23、基于Matlab/Simulink的pH中和装置建模与仿真

基于Matlab/Simulink的pH中和装置建模与仿真

1. 引言

本文旨在展示Matlab/Simulink在控制回路建模方面的功能。通过在Matlab/Simulink中实现一个模拟器，详细展示了pH中和装置各组件的建模过程，该装置在连续搅拌釜式反应器（CSTR）中对pH值和液位进行模拟与控制。建模过程考虑了装置本身、测量与执行仪器以及控制算法。由于滴定曲线导致的非线性，pH中和过程通常难以控制，特别是涉及强酸和强碱时。

本文给出了与回路元素对应的方程（线性或非线性），以及如何将这些方程转化为Simulink模型，并在Simulink中创建模块来组合回路组件。此外，还展示了如何根据控制系统的P&ID图构建等效的Simulink模型。所有模型参数、初始条件和仿真数据都存储在Matlab文件中，强调了如何生成一个文档完善的项目。同时，还介绍了在Matlab中创建批处理文件的方法，以便自动模拟装置在不同条件下的运行，并绘制不同响应的图形，从而比较不同情况下的行为。为了验证模型，进行了设定点变化（伺服模式）和干扰（调节模式）的测试。

2. 过程描述

pH中和装置的P&ID图展示了该装置的结构。在该装置中，pH值受酸和碱流量变化的影响，其中酸流量被视为干扰变量，碱流量为操纵变量；液位受输入和输出流量的影响，输入流量视为干扰变量，输出流量为操纵变量。该模型包括以下几个部分：
- a. CSTR中pH值的建模；
- b. CSTR中液位的建模；
- c. pH计（AE/AITY - 10）和液位计（LIT - 20）的建模；
- d. pH回路中两种执行器的建模：计量泵（FZ - 11）和由I/P转换器（F