Ph水質(zhì)分析儀系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種PH水質(zhì)分析儀系統(tǒng)，其特征在于，由控制器模塊(1)、pH電極(2)、PH信號(hào)數(shù)據(jù)處理模塊(3)、溫度采集模塊(4)、電源模塊(5)、RS485通信模塊(6)、RS232通信模塊(7)、擴(kuò)展模塊(8)構(gòu)成；所述的PH水質(zhì)分析儀系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，依次包括初始化子程序、A/D轉(zhuǎn)換采樣子程序、控制算法子程序、通信子程序。本發(fā)明在PH信號(hào)處理電路中，采取一階低通濾波器電路，有效的濾除紋波，提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性；針對(duì)現(xiàn)有PH計(jì)，數(shù)據(jù)傳輸速度慢，本發(fā)明選用了意法半導(dǎo)體公司出品的STM32F103系列微處理器，32位數(shù)據(jù)串行處理，提高了數(shù)據(jù)處理的速度，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性傳輸。
【專利說(shuō)明】
PH水質(zhì)分析儀系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及PH水質(zhì)分析儀器的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種PH水質(zhì)分析儀系統(tǒng)及其控 制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 二次供水作為高層用戶供水的"最后一公里"，由于其管理主體不明確，甚至存在 無(wú)人管理的情況，很多管理單位難以保證二次供水設(shè)施的定期清洗消毒。此外，由于二次供 水設(shè)施本身的特點(diǎn)，如設(shè)施材質(zhì)、水的存放時(shí)間、外界環(huán)境條件和人為等多方面影響，極易 產(chǎn)生二次污染，影響供水范圍內(nèi)用水戶飲水安全。
[0003] 鑒于上述情況，我公司決定研發(fā)模塊化的二次供水水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器，根據(jù)不同的監(jiān) 測(cè)指標(biāo)，配置相應(yīng)的傳感器探頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)二次供水的水質(zhì)狀況。以加強(qiáng)城市供水安全，提 高二次供水水質(zhì)監(jiān)測(cè)能力。
[0004] 早在70-80年代，國(guó)外己經(jīng)對(duì)pH過(guò)程的控制問(wèn)題展開(kāi)研究，雖然對(duì)pH值的檢測(cè)與 控制并非一個(gè)新興課題，但要實(shí)現(xiàn)控制成本低，效果好卻絕非易事，究其原因，如前文所述， pH中和過(guò)程中pH值變化呈嚴(yán)重的非線性，這一嚴(yán)重的非線性給pH值的控制帶來(lái)很大的困 難。
[0005] 1973年Shinskey F.Gregg在曾在《Process Control Systems Application， Design，and Tuning》中簡(jiǎn)要闡述了工業(yè)過(guò)程中pH值控制方面的有關(guān)知識(shí)，并通過(guò)采用增益 自適應(yīng)的PID控制器來(lái)解決中和點(diǎn)附近高增益這個(gè)難題，取得了相對(duì)較滿意的結(jié)果；1983年 Gustafsson T.K.將非線性自適應(yīng)控制算法pH試用到pH反應(yīng)過(guò)程中，提出線性化擬合修正 的方法，將非線性控制器的設(shè)計(jì)加入pH值中和過(guò)程，該控制器通過(guò)采用間接參數(shù)估計(jì)與直 接估計(jì)的結(jié)構(gòu)來(lái)估計(jì)緩沖液的變化，但設(shè)計(jì)方法和算法都很復(fù)雜，可行性較差;此外，Lin J.Y提出了一套增益參數(shù)自整定的控制策略，通過(guò)對(duì)反應(yīng)物和緩沖劑濃度以及化學(xué)電離平 衡常數(shù)等未知參數(shù)的實(shí)時(shí)估算，并用一步超前控制律進(jìn)行了控制，仿真中該方法獲得了較 好的動(dòng)態(tài)性能，但是算法較為復(fù)雜，對(duì)控制要求較高，控制性能隨著中和曲線的變化而顯著 降低;Garcia和Morari等人在90年代提出非線性內(nèi)?？刂?，將非線性模型與內(nèi)?？刂平Y(jié)合 來(lái)解決pH過(guò)程問(wèn)題;Wi ttelunark等針對(duì)強(qiáng)酸強(qiáng)堿反應(yīng)過(guò)程設(shè)計(jì)了自適應(yīng)控制系統(tǒng);R. papa 與Hu X.對(duì)基于模型的控制器和無(wú)模型控制器在pH過(guò)程中的控制效果進(jìn)行了對(duì)比研究； sungs.w采用改變?cè)O(shè)定值的控制策略來(lái)辨識(shí)模型曲線，以此補(bǔ)償pH中和過(guò)程中的非線性和 時(shí)變特性;JoseA.等人研究了適用于pH中和過(guò)程的多模型線性實(shí)時(shí)控制策略，介紹了多模 型線性控制中的多種自適應(yīng)機(jī)制，并與傳統(tǒng)PI控制和自調(diào)整PI控制器做了對(duì)比。此外，很多 學(xué)者對(duì)于非線性過(guò)程的辨識(shí)和建模的研究對(duì)pH過(guò)程的辨識(shí)和模型的建立也有很大的借鑒 作用:McAvoy T j.在1972年首先提出pH中和過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，在該模型中假定CSTR (連續(xù)攪拌器，continuously stirred tank reactor)中物料混合完全并且混合液處處等 溫，主要包括動(dòng)態(tài)模型描述一一CSTR中化學(xué)成分的濃度動(dòng)態(tài)變化以及靜態(tài)非線性模型一一 化學(xué)成分的化學(xué)平衡方程，該模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，為研究pH值控制問(wèn)題奠定了理論基 礎(chǔ);Gustafsson以pH中和過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)電中和條件，反應(yīng)能量守恒以及 質(zhì)量平衡方程的討論，提出了一個(gè)pH過(guò)程的通用模型:wright R.A.等人對(duì)基于反應(yīng)物不變 的pH模型做了進(jìn)一步簡(jiǎn)化，得到一階狀態(tài)方程，將SAE(強(qiáng)酸等價(jià)物)概念引入其中，把非線 性的pH值控制問(wèn)題變成一個(gè)線性問(wèn)題來(lái)處理，最終通過(guò)線性自適應(yīng)控制來(lái)解決該控制問(wèn) 題。
[0006] 國(guó)內(nèi)對(duì)pH值控制方面的研究主要集中在pH值控制理論和先進(jìn)控制算法的理論研 究方面:楊翠容、張玉清等人在1997提出了基于模糊神經(jīng)算法的pH值控制策略的智能pH值 控制器，并進(jìn)行了理論分析和數(shù)字仿真，但控制對(duì)象僅針對(duì)給定的中和反應(yīng)過(guò)程，其算法復(fù) 雜，無(wú)法在實(shí)際工程中得以實(shí)現(xiàn);商建東、陳康寧針對(duì)農(nóng)藥生產(chǎn)中的pH值控制問(wèn)題，研究了 一種基于專家知識(shí)庫(kù)的模糊pH值控制器，應(yīng)用過(guò)程中需做大量實(shí)驗(yàn)，收集大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)形 成知識(shí)庫(kù)，控制對(duì)象變化需重新完成數(shù)據(jù)采集，適用性較差;王偉在pH值控制中采用多模型 自適應(yīng)控制算法，完成控制策略的研究；孫西等人以雙線性作為pH值控制過(guò)程的反應(yīng)機(jī)理 模型，提出了以雙線性自適應(yīng)控制算法解決化學(xué)品生產(chǎn)中結(jié)晶過(guò)程中的pH值控制問(wèn)題:趙 彥華等人研究了采用模糊前饋控制與變?cè)鲆鍼ID相結(jié)合的方法解決廢水處理過(guò)程中的pH值 控制問(wèn)題。至今，我國(guó)用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的PH值測(cè)控裝置大多仍是基于PLC或嵌入式單片 機(jī)，通過(guò)簡(jiǎn)單的單回路控制器，或結(jié)合串級(jí)控制與前饋控制算法，往往存在控制精度較低、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提出一種PH水質(zhì)分析儀系統(tǒng)及其控制方法，以提高PH電極準(zhǔn)確性和穩(wěn)定 性。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)該技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0009] 一種PH水質(zhì)分析儀系統(tǒng)，其特征在于，由控制器模塊1、PH電極2、PH信號(hào)數(shù)據(jù)處理 模塊3、溫度采集模塊4、電源模塊5、RS485通信模塊6、RS232通信模塊7、擴(kuò)展模塊8構(gòu)成；
[0010] 所述控制器模塊1采用最新一代的嵌入式ARM處理器芯片STM32F103CB，該芯片具 有尚性能、低功耗、成本低等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)搭配相應(yīng)的外圍電路即可完成相關(guān)功能；
[0011] 所述PH電極2是通過(guò)測(cè)電位實(shí)現(xiàn)的，測(cè)量是以電信號(hào)為依據(jù)的;PH電極在接觸溶液 時(shí)，其玻璃膜上會(huì)形成一隨PH變化而變化的電壓，PH電極接信號(hào)處理單元將該電壓信號(hào)進(jìn) 行提??；
[0012]所述PH信號(hào)數(shù)據(jù)處理模塊3是基于AD549運(yùn)放的一階低通濾波電路，PH電極發(fā)出的 電壓信號(hào)是毫伏級(jí)微小電壓信號(hào)，AD549適用于低輸入偏置電壓場(chǎng)合，該運(yùn)算放大器具有共 模抑制比好、精度高等特點(diǎn)，該電路采用一階低通濾波電路更好的消除高頻噪聲產(chǎn)生的紋 波，提高AD轉(zhuǎn)化的精度；
[0013] 由于溫度對(duì)PH值測(cè)定的準(zhǔn)確性影響較大，對(duì)于PH大于8.3的水樣，在相同的酚酞堿 度下，出現(xiàn)實(shí)測(cè)PH值隨水溫升高而直線下降的現(xiàn)象。其原因是由于溫度旳變化，引起了眾多 影響PH值的因素變化，為了準(zhǔn)確的測(cè)量PH值，在儀器上添加了的溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。所述溫?采集模塊4,由PT100溫度傳感器和TL062運(yùn)算放大器組成的溫度測(cè)量電路可以準(zhǔn)確的測(cè)量 當(dāng)前溫度；
[0014] 所述電源模塊5分為三各部分：12V轉(zhuǎn)5V的LM7805電路、5V轉(zhuǎn)3.3V的AMS1113-3.3電 路(該電路給STM32F103CB芯片提供工作電壓）、5V轉(zhuǎn)-5V的ICL7660電路(該電路給AD549提 供+/-5V的工作電壓）；
[0015]所述RS485通信模塊6是支持MODBUS協(xié)議，方便下位機(jī)多節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信；
[0016]所述RS232通信模塊7，電路板增加RS232模塊，提高了系統(tǒng)的兼容性，便于用戶使 用；
[0017]所述擴(kuò)展模塊8是在電路板增加了擴(kuò)展接口，方便增加新的功能。
[0018]本發(fā)明PH水質(zhì)分析儀系統(tǒng)的控制器模塊1的工作流程包括初始化子程序、A/D轉(zhuǎn)換 采樣子程序、控制算法子程序、通信子程序；
[0019] 所述控制器模塊1的控制方法步驟依次為啟動(dòng)系統(tǒng)初始化子程序自校準(zhǔn);A/D轉(zhuǎn)換 采樣子程序，測(cè)量PH值;控制算法子程序以及通信子程序；
[0020] 所述A/D轉(zhuǎn)換采樣子程序的步驟依次包括啟動(dòng)A/D采樣、等待采樣完成、軟件濾波 校正、關(guān)閉A/D采樣、分析警告范圍及處理；
[0021] 所述A/D采樣主要涉及ADC的幾個(gè)寄存器:如ADC控制器(ADC_CR)、ADC的采樣事件 寄存器(ADC_SMPR)、ADC規(guī)則序列寄存器(ADC_SQR)以及ADC規(guī)則數(shù)據(jù)寄存器(ADCDR)。在刀D 采樣子程序中，數(shù)據(jù)采樣模塊主要是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，首先把模擬信號(hào)采集過(guò)來(lái)，然后 單片機(jī)通過(guò)計(jì)算獲得參數(shù)值后，將其存入相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，對(duì)該參數(shù)值與其報(bào)警上限和下 限值進(jìn)行比較，如果該參數(shù)值超過(guò)系統(tǒng)所設(shè)置報(bào)警范圍，則發(fā)出報(bào)警信息。
[0022]

[0024] 所述控制算法子程序，是整個(gè)pH控制軟件的核心部分。根據(jù)pH值的非線性特點(diǎn)，基 于改進(jìn)的數(shù)字Pro控制算法，采用分段式變?cè)鲆鍼ro控制算法進(jìn)行計(jì)算。此算法的思想是:根 據(jù)pH值的特性曲線，用五段相接的直線構(gòu)成的折線來(lái)近似pH值的特性曲線，本文根據(jù)這個(gè) 特點(diǎn)設(shè)計(jì)了分段式變?cè)鲆鍼ID控制算法即pH值的高增益區(qū)控制器采用較低的比例增益，不 同的低增益區(qū)控制器采用不同的高比例增益，使開(kāi)環(huán)總增益為一個(gè)常數(shù)，最后與被控對(duì)象 的非線性特性相補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了對(duì)pH過(guò)程的最優(yōu)控制。
[0025] 分段式變?cè)鲆鍼ID控制算法中，程序首先利用采集到的數(shù)據(jù)輸入判斷控制器處于 明卜段的增益中，然后到PID處理程序中，調(diào)用以前整理好的KpJ^Td的參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)在值、 PID參數(shù)、設(shè)定值然后使用微分先行PID控制和輸出限幅相結(jié)合的控制方法，分別計(jì)算比例 項(xiàng)，積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，最后得到輸出控制量，其中K D = KPTd/T，h = KPTD/T，a = Tf/(T+Tf)。 [0026] 有益效果：
[0027] 1、針對(duì)現(xiàn)有PH計(jì)，采集數(shù)據(jù)不是很準(zhǔn)確，本發(fā)明在PH信號(hào)處理電路中，采取一階低 通濾波器電路，有效的濾除紋波，提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。
[0028] 2、針對(duì)現(xiàn)有PH計(jì)，數(shù)據(jù)傳輸速度慢，本發(fā)明選用了意法半導(dǎo)體公司出品的 STM32F103系列微處理器，32為數(shù)據(jù)串行處理，提高了數(shù)據(jù)處理的速度，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí) 性傳輸。
【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1是本發(fā)明的模塊結(jié)構(gòu)圖。
[0030] 圖2是本發(fā)明的控制器模塊STM32F103CB的電路圖。
[0031]圖3是本發(fā)明的PH信號(hào)數(shù)據(jù)處理模塊的電路圖。
[0032]圖4是本發(fā)明的溫度采集模塊的電路圖。
[0033]圖5是本發(fā)明的電源模塊的電路圖：
[0034] &)12￥轉(zhuǎn)5￥的1^7805電路圖；13)5￥轉(zhuǎn)3.3￥的厶151113-3.3電路 ；(3)5￥轉(zhuǎn)-5￥的 ICL7660 電路。
[0035]圖6是本發(fā)明的RS485通信模塊的電路圖。
[0036]圖7是本發(fā)明的RS232模塊的電路圖。
[0037] 圖8是本發(fā)明的擴(kuò)展模塊的擴(kuò)展接口電路圖。
[0038] 圖9是本發(fā)明的控制器模塊的工作流程示意圖。
[0039] 圖10是本發(fā)明的控制器模塊的控制方法流程圖。
[0040] 圖11是本發(fā)明的A/D轉(zhuǎn)換采樣子程序流程圖。
[0041 ]圖12是本發(fā)明的控制算法子程序流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]下面結(jié)合各附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0043] 實(shí)施例
[0044]本發(fā)明為一種PH水質(zhì)分析儀系統(tǒng)，由控制器模塊1、PH電極2、PH信號(hào)數(shù)據(jù)處理模塊 3、溫度采集模塊4、電源模塊5、RS485通信模塊6、RS232通信模塊7、擴(kuò)展模塊8構(gòu)成；
[0045] 所述控制器模塊1采用最新一代的嵌入式ARM處理器芯片STM32F103CB，該芯片具 有尚性能、低功耗、成本低等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)搭配相應(yīng)的外圍電路即可完成相關(guān)功能；
[0046]所述PH電極2是通過(guò)測(cè)電位實(shí)現(xiàn)的，測(cè)量是以電信號(hào)為依據(jù)的;PH電極在接觸溶液 時(shí)，其玻璃膜上會(huì)形成一隨PH變化而變化的電壓，PH電極接信號(hào)處理單元將該電壓信號(hào)進(jìn) 行提?。?br>[0047]所述PH信號(hào)數(shù)據(jù)處理模塊3是基于AD549運(yùn)放的一階低通濾波電路，PH電極發(fā)出的 電壓信號(hào)是毫伏級(jí)微小電壓信號(hào)，AD549適用于低輸入偏置電壓場(chǎng)合，該運(yùn)算放大器具有共 模抑制比好、精度高等特點(diǎn)，該電路采用一階低通濾波電路更好的消除高頻噪聲產(chǎn)生的紋 波，提高AD轉(zhuǎn)化的精度；
[0048]由于溫度對(duì)PH值測(cè)定的準(zhǔn)確性影響較大，對(duì)于PH大于8.3的水樣，在相同的酚酞堿 度下，出現(xiàn)實(shí)測(cè)PH值隨水溫升高而直線下降的現(xiàn)象。其原因是由于溫度旳變化，引起了眾多 影響PH值的因素變化，為了準(zhǔn)確的測(cè)量PH值，在儀器上添加了的溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。所述溫?采集模塊4,由PT100溫度傳感器和TL062運(yùn)算放大器組成的溫度測(cè)量電路可以準(zhǔn)確的測(cè)量 當(dāng)前溫度；
[0049] 所述電源模塊5分為三各部分：12V轉(zhuǎn)5V的LM7805電路、5V轉(zhuǎn)3.3V的AMS1113-3.3電 路(該電路給STM32F103CB芯片提供工作電壓）、5V轉(zhuǎn)-5V的ICL7660電路(該電路給AD549提 供+/-5V的工作電壓）；
[0050]所述RS485通信模塊6是支持MODBUS協(xié)議，方便下位機(jī)多節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信；
[00511所述RS232通信模塊7，電路板增加RS232模塊，提高了系統(tǒng)的兼容性，便于用戶使 用；
[0052]所述擴(kuò)展模塊8是在電路板增加了擴(kuò)展接口，方便增加新的功能。
[0053]本發(fā)明PH水質(zhì)分析儀系統(tǒng)的控制器模塊1的工作流程包括初始化子程序、A/D轉(zhuǎn)換 采樣子程序、控制算法子程序、通信子程序；
[0054] 所述控制器模塊1的控制方法步驟依次為啟動(dòng)系統(tǒng)初始化子程序自校準(zhǔn);A/D轉(zhuǎn)換 采樣子程序，測(cè)量PH值;控制算法子程序以及通信子程序；
[0055] 所述A/D轉(zhuǎn)換采樣子程序的步驟依次包括啟動(dòng)A/D采樣、等待采樣完成、軟件濾波 校正、關(guān)閉A/D采樣、分析警告范圍及處理；
[0056] 所述A/D采樣主要涉及ADC的幾個(gè)寄存器:如ADC控制器(ADC_CR)、ADC的采樣事件 寄存器(ADC_SMPR)、ADC規(guī)則序列寄存器(ADC_SQR)以及ADC規(guī)則數(shù)據(jù)寄存器(ADCDR)。在ADC 采樣子程序中，數(shù)據(jù)采樣模塊主要是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，首先把模擬信號(hào)采集過(guò)來(lái)，然后 單片機(jī)通過(guò)計(jì)算獲得參數(shù)值后，將其存入相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，對(duì)該參數(shù)值與其報(bào)警上限和下 限值進(jìn)行比較，如果該參數(shù)值超過(guò)系統(tǒng)所設(shè)置報(bào)警范圍，則發(fā)出報(bào)警信息。

[0059] 所述控制算法子程序，是整個(gè)pH控制軟件的核心部分。根據(jù)pH值的非線性特點(diǎn)，基 于改進(jìn)的數(shù)字Pro控制算法，采用分段式變?cè)鲆鍼ro控制算法進(jìn)行計(jì)算。此算法的思想是:根 據(jù)pH值的特性曲線，用五段相接的直線構(gòu)成的折線來(lái)近似pH值的特性曲線，本文根據(jù)這個(gè) 特點(diǎn)設(shè)計(jì)了分段式變?cè)鲆鍼ID控制算法即pH值的高增益區(qū)控制器采用較低的比例增益，不 同的低增益區(qū)控制器采用不同的高比例增益，使開(kāi)環(huán)總增益為一個(gè)常數(shù)，最后與被控對(duì)象 的非線性特性相補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了對(duì)pH過(guò)程的最優(yōu)控制。
[0060] 分段式變?cè)鲆鍼ID控制算法中，程序首先利用采集到的數(shù)據(jù)輸入判斷控制器處于 明卜段的增益中，然后到PID處理程序中，調(diào)用以前整理好的HTd的參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)在值、 PID參數(shù)、設(shè)定值然后使用微分先行PID控制和輸出限幅相結(jié)合的控制方法，分別計(jì)算比例 項(xiàng)，積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，最后得到輸出控制量，其中Kd = KPTd/T，h = KpTd/T，a = Tf/(T+Tf)。
[0061] 以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無(wú) 需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù) 人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的 技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書(shū)所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. PH水質(zhì)分析儀系統(tǒng)，其特征在于，由控制器模塊（1)、PH電極（2)、PH信號(hào)數(shù)據(jù)處理模 塊(3)、溫度采集模塊(4)、電源模塊(5)、RS485通信模塊(6)、RS232通信模塊(7)、擴(kuò)展模塊 (8)構(gòu)成； 所述控制器模塊（1)采用最新一代的嵌入式ARM處理器芯片STM32F103CB，； 所述PH電極（2)是通過(guò)測(cè)電位實(shí)現(xiàn)的，測(cè)量是以電信號(hào)為依據(jù)的；PH電極在接觸溶液 時(shí)，其玻璃膜上會(huì)形成一隨PH變化而變化的電壓，PH電極接信號(hào)處理單元將該電壓信號(hào)進(jìn) 行提??； 所述PH信號(hào)數(shù)據(jù)處理模塊(3)是基于AD549運(yùn)放的一階低通濾波電路，PH電極發(fā)出的電 壓信號(hào)是毫伏級(jí)微小電壓信號(hào)； 所述溫度采集模塊(4)由PT100溫度傳感器和TL062運(yùn)算放大器組成的溫度測(cè)量電路， 可以準(zhǔn)確的測(cè)量當(dāng)前溫度； 所述電源模塊（5)分為三各部分：12V轉(zhuǎn)5V的LM7805電路、5V轉(zhuǎn)3.3V的AMS1113-3.3電 路、5V轉(zhuǎn)-5V的ICL7660電路； 所述RS485通信模塊(6)是支持MODBUS協(xié)議，方便下位機(jī)多節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信； 所述RS232通信模塊(7)是電路板上增加 RS232模塊； 所述擴(kuò)展模塊(8)是在電路板增加了擴(kuò)展接口。2. 如權(quán)利要求1所述的PH水質(zhì)分析儀系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述控制器模塊 (1)的工作流程包括初始化子程序、A/D轉(zhuǎn)換采樣子程序、控制算法子程序、通信子程序； 所述控制器模塊（1)的控制方法步驟依次為啟動(dòng)系統(tǒng)初始化子程序自校準(zhǔn);A/D轉(zhuǎn)換采 樣子程序，測(cè)量PH值;控制算法子程序以及通信子程序； 所述A/D轉(zhuǎn)換采樣子程序的步驟依次包括啟動(dòng)A/D采樣、等待采樣完成、軟件濾波校正、 關(guān)閉A/D采樣、分析警告范圍及處理； 所述A/D采樣主要涉及ADC的幾個(gè)寄存器:如ADC控制器、ADC的采樣事件寄存器、ADC規(guī) 則序列寄存器以及ADC規(guī)則數(shù)據(jù)寄存器，在ADC采樣子程序中，數(shù)據(jù)采樣模塊主要是對(duì)輸入 信號(hào)進(jìn)行采樣，首先把模擬信號(hào)采集過(guò)來(lái)，然后單片機(jī)通過(guò)計(jì)算獲得參數(shù)值后，將其存入相 應(yīng)的存儲(chǔ)單元，對(duì)該參數(shù)值與其報(bào)警上限和下限值進(jìn)行比較，如果該參數(shù)值超過(guò)系統(tǒng)所設(shè) 置報(bào)警范圍，則發(fā)出報(bào)警信息；控制算法子程序，根據(jù)PH值的非線性特點(diǎn)，基于改進(jìn)的數(shù)字Pro控制算法，采用分段式 變?cè)鲆鍼ro控制算法進(jìn)行計(jì)算。3. 如權(quán)利要求2所述的PH水質(zhì)分析儀系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，控制算法子程序的 思想是根據(jù)PH值的特性曲線，用五段相接的直線構(gòu)成的折線來(lái)近似pH值的特性曲線，設(shè)計(jì) 了分段式變?cè)鲆鍼ID控制算法;PH值的高增益區(qū)控制器采用較低的比例增益，不同的低增益 區(qū)控制器采用不同的高比例增益，使開(kāi)環(huán)總增益為一個(gè)常數(shù)，最后與被控對(duì)象的非線性特 性相補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了對(duì)pH過(guò)程的最優(yōu)控制。4. 如權(quán)利要求3所述的PH水質(zhì)分析儀系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述分段式變?cè)鲆?PID控制算法中，程序首先利用采集到的數(shù)據(jù)輸入判斷控制器處于哪一段的增益中，然后到 PID處理程序中，調(diào)用以前整理好的K^I^Td的參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)在值、PID參數(shù)、設(shè)定值然后使用 微分先行PID控制和輸出限幅相結(jié)合的控制方法，分別計(jì)算比例項(xiàng)，積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，最后 得到輸出控制量，其中K D = KPTd/T，Ki = KPTD/T，a = Tf/ (T+Tf)。
【文檔編號(hào)】G05B11/42GK106053539SQ201610446790
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月17日
【發(fā)明人】程曉亮, 李巍, 于磊, 徐友順, 習(xí)宏權(quán), 徐亮, 楊宇軒
【申請(qǐng)人】天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司