一种pH过程的HSI测控方法
【专利摘要】一种pH过程的HSI测控方法是把设计实现的pH过程仿人智能测控算法程序封装在自主研发的80C552单片机主板里面，通过80C552单片机主板设计提供的外围设备接口，集成pH传感器、控制机构、自主研发的人机界面及升降装置等，实现了pH过程24小时实时仿人智能有效测量和控制被测对象pH值，同时也实现了实时人机交互功能。该方法可根据被测对象现场情况的需要和变化，灵活调整控制参数，增加测控系统不同领域的自适应能力和适用性，解决了一般传统pH测控系统的准确性，稳定性，收敛性，智能性，通用性差的问题。
【专利说明】一种pH过程的HSI测控方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于HSI的pH过程的测量与控制方法，可被广泛应用于制糖、污水处理、化工等领域。
【背景技术】
[0002]pH过程测控技术在冶金、化工、制糖、选矿、污水处理的pH测量与控制等领域中有着广泛的应用。PH过程测控技术是一种可以自动测量和控制应用领域环节中被测控对象PH值的技术，具有实时性强、测控精度高、响应速度快、智能化水平高等特点。pH过程测控系统表现在24小时在线自动测控对象，替代繁琐的人工测控，减小测控误差，使被测控对象的PH值保持在预控制范围内，具有pH过程自动测量与控制特性。
[0003]仿人智能(HSI)测控是以人的行为、思维方式、测控经验、测控分析方法等方面为基础并利用机器加以系统测控的模拟，主要针对非线性，大滞后，难于建立模型的测控系统。测控系统模拟的核心是直接对人的测控经验、技巧和各种直觉推理逻辑进行测辩、概括和总结，编制成各种实用、测控精度高、自适应能力强及实时运行的测控算法。仿人智能测控算法以人对被测控对象的观察、记忆、决策等模仿为基础，根据被测对象实时测量数值与设定值的偏差及偏差的变化趋势来确定控制策略。
[0004]现在常见的pH过程智能控制算法有人工神经网络算法、遗传算法等，但能够适用于PH过程并且能够解决pH过程被测控对象难以建立精确数学模型问题的测控算法相对甚少。仿人智能(HSI)测控以人的思维方式、控制经验、行为和直觉推理为基础，避开了求解繁琐的对象模型时遇到的许多难题，它在过程测控系统中具有独特的优势，因此对于模型复杂或模型相对难于建立的PH过程系统，仿人智能测控是一种不错的选择。
【发明内容】
[0005]为了解决pH过程中存在的测控效果不理想、智能化水平不高、通用性差的问题，本发明设计实现了一种PH过程仿人智能测控方法。在自主研发的pH过程仿人智能测控算法和80C552单片机主板及外围电路的基础上，实现了 pH过程24小时实时仿人智能有效测量和控制被测对象PH值，并可根据现场情况的需要和变化，灵活调整控制参数，增加系统不同领域的自适应能力和适用性。
[0006]本方法在实现时把pH过程仿人智能测控算法程序封装在80C552单片机主板里面，自主研发的80C552单片机主板提供外围设备接口，因此可方便集成传感器、控制机构等，实现PH和阀位传感器信号的采集、电动阀门和升降清洗装置控制信号的输出，通过仿人智能测控算法，提高测控的精确性与有效性。在设计上本方法分为四个逻辑单元，分别是测量和控制单元，人机界面单元，控制机构单元，传感器和升降清洗单元。方法总体逻辑结构图如图1所示。
[0007]1.可配置测量和控制单元用于采集传感器和控制机构的模拟信号，实时转换为数字信号，经过HIS测控算法分析处理，把控制的数字信号实时转换为模拟信号并且输出，是本方法设计的核心部分。算法模拟人的测量和控制行为，根据输入输出信号的动态特征，实现PH过程的智能测控，完全可以满足绝大多数工业领域的应用需求，并且把此单元封装成测控主模块。其设计如图2所示，该模块启动后，按照预控值和使用环境的要求，设置系统初始运行参数。该模块在运行过程中，具有错误检测与报警提示、死机复位功能，实现该单元启动之后PH过程的自动测控。
[0008]2.交互式人机界面单元
本单元负责实时显示测量值、控制参数及声光报警信号，设置预定值和参数，功能切换和操作，其设计如图3所示。算法中的显示和键盘模块实现了人机界面的实时动态显示和人机交互功能。
[0009]3.控制机构单元
本方法的控制机构单元是电动调节阀单元。该单元根据测控单元计算分析的控制信号，实时调节电动阀门的阀位，以此控制pH中和剂的流量。算法实现实时采集电动阀门的阀位值和状态值，识别PH过程实时动态的pH误差特征，综合计算分析处理后调节信号，电动阀门做出增大、减小及步进等阀门调节动作。
[0010]4.传感器和升降清洗单元
本单元包括PH传感器(内含温度传感器)和升降清洗装置，算法实现PH传感器实时测量信号的采集和处理，按照控制过程的要求输出升降清洗控制信号，提高实时PH测量值的准确性。
[0011]本发明的好处是采用仿人智能测控思想与技术设计出PH过程仿人智能测控算法，能够在自主研发的80C552单片机主板及外围设备硬件平台上实时采集、处理pH传感器和控制机构信号，输出控制信号，实现人机交互功能，并可根据实际状况和综合因素调节控制机构的输出，解决了一般传统PH测控系统的准确性，稳定性，收敛性，智能性，通用性差的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0013]图1是本方法采用的逻辑结构图。
[0014]图2是测控单元总体结构图，在图中可看出pH过程HSI测控算法封装在该单元里。
[0015]图3是本方法的人机界面设计图。
[0016]图3所示的人机界面包括三个区域:左边和中下部份是pH值、设定值、阀位及部分控制参数实时显示区域；中间部分是声光报警区域；右边部分是功能切换和功能操作区域。
[0017]图4是pH过程传统测控与仿人智能测控结果比较图。本方法控制调节速度快，遇到波动的情况下，能在较短时间内到达稳态误差范围内，继而保持控制稳定。
【具体实施方式】
[0018]如图1所示，本发明的pH过程HSI测控方法包括:一个pH过程仿人智能测控算法，用于实现pH过程测量与控制，是嵌入在测控系统中的软件部分；一个测量与控制单元，用于实现PH过程测量与控制，是测控系统的核心硬件部分；一个是控制机构单元，主要是电动调节阀，用于控制中和剂的流量；一个是人机界面单元，用于实时显示测控运行状态和人机互动；一个是PH传感器和升降清洗装置，用于实时测量被测对象的pH值与温度值，间隙升降清洗传感器。其中测控单元，结构如图2所示，在设计时，首先根据各个模块和接口将主板电路做好，再用80C552单片机和多种电子元器件焊接形成主板，并产生外围设备接口。测控单元启动后，算法实时检测死机状态，一旦发现，“WatchDog”模块使得主板能够死机复位并继续运行。另外，可以通过主板上的DIP开关硬设置系统运行的控制参数，方便有多项固值参数的选用。
[0019]如图3所示为该方法的人机界面单元，小圆圈和矩形框内设计时使用LED灯，以绿色和红色分别显示信号和数值，功能切换和功能操作区域设计为软键盘。连接测控单元的人机界面接口，通过算法和操作软键盘实时显示PH过程测控状态，实现功能操作、功能切换、控制参数设置及报警等人机互动。该方法除了能够在PH过程中自动测控，还能切换为手动测控，以及自动升降清洗传感器切换为手动升降清洗传感器。
[0020]按照图2、图3描述的功能与测控过程，利用Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程和进行编译来实现HSI算法的设计，先把每个软件模块编程实现，并从总体上编译生成汇编语言，最后通过润飞RF-1800芯片编程工具，把pH过程HSI算法汇编代码写入E2PROM芯片，实现HSI算法嵌入到图2所示的自主研发的80C552单片机主板内。
[0021]在图1中，首先在试验室或用户处搭建pH过程环境，然后硬件连接各结构单元，通过实时的PH过程，反复进行测试与实验，根据输入与输出等数据与信号，判断PH过程HSI算法是否正确或是否达到设计目标，并保存测试与实验结果。
【权利要求】
1.一种基于HSI的pH过程测量与控制方法，其包括:一个测量与控制单元，嵌入pH过程HIS算法，用于实现pH过程测量与控制；一个是控制机构单元，用于控制中和剂的流量；一个是人机界面单元，用于实时显示测控状态和人机互动；一个是PH传感器和升降清洗装置，用于实时测量被测对象的PH值与温度值，升降清洗传感器，其特征是:模拟人的测量和控制行为，根据输入输出信号的动态特征，综合各因素计算分析输出控制信号，调节控制机构，其利用Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程实现各个测控模块，设计各个硬件模块并连接起来构成可自动运行的PH过程测控系统，使其能够在以80C552单片机为核心的硬件平台上实现PH过程仿人智能测控。
2.根据权利要求1所述的基于HSI的pH过程测量与控制方法设计，其特征是:所述的控制机构能够根据算法的控制信号产生快速响应的增大、减小及步进等阀门调节。
3.根据权利要求1所述的基于HSI的pH过程测量与控制方法设计，其特征是:所述的人机界面，能够实时显示测量值、控制参数及声光报警信号，按测控要求设置预定值和参数，进行功能切换和操作。
4.根据权利要求1所述的基于HSI的pH过程测量与控制方法设计，其特征是:pH传感器和升降清洗装置能够在系统运行过程中实时产生被测对象PH和温度信号并且根据测控要求间隙升降和清洗PH传感器。
5.根据权利要求1所述的基于HSI的pH过程测量与控制方法设计，其特征是:根据pH过程现场情况的需要和变化，测控系统灵活调整控制参数，适应不同应用领域。
【文档编号】G05B19/042GK104199478SQ201410427286
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】曹良坤, 艾昌文 申请人:云南大学