基于硬件環境的pH值控制算法研究與設計

艾昌文 艾明曦

(1.云南大學省電子計算中心，昆明 650223；2.中南大學航空航天學院，長沙 410083)

在自動化領域，pH值控制策略引起了許多研究人員的興趣，并產生了有價值的研究成果，部分研究還結合酸堿中和反應的特點，通過模擬仿真的方式對不同控制算法的優劣進行了評價，但這些研究成果大都沒有與具體的硬件環境相結合，受設備條件的限制和現場因素的影響，而實際控制過程遇到的問題要復雜得多。筆者從工程應用的角度出發，基于系統硬件構成和具有高靈敏度特性的執行機構，論述了一種新的pH值控制策略，即通過仿人智能控制使pH值取得更優的控制效果。

1.1 分段PID控制

酸堿中和反應呈現嚴重的非線性特性、大時滯特性和快時變特性，難以建立數學模型，中和過程pH值滴定曲線的中間段增益很高，兩端增益卻很小[1]。傳統的PID控制算法對線性過程具有很好的控制效果，而對于具有嚴重非線性的pH值中和過程，中性臨界點附近的高增益使得常規PID控制器的參數調整非常困難。

為了用線性控制的方式實現pH值的非線性控制，通常采用分段PID控制策略，以近似表達pH中和反應的非線性特點。在具體的實現方式上，一般采取三區段非線性變增益PID控制算法[2，3]，由于減小了中和反應非線性的負面作用，其控制效果優于常規PID控制器。但分段PID控制不能實現最優控制，在控制器設計中，區段的劃分比較困難，不具備對系統結構變化的適應性，缺乏學習功能，沒有理論分析結果保證其穩定性，而且參數的在線整定非常困難。

1.2 模糊控制

一些難以建立數學模型的控制系統，用模糊邏輯推理對系統的實時輸入狀態觀測量進行處理，產生相應的控制決策，卻能夠取得很好的控制效果。模糊控制技術常用于pH值調節[4～6]，特別是一些對控制精度要求不高的場合。測量信息的模糊化、推理機制的建立和輸出模糊集的精確化是模糊控制需要完成的主要工作。實際應用中，通常選擇誤差e及其微分項Δe作為推理參數構造推理規則表。

模糊控制的優勢在于不需要了解被控對象的精確模型，基于模糊集合及模糊邏輯等模糊數學理論，能適用于比較復雜的不確定非線性系統。其主要問題在于缺乏良好的學習能力，精確度較差，應用到非線性系統中有時難以保證穩定性。

1.3 無模型自適應控制

無模型學習自適應控制(MFLAC)是從I/O數據中提取出偽梯度向量和偽階數，并以此為基礎在受控系統軌線附近用一系列的動態線性時變模型替代一般離散時間非線性系統，進而實現非線性系統的無模型控制[7]。也可以先采用簡單控制器對被控對象加以控制，而后自適應地尋優和修正控制器或閉環通道上的參數，從而實現對pH值控制系統的自適應控制。

另一種常見的無模型自適應策略(MFA)則是將一種人工神經網絡的結構引入控制器模塊，以輸出向量的誤差為基礎來減少系統輸出與設定值之間的差距，在線地修正其中的加權因子從而達到自適應控制的目的[8,9]。

無模型自適應控制具有收斂性和穩定性的理論證明，應用于pH值控制已取得實際成果[10]，因其約束條件較多，目前還存在一些需要研究解決的問題。

1.4 仿人智能控制

仿人智能控制，即從宏觀結構上和行為功能上對人的控制進行模擬。通過大量的實驗發現，在經過必要的訓練后，由人實現的控制方法是接近最優的。這種方法不需要了解對象的結構、參數，不需要建立精確的數學模型，而是最大限度地識別和利用控制系統動態過程所提供的特征信息，根據積累的經驗和知識進行在線推理，合理確定或變換控制規則[11]。

仿人智能控制在同樣條件下，所獲得的有關動態過程的各種信息要比傳統控制方式豐富得多，它不僅知道當前系統輸出的誤差、誤差變化和誤差變化趨勢，還知道前期控制效果和識別前期控制決策的有效性。

仿人智能控制通過定性決策和定量控制相結合的多模態組合控制方法，能對復雜系統(如非線性、快時變、復雜多變量及環境擾動等)進行有效的全局控制，并具有較強的容錯能力和學習能力。其難點在于缺乏完整的理論體系支撐，需要對人工控制經驗進行提煉，根據獲取的特征信息，建立并優化其控制規則。

2 硬件平臺和工藝流程

在應用系統中，pH值控制算法需要在特定的硬件環境下運行，現有的各類計算機系統具有強大的運算處理能力，不會成為應用瓶頸，而執行機構響應的及時性和控制精度直接影響控制品質[1]，是決定控制算法能否有效實施的關鍵環節。

pH值控制過程是通過動態地向被測液體中添加酸、堿溶液來完成的，根據生產工藝的特定需求，有時要對添加劑流量做大幅調節，有時僅對添加劑流量做微小調節。此外，有些添加劑比較粘稠，甚至含有顆粒物，在這種情況下需要選用不容易發生堵塞的流量調節設備。因此，要達到良好的控制效果，對流量調節設備及其控制技術具有非常高的要求。

在人工控制pH值的過程中，閘閥是理想的流量調節裝置，不僅可以實現快速調節，而且能夠實現精細控制，適用于不同的應用環境和要求。人工控制的難點在于個體的差異性、疲勞程度和響應的及時性。

圖1為pH值自動控制系統的硬件構成。

圖1 pH值自動控制系統硬件構成

pH值自動控制系統中使用電動球閥作為執行機構，與電動閥門配套使用的電動執行器有不同的運行速度，全行程時間從5、10、15、30s到60、100、120s不等，可根據現場情況進行選擇，在開關時間上不及人工操作快，但完全可以滿足使用要求。

普通電動球閥的主要問題是控制靈敏度較低，一般在1%～3%，遠低于人工操作閘閥的控制靈敏度和精度，在需要進行精確逼近控制時很難達到使用要求。為解決這一問題，在控制方式上，采用電動閥門無振蕩高靈敏度控制技術[12]，提高閥門的調節靈敏度，經實際測試，其控制靈敏度可以達到2‰，很好地滿足了添加劑流量的微量調節需求。

電動球閥作為流量調節裝置，機電系統不需要頻繁工作，故障率低、維護量小、使用壽命長，特別是調節石灰水一類粘稠、含有未溶解的顆粒狀液體，不易出現堵塞，是電動球閥具有的主要特性。

設計的pH值控制系統在實際應用中的工藝流程如圖2所示。

3 算法實現

3.1 設計目標

由于常規控制的局限性很難同時滿足響應速度和靜態精度的要求，因此為優化控制效果，需要引入智能控制，一個設計良好的pH值控制算法應具有以下基本特征：

a. 當pH檢測值與pH設定值有較大偏差時，需要實現大幅快速調節，縮短系統的穩定時間，并朝目標值進行收斂；

b. 當pH檢測值逐步接近pH設定值時，需及時調整控制策略，抑制并減少超調量，直至進行微量調節，使被控pH值最大限度地逼近其目標值并最終趨于穩定；

圖2 pH值控制系統工藝流程

c. 適用性強，能應用于不同的工業場合，控制參數的現場整定工作簡單易行；

d. 具有較強的故障診斷和抗干擾能力。

3.2 控制規則

通過對不同控制策略的特點進行分析不難發現，仿人智能控制算法非常適合于pH值控制，在難以建立數學模型的情況下，為了解決系統的大時滯、快時變及嚴重非線性等問題，對人工控制過程和行為進行模擬，在良好的硬件環境支持下，實現系統設計目標具有充分的可行性。

為了獲得滿意的控制效果，需要對被控對象特征的變化進行辨識，根據辨識結果，合理地確定控制方式，實時地選擇大小和方向進行閥門開度調節。在算法的具體實現上，先將辨識結果按優先級別進行劃分，然后建立分層控制規則，這是該仿人pH值控制算法的核心思想，其主要規則描述如下：

a. 第一層為最高優先層，實現系統異常情況識別，主要包括閥門故障、pH值信號異常、添加劑異常和被檢測液體異常。當異常情況發生時，對故障進行識別、定位并報警，等待故障排除后再切換到正常運行狀態。

b. 第二層識別閥門開度的經驗值，包括閥門初始開度經驗值和異常情況發生前閥門開度值。閥門初始開度經驗值是開機時閥門開度的依據；自動控制系統正常運行時的閥門開度值，可以作為從異常情況發生、故障排除再回到正?？刂茣r閥門開度的經驗值。

c. 第三層對pH值偏差和偏差變化率進行識別，這是系統仿人工實現大幅快速調節的依據，當系統的誤差趨于增加或保持常值時，仿人控制規則采用比例、微分控制模式，偏差和偏差變化率越大，控制作用越強烈，此時系統處于閉環工作狀態，抑制系統的誤差增加或迫使誤差迅速減小。

d. 第四層判斷是否滿足精調的控制條件，當系統誤差趨于減小并進入微調范圍時，仿人控制規則采用微量調節模式，此時系統處于開環工作狀態，使被控參數最大限度地逼近目標值，優化控制效果。

對應于控制算法運行的硬件平臺，本次閥門開度Uk可用以下關系式表示：

Uk=Uk-1+f(Dk，Tk)

Tk=f(ek，ek-1，ek-2，ek-m)

式中Dk——本次閥門開關方向；

ek、ek-1、ek-2——最近3次的采樣偏差；

ek-m——上次閥門調節時的采樣偏差；

Tk——本次閥門開關時間；

Uk-1——上次的閥門開度。

從以上關系式可以看出，閥門開度的調整與系統輸出的誤差、誤差變化和誤差變化趨勢相關聯。

3.3 控制參數

控制參數的整定是應用現場必須面對的工作，一個設計合理、適用性強的控制算法，不應使參數整定的過程過于復雜和困難。除pH值控制的目標值外，以下參數也對控制算法起關鍵作用：

a. 閥門初始開度經驗值U0。在特定的應用場合，按照正常的生產工藝流程，閥門開度是相對固定的，該位置信息即閥門初始開度經驗值。

b. 滯后時間t1。閥門開度調整后，在其他因素不變的情況下，因管道和反應容器造成檢測點pH值開始發生變化的時間。

c. 反應時間t2。閥門開度調整后，在其他因素不變的情況下，從滯后時間t1開始計算，到Δe趨于0的時間。

d. pH值控制范圍。pH目標值±δ，在該范圍內，當Δe趨于0時，閥門位置處于保持狀態。

e. pH值采樣周期T。pH值測量、顯示更新的時間周期，該時間對Δe有實質影響，采樣周期短，閥門開度調整時開關幅度減弱；采樣周期長，閥門開度調整時開關幅度增強。

4 結束語

仿人智能控制具有非常廣闊的應用前景，筆者將其應用到pH值實時測控，通過建立分層控制規則，奠定了仿人控制設計目標的基礎。相對于傳統控制方法，pH值仿人控制具有明顯的特點和優勢，在算法主體架構完成的基礎上，自動識別生產工藝特征，實現控制參數的優化和修正，該方法將較高地提升系統的智能化程度。

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