基于神經網絡自適應的吸收塔漿液PH值控制

雷濤鋒

（大唐戶縣第二熱電廠，陜西西安710065）

基于神經網絡自適應的吸收塔漿液PH值控制

雷濤鋒

（大唐戶縣第二熱電廠，陜西西安710065）

為提高吸收塔漿液PH值控制系統的自適應能力以抵抗系統非線性及干擾的影響，提出了基于小腦神經網絡的自適應PID控制器。推導了小腦神經網絡自適應控制器，考慮到高階微分對噪聲的敏感性，控制器中只保留比例、積分和微分項，該魯棒控制器兼有PID控制性能。為了驗證魯棒自適應PID控制器的性能，與常規PID和模糊自適應PID控制器作階躍響應和抗干擾性能進行了對比，結果表明了魯棒自適應PID控制器的優越性。

吸收塔漿液PH；小腦神經；自適應；PID

相關資料顯示，我國酸雨形成的主要原因來自于SO2的排放，而SO2的排放主要源于火電廠的廢氣排放，控制SO2的排放已經迫在眉睫[1]。脫硫技術主要包括SO2燃燒前控制、燃燒中控制和燃燒后控制，我國普遍應用燃燒后控制中石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術[2]。石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統的一項重要參數是漿液PH值，隨著SO2的吸收率的升高而增大，當PH值大于6.2時，脫硫產物主要是CaSO3·1 /2H2O，其溶解度很低，極易達到飽和而在塔壁和部件表面上結晶，形成厚的結垢。PH值較低時，雖然結垢減少，但SO2的吸收率也會減小。當PH值降到4.0以下時，SO2的吸收率幾乎為零[3]。漿液PH值還會影響石灰石、CaSO4·2H2O和CaSO3·1/2H2O的溶解度，漿液較高的PH值利于SO2的吸收，而較低的PH值利于石灰石的溶解和CaSO3·1/2H2O的氧化，二者矛盾[4]。工程上一般選用漿液PH值在5.4～5.5之間，可以獲得較理想脫硫率，同時又可使CaSO3的含量低于1%[5].

漿液PH值控制系統存在大滯后、非變性及時變性等特點，工業上只采用PID控制，固定的參數使得控制系統難以適應環境的變化，PH值的控制難以達到理想的控制效果。文獻[3]中提出了模糊PID自整定，具有一定的自適應性，但模糊參數的確定需要有豐富的專家經驗知識，并且調試中耗時較長。由于神經網絡具有學習系統任意非線性的能力，基于神經網絡的PID自適應控制尤其受到廣泛關注[6]。Albus在1975年提出的小腦模型關節控制器（CMAC）是一種基于局部逼近的簡單快速的神經網絡，已被廣泛應用于諸多領域[7]。本文鑒于傳統PID在一類非線性不確定系統控制中的缺陷，提出了基于CMAC神經網絡的魯棒自適應PID控制方法。

1　CMAC神經網絡基本原理

CMAC是一種表達復雜非線性函數的表格查詢型自適應神經網絡，該網絡可通過學習算法改變表格的內容，具有信息分類存儲的能力。在這種技術里，每個狀態變量被量化并且問題空間被化分成離散狀態。量化輸入構成的向量指定了一個離散狀態并且被用于產生地址來激活聯想單元中存儲的聯想強度從而恢復這個狀態的信息。其結構如圖1所示。

圖1　CMAC神經網絡結構圖

CMAC可以逼近任意的非線性系統，設待逼近的函數為

其中X=[x1，x2，…，xn]T，Y=Yd，Yd為期望輸出。

如圖1所示，CMAC神經網絡通過兩個階段映射實現式（1）關系式。兩個映射關系為：

S：X→A，即v=S（X）

P：A→Y，即Y=P（v）=wTv

其中w=[w1，w2，…，wN]T，v=[v1，v2，…，vN]T，則有

CMAC神經網絡的連接權學習算法為

2　魯棒自適應PID控制器設計

考慮任意的一個非線性系統如式（2）

式中，ai（i=0，1，…，n-1）已知，△為系統運動狀態發生改變時系統產生的不確定性，d（t）為未知外部干擾，f（y，…，y（n-1））為未知光滑非線性函數。

定義跟蹤誤差e=yd-y，代入式（2）可得到

定義系統狀態變量為

則由式（4）可得系統狀態方程為：

式中

由式（5）可知，可設計魯棒自適應控制器為

式中，unom＝Kz為根據標稱系統設計的控制項，自適應控制項為

控制結構圖如圖2所示。

圖2　魯棒自適應控制結構圖

式（7）中，反饋增益K由最優控制理論，可得

上式中，對稱正定矩陣P滿足Riccati方程：

其中，Q為正定對稱矩陣，R＞0.

CMAC神經網絡權值調整規則為：

式中，β為CMAC神經網絡權值學習系數。

在式3-9所示的控制器作用下，原系統可被寫為

針對上述魯棒自適應控制器，簡化為魯棒自適應PID控制器，僅留下誤差的比例、積分和微分，降低了測量噪聲的影響。

由式（5）可得

式中，

則魯棒控制器變為

CMAC神經網絡權值調整規則為

式中，β為CMAC神經網絡權值學習系數。

魯棒自適應PID控制器具有結構簡單，參數調整方便，魯棒性強，自適應能力好等優點，適合于工程應用。

3　仿真研究

為了驗證魯棒自適應PID控制器的性能，進行仿真研究，并與常規PID和模糊自適應PID控制器作對比。

根據實際工況，控制對象吸收塔漿液PH值可近似為一個一階滯后慣性環節:

常規PID控制器試湊出最理想一組控制參數：

Kp=0.099，Ki＝0.01，Kd＝0.0005

系統仿真工具為Matlab/Simulink環境，仿真步長采用0.001 s固定步長，仿真算法采用四階龍格-庫塔算法。

3.1階躍響應

漿液PH值為5.4～5.5時，脫硫效果最為理想，設定階躍終值為5.0，仿真結果如圖3所示，魯棒自適應PID控制器在超調量和調節時間上明顯都優于其他兩種控制算法。

圖3　控制器階躍響應對比

3.2抗擾性能

系統運行時，不可避免地受到外界干擾，這就要求控制器有較強抗干擾能力，防止系統振蕩。為了驗證魯棒自適應PID控制器的抗干擾能力，在t=40 s時加入擾動，同時對比常規PID控制器和模糊自適應PID控制器的抗干擾能力。

控制器抗干擾性能對比如圖4所示，魯棒自適應控制器在4 s內將系統穩定；模糊自適應PID控制器超調量最小，但系統出現了振蕩；常規PID超調最大，振蕩的周期和幅值最大。

圖4　控制器抗干擾性能對比

4　結束語

基于小腦神經網絡的自適應控制器利用小腦神經的動態處理問題能力來估計吸收塔漿液PH值控制系統的廣義逆模型，能很好地處理系統的非線性問題。小腦神經網絡PID控制器兼有PID和小腦神經網絡特性，魯棒性強，抗干擾能力強，結構較簡單，具有工程實用價值。

[1]中國環境保護產業協會脫硫脫硝委員會.我國脫硫脫硝行業2012年發展綜述[J].中國環保產業，2013，（7）：8-20.

[2]王淇，趙霞.DCS系統在火電廠煙氣脫硫控制系統的實現[J].自動化與儀表，2008，23（2）：36-39.

[3]王彬.石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統優化[D].濟南：山東大學，2010.

[4]曾庭華.濕法脫硫系統對鍋爐尾部煙道和煙囪影響的研究[J].電力建設，2002，23（4）：19-23.

[5]Edmund S.Baronll.Clean Coal Project Nears Commercial Operation[J].PowerBngg，1995，99（2）：31-36.

[6]Monfared Mohammad，Daryani Abbas Molavi，Abedi Mehrdad，Online tuning of genetic based PID controller in LFC systems using RBF neural network and VSTLF technique[J].Neural Network World，2008，18（4）：309-322.

[7]J.S.Albus，A New Approach to Manipulator Control:the Cerebellar Model Articulation Controller（CMAC）[J].Trans，ASME，J.Dyn.Syst.Meas.Contro.1975，97，（3）：220-227.

PH Control of Absorption Tower Slurry Based on Neural Network

LEI Tao-feng
（Datang Huxian Second Thermal Power Plant，Xi’an Shaanxi 710065，China）

An adaptive PID controller based cerebellar model articulation（CMAC）controller is presented for improve adaptive ability of absorber slurry PH control system against the influence of nonlinear and disturbing. Considering the sensitive of differential of high order to noise，a CMAC controller only containing proportional integral differential is deriving，which also has the characteristic of PID.The simulation results of step response and capacity of resisting disturbance demonstrate the effectiveness of robust adaptive PID controller by contrast with normal PID controller and fuzzy adaptive PID controller.

absorber slurry PH；CMAC；adaptive；PID

TP273

A

1672-545X（2016）10-0021-04

2016-07-11

雷濤鋒（1984-），男，陜西西安人，本科，助理工程師，從事脫硫控制研究。