胡 勇 湯瑜杰 陸 偉

(1.無錫榮成紙業(yè)有限公司，江蘇無錫，214187;2.浙江景興紙業(yè)有限公司，浙江平湖，314214)

浙江景興紙業(yè)股份有限公司 (以下簡稱景興紙業(yè))為保證生產(chǎn)過程中廢水處理能力達(dá)到環(huán)保局排放要求，從2010年下半年就開始籌備對(duì)原有廢水系統(tǒng)的改造升級(jí)?，F(xiàn)就改造過程中對(duì)pH值的控制系統(tǒng)做一個(gè)分析。實(shí)際上，廢水處理的中和過程具有較高的控制難度［1］，有以下2方面的原因:①中和反應(yīng)存在嚴(yán)重的非線性，中和點(diǎn)附近增益極高，難以建立過程的辨識(shí)數(shù)學(xué)模型;②中和過程為弱酸和中強(qiáng)堿在露天流動(dòng)的過程中反應(yīng)，其過程易受本身化學(xué)成分、是否含雜質(zhì)、外界溫度變化等影響。所以采用常規(guī)PID［2］對(duì)pH值進(jìn)行精確控制難以取得很好的控制效果，這也成為工業(yè)自動(dòng)化中較薄弱的環(huán)節(jié)之一。為此，pH值被公認(rèn)為是最難控制的變量之一［3］。與常規(guī)PID控制方法相比，模糊自適應(yīng)PID控制具有不建立數(shù)學(xué)模型、響應(yīng)快、超調(diào)小、較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)和魯棒性好的特點(diǎn)。本文將模糊自適應(yīng)PID算法與西門子S7-300結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)IC厭氧反應(yīng)塔內(nèi)部的pH值控制，達(dá)到滿意的效果。

1 廢水處理IC厭氧反應(yīng)塔工作原理

為了保證IC厭氧反應(yīng)塔中厭氧污泥的反應(yīng)環(huán)境，需要酸堿適中。在IC厭氧反應(yīng)塔入口和出口都有一個(gè)pH值變送器，通過檢測出口的pH值來保證IC厭氧反應(yīng)塔內(nèi)部的反應(yīng)環(huán)境。根據(jù)工藝需要，IC厭氧反應(yīng)塔內(nèi)部污泥的最佳反應(yīng)環(huán)境為弱酸性，當(dāng)pH值＞7時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)酸計(jì)量泵;當(dāng)pH值＜7時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)堿計(jì)量泵，以維持pH值為弱酸性，廢水處理流程如圖1所示。模糊控制器輸出的控制量信號(hào)作用于相應(yīng)的執(zhí)行器，可實(shí)現(xiàn)不同類型廢水的中和處理。

圖1 廢水處理流程圖

圖2 模糊自整定PID控制器結(jié)構(gòu)

2 模糊自適應(yīng)PID控制器工作原理及設(shè)計(jì)［4-6］

2.1 pH值模糊PID控制原理

在普通PID控制器上加入模糊控制環(huán)節(jié)，通過模糊規(guī)則調(diào)整系統(tǒng)的PID參數(shù)，構(gòu)成模糊PID控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)Kp、Ki、Kd自動(dòng)調(diào)節(jié)。

自適應(yīng)PID控制器以偏差E和偏差變化EC作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的E和EC對(duì)PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了模糊PID控制器?？刂圃砣鐖D2所示。

控制器的輸入為偏差E和偏差變化率△E，輸出為Kp、Ki、Kd，分別為比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)。經(jīng)過適應(yīng)于控制對(duì)象的模糊推理獲得作為PID的Kp、Ki、Kd，從而根據(jù)被控對(duì)象狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2.2 pH值模糊控制器的設(shè)計(jì)

偏差E和偏差變化率△E為該控制器輸入量，偏差E=pHsample(n)－pHset，其中pHsample(n)為以T作為采樣周期，nT時(shí)刻采樣得到的pH值;pHset為IC厭氧反應(yīng)塔的標(biāo)準(zhǔn)pH值，為了方便研究，這里設(shè)定pHset=7。所以在該模糊PID控制器中，偏差E的范圍為［－7，7］，偏差變化率△E的范圍為 ［－7，7］。根據(jù)映射關(guān)系，將偏差E和偏差變化率△E分別模糊化為E和EC，模糊論域均為［－3，3］，Kp、Ki、Kd的模糊論域也分別為 ［－3，3］。模糊子集均記為{NB、NM、NS、Z0、PS、PM、PB}，分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。E、EC和Kp、Ki、Kd的隸屬函數(shù)均取為三角形，如圖3和圖4所示，該函數(shù)具有計(jì)算復(fù)雜性低、控制精度高等特點(diǎn)。

圖3 E、EC隸屬函數(shù)曲線

圖4 Kp、Ki、Kd隸屬函數(shù)曲線

通過分析，在不同的E和EC時(shí)，模糊PID參數(shù)自整定遵循以下原則［7］:

(1)當(dāng)偏差E較大時(shí)，說明實(shí)際值與設(shè)定值相差很大，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的Kp;同時(shí)為了避免由于開始時(shí)誤差的瞬時(shí)變大可能出現(xiàn)的微分過飽和，而使控制作用超出許可的范圍，應(yīng)取較小的Kd;同時(shí)為了防止系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，所以通常取Ki值趨近于零。

(2)當(dāng)E和EC處于中間值時(shí)，Kp應(yīng)取得小一些，Ki的取值要適當(dāng)，可以使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào);這種情況下，Kd的值對(duì)系統(tǒng)影響較大，取值可根據(jù)E和EC的值來確定，大小要適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

(3)當(dāng)偏差E較小或接近于設(shè)定值時(shí)，主要考慮避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，同時(shí)根據(jù)偏差E接近設(shè)定值的程度，應(yīng)適當(dāng)增加Kp、Ki的值，使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)特性;并考慮到系統(tǒng)的抗干擾性能，根據(jù)偏差EC的取值來確定Kd的取值，當(dāng)EC的值變化小時(shí)Kd的值大些，當(dāng)EC的值變化大時(shí)Kd的值小些。

基于上述控制規(guī)則，為了便于在線調(diào)整，將E和EC整數(shù)論域［－3，3］中的全部元素進(jìn)行任意組合，結(jié)合工程技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，通過模糊推理和模糊判決得出它們對(duì)應(yīng)的Kp、Ki和Kd的值，建立符合控制對(duì)象pH值特點(diǎn)的模糊控制查詢表，如表1～表3所示。

表1 Kp模糊控制查詢表

表2 Ki模糊控制查詢表

表3 Kd模糊控制查詢表

3 控制方案的實(shí)現(xiàn)［8-10］

景興紙業(yè)廢水改造系統(tǒng)采用S7-300系統(tǒng)，因?yàn)镾7-300穩(wěn)定可靠、功能強(qiáng)大且自動(dòng)化程度高。改造系統(tǒng)配置為:中央處理模塊 (CPU)CPU315-2DP;數(shù)字量輸入模塊 (DI)SM321，6塊;數(shù)字量輸出模塊 (DO)SM322，2塊;模擬量輸入模塊 (AI)SM331，10塊 (8×12位);模擬量輸出模塊 (AO)SM332，4塊 (8×12位);電源模塊選用 PS307，5 A，24 VDC;為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定和實(shí)時(shí)性，新系統(tǒng)使用以太網(wǎng)通信，型號(hào)為SM343-1，并與原有老系統(tǒng)保持通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP通信協(xié)議。上位機(jī)采用WinCC6.2系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)并監(jiān)控現(xiàn)場各參數(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，系統(tǒng)運(yùn)行中相應(yīng)監(jiān)控畫面在上位機(jī)上顯示。

整個(gè)程序的編寫由STEP7來完成，程序采用模塊化編程，模糊推理子程序根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊推理，模糊推理子程序見圖5。隨后調(diào)用變頻PID控制子程序，在程序中調(diào)用FB41功能塊，并設(shè)置其相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)過程變量的PID調(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)酸、堿計(jì)量泵變頻器的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)IC厭氧反應(yīng)塔的環(huán)境控制。

圖5 模糊推理子程序

由前面可知，將模糊論域E的元素 {－3，－2，－1，0，1，2，3}轉(zhuǎn)換為 {0，1，2，3，4，5，6}以便于尋址查詢，然后采用“基址+變址”的尋址方式將模糊控制量表1、表2、表3中的PID控制結(jié)果按從上到下、從左到右的順序填入PLC的數(shù)據(jù)寄存區(qū)DB1.0～DB1.192，DB2.0～DB2.192，DB3.0～DB3.192中?？刂屏康幕窞?，其偏移地址為0+EC*7+E。PID三個(gè)參數(shù)的尋址分別找到后，經(jīng)過解模糊運(yùn)算，可得到精確的控制量Kp、Ki和Kd。在OB1中編寫程序?qū)崿F(xiàn)信號(hào)輸入采樣，得到誤差和誤差變化率，在循環(huán)中斷組織塊 OB35中調(diào)用 FB41“CONT_C”［11］實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制，查表程序分別在FB1、FB2、FB3中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，查詢表存放在數(shù)據(jù)塊DB1、DB2、DB3中以供查詢。

4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上模糊自適應(yīng)PID控制方案，在廢水pH值穩(wěn)定的情況下，采用常規(guī)PID控制和模糊自適應(yīng)PID控制進(jìn)行比較:對(duì)IC厭氧反應(yīng)塔入口處pH值進(jìn)行檢測，設(shè)定pH值=7，完成PLC的內(nèi)部運(yùn)行程序之后，采用常規(guī)PID控制曲線使用模糊自適應(yīng)PID的方法，曲線如圖6所示。

圖6 常規(guī)PID控制曲線

從圖6可以看出，當(dāng)系統(tǒng)突然出現(xiàn)一個(gè)比較大的擾動(dòng)時(shí)，所監(jiān)控pH值同樣會(huì)出現(xiàn)一個(gè)突然下降很大的波動(dòng)，沒有很好的響應(yīng)調(diào)節(jié)，抗干擾能力不足，很容易引起超調(diào)現(xiàn)象發(fā)生。

使用模糊自適應(yīng)PID的方法，曲線如圖7所示。

圖7 模糊自適應(yīng)PID控制曲線

圖7中曲線為設(shè)定pH值=7時(shí)的自動(dòng)調(diào)節(jié)響應(yīng)曲線，從圖7的曲線可以看出，系統(tǒng)因采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)，降低了超調(diào)量，響應(yīng)速度加快，對(duì)參數(shù)變化不敏感，基本穩(wěn)定在設(shè)定值附近，保證穩(wěn)態(tài)特性又改善了動(dòng)態(tài)性能。

5 結(jié)語

針對(duì)常規(guī)PID控制參數(shù)難以整定且不能靈活變化，對(duì)高階、時(shí)變、非線性系統(tǒng)控制效果不理想的狀況，設(shè)計(jì)了一種基于模糊自適應(yīng)PID控制方法的廢水處理pH值控制系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備低成本條件下的技術(shù)改造很有意義。同時(shí)此種方法也能用到車間中其他一些復(fù)雜系統(tǒng)的備選方案中，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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