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武軍 （1974-）

男，河南省長(zhǎng)葛市人，碩士，西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，主要從事自動(dòng)控制與電力拖動(dòng)系統(tǒng)的研究。

摘要：鍋爐給水pH值要求控制在一定的堿性范圍內(nèi)，pH值控制過(guò)程是典型的非線性控制過(guò)程，加之主控過(guò)程涉及長(zhǎng)距離的液體傳輸和反應(yīng)器中化學(xué)反應(yīng)包含長(zhǎng)時(shí)間的潛伏期，導(dǎo)致系統(tǒng)具有嚴(yán)重的時(shí)滯性。為此提出并采用變?cè)鲆嫒齾^(qū)段非線性PID和積分模糊控制(IFC)算法，利用西門(mén)子S7-200PLC進(jìn)行編程控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理并采樣精確化，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)加藥控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)自動(dòng)化。

關(guān)鍵詞：PH值控制；PLC；加藥系統(tǒng)；自動(dòng)控制

Abstract: The water pH value of the boiler needs to be controlled in certain alkalinity 
scope. Its controlling process is a typical nonlinear process. In addition, the master 
control process involves the long distance liquid transmission and the chemical reaction in 
the reactor contains the long time incubation period, which makes the system have the 
serious time delay. Therefore, in this paper we propose the nonlinear PID and the integral 
fuzzy control (IFC) algorithm, which carries on the Simens S7200PLC programming controller. 
The method realizes data filtering and  precise sampling, and finally achieves automation of 
medicine control system on real time.

Key words: PH value control; PLC; system of chemicals-adding; Automatic control

1 引言

    目前，我國(guó)大型鍋爐的給水與蒸汽質(zhì)量指標(biāo)要求十分嚴(yán)格，因而需要對(duì)爐水品質(zhì)進(jìn)行連續(xù)的控制和監(jiān)視。對(duì)pH測(cè)量國(guó)內(nèi)外多采用傳統(tǒng)的PID算法，但由于反應(yīng)過(guò)程中，中和點(diǎn)附近的高增益使得傳統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)調(diào)整非常困難，因?yàn)榭刂破髦荒懿捎煤苄〉谋壤鲆妫駝t系統(tǒng)不穩(wěn)定；而比例增益過(guò)小，又使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性變壞^[1] 。在鍋爐給水加藥測(cè)控裝置方面，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了加藥系統(tǒng)的自動(dòng)化，但無(wú)自動(dòng)配藥裝置，配藥仍然采用最原始的配藥方法，即根據(jù)汽水實(shí)驗(yàn)室的化驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行人工配藥，這樣不僅工作強(qiáng)度大，而且因所加的藥(氨、聯(lián)胺)屬于有劇毒易揮發(fā)的物質(zhì)，給操作工人身心健康造成嚴(yán)重危害，并導(dǎo)致了環(huán)境的污染^[2] 。

    在本文中，提出了兩種新型pH值控制方法，即變?cè)鲆嫒齾^(qū)段非線性PID和積分模糊控制(IFC)算法，通過(guò)對(duì)帶有時(shí)滯的pH值中和過(guò)程進(jìn)行數(shù)字仿真，結(jié)果表明，兩種控制算法具有魯棒性強(qiáng)、響應(yīng)速度快和控制精度高的特點(diǎn)，尤其是IFC算法能克服pH值中和過(guò)程中的較大時(shí)滯。并通過(guò)在某電廠的實(shí)際應(yīng)用，已經(jīng)完美實(shí)現(xiàn)了鍋爐給水配藥、加藥系統(tǒng)的全自動(dòng)控制^[3] 。

2 pH值控制方法的研究

2.1 常規(guī)PID控制

    按偏差的比例(P-Proportional )、積分(I-Integral)和微分(D-Derivative)線性組合進(jìn)行控制的方式，就是PID控制。一個(gè)常規(guī)的PID控制系統(tǒng)如圖1所示，其中r為參考輸入信號(hào)，PID表示控制器，P為被控對(duì)象模型，d為干擾量，e (k)為系統(tǒng)誤差，u(k)為控制量，pH(k)為被控過(guò)程輸出量。

                                圖1   典型pH值控制系統(tǒng)

    可見(jiàn)，常規(guī)PID控制中的比例作用實(shí)際上是一種線性放大或縮小作用，很難適應(yīng)酸堿中和過(guò)程中被控對(duì)象非線性的特點(diǎn)。

2.2 變?cè)鲆嫒齾^(qū)段非線性PID控制

    將pH值變化過(guò)程按照拐點(diǎn)分為三個(gè)區(qū)段，一個(gè)高增益區(qū)，兩個(gè)增益系數(shù)不同的低增益區(qū)，高增益區(qū)控制器采用較低的增益，在不同的低增益區(qū)控制器采用不同的高增益，來(lái)滿足系統(tǒng)期望的性能指標(biāo)要求。此外，為防止積分飽和采用帶死區(qū)的PID控制算法和帶輸出限幅的PID控制算法。

2.2.1 帶死區(qū)的PID控制

    如果采用常規(guī)的PID控制易產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，使控制量過(guò)大。如果采用帶死區(qū)的PID控制，就會(huì)降低計(jì)量泵的調(diào)節(jié)量的頻繁變化，減小pH值的波動(dòng)。

    帶死區(qū)的PID調(diào)節(jié)器，當(dāng)誤差較小時(shí)，即進(jìn)入死區(qū)后，調(diào)節(jié)器的輸出為積分器在此以前的內(nèi)容，實(shí)際上這時(shí)的閉環(huán)調(diào)節(jié)作用已經(jīng)消失，控制輸出不會(huì)發(fā)生變化。誤差較大時(shí)恢復(fù)其控制作用。

2.2.2 帶輸出限幅的PID控制

    由于長(zhǎng)期存在偏差或偏差較大時(shí)，計(jì)算的控制量有可能出現(xiàn)飽和而溢出。如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)已達(dá)到極限位置仍然不能消除偏差時(shí)，由于積分的作用，控制量繼續(xù)增大或減小，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)已無(wú)相應(yīng)的動(dòng)作。當(dāng)出現(xiàn)積分飽和時(shí)，勢(shì)必使超調(diào)量增加，控制品質(zhì)變壞。作為防止積分飽和的辦法之一，可以對(duì)控制量限幅，同時(shí)停止積分作用。

2.3 模糊控制IFC算法^[4][5]

    模糊控制的基本原理如圖2所示，它的核心部分是模糊控制器，如圖中虛線框中部分所示。模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。控制算法可概括為以下四個(gè)步驟：

    (1) 根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)輸出值，計(jì)算出輸入變量；

    (2) 將輸入變量的精確量變?yōu)槟：浚?BR>
    (3) 根據(jù)輸入變量(模糊量)及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計(jì)算控制量(模糊量)；

    (4) 由上述得到的控制量(模糊量)計(jì)算精確的控制量。

                               圖2   模糊控制原理圖

3 數(shù)據(jù)采集濾波處理

3.1 控制流程

                               圖3   爐水加藥控制系統(tǒng)

    本系統(tǒng)從在線分析儀表（磷酸根表、pH表）中提取4-20mA信號(hào)，根據(jù)運(yùn)行工藝參數(shù)和確定的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行窗口式PID復(fù)合運(yùn)算，中間結(jié)果送變頻器控制加藥泵加藥量實(shí)現(xiàn)加藥自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)。

3.2 IFC算法在該項(xiàng)目中的濾波處理應(yīng)用

    本控制系統(tǒng)中濾波程序的基本原理為：在周期時(shí)間內(nèi)連續(xù)取5個(gè)的采樣值，并求出其平均值=1∕5      

    采集當(dāng)前值，并求出差值 =Xi－采集值與平均值的差

    若>0.2則舍棄Xi 取=0.2為根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定的信號(hào)波動(dòng)的范圍值；

    若 ≤0.2則即X₁出棧，X₂替換X₁，X₃替換X₂，依次遞推，用當(dāng)前采樣的X₆替換X₅然后用這5個(gè)新的數(shù)值再求，再進(jìn)行比較。如此周而復(fù)始的執(zhí)行這段程序就可以實(shí)現(xiàn)濾波的功能，達(dá)到濾波的目的。

3.3 PLC控制流程

    自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)的核心是一套可編程控制器（PLC），控制器安裝在現(xiàn)場(chǎng)，采集相應(yīng)的水質(zhì)數(shù)據(jù)。由于化學(xué)加藥系統(tǒng)具有純滯后性質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致控制作用不及時(shí)，引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)或振蕩，利用PLC的控制算法（采用經(jīng)改進(jìn)的數(shù)字PID控制算法和模糊控制算法），輸出控制信號(hào)（變頻器的頻率）到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)交流變頻器，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)加藥泵的出力。流程圖如圖4所示。

                               圖4   PLC濾波程序流程圖

    采用濾波程序后可以通過(guò)趨勢(shì)畫(huà)面中pH值的趨勢(shì)顯示看出濾波的效果，如圖5所示。

                                圖5   pH值的濾波效果圖

    圖中藍(lán)色線和白色線分別為原始采樣值，紅色線和綠色線為經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波之后的數(shù)值。由此可以看出濾波程序的應(yīng)用得到了預(yù)期的目的。(下圖是放大后的效果，粉紅色為沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)值，綠色線為經(jīng)過(guò)程序?yàn)V波處理后所得。)

                                     圖6   pH值的濾波效果圖（放大）

4 結(jié)論

    經(jīng)實(shí)踐證明基于可編程序控制器的化學(xué)自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)可靈活滿足各類(lèi)化學(xué)加藥系統(tǒng)的在線監(jiān)控。系統(tǒng)自2007年1月投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，鍋爐、及輔機(jī)設(shè)備全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到了預(yù)期的效果，解決了以往手動(dòng)控制難以保證水質(zhì)指標(biāo)穩(wěn)定的困難，減輕了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，受到了公司領(lǐng)導(dǎo)和運(yùn)行、維護(hù)人員的一致好評(píng)。