现在:1) 在纸浆浓度调节中, 由于电动执行器属于惯性环节, 采用传统PID调节必产生严重的滞后效应, 很难使系统取得良好的控制效果;2) 由于过程参教在生产过程中变化很大, 加之设备的老化和来自其它方面的干扰, 因此, 一般的固定参数控制器无法适应这些变化, 不能始终保持最优运行, 有时甚至出现稳定性问题。间单地说, 也就是调节缓慢、抗干扰能力弱、稳定性差等。在上述基础上, 提出了专家PID控制改进方案。
3.1 纸浆浓度控制系统的工作原理
纸浆浓度自动控制系统组成如图2所示。纸浆浓度变送器把浆管内流动的浆料的浓度转换成4~20 m A电流信号送入浓度控制器。经过A/D转换成浓度数值信号送显示器, 并将此浓度值与用户设定值比较, 控制器按两者差值调节电动阀的开度, 从而调节进入浆泵的稀释水量, 使输浆管内的浆料浓度发生变化, 这时浓度变送器将检测到新的浓度。重复上述过程, 使浆料浓度逐渐接近用户设定的浓度值, 最终得到浓度稳定的浆料。 (因为是用稀释手段调节浓度, 在使用中请务必保证浆料浓度高于设定浓度。)
3.2 PID控制器的设计
PID控制器选用自整定, 选用自整定PID是基于下面几点考虑:1) PID控制器能够基本满足性能要求, 鲁棒性强, 在本系统的参数变化范围内能保证稳定性。2) PID控制器是工程技术人员所熟悉的, 易于使用。3) 经过改进, PID控制器能达到很好的性能指标。
本设计对PID控制器的改进是引入智能自整定技术。通过引入智能自整定技术, 可以实现:1) 在系统初始投入时, 自动自主整定参数, 省去人工系统测试, 计算和设定等繁琐工作;2) 在系统参数出现随机变化时, 自动自主整定参数, 使系统保持较高的性能指标;3) 在纸机变化生产品种时, 自动自主整定参数, 使系统适应变化的参数, 省去人工干预。这样整个系统就是一个完全自主的, 并且时刻保持高性能指标的“开机即用”系统, 这样对于广泛应用非常有利。
实现智能自整定要解决的问题:1) 参数自整定。包括对象特性自测试和参数计算。2) 系统运行性能自主评价。即系统运行中, 按给定的算法计算系统性能指标, 并且与规定的指标临界值比较, 如果系统性能指标超过规定的指标临界值, 则进行参数自整定。在确定参数自整定方法和系统运行性能自主评价方法时, 还要考虑到系统基于的微处理器系统的计算和存储能力的限制。
3.3 专家PID控制
专家系统是指将专家系统理论和技术同控制理论方法技术相结合, 在未知环境下, 仿效专家的智能, 实现对系统的控制。而专家PID控制是将专家控制原理与常规PID控制相结合, 可以相互取长补短, 进一步提高系统的控制性能。专家PID控制器原理框图如图3所示。
根据常规P1D控制的误差值e (k) 及其变化特征, 可设计专家PID控制规则, 该控制规则可分为如下6种情况:
(1) 当|Δe (k) |>Mm时, 说明误差的绝对值比较大。此时, 不论误差变化趋势如何, 都应考虑较强的控制作用, 即控制器的输出应按最大或最小方向输出, 以使误差尽快减小而达到迅速调整误差的目的。控制器输出可为u (k) =u (k-1) +k1kpe (k)
(2) 当e (k) Δe (k) >0时, 说明误差在朝误差绝对值增大方向变化。此时, 如果|e (k) |>Ms, 说明误差也较大, 可考虑由控制器实施较强的控制作用, 必达到扭转误差绝对值朝减小方向变化, 并迅速减小误差的绝对值, 控制器输出可为
此时, 如果|e (k) |
(3) 当e (k) Δe (k) <0, Δe (k) Δe (k-1) >0时, 说明误差的绝对值朝减小的方向变化, 此时, 比例作用应该同步减小;由于系统输出的变化率增大, 所以微分作用应该加强, 利用微分作用的超前特性而使控制器提前动作, 以抑制系统的超调;而为了尽快消除偏差, 应选用相对较大的积分作用。
(4) 当e (k) =0时, 说明系统已经达到平衡状态, 此时, 可考虑采取保持控制器输出不变。
3.4 仿真分析
下面以一个典型纸浆浓度控制系统的模型为控制对象进行研究:
带延迟的一阶模型:
使用MATLAB控制工具箱中的一些命令编制该控制对象的适应度函数, 以文件名PIDl保存。按照Zieglar—Nichols整定法, 可得到该PID控制器的优化参数Kd=4.74, Kp=6, Ki=1.91。可参照该结果取KP、Kd、Ki的范围均为[0, 40]。参数范围设定后, MATLAB调用MATLAB遗传算法工具箱中的遗传算法程序进行仿真, PID控制曲线如图4、图5所示。经过约220代次运算, 得到运行结果, 即Kd=14.32692, KP=10.58302, Ki=3.5283。
4 小结
采用专家P1D控制实现较为简单, 从图4和图5中可以看出。由纯滞后引起的控制品质下降得到了很好的抑制, 而且超调量和调节时间明显缩短。其控制效果优于常规PID控制, 有利于企业在节省生产成本的基础上提高纸张质量。
参考文献
[1]葛升民, 童树鸿, 周斌纸.浆浓度控制系统的设计[J].中国造纸, 2002, (3) :50-52.
浓度控制 篇10
果汁浓度的控制历来都是果汁生产行业的关键问题, 随着科学技术的发展、自动化程度的提高及PLC技术的出现, 浓度控制工艺已经实现了自动控制, 果汁浓度控制器的设计尤为重要。
设计出符合生产要求、经济环保、切实可行的控制方案并实施, 直至开车成功、正常生产是本设计的宗旨。核心是自动控制方案的设计与投运, 从而实现对SMPT-1000整套生产装置的综合控制[4]。通过对象特性分析, 明确控制任务和范围, 合理制定和选取被控变量、操作变量, 确定各变量之间的相关关系, 安全、平稳地生产出合格产品, 实现整个生产工艺的自动化。
1 SMPT-1000中蒸发器的工艺流程
SMPT-1000高级多功能过程与控制实训系统, 主要包括立体流程设备盘台、嵌入式工控机、IO接口及辅助操作台。蒸发器主要由加热室和蒸发室两部分组成, 蒸发器向液体提供蒸发所需热量, 使液体沸腾并汽化。加热室提供蒸发所需热量, 促进液体沸腾汽化, 使气液两相完全分离, 液体借助自身凝聚或除沫器等作用得以与蒸汽分离[5,6]。
SMPT-1000监控环境自动构建了与已有实验内容相关的全部流程图画面。流程图窗口显示了果汁生产线浓度控制工程实验中所涉及的工艺流程, 并能在运行时实时观察各个工艺变量的实时数据。
如图1所示, 过热蒸汽流量为FI1105, 过热蒸汽管道上设调节阀FV1105。经过换热后的过热蒸汽变为冷凝水排出。待浓缩的稀液由蒸发器上部进入蒸发器, 在与过热蒸汽换热后, 稀液中的水分变成二次蒸汽由蒸发器顶部排出, 浓缩液则由蒸发器底部排出。稀液流量为FI1201, 稀液流量管线设调节阀FV1201。浓缩液流量为FI1202, 浓缩液流量管线设调节阀FV1201。浓缩液流量为FI1202, 浓缩液流量管线设调节阀FV1202。二次蒸汽流量为FT1203, 二次蒸汽流量管线设调节阀FV1203。蒸发器压力为PI1201, 温度为TI1201, 液位为LI1201。
2控制方案设计
质量指标是产品质量的直接反映, 蒸发环节中, 浓缩液的组成部分无法在线直接检测量化与剖析研究, 所以无法直接选择浓度控制指标当做系统控制方案中的被控对象或是被控变量。液体浓缩组合物对蒸发器温度有直接影响, 并且是单值对应关系, 因此可选取蒸发器温度作为间接质量指标进行控制。浓缩液流量是产量指标, 为了确保产量, 应该进行自动控制, 而蒸发器内的温度与液位直接影响浓缩效果, 也应该进行自动控制。所以最后选定蒸发器温度和液位以及浓缩液出口流量为被控变量。
各被控变量之间的关系:液位高度LI1201增加, 冷料量增加, 同样的热量蒸发出的汽相组成减少, 蒸发器内压力PI1201或内部温度TI1201降低;温度TI1201增加, 蒸发量增加, 压力PI1201增加;压力PI1201增加, 水蒸气沸点升高, 温度TI1201上升文献[7-10];蒸发器压力PI1201上升, 蒸发器内部蒸发量增加, 稀液流量控制阀FV120的阀后压力增大, 稀液流量FI1201相应增大。
3实验结果及分析
04为该实验蒸发器的PMD流程图与趋势画面稳态工艺窗口, PMD流程图为实验操作员生动形象地反映出实验结果。根据PMD实时反映, 蒸发器内部液位高度已稳定在50%;稀液进料流量FI1201稳定在5.0000Kg/s, 控制阀FV1201开度为58.7089%, 蒸发器内部压力PI1201、内部温度也分别稳定在0.1165MPa和104.0152℃;过热蒸汽控制阀控制阀FV1105开度保持在19.9774%, 过热蒸汽流量FI1105稳定在0.0875Kg/s;浓缩液控制阀FV1202开度保持在58.4082%, 浓缩液流量FI1202稳定在5.0000Kg/s。
趋势画面在SMPTLAB运行时记录实时数据, 以X轴为时间轴, Y轴为数据轴绘出实际运行曲线, 每一条曲线都拥有各自独立的数据轴以及相应的坐标系。如图2所示, 红色曲线表示蒸发器内部压力TI1201趋势[13,14,15], 蓝色表示蒸发器液位高度LI1201趋势, 其他三个颜色分别表示稀液进料流量FI1201、浓缩液出料流量FI1202、过热蒸汽入口流量FI1105。
分析趋势画面, 蒸发器储物罐液位高度稳定值为50%, 峰值时间为80s, 调节时间为260s, 稳定时间300s, 超调量为7, 对超量的控制准确迅速。综合分析响应曲线各指标可知图2为较理想状态下储物罐液位变化趋势, 在峰值时间内液位高度迅速增高, 稳定时间基本跟随调节时间, 系统达到稳态的时间短, 曲线在300S之后一直保持稳定, 曲线平稳运行, 无波动且控制超调精准, 所以比例积分的协调控制作用恰到好处。此组PID参数整定合理, 控制效果较为理想。
4结语
本设计中, 控制方案的设计及其投运在SMPT-1000中成功实现, 控制方案的设计与PID参数整定为设计的核心工作。如果PID参数整定不准确, 就无法实现SMPT-1000中蒸发器中果汁浓度的控制。
蒸发器控制方案设计中, 液位高度控制器LIC1201和温度控制器TIC1201的控制要求比较高, 如果液位高度与温度的控制不正确, 蒸发器就不能正常工作, 无法实现果汁浓度的控制。
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