基于復合PID控制的高壓噴霧除塵系統的研究

孫威振，李 楠，呂雪飛，甘樹坤*

(1.吉林化工學院 機電工程學院，吉林 吉林 132022；2.吉林嘉德藍天環境技術有限公司，吉林 吉林 132011)

隨著我國社會的發展與進步，環境污染和身體健康問題越來越受人們的重視.目前城市群體的快速發展，建筑工地和建材制造地點成為主要的城市粉塵制造地，但是城市中綠色制備稀少、建筑物眾多且車流、人流量大，很難阻止粉塵擴散.粉塵的擴散不僅會導致空氣污染，還會嚴重危害場地施工人員和城市居民的身體健康.研究出一種高效的降塵除塵設備儼然已經成為迫在眉睫的事情.

1 噴霧除塵機理

噴霧除塵原理是使用霧滴的液態特性和空氣中的塵霾發生凝結的過程.霧滴消除空氣中固體粉塵的操作是結合了慣性碰撞、截留、擴散、重力效應，靜電效應等多種機理的綜合作用下完成的除塵步驟[1].在噴霧除塵的過程中這些機理現象不是同一時間內發生的，是利用機理本身的作用在不同的條件下根據空氣中粉塵顆粒的特性實行的針對性處理方式，通過這幾類處理方式大大提高了噴霧除塵的工作效率.

1.1 慣性碰撞

由于粉塵顆粒的大小是存在差異的，慣性碰撞針對的是稍大的顆粒，它在空氣中分布時會根據空氣中氣流變化擁有勢能，大部分的塵霾通過運動會與空氣中的小液滴發生碰撞，凝結在一起，達到除塵效果.慣性碰撞的除塵效率公式如下[2]：

(1)

Stk為顆粒 Stokes 數；a、b為與雷諾數相關的參數.

1.2 截留

截留是指塵霾運動時，當接近到一定范圍時，塵霾就會被液滴捕獲.影響截留作用的因素是塵霾顆粒的直徑.

截留參數(Kr)公式如下[2]：

(2)

dp為塵霾直徑，m；dc為霧滴直徑，m.朗茲截留效率公式[2]：

(3)

1.3 布朗擴散

空氣中細小微粒會憑借空氣動能的作用圍繞著霧滴表面運動，最終和霧滴凝結，此類現象稱為布朗擴散.普費弗得出布朗擴散的沉降效率公式如下[2]：

(4)

(5)

Pe為皮克萊數；Vm為氣流表觀速度，m/s；dc為霧滴直徑，m；D為塵霾擴散系數，m2/s.

1.4 重力效應

本次研究對象建筑工地和建材制造地，現場會存在稍大的顆粒飄浮在空中，因此要考慮到重力作用對噴霧除塵的影響，參考Ranz和Wong提出的重力沉降捕塵效率公式如下所示[2]：

(6)

KG為沉降參數；Up為粉塵顆粒的沉降速度，m/s.

1.5 靜電效應

因為研究地點的原因，可以得到空氣中存在的塵霾可能會帶有電荷.當粉塵存在靜電時，可以給噴霧施加相反電荷，讓兩者互相吸引，達到高效的降塵效率.靜電效應除塵效率表達式如下所示[2]：

(7)

εp為塵霾的傳電常數，C/(V*m)；Qw為一個單位霧滴攜帶的電荷量；C為Cunningham修正系數.

1.6 噴霧系統的總體除塵效率

噴霧除塵系統的降塵效率是各個機理綜合作用的結果，所以當計算噴霧除塵的總體效率時，應當把各個機理效率都計算進去.假設除塵機理是相互獨立的，計算公式如下所示[2]：

η0=[1-(1-η1)(1-η2)(1-η3)(1-η4)(1-η5)]*100%,

(8)

η0為霧滴的除塵效率；η1為霧滴的慣性碰撞效率；η2為霧滴的截留捕塵效率；η3為霧滴的布朗擴散捕塵效率；η4為霧滴的重力效應捕塵效率；η5為霧滴的靜電效應捕塵效率.

2 噴霧除塵控制系統的組成

本研究采用高壓噴霧除塵的技術，目的是將細水霧的直徑大小達到最小值.通過上文公式數據分析發現，霧滴的大小將會直接影響除塵效果，通過計算得知，霧滴直徑越小除塵效果越明顯[3].關于噴霧除塵控制系統總體分為三大模塊，包括現場硬件配置、下位機編程實現系統運行、上位機實現畫面遠程監控和操作.總體結構框圖如圖1所示.

圖1 總體模塊框圖

2.1 現場硬件配置

噴霧降溫系統中現場除塵器件是執行裝置.對于硬件裝置需要配備儲水箱、補水泵、過濾器、粉塵密度檢測傳感器、耐高壓噴頭、高壓水泵、電磁調節閥、液位傳感器、壓力傳感器等.儲水箱是為了確保噴霧裝置擁有穩定的供應源，設計中增加的有液位傳感器，當液位降低到設定范圍后通過PLC控制調節閥對水箱進行補水.過濾器主要是為了避免雜質進入堵塞噴嘴，降低噴霧效率.高壓水泵主要是起到加壓的作用，一方面是為了給管道加壓，讓噴出的水霧更細微化，降低霧滴直徑；另一方面是為了給噴出的霧滴一個動能，避免聚集在一起，不能夠大范圍地覆蓋除塵面積[4-5].粉塵密度傳感器屬于噴霧降溫系統中的環境監測部分，通過實時檢測空氣中粉塵含量來對噴霧流量大小進行控制.

2.2 下位機PLC系統

PLC應用于噴霧除塵系統實現了自動化控制.研究將選用西門子1200系列PLC，此類型屬于小型可編程邏輯控制器，占地空間小、操作簡單、可滿足功能多，是PLC200的升級版，功能介于傳統的中型和小型PLC之間[6].噴霧系統中下位機主要功能是通過傳感器將收集到的數據進行數模轉換反饋給PLC，然后再通過PID調節電磁閥開度來控制現場設備運行[7].因為PLC1200模塊分布明了，所以通過各個模塊作用進行編寫程序來實現對現場硬件設備的控制.程序編寫會涉及以下幾個模塊：主程序控制、手自動轉換、數模轉換、PID控制、故障程序終止.主程序控制是主要控制硬件系統的通電運行；數模轉換模塊需要調用指令對輸入值進行數模轉換，對輸出值進行數模轉換，執行這一操作的主要原因是下位機讀取的是模擬量，當設定值時數字量又比較直觀；PID控制模塊是針對被控對象達到理想值設立的模塊，目的是為了達到預想效果；故障程序終止模塊的作用是為了減少安全事故和資金浪費，最大程度上減少事故發生.程序編寫選用梯形圖語言，優點是簡單易懂.

2.3 上位機組態搭建

為實現噴霧降溫系統的智能化，搭建上位機組態畫面，選用WinCC軟件進行搭建[8].當上位機與下位機建立通訊以后，可以實現遠程操控，也可以在組態畫面上對現場情況進行監控.上位機會設計以下幾個界面，包含水箱水位報警畫面，當水箱液位較低時，會發出補水警告并且伴隨報警燈閃爍；噴霧流量調節畫面，對噴霧流量的調節主要是對調節閥的控制，調節閥開度是通過PID控制，流量調節畫面包含PID參數調整，得到最優控制方案；手自動切換和報錯停止畫面，手自動調節是對系統的控制包括手動開環控制和自動閉環控制，當系統出錯時，為了避免對元器件的損壞，在上位機上設置強制停止按鈕，可以遠程結束系統的運行.

3 控制方案

3.1 傳遞函數

根據系統設計可知被控對象為空氣中粉塵的濃度，經過紅外傳感器檢測粉塵濃度大小，進而控制電磁調節閥的開度，實現噴霧除塵系統的最優化控制.綜合參考文獻得出傳遞函數為[9-10]：

(9)

3.2 控制方式選型

在工業控制過程中，許多被控制對象具有純滯后的性質.史密斯純滯后補償模型與PID并聯搭建史密斯預估器可以明顯減少控制滯后的缺陷[11].由于粉塵濃度變化受影響因素較多，且除塵結果呈現滯后性、時變性、非線性等不穩定特性.Smith預估控制可以有效解決滯后問題，但是系統表現出非線性和時變性的特點，普通PID并不能有效解決非線性和時變性問題.當給普通PID加入模糊規則，使其模糊化加強PID魯棒性效果，加強PID隨著控制系統中控制因素變化實時調整控制策略.故噴霧除塵系統將選用Smith-模糊復合PID，其控制結構如圖2所示.

圖2 Smith-模糊控制框圖

3.3 控制方案設計

Smith-模糊PID控制主要是由兩部分組成，包括模糊PID的搭建和Smith預估補償器.在Matlab軟件上搭建復合PID模型，如圖3所示.

圖3 Smith-模糊PID控制器

圖3中FuzzyPID是模糊PID部分，模糊PID主要通過給普通PID加入模糊規則使其模糊化，確保Kp、Ki、Kd數值根據控制對象的變化及時調整，可以對噴霧除塵系統的非線性和時變性做出及時調整.模糊PID模塊結構如圖4所示.

圖4 模糊PID模塊

針對高壓噴霧除塵系統選用了普通PID、Smith預估控制器和Smith-模糊PID 3種方法進行試驗研究.針對這3種方式的控制效果在Matlab中進行了模型搭建與仿真.模型搭建如圖5～8所示.

圖5 普通PID與Smith預估器模型

圖6 普通PID與Smith預估器仿真結果

圖8 Smith預估器和復合PID仿真結果

圖7為普通Smith預估器和復合PID的控制程序圖，圖8為控制程序的仿真結果.圖中實線代表復合PID，虛線代表Smith預估器.

圖5為普通PID和Smith預估器的控制程序圖.圖6為控制程序的仿真結果，圖中上部代表普通PID，下部代表Smith預估器.通過仿真可以明顯地發現加裝預估器后可以有效地解決控制系統的時滯性問題.

根據在Simulink中的仿真結果顯示，復合PID對于控制噴霧除塵系統的效果更好、時滯性短、反應迅速.綜合比較后，高壓噴霧除塵系統選用Smith-模糊PID控制方式.

4 總體結構設計

對噴霧除塵系統進行了簡單的結構設計，簡圖中實現了該系統的主要功能：除塵.具體設計需要現場考察，根據情況增加所需模塊，通過軟硬件結合的方式讓噴霧除塵控制系統達到最佳效果[12-13].噴霧除塵系統的設計簡圖如圖9所示.

圖9 噴霧除塵系統的設計簡圖

該噴霧除塵系統中包含調節閥、高壓水泵、蓄水箱、傳感器、噴頭、上位機和下位機，實現了裝置的自動化運行.模塊中涉及軟件和硬件的連接，選用以太網通訊的方式對軟硬件建立連接.簡圖中只是簡單介紹了硬件設備名稱，具體選用還會考慮到型號以及參數.

5 功能實現

5.1 模擬仿真結果

根據噴霧除塵系統的設計簡圖搭建模擬仿真平臺.使用博圖軟件對PLC1200下位機進行程序編寫，使用博圖對上位機畫面進行組態搭建.運用S7-PLCSIM軟件進行編譯仿真，進行手動輸入設定值和測量值，通過監視對程序進行觀察，仿真驗證各個程序模塊的準確性.通過簡單處理分析，得到PLC運行系統的正確性，確保了程序的可實施性.通過以太網通信接口建立PLC與軟件的連接，確保系統程序能夠寫入到PLC1200中.

5.2 帶載試車

5.3 高壓噴霧除塵優勢

研究選用的是高壓噴霧除塵，通過高壓作用降低噴頭噴出的細水霧顆粒直徑，擴大水霧分布面積，提高水霧覆蓋率.另外噴霧除塵選用水分子和塵霾的作用機理來進行除塵，水分子和粉塵凝結最終通過重力作用返回到地面.噴霧作用會增加地面潮濕度，地面粉塵不會因為其他因素的影響再次進入空氣中污染空氣，既凈化了生產過程中粉塵污染，也減少了地面粉塵的污染，并且噴霧采用的主要物質是水，水無論被蒸發反饋回空氣中，還是直接滲透到地下都不會對環境造成污染.使用噴霧方法除塵效果明顯、除塵速度快，考慮到施工地點會有工人作業，選用Smith-模糊PID閉環控制系統，針對除塵作用反應迅速，不僅可以大幅度減小誤差，快速除塵還減少粉塵對施工人員身體健康的影響.

6 結 論

研究是圍繞噴霧除塵系統展開的，首先通過分析除塵機理對空氣中粉塵顆粒的影響計算出噴霧的除塵效率，然后根據除塵要求搭建除塵系統平臺.重點研究了控制方法對除塵系統的影響，經過綜合比較Smith預估PID、普通PID、模糊PID、Smith-模糊PID，發現復合PID的控制效果最好.不僅能夠快速地反饋給PLC控制器，還能有效減少外界因素的干擾.最后根據實驗條件搭建了噴霧除塵系統模型，實現了水霧的降塵效果.設計的除塵自動控制系統通過帶載運行反映出了它的操作智能化、運行穩定、實驗數據契合實際，對相關系統的設計具有較好的應用和參考價值.