基于硬件環(huán)境的pH值控制算法研究與設(shè)計

艾昌文 艾明曦

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

在自動化領(lǐng)域，pH值控制策略引起了許多研究人員的興趣，并產(chǎn)生了有價值的研究成果，部分研究還結(jié)合酸堿中和反應(yīng)的特點(diǎn)，通過模擬仿真的方式對不同控制算法的優(yōu)劣進(jìn)行了評價，但這些研究成果大都沒有與具體的硬件環(huán)境相結(jié)合，受設(shè)備條件的限制和現(xiàn)場因素的影響，而實(shí)際控制過程遇到的問題要復(fù)雜得多。筆者從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，基于系統(tǒng)硬件構(gòu)成和具有高靈敏度特性的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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(yōu)的控制效果。

1.1 分段PID控制

酸堿中和反應(yīng)呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性特性、大時滯特性和快時變特性，難以建立數(shù)學(xué)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(tǒng)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(yán)重非線性的pH值中和過程，中性臨界點(diǎn)附近的高增益使得常規(guī)PID控制器的參數(shù)調(diào)整非常困難。

為了用線性控制的方式實(shí)現(xiàn)pH值的非線性控制，通常采用分段PID控制策略，以近似表達(dá)pH中和反應(yīng)的非線性特點(diǎn)。在具體的實(shí)現(xiàn)方式上，一般采取三區(qū)段非線性變增益PID控制算法[2，3]，由于減小了中和反應(yīng)非線性的負(fù)面作用，其控制效果優(yōu)于常規(guī)PID控制器。但分段PID控制不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，在控制器設(shè)計中，區(qū)段的劃分比較困難，不具備對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)性，缺乏學(xué)習(xí)功能，沒有理論分析結(jié)果保證其穩(wěn)定性，而且參數(shù)的在線整定非常困難。

1.2 模糊控制

一些難以建立數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)，用模糊邏輯推理對系統(tǒng)的實(shí)時輸入狀態(tài)觀測量進(jìn)行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制決策，卻能夠取得很好的控制效果。模糊控制技術(shù)常用于pH值調(diào)節(jié)[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(jī)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(shí)際應(yīng)用中，通常選擇誤差e及其微分項(xiàng)Δe作為推理參數(shù)構(gòu)造推理規(guī)則表。

模糊控制的優(yōu)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(shù)學(xué)理論，能適用于比較復(fù)雜的不確定非線性系統(tǒng)。其主要問題在于缺乏良好的學(xué)習(xí)能力，精確度較差，應(yīng)用到非線性系統(tǒng)中有時難以保證穩(wěn)定性。

1.3 無模型自適應(yīng)控制

無模型學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制(MFLAC)是從I/O數(shù)據(jù)中提取出偽梯度向量和偽階數(shù)，并以此為基礎(chǔ)在受控系統(tǒng)軌線附近用一系列的動態(tài)線性時變模型替代一般離散時間非線性系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)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(yīng)地尋優(yōu)和修正控制器或閉環(huán)通道上的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對pH值控制系統(tǒng)的自適應(yīng)控制。

另一種常見的無模型自適應(yīng)策略(MFA)則是將一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)引入控制器模塊，以輸出向量的誤差為基礎(chǔ)來減少系統(tǒng)輸出與設(shè)定值之間的差距，在線地修正其中的加權(quán)因子從而達(dá)到自適應(yīng)控制的目的[8,9]。

無模型自適應(yīng)控制具有收斂性和穩(wěn)定性的理論證明，應(yīng)用于pH值控制已取得實(shí)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(jié)構(gòu)上和行為功能上對人的控制進(jìn)行模擬。通過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過必要的訓(xùn)練后，由人實(shí)現(xiàn)的控制方法是接近最優(yōu)的。這種方法不需要了解對象的結(jié)構(gòu)、參數(shù)，不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，而是最大限度地識別和利用控制系統(tǒng)動態(tài)過程所提供的特征信息，根據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)和知識進(jìn)行在線推理，合理確定或變換控制規(guī)則[11]。

仿人智能控制在同樣條件下，所獲得的有關(guān)動態(tài)過程的各種信息要比傳統(tǒng)控制方式豐富得多，它不僅知道當(dāng)前系統(tǒng)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(jié)合的多模態(tài)組合控制方法，能對復(fù)雜系統(tǒng)(如非線性、快時變、復(fù)雜多變量及環(huán)境擾動等)進(jìn)行有效的全局控制，并具有較強(qiáng)的容錯能力和學(xué)習(xí)能力。其難點(diǎn)在于缺乏完整的理論體系支撐，需要對人工控制經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行提煉，根據(jù)獲取的特征信息，建立并優(yōu)化其控制規(guī)則。

2 硬件平臺和工藝流程

在應(yīng)用系統(tǒng)中，pH值控制算法需要在特定的硬件環(huán)境下運(yùn)行，現(xiàn)有的各類計算機(jī)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，不會成為應(yīng)用瓶頸，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)的及時性和控制精度直接影響控制品質(zhì)[1]，是決定控制算法能否有效實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

pH值控制過程是通過動態(tài)地向被測液體中添加酸、堿溶液來完成的，根據(jù)生產(chǎn)工藝的特定需求，有時要對添加劑流量做大幅調(diào)節(jié)，有時僅對添加劑流量做微小調(diào)節(jié)。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(fā)生堵塞的流量調(diào)節(jié)設(shè)備。因此，要達(dá)到良好的控制效果，對流量調(diào)節(jié)設(shè)備及其控制技術(shù)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(diào)節(jié)裝置，不僅可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)控制，適用于不同的應(yīng)用環(huán)境和要求。人工控制的難點(diǎn)在于個體的差異性、疲勞程度和響應(yīng)的及時性。

圖1為pH值自動控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。

圖1 pH值自動控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

pH值自動控制系統(tǒng)中使用電動球閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，與電動閥門配套使用的電動執(zhí)行器有不同的運(yùn)行速度，全行程時間從5、10、15、30s到60、100、120s不等，可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行選擇，在開關(guān)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(yuǎn)低于人工操作閘閥的控制靈敏度和精度，在需要進(jìn)行精確逼近控制時很難達(dá)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(shù)[12]，提高閥門的調(diào)節(jié)靈敏度，經(jīng)實(shí)際測試，其控制靈敏度可以達(dá)到2‰，很好地滿足了添加劑流量的微量調(diào)節(jié)需求。

電動球閥作為流量調(diào)節(jié)裝置，機(jī)電系統(tǒng)不需要頻繁工作，故障率低、維護(hù)量小、使用壽命長，特別是調(diào)節(jié)石灰水一類粘稠、含有未溶解的顆粒狀液體，不易出現(xiàn)堵塞，是電動球閥具有的主要特性。

設(shè)計的pH值控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的工藝流程如圖2所示。

3 算法實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計目標(biāo)

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

a. 當(dāng)pH檢測值與pH設(shè)定值有較大偏差時，需要實(shí)現(xiàn)大幅快速調(diào)節(jié)，縮短系統(tǒng)的穩(wěn)定時間，并朝目標(biāo)值進(jìn)行收斂；

b. 當(dāng)pH檢測值逐步接近pH設(shè)定值時，需及時調(diào)整控制策略，抑制并減少超調(diào)量，直至進(jìn)行微量調(diào)節(jié)，使被控pH值最大限度地逼近其目標(biāo)值并最終趨于穩(wěn)定；

圖2 pH值控制系統(tǒng)工藝流程

c. 適用性強(qiáng)，能應(yīng)用于不同的工業(yè)場合，控制參數(shù)的現(xiàn)場整定工作簡單易行；

d. 具有較強(qiáng)的故障診斷和抗干擾能力。

3.2 控制規(guī)則

通過對不同控制策略的特點(diǎn)進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，仿人智能控制算法非常適合于pH值控制，在難以建立數(shù)學(xué)模型的情況下，為了解決系統(tǒng)的大時滯、快時變及嚴(yán)重非線性等問題，對人工控制過程和行為進(jìn)行模擬，在良好的硬件環(huán)境支持下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)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(jìn)行辨識，根據(jù)辨識結(jié)果，合理地確定控制方式，實(shí)時地選擇大小和方向進(jìn)行閥門開度調(diào)節(jié)。在算法的具體實(shí)現(xiàn)上，先將辨識結(jié)果按優(yōu)先級別進(jìn)行劃分，然后建立分層控制規(guī)則，這是該仿人pH值控制算法的核心思想，其主要規(guī)則描述如下：

a. 第一層為最高優(yōu)先層，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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(dāng)異常情況發(fā)生時，對故障進(jìn)行識別、定位并報警，等待故障排除后再切換到正常運(yùn)行狀態(tài)。

b. 第二層識別閥門開度的經(jīng)驗(yàn)值，包括閥門初始開度經(jīng)驗(yàn)值和異常情況發(fā)生前閥門開度值。閥門初始開度經(jīng)驗(yàn)值是開機(jī)時閥門開度的依據(jù)；自動控制系統(tǒng)正常運(yùn)行時的閥門開度值，可以作為從異常情況發(fā)生、故障排除再回到正常控制時閥門開度的經(jīng)驗(yàn)值。

c. 第三層對pH值偏差和偏差變化率進(jìn)行識別，這是系統(tǒng)仿人工實(shí)現(xiàn)大幅快速調(diào)節(jié)的依據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)的誤差趨于增加或保持常值時，仿人控制規(guī)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(qiáng)烈，此時系統(tǒng)處于閉環(huán)工作狀態(tài)，抑制系統(tǒng)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(diào)的控制條件，當(dāng)系統(tǒng)誤差趨于減小并進(jìn)入微調(diào)范圍時，仿人控制規(guī)則采用微量調(diào)節(jié)模式，此時系統(tǒng)處于開環(huán)工作狀態(tài)，使被控參數(shù)最大限度地逼近目標(biāo)值，優(yōu)化控制效果。

對應(yīng)于控制算法運(yùn)行的硬件平臺，本次閥門開度Uk可用以下關(guān)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(guān)方向；

ek、ek-1、ek-2——最近3次的采樣偏差；

ek-m——上次閥門調(diào)節(jié)時的采樣偏差；

Tk——本次閥門開關(guān)時間；

Uk-1——上次的閥門開度。

從以上關(guān)系式可以看出，閥門開度的調(diào)整與系統(tǒng)輸出的誤差、誤差變化和誤差變化趨勢相關(guān)聯(lián)。

3.3 控制參數(shù)

控制參數(shù)的整定是應(yīng)用現(xiàn)場必須面對的工作，一個設(shè)計合理、適用性強(qiáng)的控制算法，不應(yīng)使參數(shù)整定的過程過于復(fù)雜和困難。除pH值控制的目標(biāo)值外，以下參數(shù)也對控制算法起關(guān)鍵作用：

a. 閥門初始開度經(jīng)驗(yàn)值U0。在特定的應(yīng)用場合，按照正常的生產(chǎn)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(jīng)驗(yàn)值。

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

c. 反應(yīng)時間t2。閥門開度調(diào)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(biāo)值±δ，在該范圍內(nèi)，當(dāng)Δe趨于0時，閥門位置處于保持狀態(tài)。

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(shí)質(zhì)影響，采樣周期短，閥門開度調(diào)整時開關(guān)幅度減弱；采樣周期長，閥門開度調(diào)整時開關(guān)幅度增強(qiáng)。

4 結(jié)束語

仿人智能控制具有非常廣闊的應(yīng)用前景，筆者將其應(yīng)用到pH值實(shí)時測控，通過建立分層控制規(guī)則，奠定了仿人控制設(shè)計目標(biāo)的基礎(chǔ)。相對于傳統(tǒng)控制方法，pH值仿人控制具有明顯的特點(diǎn)和優(yōu)勢，在算法主體架構(gòu)完成的基礎(chǔ)上，自動識別生產(chǎn)工藝特征，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的優(yōu)化和修正，該方法將較高地提升系統(tǒng)的智能化程度。

[1] 薛美盛，陶呈綱，鄭濤.pH值控制策略研究[J].化工自動化及儀表，2009,36(5):7～12,17.

[2] 黃美春，汪雄海.含銅廢水pH值控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].科技通報，2009,25(5):659～663.

[3] 鄭麗群，楊永寬，黃錦繡.蒸餾塔頂注氨及pH值自動控制系統(tǒng)的研制[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2009,26(4):34～36.

[4] 李勇剛，楊根，陽春華.基于參數(shù)自整定模糊控制器的沉鐵過程pH值穩(wěn)定控制[J].化工學(xué)報，2013,64(12):4557～4562.

[5] 陶權(quán).化工廢水處理PH值模糊控制器的設(shè)計與仿真[J].制造業(yè)自動化，2011,33(9):117～120.

[6] 佟世文.pH值系統(tǒng)變論域模糊控制器的設(shè)計及性能分析[J].智能系統(tǒng)學(xué)報，2011,(4):367～372.

[7] 曹榮敏，侯忠生.pH值中和反應(yīng)過程的無模型學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2006,42(28):191～194.

[8] 熊紅霞，崔峰，李錫文.基于模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的pH控制[J].機(jī)械與電子，2013,(4):41～43,46.

[9] 于蒙，鄒志云，趙丹丹，等.基于二次型優(yōu)化的單神經(jīng)元PID控制器及其pH控制過程應(yīng)用[J].計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2012,29(11):1335～1338.

[10] 付捍東，周振起，劉華云.無模型控制法在丙烯腈裝置pH值控制中的應(yīng)用[J].中外能源，2011,16(5):107～110.

[11] 王靜，肖超.復(fù)雜過程的多模態(tài)仿人智能控制策略[J].微電子學(xué)，2013,43(2):221～224.

[12] 艾昌文，曹良坤.電動閥門高靈敏度控制技術(shù)研究及其應(yīng)用[J].自動化儀表，2014,(11):80～82,86.