基于模糊自整定PID串级控制的废水处理PH值控制

Industry Control and Applications

工业控制与应用基于模糊自整定PID串级控制的废水处理PH值控制

刘锁清,刘少虹,李军红,彭伟娟

(山西大学 自动化系,山西 太原 030013)

摘 要:针对火电厂废水中和过程PH动态特性的非线性,时滞性,抗干扰能力差等动态特性,采用传统的PID不能对系统进行

有效的在线控制,为了解决上述问题,在酸碱中和过程中PH的动态模型的基础上,设计了一种模糊自整定PID串级控制器。即通过模糊控制器对传统的PID参数进行整定,并建立串级控制回路。在相同条件下与传统PID进行了仿真实验比较,最终确定该控制器具有超调量小,调节时间快,抗干扰能力强等良好的动态特性以及较强的自适应性。

关键词:废水中和系统;PH值;模糊自整定PID;串级控制

中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1003-7241(2019)02-0022-06

Wastewater Treatment PH Value Control Based on Fuzzy

Self-tuning PID Cascade Control

LIU Suo-qing, LIU Shao-hong, LI Jun-hong, PENG Wei-juan

( Department of Automation, Shanxi University, Taiyuan 030013 China )

Abstract: In view of the nonlinearity, time-delay, and poor anti-interference capability of the PH dynamic characteristics of thermal

neutralization process in thermal power plants, traditional PID cannot be used for effective on-line control of the system. In order to solve the above problems, in the acid and alkali based on the dynamic model of PH in the process, a fuzzy self-tuning PID cascade controller is designed. The traditional PID parameters are set by a fuzzy controller, and a cascade control loop is established. Comparing with the traditional PID simulation experiment under the same conditions, the controller is finally determined to have good dynamic characteristics such as small overshoot, fast adjustment time, strong anti-interference ability and strong adaptability.

Key words: wastewater neutralization system; PH value; fuzzy self-tuning PID; cascade control

1 引言火力发电厂的工业废水量很大,在排放的过程中直接排放会污染环境对动生物饮用水也有很大危害,因此,应有效的对工业废水的酸碱度进行监测和控制,使其排放污水的PH值保持在6.5～8.5之间尽量不对环境造成影响。目前,欧美国家的工业废水处理广泛采用计算机进行数据采集和过程控制,甚至实现了全自动无人值守。俄罗斯、日本也先后采用了集散型水质控制系统,包括沉淀、过滤、化学制剂投放、臭氧处理等等。国内的水质处理还比较落后处在人工直接控制或半自动控制的阶段。废水处理过程中和反应

是其控制的关键环节,而PH中和过程是一种存在非线性等特点的复杂过程,很难对酸碱中和过程进行辨识形成数学模型[1],并且采用传统的PID控制对具有严重非线性系统的控制效果不是很理想。基于上述问题,本文在分析酸碱中和过程PH值变化特性的基础上,采用机理建模,根据化学反应机理及物料平衡关系,建立其数学模型。针对其数学模型给出详细的模糊自整定PID串级控制,并结合MATLAB软件对其仿真分析。

2 废水中和反应的动态特性一般废水中和反应是在反应池中进行,如图1所示,以PH值呈酸性的水质溶液流入中和池进行水质中和反

收稿日期:2018-05-15

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应为例,控制酸性溶液的流量同时实时测量反应池的酸碱度作为比较值用带有主副调节器的阀门控制流入中和池的PH值呈碱性的水质溶液流量。假设,池中溶液离子充分溶解密度均衡,不考虑外界环境影响的前提下使得溶液PH值呈现中性设定值。下面以强碱NaOH与强酸HCl为例进行中和反应。

于化学平衡状态;

2) 反应池搅拌均匀,整个过程离子完全可溶,充分混合。

根据酸碱反应过程的化学方程式:

HCL=NaOH→NaCL+H2O (3)电荷守恒式:

[Na+]+[H+]→[CL-]+[OH-] (4)物料守恒式(变化量=输入量-输出量)[4]:

(5)

建立其较为准确的动态数学数学模型[4]:

图1 酸碱中和反应系统

2.1 酸碱中和过程自动控制模型酸碱中和反应化学反应通用方程式为:

H++=OH-=H2O (1)对于连续流动的中和反应系统来说,每一瞬间酸溶液的H浓度和体积的乘积与碱液的OH浓度和体积的乘积相等,那么这两种溶液可完全中和,产物为中性(PH=7)[2]。

FHDH=FOHDOH (2)DHDOH分别为酸碱液的入口浓度。FHFOH分别为酸碱液的体积流量(L/S)。

对于副调节器:通过监测被调液的入口浓度与流量来控制调节碱液的入口阀门的大小,使公式2得到满足,从而提前控制进入中和池的碱液的流量,实现酸碱中和过程的提前自动控制。

+

-

(6)

XH,XOH分别为中和池出口酸碱液的浓度;A为中和池底面积;h为中和池液位高度;F出为中和池废水出口体积流量。

对于主调节器:通过监测废水出口PH值来控制调节碱液的入口阀门的大小,确保PH值在规定的范围内。

3 模糊自整定PID串级控制器设计3.1 模糊自整定PID串级控制结构原理图在废水中和处理过程在大容器和循环管路中进行,使得系统反应带有很大的时滞性,且中和后废水的PH值也会有较大的波动,使排放污水的PH值不能时时符合要求。根据酸碱中和反应的化学原理,采用串级调节控制系统可将由酸碱流量和浓度的变化所引起的扰动在进入反应过程前就加以克服,因此可以改善中和反应过程的时滞性以及抗干扰能力,从而改善控制系

2.2 酸碱中和过程PH的动态响应模型本系统采用机理建模法来建立酸碱中和反应的数学模型[3],首先先做两点假设:

1) 在中和反应的每个时刻,反应速度很快,反应处

图2 模糊自整定PID结构原理图

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工业控制与应用统的质量。

基本的PID控制为常规线性控制系统,对于非线性非常规系统的调节效果不好。所以在酸碱中和反应中本文在传统PID的基础上,根据系统误差和误差的变化,利用模糊规则在线对PID参数进行调整,便构成了参数模糊自整定PID串级控制器。如图2所示。

的输入变量,ΔKp、ΔKi、ΔKd的变化范围定义为模糊集的基本论域:

e,ec=(-6,-4,-2,0,2,4,6); (9)ΔKp、ΔKi、ΔKd=(0～1); (10)其模糊子集为:

e,ec,ΔKp、ΔKi、ΔKd=

(NB,NM,NS,0,PS,PM,PB)

(11)

3.2 模糊自整定PID串级控制器的设计针对酸碱中和系统的非线性,时滞性以及抗干扰能力差,设计了模糊自整定PID控制器来控制此被控对象。其中副回路采用PID控制器进行控制,主回路回路采用模糊自整定PID控制器。

PID控制器的函数为:

W(S)=Kp+Ki(1/S)+Kd(s) (7)传统PID控制的是Kp、Ki、Kd的量,模糊自整定PID控制的是Kp、Ki、Kd的增量,即ΔKp、ΔKi、ΔKd。这三个增量的变化较小,计算量明显减少,同时也提高了系统的响应速度或执行速度。模糊控制器作用于被控对象的调节量是一个累加值以上一次的值与控制器的输出值相叠加,作用于被控对象。从而实现对PID参数的在线调整[5]。

即:

KP=K’p+△Kp Ki=K’i+△Ki

(8)

Kd=K’d+△Kd 此时模糊控制器变为以误差e 和误差的变化率ec 为输入量,ΔKp、ΔKi、ΔKd为输出量。

子集中元素分别代表负大,负中,负小,零,正小,正中,正小这种划分适合控制品质要求一般的场合。

3.4 隶属函数的确定常选择的模糊状态的隶属函数有正态型隶属函数、对称三角形、对称梯形。因为三角形隶属函数相较于其他几种运算上简单,效率高与斜率有关,因此比较适合用于有隶属函数在线调整的模糊控制。在此选三角形为语言变量的隶属函数,如图3所示。

图3 e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd隶属度函数

通过分析发现隶属函数的模糊子集在整个论域范围内覆盖的大小对性能有很大的影响。模糊子集的宽度是否合适决定了控制效果的好坏,隶属函数的形状对ΔKp

3.3 模糊语言变量的确定模糊控制器是以双输入三输出作为调节输出量的,其中PH的偏差e和PH的偏差变化率ec为模糊控制器

表1 参数ΔKp、ΔKi、ΔKd控制规则调整表

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的影响并不大。模糊子集的宽度小则收敛性不好,宽度有重叠规则相叠加相互影响则响应速度慢。因此,需要 e与ec采用相同的隶属函数,ΔKp、ΔKi、ΔKd 也采用相同的隶属函数。从而可以确定e、ec和ΔKp、ΔKi、ΔKd隶属度的赋值表[6]。

渡过程曲线,作适当的参数调整,直到控制质量最佳。具体整定方法如下:

PID参数整定:

(1) 当输出无波峰时,说明比例作用和积分作用变小,可适当增加Kp和Ti;

(2) 当波形振荡发散时,说明比例作用过强或积分作用太大,可适当减小Kp和Ki;

(3) 超调量偏大时,则说明比例作用偏大或者积分作用偏大,可适当减小Kp和Ki;

(4) 振荡偏小,则说明积分作用偏小,可适当增加Ti;(5) 适当地增加Td,会使超调量下降,衰减率上升。经过整定的PID控制器,可以找到较好的参数,不过,这种方法只能进行离线的参数调整,在整个控制过程中参数是固定的。

量化因子以及比例因子整定:

通过对量化因子的整定,利用模糊控制器的输出有效地对PID参数进行在线修改,使控制器能较好地跟踪系统的实时变化,输入量化因子ke、kc及输出比例因子ku对系统的动、静态性能影响很大,因此要合理选取。

Ke较大,系统超调量也较大,过度过程较长;Kc较大时,超调量减小,响应速度变慢,Kc对超调

3.5 模糊规则针对本次设计任务的被控对象,设计的模糊PID控制器的规则如下表1所示。

表中中间部分分别依次表示ΔKp、ΔKi、ΔKd的输出。模糊逻辑控制器的控制规则在如图4所示的显示框中设置。

3.6 系统各个参数的整定原则:(1) 副回路整定:按照“先副后主”,先将副回路按照单回路控制系统的整定方法进行整定,使副回路能准确,快速地跟随主回路的输出变化就行,所以副回路才用P控制器进行控制(有超调,偏差影响不大,只要能快速跟踪系统即可)。

(2) 主回路整定:把刚整定好的副回路看作是主回路中的一个环节,对主回路先整定PID参数,按“先P再I后D”的顺序,在整定量化因子和比例因子,将计算出的参数设置到控制器上,做一些扰动试验,观察过

图4 模糊PID控制器的逻辑规则设置

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工业控制与应用图5 仿真框图

的遏制作用十分明显;

Ku过小会使系统动态响应过程变长,而过大会导致系统振荡。

超调量小,动态性能较好,所以在控制品质上来说,在模糊自整定PID串级控制器下的响应曲线从快,稳,准三方面考虑,都优于传统PID。

4 仿真试验为了验证上述控制器在酸碱中和PH控制系统中的控制效果,采用MATLAB进行仿真,并与传统PID做对比,检验改进后的模糊自整定PID串级控制系统的的控制性能。如图5所示为在MATLAB/Simulink环境下建立的基于模糊PID串级控制的酸碱中和控制系统。生成液的PH值设定为7。在中和反应中,要求生成液的PH值尽快达到设定值,同时系统超调量要小,在被调液突加扰动的情况下,系统具有一定的抗干扰性。

4.1 参数整定通过3.6介绍的参数整定方法,最终确定的各个参数的整定值为表2所示。

图6 两种控制器下的仿真曲线

增加外部扰动,外部扰动主要是来自于酸液流量或者浓度的变化。通过改变被调酸液的流量来增加扰动,得到图7的仿真结果。

传统的PID控制无法有效地对非线性系统进行在线控制。不能满足在被控对象发生变化时PID参数随之发生相应改变的要求,严重影响了控制效果,所以不适应于非线性系统。在同样的时刻加同样的大小的扰动,模糊自整定PID串级控制器较传统PID可以较快的克服扰动,重新回到稳定值上。

表2 控制器各个参数整定表

4.2 仿真结果输出通过图5搭建的仿真平台,仿真运行结果输出如图6与图7,图6是对比模糊自整定PID串级控制与传统的PID对废水处理系统PH值控制的仿真效果。图7是通过增加外部扰动,两种控制器的抗干扰能力的效果输出。

从上图6所示的仿真曲线可以看出:模糊自整定PID串级控制器相较传统PID响应速度快,上升时间短,

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5 结束语本文对废水处理中PH值的控制问题讨论,提出模

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糊自整定PID串级控制器对PH值进行控制,该控制器结合了PID与模糊控制的优点,它利用模糊控制的输出有效地调整PID的参数,使控制器可以对酸碱中和非线性系统有较好的控制效果。而且该控制器在模糊自整定PID的基础上增加了副回路,可以有效地改善酸碱中和系统的迟延特性以及抗干扰性能,能够实现对废水处理中PH值的有效控制,为模糊自整定PID串级控制器在控制中的应用提供参考。

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图7 增加扰动下的仿真曲线输出

(上接第7页)

中的一种,未来可以尝试更多同类型算法如遗传算法、蚁群算法等求解有限等距常数。

作者简介:刘锁清(1963-),男 ,副教授 ,研究方向:大型火电站仿真及控制系统优化技术。

通信作者:刘少虹(1991-),女 ,硕士研究生 ,研究方向:火力发电厂系统仿真及控制理论的实际应用。

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作者简介:贾彬彬(1988-),男,硕士,讲师,研究方向:压缩感知、信号处理。

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