基于模糊-PID的合成反應(yīng)過(guò)程pH控制方法

熊 偉

(長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，化工生產(chǎn)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位，反應(yīng)釜作為化工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用頻率最高的反應(yīng)器，廣泛應(yīng)用于各種工藝流程，而在新能源材料合成反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)釜中合成反應(yīng)環(huán)境的pH值是其主要被控量。pH值不僅影響著產(chǎn)品的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，而且影響著產(chǎn)品質(zhì)量，在化工生產(chǎn)過(guò)程中，需要嚴(yán)格將pH值控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，否則就可能導(dǎo)致成品的合格率下降，甚至無(wú)法生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

本文針對(duì)新能源材料合成反應(yīng)pH控制過(guò)程中存在的高度非線性、時(shí)滯性等問(wèn)題，在分析反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，提出了一種具有良好控制品質(zhì)的模糊PID控制，通過(guò)pH值的檢測(cè)值和設(shè)定值之間的誤差和誤差的變化率動(dòng)態(tài)修改PID控制的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)pH值的穩(wěn)定控制。仿真結(jié)果表明，與常規(guī)PID控制相比，模糊自適應(yīng)PID控制具有更好的控制性能。

1 合成反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)與工作原理

合成反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)一般由釜體、傳動(dòng)裝置、攪拌裝置、密封裝置等構(gòu)成。釜體是合成反應(yīng)釜的一個(gè)主要裝置，多為不銹鋼罐型容器，可以在罐內(nèi)裝入物料，使物料在其內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。攪拌裝置主要是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，將反應(yīng)物料進(jìn)行攪拌、分散與混合。此外，在反應(yīng)釜上還安裝了溫度計(jì)、pH計(jì)、液位計(jì)等傳感器，對(duì)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。

球形氫氧化鎳的合成反應(yīng)是一個(gè)典型的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。在含有球形氫氧化鎳母體的料漿中，加入一定濃度的硫酸鎳溶液、氨水溶液和氫氧化鈉溶液，在特定溫度、pH值、時(shí)間下反應(yīng)，料漿經(jīng)過(guò)陳化、洗滌、過(guò)濾、干燥，就可以得到球形氫氧化鎳。合成反應(yīng)中氫氧化鎳漿液的pH值控制對(duì)球狀氫氧化鎳的形成形態(tài)至關(guān)重要，一般要求穩(wěn)定誤差范圍在±0.01以內(nèi)。合成反應(yīng)中影響反應(yīng)物pH值的因素主要是堿液的添加控制。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，穩(wěn)定控制pH值非常困難。一方面，堿液作為反應(yīng)物不斷參與合成反應(yīng)會(huì)使pH值降低，而加入的堿液過(guò)剩就會(huì)造成pH值升高。另一方面，由于pH值控制過(guò)程的強(qiáng)非線性性以及大滯后等特點(diǎn)，常規(guī)的PID控制難以達(dá)到理想的效果。為此，研究基于模糊自適應(yīng)PID的pH值穩(wěn)定控制方法尤為必要。

圖1 反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意圖

2 模糊-PID控制

新能源材料合成反應(yīng)過(guò)程pH的控制比較困難。結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際問(wèn)題，研究出一種模糊控制器，該控制器是根據(jù)決策表來(lái)對(duì)控制量進(jìn)行判斷，決策表的特點(diǎn)就是依靠專家的控制經(jīng)驗(yàn)制定。因此，把經(jīng)典PID控制與模糊控制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，使系統(tǒng)結(jié)合了靈活性、適應(yīng)性強(qiáng)以及控制精度高三個(gè)特點(diǎn)，組成新型的模糊-PID控制器，使系統(tǒng)的控制簡(jiǎn)單便捷化，控制效果更加精準(zhǔn)、高效、穩(wěn)定。

2.1 控制原理

模糊PID控制算法主要是由模糊控制器和PID控制器結(jié)合而成，結(jié)合了模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)，使PID控制器參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整自動(dòng)適應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，從而提高系統(tǒng)的跟隨能力及響應(yīng)速度，特別適合于時(shí)變性和非線性較大的被控對(duì)象。其工作流程圖如圖2所示。

圖2 自調(diào)整模糊控制工作流程圖

參數(shù)KP、KI、KD設(shè)定公式為：

(1)

2.2 控制器設(shè)計(jì)

基于模糊PID控制策略的堿液添加控制方法以pH值偏差e和偏差變化率ec為兩個(gè)輸入變量，以ΔKP、ΔKI和ΔKD作為三個(gè)輸出變量。根據(jù)pH值控制精度要求，將輸入量e、ec以及輸出量ΔKP、ΔKI和ΔKD的模糊子集設(shè)為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，記為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。E、EC和ΔKP、ΔKI、ΔKD的論域定義為[-1,1]，隸屬度函數(shù)選用三角隸屬函數(shù)。因?yàn)閜H值要求在(-0.01，0.01)范圍內(nèi)變化，則Ke=1/0.01=100，偏差變化率在(-0.005,0.005)范圍內(nèi)變化，則Kec=1/0.005=200。

模糊控制器的設(shè)計(jì)核心是模糊規(guī)則的建立，模糊規(guī)則是否恰當(dāng)是模糊控制器控制效果好壞的直接影響因素。模糊規(guī)則根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的大量運(yùn)行數(shù)據(jù)以及實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)總結(jié)得出，采用“if E and EC，then U”類型的控制規(guī)則?？偨Y(jié)的規(guī)則表如表1所示。

表1 ΔKP、ΔKI、ΔKD的模糊控制規(guī)則表

在獲取e、ec的響應(yīng)語(yǔ)言值后，由規(guī)則表中對(duì)應(yīng)的模糊決策，經(jīng)Mamdani模糊推理算法，得出3個(gè)修正值的模糊量，再通過(guò)重心平均法求取輸出量的精確值，乘以比例因子，得出ΔKP、ΔKI和ΔKD三個(gè)模糊參數(shù)修正值；最后利用式(1)～式(3)，得出整定后的三個(gè)PID參數(shù)KP、KI、KD的值。

由于計(jì)算機(jī)整定的特點(diǎn)，對(duì)于PID參數(shù)是是離散化的，通過(guò)差分公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算，從而得出輸出控制量：

然后，根據(jù)PID特性控制閥門的開(kāi)度，就可以控制堿液進(jìn)入反應(yīng)釜的多少并且控制堿液進(jìn)入反應(yīng)釜的速率，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)物料pH值的穩(wěn)定控制，提高生產(chǎn)合格率。

3 仿真分析與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

(1)仿真實(shí)驗(yàn)與分析。根據(jù)pH值控制系統(tǒng)試驗(yàn)及相關(guān)資料研究，取反應(yīng)釜的數(shù)學(xué)模型為二階傳遞函數(shù)為：

在MATLAB/Simulink軟件中建立該控制系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)；同時(shí)將其與常規(guī)PID控制系統(tǒng)進(jìn)行比較。Simulink仿真如圖3所示。

設(shè)置100 s的仿真時(shí)間，對(duì)系統(tǒng)施加單位階躍信號(hào)，在50 s時(shí)對(duì)系統(tǒng)施加一個(gè)干擾信號(hào)，經(jīng)過(guò)仿真后的曲線如圖4所示。

圖3 模糊PID Simulink仿真框圖

圖4 pH值控制系統(tǒng)加入擾動(dòng)后響應(yīng)曲線圖

由圖4可以看出，模糊PID控制和常規(guī)PID控制相比，超調(diào)量減少了，并且縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，在50s后加入干擾信號(hào)后，模糊PID比常規(guī)PID波動(dòng)小，調(diào)節(jié)時(shí)間快。

(2)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用?；谀：齈ID 的控制方法已用于某電池正極材料合成反應(yīng)過(guò)程的pH值的自動(dòng)控制中。根據(jù)pH給定值和實(shí)際反饋值的偏差的大小，查找計(jì)算和處理得到的控制表，給出不同的變頻器頻率，從而控制堿液的添加量等以消除偏差，實(shí)現(xiàn)pH值的穩(wěn)定控制。現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

從圖5中可以看出，模糊PID控制在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果很好，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時(shí)間快，達(dá)到了預(yù)期的穩(wěn)定控制效果，滿足合成過(guò)程對(duì)pH值的生產(chǎn)運(yùn)行要求。

4 總結(jié)

在新能源材料球狀氫氧化鎳合成過(guò)程中，對(duì)反應(yīng)釜中反應(yīng)料液的pH值的穩(wěn)定控制直接影響合成材料球狀氫氧化鎳的形態(tài)品質(zhì)。針對(duì)新能源材料球狀氫氧化鎳合成過(guò)程中對(duì)pH值的控制精度要求，提出了一種基于模糊PID的合成反應(yīng)過(guò)程pH控制方法。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可知，本文建立的模糊PID控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的PID控制相比，改善了對(duì)反應(yīng)環(huán)境的pH值控制效果，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，能夠滿足新能源材料合成反應(yīng)過(guò)程中對(duì)pH值控制的精確度要求，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。