武軍 （1974-）

男，河南省長葛市人，碩士，西安鐵路職業(yè)技術(shù)學院，講師，主要從事自動控制與電力拖動系統(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值控制過程是典型的非線性控制過程，加之主控過程涉及長距離的液體傳輸和反應(yīng)器中化學反應(yīng)包含長時間的潛伏期，導(dǎo)致系統(tǒng)具有嚴重的時滯性。為此提出并采用變增益三區(qū)段非線性PID和積分模糊控制(IFC)算法，利用西門子S7-200PLC進行編程控制，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)進行濾波處理并采樣精確化，最終實現(xiàn)了對加藥控制系統(tǒng)的實時自動化。

關(guān)鍵詞：PH值控制；PLC；加藥系統(tǒng)；自動控制

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，我國大型鍋爐的給水與蒸汽質(zhì)量指標要求十分嚴格，因而需要對爐水品質(zhì)進行連續(xù)的控制和監(jiān)視。對pH測量國內(nèi)外多采用傳統(tǒng)的PID算法，但由于反應(yīng)過程中，中和點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，因為控制器只能采用很小的比例增益，否則系統(tǒng)不穩(wěn)定；而比例增益過小，又使系統(tǒng)的動態(tài)特性變壞^[1] 。在鍋爐給水加藥測控裝置方面，已經(jīng)實現(xiàn)了加藥系統(tǒng)的自動化，但無自動配藥裝置，配藥仍然采用最原始的配藥方法，即根據(jù)汽水實驗室的化驗結(jié)果，進行人工配藥，這樣不僅工作強度大，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，即變增益三區(qū)段非線性PID和積分模糊控制(IFC)算法，通過對帶有時滯的pH值中和過程進行數(shù)字仿真，結(jié)果表明，兩種控制算法具有魯棒性強、響應(yīng)速度快和控制精度高的特點，尤其是IFC算法能克服pH值中和過程中的較大時滯。并通過在某電廠的實際應(yīng)用，已經(jīng)完美實現(xiàn)了鍋爐給水配藥、加藥系統(tǒng)的全自動控制^[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)線性組合進行控制的方式，就是PID控制。一個常規(guī)的PID控制系統(tǒng)如圖1所示，其中r為參考輸入信號，PID表示控制器，P為被控對象模型，d為干擾量，e (k)為系統(tǒng)誤差，u(k)為控制量，pH(k)為被控過程輸出量。

                                圖1   典型pH值控制系統(tǒng)

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

2.2 變增益三區(qū)段非線性PID控制

    將pH值變化過程按照拐點分為三個區(qū)段，一個高增益區(qū)，兩個增益系數(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，來滿足系統(tǒng)期望的性能指標要求。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，使控制量過大。如果采用帶死區(qū)的PID控制，就會降低計量泵的調(diào)節(jié)量的頻繁變化，減小pH值的波動。

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

2.2.2 帶輸出限幅的PID控制

    由于長期存在偏差或偏差較大時，計算的控制量有可能出現(xiàn)飽和而溢出。如果執(zhí)行機構(gòu)已達到極限位置仍然不能消除偏差時，由于積分的作用，控制量繼續(xù)增大或減小，而執(zhí)行機構(gòu)已無相應(yīng)的動作。當出現(xiàn)積分飽和時，勢必使超調(diào)量增加，控制品質(zhì)變壞。作為防止積分飽和的辦法之一，可以對控制量限幅，同時停止積分作用。

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)律由計算機的程序?qū)崿F(xiàn)。控制算法可概括為以下四個步驟：

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

    (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)則計算控制量(模糊量)；

    (4) 由上述得到的控制量(模糊量)計算精確的控制量。

                               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，根據(jù)運行工藝參數(shù)和確定的數(shù)學模型，進行窗口式PID復(fù)合運算，中間結(jié)果送變頻器控制加藥泵加藥量實現(xiàn)加藥自動閉環(huán)調(diào)節(jié)。

3.2 IFC算法在該項目中的濾波處理應(yīng)用

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

    采集當前值，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)實際情況設(shè)定的信號波動的范圍值；

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

3.3 PLC控制流程

    自動加藥控制系統(tǒng)的核心是一套可編程控制器（PLC），控制器安裝在現(xiàn)場，采集相應(yīng)的水質(zhì)數(shù)據(jù)。由于化學加藥系統(tǒng)具有純滯后性質(zhì)，會導(dǎo)致控制作用不及時，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)改進的數(shù)字PID控制算法和模糊控制算法），輸出控制信號（變頻器的頻率）到現(xiàn)場調(diào)節(jié)交流變頻器，進而控制電機的轉(zhuǎn)速來調(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趨勢畫面中pH值的趨勢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，粉紅色為沒有經(jīng)過處理的信號值，綠色線為經(jīng)過程序濾波處理后所得。)

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

4 結(jié)論

    經(jīng)實踐證明基于可編程序控制器的化學自動加藥控制系統(tǒng)可靈活滿足各類化學加藥系統(tǒng)的在線監(jiān)控。系統(tǒng)自2007年1月投運以來，運行穩(wěn)定可靠，鍋爐、及輔機設(shè)備全面實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，達到了預(yù)期的效果，解決了以往手動控制難以保證水質(zhì)指標穩(wěn)定的困難，減輕了運行人員的工作強度，受到了公司領(lǐng)導(dǎo)和運行、維護人員的一致好評。