基于專家協調級的模糊PID在pH值串級控制回路中的應用

張愛娟　胡慕伊　黃亞南　熊智新

(南京林業大學江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室,江蘇南京，210037)

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·廢水處理pH值控制·

基于專家協調級的模糊PID在pH值串級控制回路中的應用

張愛娟胡慕伊*黃亞南熊智新

(南京林業大學江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室,江蘇南京，210037)

制漿造紙廢水厭氧處理過程的pH值是一個非線性,大時滯,強干擾的控制對象。因此,為提高模糊控制器的精度,利用專家控制規則調整模糊控制的量化因子,本課題設計了基于專家協調級的模糊PID控制的pH值串級控制系統。應用結果表明，控制方案實用性強,控制效果較佳。

專家協調；模糊PID；厭氧處理；pH值控制

(*E-mail: muyi_hu@njfu.com.cn)

制漿造紙的廢水處理一般都采用好氧和厭氧相結合的方法。影響厭氧處理過程的因素有溫度、pH值、常量及微量營養元素等[1]。厭氧處理中的pH值范圍為6.8～7.2。厭氧菌一般在中性或弱酸性中生長,過酸或過堿對厭氧菌的活動都不利[2]。為提高厭氧過程的處理效果,本課題設計了基于專家協調級的模糊PID串級控制系統,對厭氧處理過程的pH值進行調節控制。

從酸堿中和曲線可知，pH值的控制過程是非線性過程,在中和曲線中點附近,pH值變化的靈敏度很高。除此之外,調節制漿造紙廢水pH值時需要兩種中和劑,而且混合過程和測量環節都會有純滯后[3]。因此,這對控制器的控制精度及控制器對滯后的敏感度都有較高的要求。顯然常規PID控制器達不到控制要求,模糊自適應PID控制器的控制精度高,響應快,動態品質好[4]。因此,選擇采用模糊PID智能控制算法來控制厭氧處理過程中調制池的pH值。由于模糊PID控制器的控制效果受量化因子的影響,在模糊PID控制的基礎上,利用專家控制規則來改進和提高其控制效果。通過實時輸入來調整模糊PID控制器的量化因子,使模糊PID控制器具有更好的控制特性,從而實現對厭氧處理過程pH值的精確穩定控制。

1　厭氧處理過程的pH值控制原理

厭氧處理技術是指在無需提供氧氣的情況下,利用厭氧菌的代謝特點,并且把被還原有機物作為受氫體來降解制漿造紙廢水中的有機污染物。在整個厭氧處理過程中,厭氧微生物對pH值的要求較高,只有當pH值保持在一定的范圍內,它們才會存活,才能達到降解有機污染物的目的[5]。因此,pH值是一個至關重要的影響因素。

在實際厭氧處理過程中,防止敏感的厭氧菌受到環境突然變化的影響,把pH值調制池和反應池分開,先在調制池中對制漿造紙廢水的pH值進行調節,調節好pH值之后,再送到下面的厭氧反應器進行反應。在制漿造紙廢水pH值調制池中,一般采用氫氧化鈉和鹽酸作為中和劑。實際中,由于中和反應的非線性,pH值的偏差不能說明中和劑的所需量,所以把控制pH值轉化為控制中和劑的體積[6]。

制漿造紙廢水處理的pH值調制原理如圖1所示。從圖1可看出，調制池的入口主要包括制漿造紙廢水流量、氫氧化鈉流量和鹽酸流量。出口即是調制好的pH值的廢水流量,接著被送往下面的反應器。在調制池的制漿造紙廢水入口和出口處都有pH值和流量檢測儀表,氫氧化鈉和鹽酸的管道上都安裝有流量計。在實際控制中,主要是通過控制進入調制池的氫氧化鈉和鹽酸的流量來調節廢水的pH值。從圖1中也可看出，pH值控制回路是主環,酸堿液的流量回路是副環。

圖1　pH值調制池的控制原理

圖2　pH值串級控制系統

2　pH值串級控制系統

為提高調制池中pH值的控制精度,采用自適應的模糊PID控制算法,并且引入專家控制來調整模糊PID的量化因子Ke和Kec,進一步提高控制器的自適應能力和控制精度。

厭氧處理過程的pH值控制方案的結構如圖2所示。影響調制池pH值大小的因素主要有入水pH值、中和液的濃度和流量。這里主要側重調節和穩定中和液的流量,因此,考慮到上面存在的干擾,把中和液的流量調節作為副環,調節池的pH值控制作為主環,這樣組成厭氧處理過程的pH值串級控制系統。其中,主環的pH值控制器選用帶有專家協調級的模糊PID控制器,以此來提高pH值的控制精度和響應速度；副環的流量控制器選用常規的PID控制來提高響應速度,有效快速地克服中和液的濃度干擾。

當中和液的濃度發生波動時,流量調節回路就會具有快速調節作用,有效地克服干擾。其中,按pH值的設定值與實際值的偏差來選擇中和液是鹽酸還是氫氧化鈉,即選擇好控制回路。

3　專家模糊PID控制器的設計

模糊PID控制器是使用較廣泛的先進智能控制算法,其控制精度高,抗干擾能力好。但是模糊PID控制器的量化因子Ke和Kec對模糊PID控制器性能有一定影響,因此,引入專家控制來實時調整量化因子,其控制器結構如圖3所示。專家模糊PID控制器可以分為基本模糊控制級和專家智能協調級兩個部分。

圖3　專家模糊PID控制器結構

3.1基本模糊控制級

3.1.1模糊控制器輸入及輸出變量

在厭氧處理的pH值控制中,模糊PID起到最基礎的作用,模糊PID控制器的設計至關重要。模糊PID控制是將模糊控制思想與PID控制相結合,實現PID參數的自調整,提高控制器的控制性能。模糊PID控制器的核心思想就是利用模糊控制規則,根據實際的偏差和偏差變化率來實時調整PID參數。

模糊控制器的輸入是pH值的設定值與實際值的偏差e和偏差變化率ec,輸出則是比例、積分、微分參數。pH值實際控制過程中,pH值偏差范圍為[-7,7],故由映射關系,設輸入變量e和ec的基本連續論域為[-3,3]；輸出變量的基本論域為[-3,3]。將輸入和輸出變量分別模糊化后,得出輸入和輸出的模糊論域為{-3,-2,-1,0,1,2,3}。輸入和輸出變量的模糊子集均為{負大,負中,負小,零,正小,正中,正大},記為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。輸入和輸出變量的兩條邊界隸屬函數NB和PB選用高斯型隸屬函數,其余的考慮到計算方便和控制精度問題,均選用三角形隸屬函數。

3.1.2模糊控制查詢表

模糊PID控制中,最核心的是模糊控制規則表,最后PID參數的輸出由制定的模糊控制規則表決定。

pH值偏差e和偏差變化率ec在不同范圍時,調整PID參數的原則不同。當偏差e的絕對值較大時,應取較大的Kp來提高響應速度,取較小的Kd來避免微分飽和情況；當偏差e的絕對值較小時,應適當增加Kp和Ki值,避免在設定值附近出現震蕩[7]。根據這些調整原則可得出Kp、Ki、Kd的模糊控制規則表(見表1～表3)。模糊控制規則表不能直接控制被控對象,要進行反模糊化,把模糊量變成精確量,所以采用加權平均法進行解模糊。根據輸入e和ec模糊量化后的值,計算出Kp、Ki、Kd的具體數值,即可得到最終的模糊控制查詢表,然后存儲在計算機中,后序的實時控制時,根據各自的模糊控制查詢表來確定最終控制量輸出的大小。

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

3.2專家智能協調級

在模糊PID控制器中,量化因子Ke和Kec對模糊PID控制器的控制特性有一定的影響,如果使用固定不變的Ke和Kec,控制器的動態響應和穩態精度很難同時達到控制要求。因此,利用專家經驗規則,并且通過專家系統的在線自學習和推理能力來調整Ke和Kec,使其可以根據偏差e和偏差變化率ec的范圍來實時改變并提高控制器的性能。

專家控制主要是根據某個領域的專家經驗來進行推理,解決較復雜的問題。專家控制的基本工作原理是首先通過信息獲取和處理單元,獲取專家和操作員工的相關經驗知識,把這些經驗知識進行處理,組成專門的知識庫。然后推理機根據知識庫中的專家經驗進行推理,同時更新知識庫。最后把推理機的推理結果和控制規則集里相關的規則進行匹配,決定最終的輸出來控制被控對象。最后的輸出信息被反饋送到專家控制器中的信息獲取和處理單元中,進行與之前相同的操作,不斷經過檢測處理、推理、輸出等過程,以此來實現對控制對象的實時控制。

在一般的閉環系統的階躍響應的開始階段,采用變參數控制來獲取良好的控制特性,Ke應取最大值,Kec應取最小值。當輸出靠近閾值e_max時,減小Ke,同時增大Kec,可避免出現超調,也不會影響系統的上升時間。當系統出現超調,減小Ke,增大Kec[8]。

根據相關的專家控制經驗,得出下面的專家控制規則：

(1) ife>0 andec<0 ande>e_max, thenKe(k)=Ke_max,Kec(k)=Kec_min

(2) ife>0 andec<0 andee_max, thenKe(k)=Ke_1-ΔKe,Kec(k)=Kec_1+ΔKec

(3) ife*ec>0, thenKe(k)=Ke_1-ΔKe,Kec(k)=Kec_1+ΔKec

(4) elseKe(k)=Ke_1,Kec(k)=Kec_1

式中,Ke_max和Kec_min為量化因子的最大值和最小值；e_max為設定的閾值；Ke_1和Kec_1為量化因子Ke和Kec的上一采樣周期的值。

利用專家控制規則調整模糊PID的量化因子的過程,在后面的仿真中要通過S函數來實現，如圖4所示。利用Simulink庫中的S-Function模塊建立一個專家調整模糊PID量化因子的子系統。上述的專家控制規則用M文件編寫完成,并命名為expertc.m。然后把圖中S-Function模塊中的S-Function name參數設置為上面編寫的M文件的名稱expertc,模塊的S-Function parameter參數設置為Ke和Kec的初始值。最后封裝即可得到利用專家規則調整模糊量化因子的子系統。

圖4　專家調整量化因子的子系統

圖6　模型匹配時的仿真結果

圖7　模型失配時的仿真結果

4　仿真實驗

為了驗證帶有專家協調級的模糊PID控制方案在實際應用時的可行性,先把控制算法在Simulink中進行仿真,根據仿真結果判斷方案的實用性。

[9],考慮因為管道和儀表檢測過程的純滯后,pH值的數學模型可近似為式(1)。

(1)

式中,V表示pH值調制池的容積；F表示入口廢水的流量；τ為過程的延遲時間。根據實際情況,選取式(1)中的參數為：V=102m3；F=250m3/h；τ=4s。

把參數代入,并化簡得到最終的pH值的數學模型見式(2)。

(2)

另外,副回路的流量控制過程的傳遞函數選取為式(3)。

(3)

圖5　控制方案的仿真模型圖

把上面的專家控制規則用M文件編寫,并利用S-Function模塊把S函數調用到建立的模糊PID的Simulink仿真模塊中。整個控制方案建立的仿真模型圖如圖5所示。

當主回路和副回路的傳遞函數與式(1)和式(2)匹配時,利用構建好的專家協調級的模糊pH值串級控制仿真模型進行仿真,并與無專家協調級的模糊PID串級控制及常規PID控制方案相比較。最后的仿真結果如圖6所示。

實際控制過程中,受各種干擾因素的影響pH值的數學模型參數不可能保持固定。因此,必須考慮當模型參數發生變化時,控制方案的自適應能力和控制精度是否依然滿足控制要求。

當主回路和副回路的傳遞函數中的參數在一定范圍內發生變化時,3種控制方案的響應曲線如圖7所示。

從圖6和圖7的仿真結果可知本課題提出的帶有專家協調級的模糊PID串級控制方案,在主環和副環的傳遞函數參數不變和參數發生變化時,均能滿足實際的pH值控制要求,超調小,系統的響應速度快,過渡時間短,并且能夠及時快速地消除副環出現的干擾。因此,專家協調級的模糊PID控制方案具有較強的自適應能力,魯棒性好,同時控制精度和動態響應都優于無專家協調級的模糊PID控制和常規PID控制方案。

5　實際應用

根據提出的專家協調級的模糊PID控制方案,將控制方案應用到制漿造紙廢水的厭氧處理過程中來控制調節池的pH值,提高厭氧處理的效率。

實際應用時,采用西門子S7-300系列的PLC產品,并且利用STEP7編程來實現專家協調級的模糊PID控制算法。S7-300系列的PLC功能強大,自動化程度高,其中STEP7采用模塊化編程。實際的控制過程是由操作站的WINCC組態界面對現場的pH值進行給定值設定,PLC程序根據現場檢測儀表反饋回來的現場的pH值,計算出偏差以及偏差變化率,然后通過專家模糊算法給出最后的控制器輸出,決定中和劑酸或堿的加入量,以此達到控制調制池pH值的目的。

厭氧處理過程的pH值范圍為6.8～7.2,在實際控制中,把pH值的設定值設為7,從實際的控制曲線圖8中可以看出,實際測量值在pH值等于7的左右進行波動,能夠較好地滿足6.8

6　結　論

在制漿造紙廢水處理中,厭氧處理過程的pH值會直接影響厭氧菌的生長以及后序的反應過程,因此必須設計一套高效合理的控制系統來控制調制池的pH值。考慮到中和反應的非線性特點,引入模糊自適應的PID智能控制算法,并對其進行改進。由于模糊PID控制器中的量化因子對模糊控制器有直接的影響,一般模糊PID控制器的量化因子都固定不變。本課題利用專家系統中的專家經驗和控制規則來實時地對模糊控制中的量化因子Ke和Kec進行調整,改善模糊PID控制器的控制品質,使其滿足系統對動態響應和穩態精度的要求。最后的計算機仿真結果表明控制方案的實際可行性和可移植性,可以有效地對厭氧處理過程的pH值進行控制,同時,控制方案的抗干擾能力和魯棒性都較好。

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(責任編輯：常青)

Application of Fuzzy-PID Based on Expert Supervisory in pH Cascade Control System

ZHANG Ai-juanHU Mu-yi*HUANG Ya-nanXIONG Zhi-xin

(JiangsuProvincialKeyLabofPulpandPaperScienceandTechnology,NanjingForestryUniversity,Nanjing,JiangsuProvince, 210037)

pH value is a nonlinear object with large time delay and strong interference in the anaerobic process of papermaking wastewater. Therefore, this paper designed the pH cascade control system based on expert adjustment of fuzzy PID quantization factor. The system used the expert rules to adjust quantization factor of fuzzy control, so as to improve the accuracy of fuzzy controller. Application results showed that the control system possessed edvident practicality and load efficient control result.

expert supervisory； fuzzy PID； anaerobic treatment； the control of pH

張愛娟女士,在讀碩士研究生；研究方向：專家控制在造紙行業的應用。

2015-12-17(修改稿)

江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室;江蘇高校優勢學科建設工程資助項目。

TS736

ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.07.009

*通信聯系人：胡慕伊先生,E-mail:muyi_hu@njfu.com.cn。